星系质量-金属丰度关系的起源及其对星系外流的意义

利用宇宙学流体动力学模拟并结合解析建模，我们表明星系恒星质量-金属丰度关系（MZR）为宇宙时间上的星系外流提供了强约束。我们比较了三种外流模型：无外流、模拟 Dekel & Silk（1986）经典情形的"恒定风"（cw）模型，以及"动量驱动风"（vzw）模型。我们发现只有 vzw 标度关系能复现观测到的 z~2 MZR 的斜率、幅度和弥散。通过将我们的全三维模拟与简单单区化学演化模型比较，我们发现 MZR 可以用三个参数理解：（1）平衡金属丰度 $Z_{\rm eq}=y\cdot{\rm SFR}/{\rm ACC}$（其中 $y$ 为真实产额），反映恒星形成率 SFR 与气体吸积率 ACC 之间的增丰平衡；（2）稀释时间 $t_{\rm d}=M_{\rm g}/{\rm ACC}$，代表星系在经历金属丰度扰动相互作用后返回 $Z_{\rm eq}$ 的时间尺度；（3）吹出质量 $M_{\rm blowout}$，即风能够逃逸其晕的星系恒星质量。当存在质量加载因子为 MLF 的外流时，低于 $M_{\rm blowout}$ 的星系满足 $Z_{\rm eq} = y/(1+{\rm MLF})$，而高于 $M_{\rm blowout}$ 时 $Z_{\rm eq}\to y$。我们的 cw 模型具有 $M_{\rm blowout}\sim 10^{10}\,M_\odot$，这导致 MZR 在此质量尺度以上出现急剧上升、以下则为平坦且弥散较大的关系，与观测强烈不符。我们的 vzw 模型能复现观测到的 $Z_{\rm g}\propto M_*^{0.3}$，因为在 MLF >> 1（即低质量端）时 $Z_{\rm eq}\propto {\rm MLF}^{-1}\propto M_*^{1/3}$。Tremonti 等人（2004）观测到的 MZR 在 $M_* > 10^{10.5}\,M_\odot$ 处的平坦化反映的是 MLF~1 的质量尺度，而非特征风速。观测到的 MZR 小弥散仅在 $t_{\rm d}$ 小于 1 个动力学时间时得到保证，而这在我们的动量驱动风模型中在所有质量和时期均得到满足。