目录

1

1. Introduction

重点关注星系形成与演化过程中的物理过程，用物理学原理去理解相关现象：

  1. 宇宙学框架
  2. 初始条件
  3. 各种物理过程

时间换空间并利用统计的方法来获取星系演化的完整图像。

Scaling relations ==> 其中的物理机制

1.1 The diversity of the galaxy population

星系的多样性需要一系列物理参数进行描述，成功的星系形成与演化理论应该能够完整的描述这些物理参数的分布。

Morphology

笼统的分为spiral和elliptical，其根源是由于不同的形成机制而导致恒星的运动行为不同:

  1. spiral(late-type galaxy, disk galaxy)==>以有序的自传为主，有旋臂结构
  2. elliptical( early-type galaxy)==>以无序的随机运动为主

实际情况则是两种分类的混合，elliptical和spiral两种恒星运动成分的叠加：

  1. 盘主导星系 late-type galaxy，里面的elliptical成分叫做bulge
  2. 椭圆成分主导 early-type galaxy，含有少量盘成分，这个ETG叫做disky elliptical

Hubble sequence:
\

  1. 不同的形态对应于不同的物理性质
  2. 不同的形态对应于不同的形成机制

Hubble type之外的形态：

  1. irregular--形态不规则，富气体，强恒星形成
  2. dwarf spheroidal--贫气体，年轻恒星较少

Luminosity and Stellar

光度：分布很宽，1000L⊙∼1012L⊙1000L_{\odot} \sim 10^{12}L_{\odot}

通常星系的光度正比于恒星的数量和恒星质量，但是仍然存在较大的弥散==>同等质量下，年轻恒星发光多==>质光比上的差异源自于星系的星族构成。

统计描述：光度函数, 暗星系数量更多

Size and Surface Brightness

星系大小定义模糊（因为边界难以确定），通常用R50R_{50}等代替
一般而言，越亮的越大，但是存在一些弥散
星系的大小与星系的动力学相关，和形成机制有关

Gas Mass Fraction

可以表示冷气体转化为恒星的效率 椭圆星系气体少，盘星系的气体与表面亮度反相关

Color

颜色=两个测光波段的星等差
一般来说，椭圆星系更红

颜色与恒星星族的年龄和金属丰度相关，偏红对应于年龄老或者富金属
尘埃红化也会是颜色变红

Environment

形态与环境有很强的相关性

  1. elliptical倾向于高密度环境，如cluster
  2. spiral倾向于低密度环境，如field

Nuclear Activity

Active galactic nuclei(AGN)，核心辐射远强于一般的星系，非恒星辐射成分，源自中心黑洞的吸积盘

Redshift

在统计上，高红移=早期，红移序列=演化序列

1.2 Basic Eliments of Galaxy Formation

星系形成与演化理论的总体框架

1.2.1 The Standard Model of Cosmology

宇宙学原理的两个基本假设：宇宙均匀各向同性+广义相对论

宇宙的基本描述参数：曲率KK（宇宙的时空结构），标度因子a(t)a(t)（宇宙尺度随时间的增长）

现代宇宙学：判定宇宙的几何性质，预言宇宙热历史和物质构成。星系的形成过程严格的依赖于前两者。

宇宙成分的基本构成：可见物质（重子物质，光子，中微子，电子），暗物质，暗能量

不同宇宙学模型的差异：

  1. 重子物质，暗物质，暗能量的比例
  2. 暗物质，暗能量的物理本质

根据Λ\LambdaCDM模型，能量密度比例4:21:75

1.2.2 Initial Conditions

完全均匀的宇宙不会出现大尺度结构，所以必须要引入扰动。然而标准的宇宙学模型并没有提供相关的过程。

早期宇宙的物理过程很难用标准宇宙学描述，需要对其进行延伸。其中的一种延伸认为量子涨落提供了最初的扰动种子。这其中，暴涨理论十分的成功。在暴涨时期，真空能的量子扰动可以导致密度涨落。

这些细微的涨落提供了解释宇宙形成演化过程的初始条件。

观测事实：微波背景辐射的涨落，星系成团结构

1.2.3 Gravitational Instability and Structure Formation

早起的涨落会导致物质密度的不均匀，这种不均匀会随着时间慢慢增长。
物质不均匀=>引力平衡被破坏=>物质流动=>物质更加不均匀

  1. 静态宇宙，δρ/ρ∝et\delta \rho / \rho \propto e^t
  2. 膨胀宇宙，δρ/ρ∝tα,α>0\delta \rho / \rho \propto t^{\alpha}, \alpha > 0

扰动强度：

  1. δρ/ρ≪1\delta \rho / \rho \ll 1时，低强度，linear regime，高密度区域的物理尺度由于宇宙的膨胀将会随时间增加
  2. δρ/ρ∼1\delta \rho / \rho \sim 1时，高强度，nonlinear regime，高密度区域的物理尺度会达到最大，再高的密度将会导致这个区域开始收缩，而不在随着宇宙膨胀而膨胀

非线性的区域会导致引力坍缩，而坍缩过程取决于产生引力扰动的物质成分：

  1. 普通的重子物质：有粒子碰撞过程，伴随有激波，如果辐射冷却效率低，最后会达到流体静力学平衡（自引力与压力梯度的平衡)
  2. 暗物质：无离子碰撞过程，没有激波，最后达到类流体静力学平衡，形成类似宇宙大尺度结构。非线性的类流体静力学暗物质天体即为暗物质晕。
  3. LCDM模型：重子物质+暗物质，形成宏观上宇宙大尺度结构（暗物质的效果），微观上暗物质晕里达到流体静力学平衡（重子物质的效果）

1.2.4 Gas Cooling

气体冷却过程取决于温度和密度

冷却的方式和维里温度（暗晕质量）有关

  1. Tvir>107KT_{vir} > 10^7K，以电子韧致辐射为主，高能辐射
  2. 104K<Tvir<106K10^4K < T_{vir} < 10^6K，以原子和离子的复合辐射，碰撞激发再辐射为主，紫外光学
  3. Tvir<104KT_{vir} < 10^4K，以重元素和分子的碰撞激发和碰撞退激发为主，射电红外
  4. 在早期宇宙，z>6z>6，微波背景辐射与热电子的逆康普顿散射也可以有效的冷却

除了逆康普顿过程，所有的冷却过程都是密度越大，冷却越快
在气体引力坍缩的过程中，

  1. 如果冷却时标很短，气体将不会达到流体平衡，而是继续收缩形成原初星系
  2. 如果冷却时标较长，气体在达到流体平衡后，仍然会缓慢的收缩，最后脱离暗物质晕形成原初星系

暗物质晕及其相关联的气体都有少量的角动量。
如果冷却过程的角动量守恒，可以形成气体盘结构，如盘星系

1.2.5 Star Formation

随着气体的冷却和內落，气体开始主导引力坍缩过程而不是暗物质。
坍缩过程会提升气体的温度和密度，冷却时标和坍缩时标都会缩短，但冷却时标缩短的更快。
由于冷却过快，原来的大块儿气体会被分割为若干个致密核，进而形成恒星。

恒星形成理论的未解决问题：

  1. 气体云转变成恒星的质量比例与时标
  2. 初始质量函数（原则上，可以由第一性原理推导出，不过对恒星形成的过程仍然了解不够）

恒星形成的两种模式：

  1. starburst，SFR高，小尺度内（经常是核区）聚集了大量气体，然后由外因（如相互作用和动力学不稳定）引起剧烈的恒星形成过程
  2. quiescent，SFR相对较小，气体由旋转的气体盘提供

1.2.6 Feedback Processes

观测上，只有一小部分的重子物质分布在冷气体和恒星中
理论上需要一个反馈机制阻止气体冷却或加热冷却气体

可能的反馈机制：

  1. 超新星反馈：强辐射和冲击波会加热周围气体并吹走
  2. AGN反馈：强辐射会加热气体。尽管目前AGN的比例并不高，但是一般认为所有的星系都可能经历过AGN的阶段。


通过冷却，恒星形成，反馈过程，星系内的冷气体，热气体，恒星动态平衡 ISM和IGM通过inflow和outflow联系起来

1.2.7 Mergers

hierarchical scenario, or bottom-up scenario：
大的暗物质晕是通过小的暗物质晕并和而增长

Merger tree

并和模式：

  1. 部分大质量halo的增长是通过并和大量质量非常小的halo，近似于平缓吸积过程
  2. 两个质量相当的暗物质晕并和，其过程非常剧烈：
    晕内的气体会被加热
    晕内的星系同样会发生并和\
  3. 暗晕质量差距很大，则不会十分剧烈
    小质量暗晕会在并和后在主暗晕旋转
    主暗晕和其卫星暗晕的并和过程中，如果卫星暗晕的质量足够大，其卫星暗晕的自身性质会保持很长一段时间，例：星系团，卫星星系（星系团暗晕包含一个质量较大的暗晕和若干个小暗晕）

等质量的星系并和会形成类似椭圆星系的结构，而与其并和星系形态无关：

  1. 椭圆星系被认为是通过星系并和形成的
  2. 如果并和后，有足够的冷气体同时有足够的角动量，就会形成星系盘，最终构成核球+星系盘结构

1.2.8 Dynamical Evolution

Stripping:

  1. tidal stripping：暗晕中的卫星星系由于受到来自主星系、其他卫星星系、暗晕自身势阱的潮汐力
    =>星系内气体，暗物质、恒星被剥离，或者结构发生变化
  2. ram-pressure stripping：暗晕中的热气体对其中星系的冷气体产生拖拽效果
    =>星系的冷气体被热气体剥离，在星系团中尤为明显

星系自身的动力学不稳定，会影响星系的形态=>如棒旋星系中棒结构的不稳定会产生psudo bulge

1.2.9 Chemical Evolution

原初宇宙形成了75%的氢，25%的氦，和极少量的锂
其他比锂中的元素都是在恒星的演化过程中形成的，并通过恒星风和超新星爆发抛射到ISM中

重元素之所以重要的原因：

  1. 影响恒星星族的颜色和光度
  2. 影响气体的冷却效率，富金属有利于气体冷却
  3. 组成尘埃的主要成分，影响星系的消光和红外辐射

利用化学演化，反推恒星形成历史和IMF

反馈过程和并和过程会引起气体的流动，进而影响化学演化

1.2.10 Stellar Population Synthesis

星系的光是不同质量，年龄，金属丰度的恒星的合成
=>可以预言化学演化

星光通过尘埃后的出射光难以预期，其不仅和尘埃数量有关，还和尘埃性质有关

还需要考虑AGN对星系辐射的贡献

1.2.11 The Intergalactic Medium

星系际介质（IGM）占整个宇宙中重子物质的多数，与星系的形成和演化过程紧密相关

通过探测背景AGN的吸收线可以有效研究IGM

1.3 Time Scales

几个典型物理过程的相关时标：

  1. Hubble time：tH=1/H0t_H=1/H_0，近似于大爆炸到现在的时间
  2. Dynamical time：tdyn=3π/16Gρ‾t_{dyn}=\sqrt{3\pi/16G\overline{\rho}}，通过公转穿过动力学平衡系统所用的时间
    Free-fall time：tff=tdyn/2t_{ff}=t_{dyn}/\sqrt{2}，无压力的球对称系统收缩到一个质点需要的时间
  3. Cooling time，气体冷却时间
  4. Star-formation time，冷气体全部转化成恒星所需的时间
  5. Chemical enrichement time，气体增丰时标，不同元素时间不同
  6. Merging time，主并和发生的时间间隔，与其相关的是并和率
  7. Dynamical friction time，t∝Mmain/Msatt \propto M_{main}/M_{sat}，卫星星系或暗晕被吞并的时间

关于时标的若干讨论：

  1. 比Hubble time长的物理过程可以忽略
  2. 如果cooling time比dynamical time长，热气体才能达到流体静力学平衡
  3. 如果star-formation time和dynamical time相当，变可以形成椭圆星系，如果star-formation time比dynamical time和cooling time长，则会形成盘星系
  4. 如果chemical enrichement time比star-formation time短，则不同时间形成的恒星会有不同的金属丰度

星系形成的时标是上述过程的复合，难以直接定义

1.4 A Brief History of Galaxy Formation

More details:
The Cosmic Century: A History of Astrophysics and Cosmology by Malcolm Longair (2006)

1.4.1 Galaxies as Extragalactic Objects

  1. 1784, Charles Messier, Messier Catalogue, 101 objects
  2. 1864, John Herschel, General Catalogue of Galaxies, 5079 objects
  3. 1888, Dreyer, New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars (NGC) and Index Catalogues (IC), 15000 objects
  4. 1920, Harlow Shapley and Heber Curtis, The Great Debate
  5. 1925, Edwin Hubble, 利用造父变星证实星系是河外天体
  6. 1930, Hubble sequence

1.4.2 Cosmology

  1. 1916, Albert Einstein, 广义相对论
  2. 1922, Alexander Friedmann, 宇宙学的静态和膨胀态解
  3. 1929, Edwin Hubble, 宇宙膨胀被发现
  4. 1940s, George Gamow, 宇宙大爆炸模型
  5. 1965, 微波背景辐射被发现
  6. 1981, Alan Guth, 暴涨模型
  7. 1998, 宇宙加速膨胀被证实

1.4.3 Structure Formation

Gravitational Instability

Initial Perturbations

Nonlinear Evolution