FAST数据进一步揭示星系内的原子-分子转化过程

星系的重子循环描述了气体冷却并坍缩形成恒星、恒星反馈加热并电离气体、气体冷却后再次促进恒星形成的物理循环过程。该过程将星际介质、环星系介质和外部环境中的多相气体动力学及介质转化联系起来，是天文学研究的热点之一。气体是重子循环过程的必要原材料，其中冷气体,如中性氢(HI)和分子氢(H2）, 对星系形成与演化的调节作用是重子循环的重要过程。不同星系中HI和H2的分布和含量存在显著差异，这可能源自于原子-分子气体转化对星系内部环境的敏感性和依赖性。

为了进一步探索这一问题，国家天文台余捻坤博士、郑征副研究员、蔡肇伟研究员等人利用中性氢、一氧化碳以及光学集成视场单元的数据，结合FAST的HI新观测建立了具有多波段观测数据的样本。利用分子气体和原子气体的质量比（即分子气体比例）来量化HI-H2的转化效率，并使用三维的光学诊断图（Ji & Yan 2020）来诊断星系内部电离气体的种类及其相对金属丰度和电离态。

研究发现，随着分子气体比例的增加，星系的金属丰度增加但电离态降低。这一结果暗示高效的气体转化可能发生在高金属丰度、低电离态的区域。该研究深化了我们对星系中气体转化过程的理解，为深入探究星系内部的多相气体介质和化学过程以及星系中的重子物质循环过程提供了重要线索，并为星系演化的理论模型提供了重要的观测数据支持。尤其值得注意的是，随着FAST等大型天文观测设施的不断投入使用，我们有望获得更多关于星系气体成分的高质量数据，这将为深入研究星系的重子循环过程及多相星际介质的演化提供新的机会。

英国伦敦大学学院的Amélie Saintonge教授评价“该工作很好的展示了如何将解析和全局观测相结合从而更好地理解驱动恒星形成和星系演化的复杂且多尺度的过程”（The work of Yu et al.（2024）therefore nicely shows the potential of combining resolved and global observations of galaxies to better understand the complex multi-scale processes that drive star formation and galaxy evolution）。香港中文大学的严人斌教授评价“这项研究为星系内气体转化过程提供了新的见解，突出了金属丰度和恒星质量表面密度的关键作用。此外，还指出了气体转化对电离态的潜在依赖性，而电离态则反应了星际介质中辐射场的情况。”(this study offers new insights into the gas conversion processes within galaxies, highlighting the key role of metallicity and stellar mass surface density. It also points out the potential dependence on the ionization state of the gas, which could reflect the radiation field in the ISM)。

该成果于2024年7月1日在线发表于《中国科学：物理学 力学 天文学》（SCIENCE CHINA Physics,Mechanics & Astronomy）。这项工作由国家天文台领衔完成，余捻坤，郑征和蔡肇伟为论文通讯作者。