矮星系是宇宙中质量最小、数量最多、且分布最广的一类星系，是宇宙生态系统的重要组成部分。近十年来对于近邻宇宙的观测，发现了大量形态各异、性质特殊的矮星系，他们的形成和演化成为星系宇宙学领域最为扑朔迷离的难题之一。矮星系由于质量低、自身引力势浅，因此对来自恒星的反馈过程极度敏感。这一特性使其成为了研究恒星反馈对星系中重子循环影响的理想天体。
最近，清华大学天文系李辉教授领导的国际团队开发出一套全新的RIGEL模型，通过第一性原理的计算机数值模拟研究矮星系和周围物质相互作用的物理过程。使用RIGEL模型，团队在超级计算机上首次实现了分辨率达到太阳质量的辐射流体力学星系模拟，直接分辨出每一个大质量恒星周围的电离氢区和超新星遗迹的演化，揭示了小尺度恒星形成区物理（尤其是辐射反馈）对大尺度的星系外流的非线性影响。
恒星在形成的过程中和演化阶段与周围环境发生的相互作用被称为恒星反馈。其中，恒星释放的辐射可以迅速摧毁孕育恒星的分子云，进而影响整个星系的恒星形成过程。然而，由于辐射的传播速度接近光速，远快于其他物理过程的特征速度，辐射反馈的模拟对计算资源（包括软硬件）提出了极高的要求。长时间以来，星系形成的数值模拟通常忽略或依赖等效近似一类粗糙的方法来处理这一复杂的辐射反馈效应。
RIGEL模型基于先进的自适应网格和一阶矩方法辐射磁流体力学求解器Arepo-RT，整合了最新的恒星辐射及星风模型和星系介质模型，为在各类高分辨率星系和宇宙学模拟中全面、高效的研究恒星反馈及其在星系尺度的影响提供了有力工具。
图1展示了利用RIGEL模型在1太阳质量的分辨率下模拟的孤立矮星系。从图中可见星系盘中的气体呈现出复杂的结构，且遍布着恒星反馈产生的高温空泡。年轻星团（蓝点）和冷气体云在空间分布上呈现出负相关，而金属则从年轻恒星所在位置向周围扩散。这些现象展示了恒星反馈对星际介质结构、恒星形成和重子循环的调制作用。
图 1 模拟的贫金属矮星系在900Myr时的正向和侧向积分气体质量表面密度分布
如图2所示，左图展示了模拟的矮星系中的星团初始质量函数，右图展示了星系外流的质量负载因子（即质量外流率与恒星形成率的比值）。可以看到，辐射反馈在星团尺度上抑制了恒星的快速形成，导致大质量星团的数量减少；但在星系尺度上，辐射反馈显著提高了外流的质量负载因子，表明恒星反馈更有效地驱动了星系风所导致的气体外流。由此可见，各种恒星反馈机制的非线性组合在不同尺度上引发的影响极为复杂，而RIGEL模型则通过精细的第一性建模全面展现了这些复杂效应。
图 2左图：模拟矮星系中的星团质量函数。红线和绿线分别来自极贫金属、贫金属的矮星系模拟，蓝线来自没有辐射反馈的矮星系模拟。右图：模拟矮星系中的质量负载因子（即质量外流率与恒星形成率的比值），线的颜色与左图相对应。
相关工作发表在《天文学与天体物理》期刊，并获得期刊封面文章的资格。文章第一作者为清华大学天文系的博士研究生邓云未，通讯作者为清华大学天文系的李辉助理教授，合作者包括来自剑桥大学、约克大学、德克萨斯大学达拉斯分校和哥伦比亚大学的研究人员。该工作得到了科技部重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1051/0004-6361/202450699