近日，爱丁堡大学天文研究所博士后、上海交通大学物理与天文学院访问学者崔伟广博士及其合作者，包括交大杨小虎教授等，使用最前沿的SIMBA流体数值模拟首次精准再现了观测中的星系颜色红蓝双峰分布结构，并对这种分布的起源给出了物理解释。论文于2021年7月5日发表于国际学术期刊《自然天文》杂志上，题为《在恒星-暗晕质量关系弥散中的星系颜色双峰分布起源》（The origin of galaxy colour bimodality in the scatter of the stellar-to-halo mass relation）。

        天文学家在过去近100年里就已知星系可以分为两类：一种是恒星形成活跃的蓝色漩涡星系；另外一种是缺少恒星形成的红色椭圆星系。从哈伯第一次观测到这种分布，它就成为了困扰天文学家一个主要谜团。直到今天，星系为什么呈现这种双峰分布仍是星系形成研究的一个主题。

        红星系主要由年老的恒星构成（故呈现红色），被认为形成于暗物质密集的区域——大质量的暗物质晕中；蓝星系，因为平均恒星年龄非常年轻而呈现蓝色，通常处于小质量的暗物质晕中。然而最近的观测表明，在相同质量的暗物质晕中，这两种星系是同时存在的，但是蓝星系比红星系的质量要大一些。这个发现会不会给我们理解星系的颜色双峰结构提供一个更为基本的物理解释？最近，崔伟广博士和其合作者使用最为前沿的SIMBA流体数值模拟第一次再现了观测中的这种颜色双峰分布（图1)。该成果及其物理解释发表在了最近一期的自然天文杂志上。

图1, SIMBA模拟星系和观测星系的比较

        通过对每一个星系形成的历史追踪，流体数值模拟可以给出星系在其形成过程每个时间段的演化历程，而这在观测上是不可能实现的，崔博士和他的合作者展示了这种双峰结构形成的本质原因是星系所在暗物质晕的形成历史不同——也称为暗物质晕质量增长偏差（图2）：在相同的质量上，早形成的暗物质晕通常形成蓝星系，而晚形成的暗物质晕通常拥有红星系。另外这个研究小组也发现，星系中心的黑洞反馈释放的能量对于决定星系的颜色也有着至关重要的作用。

图2, SIMBA模拟星系的分布，分别使用暗物质晕的形成时间（a)；星系形态转化时间的（b)来刻画。

        文章的合作者之一、SIMBA项目的负责人，罗密欧戴夫教授说：“我们的模拟第一次展示了观测上的颜色双峰结构可以跟超大质量黑洞的能量释放关联起来。SIMBA模拟联结了大尺度上的结构形成和极小尺度上的黑洞物理过程，对于我们理解星系形成，尤其是星系颜色双峰结构形成的物理过程，迈出了至关重要的一步。

        文章的另一合作者皮考克教授说：“这个研究中尤其令人激动的是我们通过对星系中心大质量黑洞能量释放的控制，将星系的颜色再现出来。” 戴夫教授补充说道：“越来越趋近真实的模拟让我们自信可以对数以百万或者更多星系的不同性质和形态，和它们从宇宙之初到现在的形成过程，给出本质上的解释。”

文章链接： https://www.nature.com/articles/s41550-021-01404-1