初始质量函数对高红移星系化学演化的影响

詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的最新观测发现，在 $z\sim 8$ 及更高红移处，恒星质量、金属丰度和星形成率之间存在不变的关系，而在更高红移处该关系被打破。因此，理解驱动此类相关性的底层物理过程至关重要。本文我们探讨了初始质量函数（IMF）对高红移星系化学演化的影响。事实上，星系中的星形成和金属输送由超新星爆炸以及来自巨型恒星的金属产量所调节，这些产量对IMF质量分布高端极为敏感。我们采用半成熟的星系演化代码 \textsc{a-sloth}，沿着由高分辨率宇宙模拟构建的星系树状图跟踪星系的碳循环。采用覆盖完整金属丰度范围（$Z \sim 10^{-11} - 0.03$）和广泛恒星质量范围（$m_\star\sim2 - 600\ \rm M_\odot$）的最新恒星演化轨迹模拟恒星反馈，包括来自恒星风、坍缩超新星、（脉冲）成对失稳型超新星以及类Ⅰ型超新星的金属产量。假设采用Kroupa式IMF并可变上限质量 $m_{\max}$，我们发现只有当 $m_{\max} \gtrsim 200\ \rm M_\odot$ 时，模型才能同时再现 $z\gtrsim 4$ 处观察到的质量-金属丰度-星形成率关系以及宇宙星形成历史，这是由于成对失稳型超新星产生的增强金属产量所致。我们的结果表明，非常巨型（$\gtrsim 200\ \rm M_\odot$）恒星和成对失稳型超新星在高红移星系的星形成和化学富集历史中发挥着重要作用。它们还对电磁脉冲和引力波事件具有深远的含义。