DeLucia2025CosmicQuenching
Brief
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- quench 话题来源于 SDSS 开始发现的星系 bimodal 分布，red sequence 一般更偏向 early-type、massive
- quench 常见机制包括内部/外部两类，前者包括 stellar/AGN feedback，后者包括 merger&starburst/starvation/gas stripping
- 在高红移 simulation 给出的预测相比 JWST 的观测是 less quench 的，但是本地又存在 over quench 的问题
Intro
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- passive, quiescent 以及 quenched 经常互换使用
- 观测上一般用红色/蓝色对星系是否 quench 进行区分，但是颜色同时受到年龄、金属丰度、尘埃的影响（简便性），而是否 quench 仅影响年龄
- 尘埃倾向于吸收和散射短波辐射，金属丰度的生效机制也是吸收恒星的蓝光和紫外光（line blanketing）
- 颜色的 bimodal 分布首先从 SDSS 观测中得到，也就是星系 population 可以大致分成 blue cloud 和 red sequence 两类，二者之间的 green valley galaxy 被认为是正在经历 quenching 的星系
- JWST 的观测发现是高红移也有很多 quiescent 星系
Observational overview
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- 测定 SFR 是区分星系是否 quench 的重要方法，SFR tracer 包括
- UV 辐射强度：但是容易被尘埃吸收和散射
- 远红外：测量被尘埃散射的 UV light，但是远红外光可能存在其他 source
- SED fitting 可以同时拟合 SFR、年龄、尘埃等多个参数，但是无法避免简并性影响，并且依赖 SSP model
- 气体发射线（最典型的是 Ha，还包括 OII）：谱线强度同样会受到尘埃消光影响
- local universe 的基本观测事实是星系存在 bimodal 分布
- fig1 三个 panel 分别是颜色、D4000 和 SFR，都可以看到 bimodal feature
- 从图上来看 red sequence 一般比蓝星系更亮/massive
- quenched galaxy 倾向于 early-type、中心存在 AGN、质量较大
- fig2 的结论
- blue cloud 的 sSFR 的峰值位置并不随质量改变，也就是 SF main sequence 是 universal 的
- 质量改变主要影响两个 peak 的相对比例：大质量星系由 red sequence 主导
- green valley 中星系很少对应于 rapid quenching
- bimodal feature 至少延续到 z~2
- SF galaxy 的质量密度在 z=1~2 达到峰值随后下降，而 quiescent galaxy 的质量密度始终处于增长中（fig3）
- downsizing: 质量最大的星系更早地完成 mass assembly 并且 quench
- Peng 2010 提出 mass/environmental quenching 是两个独立的过程，这个结论来源于「仅考虑 1Mpc 尺度上的星系分布的时候 SFR 仅和星系质量有关，独立于环境」的推论
- fig4 top panel 对比了 cluster galaxy 和 field 中的星系在 SF main sequence plane 上的分布（不是很理解）
- fig4 bottom panel 来源于 GOGREEN survey，结论是对于 quiescent/SF galaxy 在 cluster/field 中的归一化的 mass function 形状相同，但是总的质量函数有显著差别
- 总质量函数的差别来源于两类星系的比例不同，但是环境并不改变两类星系的质量分布
- cluster 在 z=1.5~2 之后由 early-type elliptical galaxy 主导，而在此之前的高红移 cluster 中存在很多的蓝色的 SF galaxy
- JWST 发现的高红移 quiescent galaxy 需要足够早起效的 mass-assembly/quenching mechanism 的解释
- fig5 展示了四个 massive quiescent galaxy 的光谱，红移从 4.6 到 0.7，分别来自 JWST/Keck/Magellan
Physical processes
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- 基本的理论框架是：星系的恒星形成依赖于冷气体的坍缩，而冷气体在星系内外存在「吸积-气体冷却/恒星形成-恒星反馈-气体驱散」的循环/负反馈/平衡过程
- quenching 可能发生于其中任何一个过程的破坏，比如
- 气体无法被吸积进星系（starving）
- 气体无法冷却（存在持续的 heating source）
- 快速消耗（比如 starburst）
- 气体从星系中排出/驱逐
- AGN feedback 可以通过 2/4 发挥作用
- fig9 是一个总结的示意图，把所有 mechanism 都画在里面
Internal processes
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- 低质量端依靠 stellar feedback，包括恒星自身 radiation 加热气体防止坍缩、stellar wind 将气体吹散、SNe 等形式
- 一般不足以完全 quench 一个星系，而是起负反馈调节作用
- 高质量端依靠 AGN feedback，这是大质量星系的 quenching 最主要机制；AGN 状态分为 quasar/radio mode 两种模式
- morphological quenching 指的是 bulge 的引力势阱会提高 disk stability 进而防止 SF 发生
External processes
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- merger 主要发生在 cluster 之外，因为 cluster 内部的星系相对速度很高
- 主要作用是引发气体向星系中心的吸积，有利于 starburst 消耗气体，另一方面也为中心 AGN 提供吸积原料
- post starburst 星系最终演化为 quenched elliptical galaxy
- starvation 指的是星系无法吸积冷气体，可能由于卫星星系落入 cluster 之后周围的 filament/reservoir 被剥离
- gas/ram-pressure stripping 指的是星系在 cluster 内部运动过程中受到 ram pressure 导致星系内的冷气体脱离
- fig8 展示了 Virgo 中两个星系的 gas stripping 过程（jellyfish galaxy）
- 剥离产生的冷气体 tail 中也可能存在 SF activity
Others
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- 气体坠入超过 1e12 质量的 halo 的过程中会产生 virial shock，加热周围的 cluster 内的 gas
- 各种引力相互作用都可能加热 gas
What we learned so far
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- 早期星系形成理论存在 over-cooling catastrophe，也就是模型预测的星系数目在高低质量端都数量过多，最终通过向模型中添加两种 feedback 解决（fig10 左右 panel 分别代表引入两种 feedback 的效果）
- 目前的一个问题是 over quenching problem 也就是 hydro simulation 或者 SAM 都给出了相比观测过高的低质量卫星星系的 quench 比例
- 在 Somerville2015PhysicalModelsGalaxy 中也有提到：「model 给出的 satellite quenching 相比观测过于突然和短暂，需要引入一些机制让 quench 过程更缓慢地发生」
- GAEA（SAM，引用是 review 作者）通过改进某些处理很好地重现了所有质量区间内的 sSFR 分布（观测来自 SDSS）
- 高红移的问题比较多
- fig12 理论的 satellite galaxy quenching fraction 相比 SDSS 观测是高估的（这里左边 panel 高估并不严重？）
- fig13 高红移的 massive 星系的数量和 JWST 观测相比比较少（实线和数据点对比）
- 左边 panel 中的灰色线代表 cosmic variance
- fig14 一些 simulation 对于 proto cluster 给出低于观测值的 SFR，也就是 over quench
- 后两个问题实际上是矛盾的
- 可能的 solution 是对 AGN feedback 的更细致的建模
- JWST 的观测倾向于支持 massive galaxy quenching 是由早早形成的 AGN 导致的
Outlook
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- 观测上可以指望测光 JWST/Euclid/Roman 和光谱 VLT/MOONS、Subaru/PFS、MSE
- （分子）气体的追踪需要 ALMA、SKA、MUSE
- Roman 相比 Hubble 的提升在于 FOV
- simulation 的前沿是
- zoom-in simulation 以及类似 FLAMINGO 的大体积宇宙学模拟
- 冷气体 phase 的细致处理
- 高红移的 sub-grid recipe 相比 local universe 可能存在无反馈 starburst、varied IMF 等差异
Supplement
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- 年龄-金属丰度简并指的是一个年轻、高金属丰度星族构成的星系可能看起来和低金属丰度、年老的星族非常类似
- ram pressure 本质上是一种动压，是 ICM 粒子和星系频繁碰撞的产物