[论文解读] The formation and cosmic evolution of dust in the early Universe. I. Dust sources

Raffaella Schneider, R. Maiolino|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, PhenomenaPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本文综述了早期宇宙中尘埃形成的理论模型，重点关注超新星和渐近 giant分支（AGB）恒星作为主要尘埃来源。研究发现，在标准或顶端重力初始质量函数下，AGB恒星的尘埃产量在数亿年内即可超过超新星，尤其在早期宇宙中占主导地位；而星际介质中的尘埃再处理过程——包括激波破坏与冷气体中的尘埃增长——在塑造高红移星系的尘埃预算和成分方面起着关键作用。

ABSTRACT

Dust-obscured star formation has dominated the cosmic history of star formation since z = 4. However, the recent finding of significant amount of dust in galaxies out to z = 8 has opened the new frontier of investigating the origin of dust also in the earliest phases of galaxy formation, within the first 1.5 billion years from the Big Bang. This is a key and rapid transition phase for the evolution of dust, as galaxy evolutionary timescales become comparable with the formation timescales of dust. Our aim is to provide an overview of the several findings on dust formation and evolution at z > 4, and of the theoretical efforts to explain the observational results. We have organized the review in two parts. In the first part, presented here, we focus on dust sources, primarily supernovae and asymptotic giant branch stars, and the subsequent reprocessing of dust in the interstellar medium, through grain destruction and growth. We also discuss other dust production mechanisms, such as Red Super Giants, Wolf--Rayet stars, Classical Novae, Type Ia Supernovae, and dust formation in quasar winds. The focus of this first part is on theoretical models of dust production sources, although we also discuss the comparison with observations in the nearby Universe, which are key to put constraints on individual sources and processes. While the description has a general applicability at any redshift, we emphasize the relative role of different sources in the dust build-up in the early Universe. In the second part, which will be published later on, we will focus on the recent observational results at z > 4, discussing the theoretical models that have been proposed to interpret those results, as well as the profound implications for galaxy formation.

研究动机与目标

• 评估超新星与AGB恒星在大爆炸后最初15亿年内对早期宇宙尘埃形成的相对贡献。
• 评估红超巨星、沃尔夫-拉叶星、经典新星及类星体喷流等替代尘埃来源在早期尘埃富集中的作用。
• 考察星际介质（ISM）过程——尤其是激波引起的尘埃破坏与颗粒生长——对高红移星系中尘埃存活与演化的影响。
• 为解释ALMA与JWST近期在z > 4观测到的显著尘埃质量提供理论基础。
• 探讨尘埃产量与成分如何依赖于恒星初始质量函数（IMF）、金属丰度及激波条件等关键天体物理参数。

提出的方法

• 利用经典、动力学与分子成核理论模拟超新星喷流中的尘埃成核，重点分析不同温度与密度条件下成核效率。
• 通过引入颗粒动力学、磁场效应及溅射与碎裂等物理过程，模拟超新星遗迹中的尘埃处理过程。
• 通过冷却致密星风中尘埃凝聚的理论模型评估AGB恒星的尘埃产量，并以本地观测结果进行校准。
• 以激波速度与颗粒尺寸分布为关键参数，评估星际激波对尘埃颗粒破坏的影响。
• 利用经验与物理约束，计算冷中性介质中通过气相金属吸附实现的颗粒生长 timescales。
• 在不同初始质量函数（IMF）、金属丰度与星际介质条件假设下，比较超新星、AGB恒星与类星体等不同来源的理论尘埃生成速率，以确定高红移环境下的主导来源。

实验结果

研究问题

• RQ1 在z > 4的星系中，超新星与AGB恒星对尘埃形成的相对贡献如何？
• RQ2 初始质量函数（IMF）与金属丰度的变化如何影响AGB与超新星尘埃形成的时机与主导地位？
• RQ3 星际介质中尘埃增长，特别是冷中性气体中的增长，能在多大程度上解释高红移星系中观测到的尘埃质量？
• RQ4 沃尔夫-拉叶星、经典新星与类星体喷流等替代来源在早期尘埃富集中的贡献效率如何？
• RQ5 如激波诱导破坏与磁场效应等ISM过程，在塑造早期星系中尘埃尺寸分布与存活率方面发挥何种作用？

主要发现

• AGB恒星的尘埃生产可在恒星形成后3500万年内启动，并在标准或顶端重力初始质量函数下，数亿年内可能超过超新星产生的尘埃。
• 在理想条件下，超新星喷流每年可产生数倍太阳质量的尘埃，但其存活率受限于反向激波的破坏，尤其在低金属丰度环境中更为显著。
• 冷中性ISM中的颗粒生长可在数百万年内完成，表明演化星系中相当大一部分尘埃质量可能源于原位生长，而非直接来自恒星生产。
• 尘埃被星际激波破坏的程度高度依赖于激波速度与初始颗粒尺寸，高速激波可高效破坏大颗粒。
• 在强类星体系统中，类星体喷流每年可能贡献数倍太阳质量的尘埃，但其作用受限于核区星际介质中已存在的金属富集，因此在宇宙极早期作用有限。
• 在z > 4时，尘埃来源的相对重要性对金属丰度与IMF极为敏感：顶端重力IMF会将AGB主导时间推迟至超过10亿年，而低金属丰度环境则更有利于超新星的快速尘埃生产。