宇宙黎明时期的星系尺度与致密性

詹姆斯·韦伯太空站发现了一批意想不到的高质量星系（$\log (M^\star / {\rm M} _\odot) \gtrsim 10$），其有效半径极小（$\sim 100\,\rm pc$），且在$z \gtrsim 6$。此外，还宣称存在一种异常的尺度-质量关系。这些观测结果仅部分被当前模型所复现，而导致所观察关系的物理机制仍在争论中。我们期待揭示所观察致密星系的形成通道。我们分析了FirstLight这一最先进的宇宙演化模拟套件中169个星系的7605个快照。我们发现，星系经历了扩张-致密化-再扩张的过程。这一过程在特定的质量范围内运作；致密化在$\log (M^\star_ {\rm on} / {\rm M}_\odot) \sim 8.5$开始，在$\log (M^\star_{\rm off} / \mathrm{M}_\odot) \sim 9.5$结束。在这些质量之间，尺度-质量关系会反转，呈负斜率。我们仿真中的这一过程的物理机制涉及来自外层区域的自强化气流输入，这会触发中心（位于$1\, {\rm kpc}$内）的强烈局部燃烧。只要条件有利，中心的致密化会持续到星系在更广阔区域内进行星际形成，正常的内外生长模式随之恢复。我们为宇宙黎明时期存在一种普遍的湿式致密化提供了证据。这一机制由星系中心物质从暗物质主导转为质子-中子物质主导所触发的球对称吸积所驱动。我们还提出了一个适用于准解析模型的吸积过程的解析表达式。与低红移星系不同的是，在高红移系统中，致密化结束时不会发生气体耗尽和星际形成抑制。