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上海交大学者发现仅用2个参数的简单数学公式即可描述宇宙整体的恒星形成历史

理解恒星如何在宇宙中形成是天体物理研究的主要目标之一。为了回答这个问题,通常天文学家需要借助望远镜对星系进行测光和光谱观测,并将获得的光信号通过精密的计算分析来获得星系或整个宇宙中恒星形成率的估计。正因为这个参数是如此重要,以至于现今的星系形成理论及数值模拟都以能否再现恒星形成的“实际观测结果”来调整参数。最近,上海交大李政道研究所博士后研究员Antonios Katsianis与天文系合作的一项研究工作中,通过对数百万个星系的观测结果进行汇总,发现一个简单的数学公式就可以优雅且物理驱动地描述宇宙整体的恒星形成历史。而在从事该课题的研究过程中,该项目的主要作者还揭示了当代河外天体物理学一个潜伏的危机——恒星形成率研究领域使用的研究方法存在严重问题。为了获得星系的特性如恒星形成率或恒星质量,不同的研究人员一直依赖于不同的理论模型和假设。有两个尤其令人惊讶的地方:1)正如团队在另一项工作中指出的:由于采用了不同的模型假设,在长达十年的时间里,学界一直存在着多种互相矛盾的结果;2)尽管每项工作在其自己的研究框架中不大可能犯低级错误,但我们至今无法确认到底哪种研究结果才是准确的(尤其是对遥远的星系),因为我们不知道真实的结果。为了彻底理解这些矛盾的起源,研究团队决定将星系恒星形成率的研究按不同指标/数据集分成不同的类别:a)带有尘埃修正的UV数据集;b)红外数据集。很明显,这两个类别的数据在恒星形成率测量上表现出了严重的系统差异。围绕着上述两个类别的测量结果,该工作获得的第一个主要发现是:尽管存在系统差异,这两个类别的宇宙恒星形成率密度都可以用仅由2个参数的Gamma(a,b)分布函数——一个被广泛应用于众多领域的数学形式(例如:生物学里传染病随时间传播的分布,工程学里建筑随时间退化的关系等)——来描述。

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图1 宇宙中恒星形成率的演变符合伽马分布

该工作同时还指出,不仅恒星形成率的观测结果存在严重的差异,数值模拟研究中也同样存在严重的问题——包括计算分辨率限制造成的以及模型本身的问题。因此团队决定简化资料及运算过程,而仅使用纸和笔来构建理论模型。该模型通过考虑标准宇宙学的一些基本参量,结合数值模拟结构形成的特征,仅用2个自由参数来同时正确描述恒星形成历史的形状和幅度!这一结果建立了宇宙恒星形成率密度模型研究历史上的一个新标杆——过去几十年里,最著名的恒星形成率密度模型是采用4参数拟合的经验公式,不存在明确的物理驱动。团队的这一成果近期发表于天体物理顶级期刊The Astrophysical Journal。

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基于简单假设(如宇宙临界物质密度等)推导的宇宙恒星形成率密度模型

对于该成果,合作者之一上海交通大学的杨小虎教授这样评价:“该工作最大的创新之处是它的物理驱动。以前的SFRD模型是以红移为变量的函数,更多地和宇宙的尺度挂钩,是一个纯经验的拟合公式;而新模型中以宇宙的年龄为变量,与恒星形成相关的气体吸积和消耗时标挂钩,具有很强的物理驱动。”

另一合作者紫金山天文台的郑宪忠研究员这样评价:“该工作让我们对基于不同观测指标获得的恒星形成率密度测量有了更为全面的理解。同时,考虑到星系中的恒星形成包含了众多复杂的物理过程,宇宙中的整体恒星形成率居然可以用仅有2个自由参数的伽玛函数来描述——确实让人惊叹!”

围绕这一主题,研究团队将继续探索它的物理起源及在天体物理研究领域中的应用。

最后,Antonios Katsianis博士总结:“恒星形成是宇宙中最重要的物理过程之一,因此有很多现象还需要我们开展进一步研究和提炼,从而获得更多新发现、获得对我们宇宙更深层次的理解。”

论文链接https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ac11f2


作者:Antonios Katsianis

翻译:杨小虎、刘扬韵

供稿单位:李政道研究所


       

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