深入首批星系的结构：SERRA 的视野

我们利用属于 SERRA 系列的高分辨率（$\sim 10\,{\rm pc}$）宇宙学 zoom-in 模拟，研究再电离时期一批 Lyman Break Galaxies 的形成与演化。在 SERRA 中，我们追踪星际介质（ISM）的热化学非平衡演化，并实时进行星际辐射场（ISRF）的辐射转移。模拟输出经后处理以计算远红外谱线（[CII]、[NII] 与 [OIII]）的发射。在 $z=8$ 时，质量最大的星系“Freesia”年龄为 $t_\star \simeq 409\,{\rm Myr}$，恒星质量 $M_{\star} \simeq 4.2\times 10^9 {\rm M}_{\odot}$，由于近期的一次爆发，其恒星形成率 ${\rm SFR} \simeq 11.5\,{\rm M}_{\odot}{\rm yr}^{-1}$。Freesia 有两个恒星组分（A 与 B），相距 $\simeq 2.5\, {\rm kpc}$；在 $56.9 \pm 21.6 \, {\rm kpc}$ 内还发现另外 11 个星系。Habing 波段的平均 ISRF 为 $G = 7.9\, G_0$ 且在空间上均匀；相反，电离参数 $U = 2^{+20}_{-2} \times 10^{-3}$，呈斑块状分布并在恒星形成位点处达到峰值。由此 Freesia 的电离光子逃逸分数为 $f_{\rm esc}\simeq 2\%$。[CII] 发射延展（半径 1.54 kpc），而 [OIII] 集中于 Freesia-A（0.85 kpc），其中比值 $\Sigma_{\rm [OIII]}/\Sigma_{\rm [CII]} \simeq 10$。与许多高红移星系一样，Freesia 位于局地 [CII]-SFR 关系之下。我们表明，这是星暴阶段（将星系推至 Kennicutt-Schmidt 关系之上）破坏/光解恒星形成位点周围发射分子云的一般后果。金属丰度对 [CII]-SFR 偏离幅度的影响居次要地位。