[C II]辐射示踪的原子和分子气体

最新的ALMA和JWST观测为早期宇宙再电离时期星系的诞生和演化提供了新信息。其中，红移$z > 5$处的冷气体预算测量尤为重要，因为冷气体被认为是恒星形成的主要燃料。探测高红移星系物理特性的有力工具是\CII\ $158\,\rm \mu m$发射线。由于其激发势较低，\CII\辐射可产生于光解离区、中性原子气体和分子云中。为了准确捕捉这些环境中发生的冷气体过程（分子形成、自屏蔽、尘埃颗粒催化、光电加热和宇宙线加热），我们利用了一套新的最先进流体动力学模拟（\coldsim），该模拟包含了时间依赖的非平衡化学、恒星形成、恒星演化、金属扩散和反馈机制。我们能够在宇宙学背景下精确追踪\HI、\HII\和H$_2$的演化，并预测每个气相成分对\CII\光度的贡献。我们提供了可用于根据\CII\探测估计分子和原子气体质量的公式。此外，我们分析了转换因子如何随星系属性（如恒星金属丰度、恒星形成率和恒星质量）演化。我们证明，\CII\辐射主要由\HI\气体主导，且大部分\CII\光度产生于温暖、致密的恒星形成区。重要的是，我们得出结论：尽管\CII\主要示踪原子气体而非分子气体，但\CII\光度仍然是H$_2$质量的稳健指示器。