中性气体中的宇宙金属密度演化：来自观测与宇宙学模拟的启示

我们将最新的中性气体中宇宙金属密度（$\rho_{\rm met,neu}$）观测与三个宇宙学星系演化模拟对比：L-GALAXIES 2020、TNG100和EAGLE。我们发现，在这些模拟中，$3\lesssim{} z \lesssim{} 5$时处于中性气体中的总金属比例小于$40\%$，而阻尼Lyman-$\alpha$（DLA）系统的观测表明大于等于$85\%$。在所有三个模拟中，高温低密度气体也是宇宙金属预算的主要贡献者，即便在高红移也是如此。通过考虑宇宙SFR密度（$\rho_{\rm SFR}$）、中性气体密度（$\rho_{\rm HI}$）和平均气相金属丰度（$[\langle{}{\rm M/H}\rangle{}]_{\rm neu}$）的演化，我们确定了模拟匹配高红移DLA中观测到的$\rho_{\rm met,neu}$的两种可能方式：（a）$z\gtrsim{}3$处的$\rho_{\rm SFR}$大于当前FUV观测推断的值，或（b）当前高红移DLA金属丰度样本具有比整体星系族更高的平均宿主质量。如果前者正确，TNG100将最好地匹配总体数据，但当前观测到的$\rho_{\rm SFR}$与$\rho_{\rm met,neu}$之间会存在显著张力。如果后者正确，L-GALAXIES 2020将最好地匹配总体数据，但将要求$z\sim{}2.5$以上子晕内中性气体质量增加。如果两者都不正确，EAGLE将最好地匹配总体数据，尽管代价是过高估计$[\langle{}{\rm M/H}\rangle{}]_{\rm neu}$。除与模拟中数值分辨率和HI质量建模相关的细节外，这些不相容性凸显了高红移关键观测宇宙性质之间的当前张力。