研究背景介绍 

棒旋星系是盘星系中的一种常见类型，约三分之二的盘星系中可见中心棒状结构。这些棒结构不仅是物质输送和恒星形成的关键通道，更是驱动星系长期演化的重要机制。星系所处的外部环境及内部的动力学性质的差异都能够显著地影响棒的性质与演化。因此，大规模星系宇宙学模拟是否能够准确的产生棒结构，是检验模拟可靠性的重要标准之一。

图 1：TNG 模拟中盘星系的棒长随时间的演化。颜色表示棒长，每张子图中的每一行对应一个星系。左、中、右三列分别表示在红移 z=0 时为正常棒、短棒和无棒的星系。

星系如何获得棒？

本研究基于大规模星系宇宙学模拟IllustrisTNG中TNG100和TNG50两套模拟数据，追踪了2300余个盘星系从红移z=1（约80亿年前）至z=0（现今）的演化，通过统计检验（K-S检验）对比有棒、短棒与无棒星系的特性，结合并合事件与盘稳定性分析，系统地揭示不同质量星系中棒结构形成的主控机制：

1. 大质量星系（质量≥太阳质量的10^{10.8}倍）    - 棒结构的形成与破坏主要由并合事件主导。60%现今无棒的大质量星系曾在早期形成过棒，但后续剧烈的星系碰撞或并合导致棒结构瓦解。

2. 中小质量星系（质量<太阳质量的10^{10.8}倍）    - 棒结构的形成取决于星系自身动力学稳定性：      - 致密的盘（有效半径<4 kpc）与低Toomre-Q值（Q<2.6）更易触发棒不稳定性。      - 无棒星系通常盘更延展（半径大30%）且有更高气体比例，增强稳定性并抑制棒形成。

3. 短棒星系的争议    - 模拟中短棒（棒长1.4–3 kpc）比例远超观测，一方面，因其较小的“身材”，这一类棒更难观测；另一方面，这可能由模拟缺陷所致。短棒星系的性质接近无棒星系，暗示其可能是并合扰动后的短暂残留，对星系整体演化影响较小。

图2 盘星系样本在不同红移（z=0, 0.2, 0.5, 1）下的动力学温（Q2comp）的径向分布。正常棒、短棒和无棒星系分别用红色、绿色和蓝色表示。在早期（z=1）以及低质量端，有棒星系的径向 Q2comp 显著低于无棒星系。   

研究论文

本研究成果已被国际权威天文期刊 Astronomy & Astrophysics (A&A) 正式接收。论文第一作者为厦门大学天文学系 2020 级本科生卢帅（现为在读硕士研究生），通讯作者为厦门大学天文学系杜敏副教授，合作者包括英国中央兰开夏大学的 Victor Debattista 教授。该研究得到了国家自然科学基金创新研究群体项目、厦门市自然科学基金、中国空间站项目基金和厦门大学本科生创新计划的支持。

文章链接：https://arxiv.org/abs/2412.02255