Schmidt 与 Kennicutt-Schmidt 恒星形成定律之间的关系及其对数值模拟的启示

在大尺度平均下，观测表明星系中的恒星形成遵循经验性的 Kennicutt-Schmidt (KS) 定律，适用于高于恒定阈值的表面密度。虽然观测定律涉及表面密度，但理论模型和模拟通常使用体积密度定律（即 Schmidt 定律）。我们推导了用表面密度、体积密度和压强表达的恒星形成定律之间的解析关系，并展示了这些关系如何依赖于多相星际介质的有效状态方程等参数。我们的解析关系使我们能够将观测到的表面密度定律实施到模拟中。由于我们恒星形成预设的参数是可观测量的，我们无法自由调整它们以匹配观测结果。我们利用假设多相星际介质有效状态方程的孤立盘星系高分辨率模拟来测试我们的理论框架。我们能够在不调整任何参数且散射极小的情况下，重现恒星形成阈值以及任意输入 KS 定律的斜率和归一化，即使对于不稳定星系或使用较差的数值分辨率也是如此。此外，我们对任意有效状态方程均可做到这一点。因此，我们的预设使星系模拟能够绕过当前无法模拟恒星形成的局限。另一方面，我们能够重现任意输入阈值和 KS 定律，而不仅仅是自然界选定的特定那些，这一事实表明，缺乏模拟多相星际介质所需物理过程和/或分辨率的模拟，只能为观测到的恒星形成定律的起源提供有限的见解。