[论文解读] The cold interstellar medium of galaxies in the Local Universe

A. Saintonge, Barbara Catinella|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2022

Pharmacological Effects and Assays被引用 9

一句话总结

本综述综合了邻近星系中冷星际介质（ISM）的观测标度关系，表明恒星形成速率由总冷气体质量、分子气体分数和气体耗尽 timescale 所决定。关键结果揭示，恒星形成主序列和质量-金属丰度关系从根本上受气体可用性和效率的影响，且在不同星系质量与环境间表现出系统性差异。

ABSTRACT

The cold interstellar medium (ISM) plays a central role in the galaxy evolution process. It is the reservoir that fuels galaxy growth via star formation, the repository of material formed by these stars, and a sensitive tracer of internal and external processes that affect entire galaxies. Consequently, significant efforts have gone into systematic surveys of the cold ISM of the galaxies in the local Universe. This review discusses the resulting network of scaling relations connecting the atomic and molecular gas masses of galaxies with their other global properties (stellar masses, morphologies, metallicities, star formation activity...), and their implications for our understanding of galaxy evolution. Key take-home messages are as follows: (1) From a gas perspective, there are three main factors that determine the star formation rate of a galaxy: the total mass of its cold ISM, how much of that gas is molecular, and the rate at which any molecular gas is converted into stars. All three of these factors vary systematically across the local galaxy population. (2) The shape and scatter of both the star formation main sequence and the mass-metallicity relation are deeply linked to the availability of atomic and molecular gas. (3) Future progress will come from expanding our exploration of scaling relations into new parameter space (in particular the regime of dwarf galaxies), better connecting the cold ISM of large samples of galaxies with the environment that feeds them (the circumgalactic medium in particular), and understanding the impact of these large scales on the efficiency of the star formation process on molecular cloud scales.

研究动机与目标

• 通过系统性的观测调查，综合当前对邻近星系中冷ISM的理解。
• 识别连接冷气体质量、恒星形成与星系整体属性的关键标度关系。
• 阐明气体储库与转换效率如何调控恒星形成主序列与质量-金属丰度关系。
• 识别在低质量星系中对冷ISM理解的关键空白，及其与星系晕介质（CGM）的关联。

提出的方法

• 分析测量H i 21-cm辐射与CO谱线辐射的河外巡天，分别追踪中性气体与分子气体。
• 使用尘埃相关示踪剂估算总气体质量，并验证不同星系群体中的气体分布。
• 构建冷气体质量分数、恒星质量、恒星形成速率与金属丰度之间的全局标度关系。
• 量化H i与H₂的气体耗尽 timescale（tdep），并分析其与星系质量及恒星形成效率的依赖关系。
• 对恒星形成主序列与质量-金属丰度关系进行统计建模，将其与气体含量及转换效率相联系。
• 整合从宇宙大尺度结构吸积到分子云尺度恒星形成等多尺度过程，以解释观测到的星系演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在本地星系群体中，中性气体与分子气体质量如何随恒星质量、形态与金属丰度变化？
• RQ2 冷气体储库与耗尽 timescale 如何决定恒星形成主序列的形状与离散度？
• RQ3 为何位于主序列之上或之下的星系表现出不同的气体含量与效率分布？
• RQ4 冷ISM如何通过星系晕介质（CGM）与星系际介质（IGM）调控星系演化？
• RQ5 致密与稀疏分子气体比例在调节气体耗尽 timescale 与恒星形成效率方面发挥何种作用？

主要发现

• 冷ISM占邻近宇宙中所有重子物质的约1.3%，并占总恒星质量密度的约35%。
• 当中等质量星系的恒星质量超过~10¹⁰.³ M☉时，中性与分子气体分数急剧下降，低质量星系则拥有延伸且解耦的中性气体储库。
• H i的耗尽 timescale 平均约为3 Gyr，但不同星系间差异显著；而H₂的耗尽 timescale 随恒星形成效率降低而系统性增加。
• 恒星形成主序列的形状主要由M(H₂)–M∗关系决定，其次由tdep(H₂)随质量缓慢上升所影响。
• 位于主序列之上的星系具有更高的分子气体分数与更短的耗尽 timescale，表明气体转化效率更高。
• 位于主序列之下的星系则以减少的气体储库为主，更长的耗尽 timescale 可能源于致密与稀疏分子气体比例的变化。