面向类似银河的星系的星际介质自由落下时间效率的宇宙演化

当前星系形成模型基于星际介质（ISM）的局部结构，但关于小尺度物理如何向全银河尺度属性传播的细节仍在争论中。为此，我们使用 {\small VINTERGATAN}，这是一项分辨率为 20 pc 的高分辨率 cosmological zoom-in simulation of a Milky Way-like galaxy。我们研究了 ISM 在 50-100 pc 尺度上的速度分散和密度结构如何随红移演化，并量化了其对星际自由落下时间内星形成效率 $\epsilon_{\rm ff}$ 的影响。在 starburst 期间，ISM 可达到约 $\sim 50$ km s$^{-1}$ 的速度分散，尤其在最后一次主要 mergers 事件（$1.3 < z < 1.5$）期间更为显著。 After a merger-dominated phase（$1<z<5$），{\small VINTERGATAN} 转为演化为 secular 方式，冷中性 ISM 通常具有约 $\sim 10$ km s$^{-1}$ 的速度分散。尽管密度和湍流分布在宇宙时间尺度上强烈演化，$\epsilon_{\rm ff}$ 在分辨率极限处仅变化几个数量级：从 $z>1$ 时的中位数效率 0.8% 到 $z<1$ 时的 0.3%。质量加权平均显示，普遍的 $\langle \epsilon_{\rm ff} \rangle \approx 1\%$，这由星系形成云中几乎不变的 virial 参数分布造成。它们的密度和湍流水平的变化被耦合，使得动能-重力能比保持接近常数。最后，我们表明，基于 H$\alpha$ 等星系形成标记的观测 $\epsilon_{\rm ff}$ 估计与理论上动力学的 $\epsilon_{\rm ff}$ 本质上存在差异。由于星系形成的物理过程可能在短时间尺度（$\sim$ 10 Myr）内丢失，必须谨慎对待从观测 $\epsilon_{\rm ff}$ 估计中约束星系形成模型。