宇宙学 SPH 模拟中分子氢调控的恒星形成

观测表明，恒星形成（SF）与分子氢（H$_2$）的存在密切相关。因此，在宇宙学背景下研究其对星系形成的影响非常重要。在本工作中，我们使用 Krumholz 等人提出的平衡解析模型，在我们的宇宙学平滑粒子流体动力学（SPH）代码 GADGET-3 中追踪 H$_2$ 质量分数。该模型允许我们通过 H$_2$ 的局部丰度而非总冷气体密度来调节模拟中的恒星形成，并自然地引入恒星形成对金属丰度的依赖性。我们研究了基于平衡 H$_2$ 的 SF 模型对星系群性质的影响，如恒星 - 晕质量比（SHMR）、重子分数、宇宙恒星形成率密度（SFRD）、星系比恒星形成率、星系恒星质量函数（GSMF）和 Kennicutt-Schmidt（KS）关系。我们工作的优势在于拥有从红移高处到 $z=0$ 的宇宙学体积内的大量模拟星系样本。我们发现，在基于 H$_2$ 的 SF 模型中，质量为 M$_{DM}<10^{10.5}$ M$_\odot$ 的低质量晕在 $z\geq6$ 时产生恒星的效率较低，这使得模拟结果在低质量端与 SHMR 和 GSMF 的观测估计更好地吻合。这在 GSMF 中 M$_\star\leq10^{8}$ M$_\odot$ 的低质量星系数量减少上尤为明显。在 H$_2$ 运行中，整体 SFRD 在高红移处也有所降低，导致由于后期有更多可用于恒星形成的气体，低红移处的 SFRD 略高。这种新的 H$_2$ 模型能够在 $z=0$ 处自然地重现经验 KS 关系，而无需手动设定其归一化，总体而言，它似乎比之前的基于压力的 SF 模型具有更多优势。