《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》：MUSEQuBES: The Column Density, Covering Fraction, Mass, and Environmental Dependence of Cool H i Gas Around Low-Redshift Galaxies
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为厘清低红移星系周介质（CGM）中冷中性氢（H i）气体的空间分布、质量演化与环境依赖性，研究团队利用MUSEQuBES项目数据，系统分析256个近邻星系，发现H i柱密度随归一化冲击参数显著反相关，星形成星系主导此趋势，而被动星系无显著关联。研究首次揭示非孤立星系H i覆盖分数显著延展，为理解星系周介质演化与重子循环提供关键观测证据。
在浩瀚宇宙中，星系并非孤立存在，而是被一层神秘而广袤的“气体外衣”所包围——这就是星系周介质（Circumgalactic Medium, CGM）。它是连接星系与星际介质（IGM）的桥梁，是星系吸积与反馈的关键舞台，也是宇宙重子物质循环的重要一环。然而，尽管其重要性不言而喻，我们对CGM中冷中性氢（H i）气体的分布、演化及其与星系属性之间的关系却知之甚少，尤其在低红移宇宙（z ? 0.75）中，缺乏系统性的观测研究。
为了填补这一空白，来自印度、荷兰、美国、法国、德国、意大利等多国研究机构的天文学家联合开展了MUSE Quasar-fields Blind Emitters Survey（MUSEQuBES）项目。该研究利用欧洲南方天文台（ESO）的MUSE积分场光谱仪，结合哈勃空间望远镜（HST）的紫外光谱数据，系统探测了256个低红移星系周围的H i吸收特征，旨在揭示冷中性氢气体的空间分布、质量演化及其对星系质量和环境的依赖性。研究成果发表于国际权威天文学期刊《Monthly Notices of the Royal Astronomical Society》。
研究背景：冷氢迷雾中的未解之谜
星系如何获取气体以维持恒星形成？气体如何在星系与周围环境之间循环？这些问题的答案，很大程度上藏在星系周介质中。CGM中的冷中性氢（H i）是恒星形成的“原料”，其分布与演化直接反映了星系的吸积历史与反馈过程。然而，由于CGM气体密度极低，难以通过发射线直接观测，天文学家转而利用背景类星体（quasar）光谱中的吸收线——尤其是莱曼系列（Lyman series）——来“透视”这些气体的存在与性质。
尽管此前已有如COS-Halos等项目对CGM进行了开创性研究，但这些研究多集中于L*星系（典型星系），对低质量星系（M ? 10 M）的CGM特性覆盖不足。而低质量星系因其引力势阱浅，更容易受到反馈与环境影响，是研究CGM演化的理想实验室。此外，星系是否处于孤立或群体环境中，其对CGM的影响亦尚不清楚。因此，亟需一个覆盖广质量范围、系统性强、环境信息完整的样本，以全面揭示CGM中H i的分布规律。
关键技术方法：多设备协同，精准“捕氢”
为回答上述科学问题，研究团队整合了以下关键技术：
MUSE积分场光谱观测：利用VLT的MUSE仪器，在16个类星体视场中开展深度积分场光谱观测，无需预先选择目标，系统搜寻低质量星系。每视场曝光2–10小时，获得约9万条光谱，成功识别413个前景星系。
HST/COS紫外光谱数据：从HST光谱档案中获取高质量COS G160M光谱，覆盖莱曼α（Lyα）与莱曼β（Lyβ）等关键吸收线，用于精确测量H i柱密度与速度结构。
Voigt轮廓拟合与吸收系统识别：使用VPFIT软件对H i吸收线进行Voigt轮廓拟合，分解出不同速度成分，并构建吸收系统。通过±600 km s速度窗口搜索吸收体，结合±300 km s判据关联星系与吸收系统。
星系分类与环境识别：采用三维Friends-of-Friends算法，基于±500 km s视线速度与500 pkpc投影距离，将星系划分为“孤立”或“非孤立（群体）”两类，以研究环境效应。
统计建模与覆盖分数分析：采用logistic函数拟合H i覆盖分数（κ）随冲击参数（D）或归一化冲击参数（D/R）的变化，提取D（覆盖分数降至50%时的距离）作为CGM延展性指标。
研究结果：冷氢分布的“三重密码”
1. H i柱密度显著反相关于冲击参数，星形成星系主导趋势
研究发现，对于整个样本，H i柱密度（N(H i)）与投影冲击参数（D）或归一化冲击参数（D/R）存在显著反相关（τ = ?0.32, p ? 0.01）。当仅考虑孤立星形成星系时，反相关更为显著，其柱密度分布可用幂律模型描述：N(D/R) ∝ (D/R)，归一化值为log(N/cm) = 14.0，内禀弥散约1.5 dex。而被动星系则无显著反相关（τ = ?0.12, p = 0.47），表明其CGM中冷H i分布更为弥散或已耗散。
2. CGM中H i质量随星系质量增加，外区质量达10 M
通过积分柱密度剖面，研究估算在0.3–1 R区域内，孤立星形成星系的平均H i质量约为10 M。若纳入COS-Halos样本扩展质量范围，发现M(H i)随恒星质量M显著增加，从10 M（M ≈ 10 M）增至10 M（M ≈ 10 M）。考虑电离修正（H i/H ≈ 10–10），估算总氢质量与星系内部21 cm观测值相当，表明外CGM是重子物质的重要储库。
3. 高质量星系H i覆盖分数受抑，孤立星形成星系维持高覆盖
在R内，以N(H i) ≥ 10 cm为阈值，发现高质量星系（log(M/M) ≥ 9.5）的H i覆盖分数显著降低（κ ≈ 0.56–0.75），而低质量与中等质量星系κ接近1。进一步分析表明，高质量星系中被动与群体星系比例高，导致整体覆盖分数下降。若仅考虑孤立星形成星系，则高质量星系κ仍接近1，与Tumlinson et al. (2013)结果一致。
4. 非孤立星系H i覆盖分数显著延展，D达230 pkpc
结合MUSEQuBES与Magellan/IMACS巡天数据，研究首次系统比较孤立与非孤立星系的H i覆盖分数。发现非孤立星系的覆盖分数剖面显著更延展，其D ≈ 230 pkpc，为孤立星系（≈80 pkpc）的近三倍。在1 < D/R < 3区域，非孤立星系的H i检测率与柱密度显著高于孤立星系，表明群体环境通过大尺度结构增强星系–吸收体聚类，而非局限于内区动力学作用。
5. 多数H i吸收体速度弥散低于逃逸速度，暗示引力束缚
通过归一化视线速度（v/v）分析，发现整体速度分布呈高斯型，中心为0，弥散σ ≈ 0.5 v，表明多数吸收体处于引力束缚状态。限制于D < R时，σ降至≈0.4，显示外区存在更多未束缚气体。低质量星系在D > R时束缚分数显著下降（f ? 0.5），反映其势阱浅，易受环境扰动。
6. H i b参数与sSFR相关，宽线成分示踪热 CGM 相
最强H i吸收成分的Doppler b参数与比星形成率（sSFR）呈弱正相关（τ = 0.31），与M呈反相关（τ = ?0.35），暗示星驱动外流增强湍动。宽Lyα吸收体（b ≥ 60 km s）多存在于高质量星系，且常伴随O vi吸收，温度估算约10 K，示踪碰撞电离的virial化热CGM气体。
结论与讨论：冷氢地图绘出星系演化线索
本研究基于MUSEQuBES项目，首次系统绘制了低红移星系周介质中冷中性氢气体的“三维地图”，揭示了其分布、质量与环境之间的深刻联系。核心结论包括：
星形成星系主导CGM中冷H i的幂律分布，其柱密度随归一化冲击参数陡峭下降（斜率≈?3），而被动星系缺乏此规律，反映反馈与吸积历史的差异。
CGM中H i质量随星系质量显著增长，外区（0.3–1 R）可达10 M，考虑电离修正后，总重子质量与星系内部相当，表明CGM是重子循环的关键环节。
星系环境显著影响CGM延展性：非孤立星系H i覆盖分数延伸至≈230 pkpc，为孤立星系的三倍，揭示群体环境通过大尺度结构增强吸收体聚类，而非内区动力学剥离。
多数H i吸收体处于引力束缚状态，但低质量星系在外区存在更多未束缚气体，反映势阱深度对气体保留的决定性作用。
b参数与sSFR的关联提示星驱动湍动影响CGM动力学，而宽线成分与O vi共现，为热CGM相的碰撞电离起源提供观测证据。
这些发现不仅深化了我们对星系周介质结构的理解，也为构建星系演化模型提供了关键观测约束。特别是在当前宇宙重子缺失问题与星系反馈机制尚不清晰的背景下，MUSEQuBES的结果强调了CGM作为“隐藏重子库”的重要性，并指出星系质量与环境共同塑造了冷气体的命运。未来，结合更深层的积分场光谱巡天与紫外光谱数据，将进一步揭示CGM的多相结构及其在星系演化中的动态角色。
