高红移星系中冷气体的致密性

早期宇宙中的星系比现今的星系更致密，且含有更多分子气体。本文重新审视了这些经验发现之间的关系，并定量预测了常规星系中原子氢(HI)和分子氢(H2)面密度的宇宙学演化。我们的方法采用基于压力的星际介质H2/HI比率模型，并将其应用于千禧年模拟中的约3×10^7个虚拟星系。我们预测，在所有红移(z)下，这些星系的HI面密度平均饱和于Sigma_HI<10 Msun/pc^2，而H2面密度则剧烈演化，遵循Sigma_H2∝(1+z)^2.4。这一标度关系主要由(1+z)^2的面亮度标度主导，而后者源于高红移星系(1+z)^{-1}的尺度标度。当前基于CO观测推导的高红移Sigma_H2测量值往往更高，这可以通过对并合系统的选择偏差得到定量解释。然而，尽管我们的高红移预测与稀疏的经验数据一致，但我们强调经验数据可能受到严重的选择偏差影响，且半解析模型在许多方面仍存在不确定性。作为案例研究，我们考察了在z=0时类似于银河系的模拟星系的宇宙学演化。我们明确预测了它们在z=1.5（对应于CO探测到的星系BzK-21000）和z=3（对应于阿塔卡马大型毫米/亚毫米阵列(ALMA)的主要科学目标）时的HI和H2分布。