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~/Obsidians/ Saintonge2025InterstellarMediuma

Saintonge2025InterstellarMediuma

Brief #

  • ISM 的主要组分可以按照 hydrogen 所处状态分为 H2、HI、HII
  • sec3 内容是对 SF/quiescent/dwarf/high-z galaxy 中 ISM 的普遍认识
  • baryon cycle 由 accretion/SF/feedback/outflow 等组成

Intro #

  • ISM 定义为星系内部恒星之间的主要由气体和尘埃组成的物质/能量
    • 在典型 SF 星系中质量占比大约是 10-20%；对于 ETG 则更低
    • 在全部 baryon budget 中占 1% 左右

Composition and structure #

  • ISM 具有多相性质：大致可以分为 hot/warm ionized medium、warm/cold neutral medium、molecular clouds
    • 不同相之间处于压力平衡状态所以具有恒定的 $nT$ 乘积
  • cold ISM 包括 CNM 以及分子云
    • CNM 一般只能通过 21cm line 观测，但是无法和 WNM 分开
    • H2 一般通过 CO 转动谱线观测，然后通过一个 factor 转化
    • dust-to-gas ratio 一般在 1% 左右
      • JWST 对 PAH 的观测可以示踪 dust 分布
  • warm ISM 包括 WNM 以及 WIM，温度在 5000-10000K 之间
    • WNM 的观测手段同样是 21cm line，分布更广
    • WIM 区别于 HII 区或者 planetary nebulae，广泛分布在星系中
  • HIM 一般占据体积主导地位，在 ETG 中 HIM 质量也是 ISM 中最高的
    • solar system 就处于一个 local bubble 中，由一次或者多次 SNe 形成

Census #

  • local SF galaxy ISM 的观测借助 21cm、CO 以及红外/mm 波段的尘埃热辐射实现
    • 主要观测结论是存在一个 SF main sequence
    • 随着质量的上升 HI-stellar ratio 下降，从 dwarf 的 100% 下降到 MW-like 的 10% 左右（fig2 left）
      • 可能和大质量星系吸积气体效率下降有关
    • H2 fraction 随着质量的变化不明显，大约保持在 10% 附近（fig2 middle）
      • 在最高质量端 SF main sequence flattening 可以解释为 H2 fraction 的下降
      • 自然地对应于 HI/H2 比例随着质量增加而降低的结论（Leroy2025GasGalaxies）
  • [quiescent/green valley] galaxy 是按照离开 main sequence 的程度来定义的，前者比 main sequence 低一个数量级以上
    • ETG 包括椭圆和透镜状星系
    • quiescent galaxy ISM 缺乏中性/分子气体，而是主要由 HIM 组成
    • quench 的机制包括加热/移除冷气体、阻断吸积渠道等
      • morphological quenching: 有些 ETG 具有不低的 HI 比例，但在核球产生的稳定引力势场下其气体盘非常平滑均匀，缺乏团块状碎裂进而 SF 的条件（fig3）
  • dwarf galaxy 中 HI 的质量超过了恒星质量，并且具有额外低的金属丰度和 dust 含量
    • 用 CO 示踪 H2 存在一定难度
  • beyond nearby
    • 对于高红移的 ISM 观测最充分的组分是分子气体以及 warm ionized medium
    • z=2 对应宇宙整体 SFR 最高的时期，气体含量比 z=0 高很多
    • 3-4 以及更高红移处，CO 谱线观测难度更高，需要用 CII、OIII 等谱线代替
      • CII 是 ISM 的一个重要冷却机制

ISM as a component of the baryon cycle #

  • baryon cycle 由气体流入、SF 以及气体流出三个过程组成，具体来说
    • 气体沿着 cosmic filament 从 IGM 流入 CGM 并且初步冷却
    • 气体进一步冷却进入 ISM 中、坍缩形成恒星
    • stellar/AGN feedback 驱动气体 outflow，其中部分会回流到星系环境中（fountain）
  • 星系消耗 ISM 气体的时标在 Gyr 量级，所以需要持续的补充
    • 平滑的吸积是最主要的补充方式，但是在 halo mass 超过 1e12 的星系中存在气体落入 CGM 中被加热导致的吸积效率下降
      • 通过金属丰度的不均匀性可以区分吸积入星系的贫金属气体和已经增丰过的星系气体
    • clumpy accretion 指的是星系合并较小的卫星星系，在高红移/对于大质量星系比较重要
    • outflow 入 CGM 的气体也可以重新凝结冷却落回星系（precipitation, or galactic fountain）
  • ISM 和恒星的作用是双向的：SF 发生在 ISM 中，而 stellar feedback 会反作用于 ISM
  • SFE 具有两种不同的定义
    • SFR 和 H2 质量之比，对应的时标大约是 1Gyr
    • 分子云的 SFE 定义为一个自由落体时间内转化为恒星的气体质量比例，大约在 1-2%
  • outflow 的主要参数是 mass-loading factor，指质量外流率和 SFR 的比值

Thoughts #

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