星系演化的全景：全波段光度函数与金属的产生

星系何时以及如何形成，其金属元素又如何积累？在过去十年中，这已从一个考古学问题转变为一项实时研究：目前，我们对暗物质晕中星系的演化——包括其质量、恒星、金属和超大质量黑洞——有了一个广泛的图景。人们已经发现并研究了那些形成过程最为剧烈的星系，其回溯到宇宙时间中，直至星系际介质（IGM）仍基本保持中性的时期。然而，遥远星系中的星际介质（ISM）如何冷却、被恒星处理、循环并富集金属，以及如何为活动星系核（AGN）提供燃料，这些细节仍不确定。特别是，为恒星形成提供燃料的气体冷却过程，以及最活跃区域的化学和物理过程，在光学波段是隐藏的，但可以在中红外和远红外（IR）波段被观测和诊断。静止系红外观测的重要性首先在于识别最明亮、最有趣和最重要的星系，其次在于精确量化其总光度，最后在于利用光谱学追踪恒星形成的分子和原子气体的状态。为了在宇宙中全部的环境和大尺度结构范围内——从最致密的星系团到最空旷的宇宙空洞——描绘这些过程，我们需要能够对多达数百万个红移z~5的星系进行深度、大面积巡天以及详细后续光谱观测的工具。这些必要的工具在技术上是可行的。在此，我们概述了收集关键信息以构建、验证和挑战星系演化模型的要求。