High-redshift star-forming galaxies often have irregular morphologies with giant clumps containing up to 108−109 solar masses of gas and stars. The origin and evolution of giant clumps are debated both theoretically and observationally. In most cosmological simulations, high-redshift galaxies have regular spiral structures or short-lived clumps, in contradiction with many idealized high-redshift disc models. Here, we test whether this discrepancy can be explained by the low gas fractions of galaxies in cosmological simulations. We present a series of simulations with varying gas fractions, from 25 per cent, typical of galaxies in most cosmological simulations, to 50 per cent, typical of observed galaxies at 1.5 < z < 3. We find that gas-poor models have short-lived clumps, that are unbound and mostly destroyed by galactic shear, even with weak stellar feedback. In contrast, gas-rich models form long-lived clumps even with boosted stellar feedback. This shows that the gas mass fraction is the primary physical parameter driving violent disc instabilities and the evolution of giant clumps on ∼108 yr time-scales, with lower impact from the calibration of the stellar feedback. Many cosmological simulations of galaxy formation have relatively gas-poor galactic discs, which could explain why giant clumps are absent or short-lived in such models. Similar baryonic and dark matter mass distribution could produce clumpy galaxies with long-lived clumps at z ∼ 2 if the gas fraction was in better agreement with observations.

中文翻译：

---

气体分数和反馈在星系盘稳定性和演化中的作用：对宇宙星系形成模型的影响

高红移恒星形成星系通常具有不规则的形态，其中包含高达 108-109 个太阳质量的气体和恒星。巨团的起源和演化在理论上和观察上都存在争议。在大多数宇宙学模拟中，高红移星系具有规则的螺旋结构或短暂的团块，这与许多理想化的高红移盘模型相矛盾。在这里，我们测试了这种差异是否可以用宇宙学模拟中星系的低气体分数来解释。我们提出了一系列具有不同气体分数的模拟，从大多数宇宙学模拟中典型的星系的 25% 到 1.5 < 的观测星系典型的 50%。z＜3. 我们发现贫气模型具有短寿命的团块，这些团块不受约束并且大部分被银河剪切破坏，即使有微弱的恒星反馈。相比之下，即使有增强的恒星反馈，富含气体的模型也会形成长期存在的团块。这表明气体质量分数是驱动剧烈的圆盘不稳定性和巨团在~108 年时间尺度上演化的主要物理参数，恒星反馈校准的影响较小。许多星系形成的宇宙学模拟都有相对贫气的星系盘，这可以解释为什么这些模型中不存在巨型团块或它们的寿命很短。如果气体分数与观测值更一致，类似的重子和暗物质质量分布可以在 z ∼ 2 处产生具有长寿命团块的团块星系。这表明气体质量分数是驱动剧烈的圆盘不稳定性和巨团在~108 年时间尺度上演化的主要物理参数，恒星反馈校准的影响较小。许多星系形成的宇宙学模拟都有相对贫气的星系盘，这可以解释为什么这些模型中不存在巨型团块或它们的寿命很短。如果气体分数与观测值更一致，类似的重子和暗物质质量分布可以在 z ∼ 2 处产生具有长寿命团块的团块星系。这表明气体质量分数是驱动剧烈的圆盘不稳定性和巨团在~108 年时间尺度上演化的主要物理参数，恒星反馈校准的影响较小。许多星系形成的宇宙学模拟都有相对贫气的星系盘，这可以解释为什么这些模型中不存在巨型团块或它们的寿命很短。如果气体分数与观测值更一致，类似的重子和暗物质质量分布可以在 z ∼ 2 处产生具有长寿命团块的团块星系。这可以解释为什么在这些模型中没有巨大的团块或它们的寿命很短。如果气体分数与观测值更一致，类似的重子和暗物质质量分布可以在 z ∼ 2 处产生具有长寿命团块的团块星系。这可以解释为什么在这些模型中没有巨大的团块或它们的寿命很短。如果气体分数与观测值更一致，类似的重子和暗物质质量分布可以在 z ∼ 2 处产生具有长寿命团块的团块星系。