Feedback Effects: Radiation and Winds

反馈效应：辐射和风

早期星暴区域和黑洞如何调控进一步的恒星形成

在宇宙黎明时期，第一批恒星和新生的黑洞不仅仅是早期宇宙中被动的居民。相反，它们扮演着一个 积极的 作用，注入大量 活力 和 辐射 融入周围环境。这些过程——统称为 反馈——深刻地影响了恒星形成周期，抑制或增强了不同区域气体的进一步坍塌。在本文中，我们将深入探讨 辐射， 风， 和 资金流出 早期星暴区域和新兴黑洞塑造了星系的发展轨迹。

1. 奠定基础：第一批光源

1.1 从黑暗时代到光明时代

在宇宙的黑暗时代（重组之后，尚未形成任何发光物体的时代）之后， 第三星族恒星 出现在暗物质和原始气体的微型晕中。这些恒星通常 非常庞大 并且极其炎热，发出强烈的紫外线辐射。大约在同一时间或此后不久， 超大质量黑洞（SMBHs） 可能已经开始形成——可能是直接坍缩，也可能是大质量第三星族恒星的残余。

1.2 为什么反馈很重要

在不断膨胀的宇宙中，恒星的形成过程发生在气体冷却并在引力作用下坍缩时。然而，如果来自恒星或黑洞的局部能量输入 扰乱 气体云或 加薪 它们的温度，未来的恒星形成可能会被抑制或推迟。另一方面，在某些条件下，冲击波和外流可以 压缩 邻近的气体区域，引发额外的恒星形成。理解这些 正反馈和负反馈 环对于描绘早期星系形成的准确图像至关重要。

2.辐射反馈

2.1 大质量恒星的电离光子

质量巨大、缺乏金属的第三星族恒星 发射出强烈的 莱曼连续体 光子，能够电离中性氢。这就产生了 H II区—恒星周围的电离气泡：

  1. 加热和压力：电离气体的温度达到~104 K，热压高。
  2. 光蒸发：当电离光子从氢原子中剥离电子、加热并分散电子时，周围的中性气体云可能会被侵蚀。
  3. 抑制或触发：在小尺度上，光电离可以 压制 通过提高局部 Jeans 质量来碎裂；在大尺度上，电离前沿可以 扳机 附近中性团块的压缩，可能引发新的恒星形成事件。

2.2 莱曼-沃纳辐射

在早期宇宙中， 莱曼-沃纳（LW）光子—能量在 11.2 至 13.6 eV 之间—有助于分离 分子氢（H2），低金属丰度气体的主要冷却剂。当早期星暴区域或新生黑洞发射长波光子时：

  • 破坏H2：如果 H2 解离后，气体就无法轻易冷却。
  • 恒星形成延迟：缺乏H2 可以阻止周围小晕的坍缩，有效地延缓新恒星的形成。
  • “光环对光环”的影响：这种长波反馈可以跨越很远的距离，这意味着一个发光物体可以影响多个相邻光晕中的恒星形成。

2.3 再电离和大规模加热

由 z ≈ 6–10，早期恒星和类星体的集体输出 再电离 星系际介质（IGM）。这个过程：

  • 预赛 IGM：一旦氢被电离，其温度就会飙升至约 104 K，提高了克服热压所需的最小晕质量。
  • 延缓星系生长：低质量晕可能不再捕获足够的气体来有效地形成恒星，从而将恒星形成转移到质量更大的系统中。

因此， 再电离 可以看作是一个大规模的反馈事件，将中性宇宙转变为电离的、更热的介质，并改变未来恒星形成的环境。

3. 恒星风和超新星

3.1 大质量恒星的恒星风

在恒星以超新星形式结束生命之前，它可以产生强大的 恒星风。与现代高金属丰度恒星相比，大质量无金属恒星（第三星族）的恒星的星风特性可能有所不同，但即使金属丰度较低，也不能完全排除强星风——尤其是对于质量极大或旋转的恒星而言。这些星风可以：

  • 从迷你光环中排出气体：如果晕引力势很浅，风就会吹出大量气体。
  • 创建气泡：恒星风“气泡”在星际介质（ISM）中形成空腔，调节晕内的恒星形成率。

3.2 超新星爆炸

在大质量恒星生命的末期，核心坍缩或对不稳定性 超新星 释放巨大的 动能 （大约 1051 尔格（核心坍缩事件的能量，对不稳定性事件的能量可能更大）。这些能量：

  • 驱动冲击波：这些冲击波会扫过并加热周围的气体，可能会阻止随后的坍塌。
  • 丰富气体：喷出物携带着新形成的重元素，极大地改变了星际物质的化学性质。金属改善了冷却过程，导致 更小 未来的恒星质量。
  • 银河系外流：在较大的晕或新生星系中，重复的超新星爆发可以共同为更广泛的外流或“风”提供动力，将物质发射到遥远的星系际空间。

3.3 正反馈与负反馈

虽然超新星冲击波可以驱散气体（负面反馈），他们也可以 压缩 附近的云层，刺激引力坍缩（积极反馈）。相对效应取决于局部条件——气体密度、晕质量、激波前沿的几何形状等。

4. 早期黑洞的反馈

4.1 吸积光度和风

除了出色的反馈， 吸积黑洞 （特别是如果它们进化成 类星体 或 AGN）通过以下方式发挥强大的反馈作用 辐射压 和 风：

  • 辐射压：快速吸积的黑洞高效地将质量转化为能量，发射出强烈的X射线和紫外线辐射。这会使周围的气体电离或加热。
  • 活动星系核驱动的流出：类星体风和喷流可以扫出气体，有时可达千秒差距的规模，从而调节宿主星系中的恒星形成。

4.2 类星体和原活动星系核的诞生

在最早的阶段，黑洞种子（e.g……（例如，第三星族恒星的残余或直接坍缩的黑洞）可能亮度不足以主导其直接微晕之外的反馈。但随着它们的增长（通过吸积或合并），其中一些可能达到足够高的光度，从而显著影响IGM。早期的类类星体源将会：

  • 增强再电离：来自吸积黑洞的较硬光子可以帮助在更远的距离电离氦和氢。
  • 扼杀型或火花型恒星形成：强大的流出物或喷流可能会吹走或压缩当地恒星形成云中的气体。

5. 早期反馈的大规模影响

5.1 星系生长的调控

来自恒星群和黑洞的累积反馈决定了一个星系的“重子循环“——有多少气体被保留，它冷却的速度有多快，以及何时被排出：

  • 抑制气体流入：如果外流或辐射加热使气体不受束缚，则星系的恒星形成仍然保持适度。
  • 为更大的光晕铺平道路：最终，会形成更大的晕，其势阱更深，尽管存在反馈，但仍能更好地保留气体，从而产生更多的恒星。

5.2 宇宙网丰富

超新星和活动星系核驱动的风可以将金属带入 宇宙网，用痕量的重元素污染大尺度的细丝和空洞。这为后期宇宙时代形成的星系奠定了基础，使其从化学性质更丰富的气体开始。

5.3 再电离时间线和结构

高红移观测表明再电离很可能是 斑驳 这个过程，电离泡在早期恒星形成晕和活动星系核（AGN）周围膨胀。反馈效应——尤其是来自发光源的反馈效应——有助于定义IGM向电离状态转变的速度和均匀性。

6.观察证据和线索

6.1 贫金属星系和矮星系系统

现代天文学家观察当地的类似物——比如缺乏金属的矮星系——以了解 反馈 在低质量系统中运行。在许多矮星中，强烈的星暴会吹散大部分星际介质。这与超新星活动首次爆发时，早期迷你晕中可能发生的情况相似。

6.2 类星体和伽马射线爆发观测

伽马射线爆发 高红移大质量恒星坍缩产生的辐射可以用来探测环境中的气体含量和电离状态。同样， 类星体吸收线 不同红移详细描述了 IGM 的金属含量和温度，暗示了恒星形成星系流出的规模。

6.3 发射线特征

光谱特征（e.g.，从莱曼-α发射来看，金属线如[O III]，C IV)有助于识别 风 或者 超级泡沫 在高红移星系中，提供了反馈过程正在进行的直接证据。 詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST） 即使在微弱的早期星系中，也能更清晰地捕捉这些特征。

7. 模拟：从微型晕到宇宙尺度

7.1 流体动力学+辐射传输

最先进的宇宙学模拟（e.g., 火， 伊拉斯崔斯TNG， 鳄鱼） 整合 流体动力学、恒星形成，以及 辐射传输 自洽地建立反馈模型。这使得研究人员能够：

  • 追踪大质量恒星和活动星系核的电离辐射如何与各种尺度的气体相互作用。
  • 捕捉流出的产生、传播以及它们如何影响后续的气体吸积。

7.2 对模型假设的敏感性

根据以下假设，模型结果可能会发生巨大变化：

  1. 恒星初始质量函数（IMF）：初始质量函数的斜率和截止会影响大质量恒星的数量，从而影响辐射和超新星反馈的强度。
  2. AGN反馈处方：黑洞吸积能量与周围气体耦合的不同方式会导致不同的流出强度。
  3. 金属混合：金属扩散的速度可以改变局部冷却时间，从而强烈影响随后的恒星形成。

8. 反馈为何决定早期宇宙演化

8.1 塑造第一个星系

反馈不仅仅是一种副作用；它 中央 到小型晕如何合并并成长为可识别星系的故事。单个大质量星团的超新星爆炸或新生黑洞的流出物可以极大地改变局部恒星形成的效率。

8.2 控制再电离速度

由于反馈控制着小晕中恒星的形成数量（从而决定了电离光子的产生数量），它与宇宙再电离时间线交织在一起。在强反馈作用下，形成恒星的低质量星系数量减少，从而减缓了再电离过程。在较弱的反馈作用下，许多小型系统可以参与其中，从而可能加速再电离过程。

8.3 为行星和生物进化设定条件

在更广阔的宇宙尺度上，反馈影响着金属的分布，而金属对于行星的形成以及最终的生命化学至关重要。因此，最早的反馈事件不仅为宇宙注入了能量，也为更高级的化学环境提供了原材料。

9. 未来展望

9.1 下一代天文台

  • 詹姆斯韦伯太空望远镜：针对再电离时代，詹姆斯·韦伯太空望远镜的红外仪器将剥离层层尘埃，并揭示最初十亿年内由星暴驱动的风和活动星系核反馈。
  • 极大望远镜（ELT）：他们对暗源的高分辨率光谱可以进一步剖析高红移的反馈特征（风、外流、金属线）。
  • SKA（平方公里阵列）：通过 21 厘米断层扫描，它可以绘制电离泡在恒星和 AGN 反馈的影响下如何膨胀。

9.2 精细模拟和理论

更精细的模拟 提高分辨率 和 现实物理 （e.g……（更好地处理尘埃、湍流和磁场）将揭示反馈的复杂性。理论与观测之间的这种协同作用有望解决一些挥之不去的问题——例如，早期矮星系中黑洞驱动的星系风究竟有多强，或者短暂的星暴是如何塑造宇宙网的。

10. 结论

反馈效应 在早期宇宙中——通过 辐射， 风， 和 超新星/活动星系核外流——充当宇宙守门人，控制恒星形成和大尺度结构发展的节奏。从 光电离 抑制邻近晕的坍塌 强劲的资金流出 清除或压缩气体，这些过程创造了一个复杂的挂毯 积极的 和 消极的 反馈回路。虽然它们在局部尺度上很强大，但它们也在不断演变的宇宙网络中产生回响，影响着星系的再电离、化学富集和层次生长。

通过将理论模型、高分辨率模拟和尖端望远镜的突破性观测结果拼凑在一起，天文学家继续揭示这些最早的反馈机制如何推动宇宙进入发光星系时代，为更加复杂的天体物理结构铺平道路——甚至包括行星和生命所必需的化学途径。

参考文献及延伸阅读

  1. Ciardi，B.， & Ferrara，A.（2005）。 “第一个宇宙结构及其影响。” 空间科学评论， 116，625–705。
  2. 布罗姆，V.， &放大器;吉田，N.（2011）。 “第一星系。” 天文学和天体物理学年度评论， 49，373–407。
  3. Muratov，AL 等人（2015 年）。 “FIRE 模拟中的阵风、气体流：由恒星反馈驱动的银河风。” 皇家天文学会月刊， 454，2691–2713。
  4. Dayal，P.， & Ferrara，A.（2018）。 “早期星系的形成及其大规模影响。” 物理报告， 780–782，1–64。
  5. Hopkins, PF 等人（2018 年）。 “FIRE-2 模拟：物理、数值和方法。” 皇家天文学会月刊， 480，800–863。

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