星系如何死亡：关于恒星形成淬灭的新见解

研究银河系演化的天文学家长期以来一直难以理解，是什么导致大质量星系中恒星形成关闭的原因。尽管提出了许多理论来解释此过程，称为“淬灭”，但对于令人满意的模型仍未达成共识。

现在，由加州大学圣克鲁斯分校天文学和天体物理学名誉教授桑德拉·法伯（Sandra Faber）领导的国际团队提出了一种新模型，该模型成功地解释了关于星系结构、超大质量黑洞和恒星形成淬灭的各种观测结果。研究人员在7月1日发表在《天体物理学杂志》上的论文中介绍了他们的发现。

该模型支持有关淬灭的主要思想之一，其归因于黑洞“反馈”，即当物质落入黑洞并促进其生长时，能量从中央超大质量黑洞释放到星系及其周围环境中。这种高能反馈会加热、喷射或破坏银河系的气体供应，从而防止气体从银河系的晕圈中坠落而形成恒星。

“这个想法是在形成恒星的星系中，中央黑洞就像一个寄生虫，最终会生长并杀死宿主。” 法伯解释说，“以前已经说过了，但是我们还没有明确的规则来说明黑洞何时足够大以阻止其宿主星系中恒星的形成，现在我们有了定量的规则，这些规则实际上可以解释我们的观测结果。”

基本思想涉及星系中恒星的质量（恒星质量）、恒星的扩散程度（星系的半径）与中心黑洞质量之间的关系。对于具有给定恒星质量的恒星形成星系，星系中心的恒星密度与星系半径相关，因此半径较大的星系的中心恒星密度较低。假设中心黑洞的质量与中心恒星的密度成比例，则半径较大（在给定的恒星质量下）的恒星形成星系的黑洞质量将较低。

法伯解释说，这意味着较大的星系（对于给定的恒星质量，半径较大的星系）必须进一步演化并建立较高的恒星质量，才能使它们的中心黑洞变大到足以淬灭恒星的形成。因此，小半径星系的质量比大半径星系的质量低。

“这是新的见解，如果半径较大的星系在给定的恒星质量下具有较小的黑洞，并且如果黑洞反馈对于淬灭很重要，则大半径的星系必须进一步发展。”法伯说，“如果将所有这些假设放在一起，那么令人惊讶的是，您可以重现星系结构特性中观察到的大量趋势。”

例如，这可以解释为什么更大质量的淬灭星系具有更高的中心恒星密度、更大的半径和更大的中心黑洞。

基于该模型，研究人员得出结论，当黑洞发出的总能量约为银河系晕轮中气体的引力结合能的四倍时，淬灭就开始了。结合能是指将气体保持在包围星系的暗物质晕圈中的引力。当黑洞发出的总能量是银晕中气体的结合能的二十倍时，淬灭就完成了。

法伯强调，该模型尚未详细解释恒星形成淬灭涉及的物理机制。“这个简单的理论引发的关键物理过程尚未得到了解。”她说，“不过，这样做的好处是，对过程中的每个步骤都有简单的规则会挑战理论家提出能解释每个步骤的物理机制。”

图注：一种新的理论解释了黑洞如何随银河系质量的增长而最终抑制其宿主星系中恒星的形成。 这张图上的图像是斯隆数字天空调查所拍摄的当前时代附近星系的图像，被选择代表星系的演化。 该图显示了小型，密集星系的演化与较大，更弥散的星系的演化有何不同。 密度较大的星系具有较大的黑洞质量，因此质量较低时更快的淬灭，而扩散程度较高的星系具有较小的黑洞质量，并且必须增长更多才能淬灭。陡峭的坡度变化标志着进入“绿色山谷”的入口，在此处开始了强烈的淬灭。该理论说，黑洞在这一点开始增长更快。我们的银河系现在正处于那个临界点，在完全淬灭之前，它的黑洞预计会增长三倍。天文学家习惯于以图表的方式思考，这些图表绘制了星系不同性质之间的关系，并显示了它们随着时间的变化。这些图揭示了恒星形成和淬灭星系之间结构上的巨大差异以及它们之间的尖锐边界。由于恒星的形成会在色谱的蓝色端发出大量光，因此天文学家将其称为“蓝色”恒星形成星系，“红色”静态星系和“绿色山谷”。星系处于哪个阶段由其恒星形成速率揭示。

该研究的结论之一是，随着星系从一个阶段发展到另一个阶段，黑洞的生长速率必须发生变化。观测证据表明，当星系开始淬灭时，大多数黑洞生长都发生在绿色山谷中。

“正当恒星形成减慢时，黑洞似乎已经释放了。”法伯说，“这是一个启示，因为它解释了为什么恒星形成星系中的黑洞质量遵循一个缩放定律，而淬灭星系中的黑洞遵循另一个缩放定律。如果在绿谷中黑洞质量快速增长，这是有道理的。”

法伯和她的合作者多年来一直在讨论这些问题。自2010年以来，法伯共同领导了一项重要的哈勃太空望远镜星系调查计划（CANDELS），该调查产生了本研究中使用的数据。在分析CANDELS数据时，她与由UCSC物理学名誉教授乔尔·普里马克（Joel Primack）领导的团队紧密合作，该团队开发了关于形成星系的暗物质光环演化的Bolshoi宇宙论模拟。这些光晕提供了支撑，在该支撑上，该理论建立了淬灭之前星系演化的早期恒星形成阶段。

本文的中心思想来自对CANDELS数据的分析，大约在四年前首次出现在法伯眼前。 “这些数据突如其来，我意识到，如果我们把所有这些东西放在一起——如果星系的半径与质量的轨迹很简单，以及黑洞能量是否需要克服晕轮束缚能的话——它可以解释星系结构图中所有这些倾斜的边界，”她说。

当时，法伯经常去中国旅行，在那里她参与了研究合作和其他活动。她曾是上海师范大学的客座教授，在那里遇到了第一作者zhuchen。Chen于2017年作为客座研究员来到加州大学圣克鲁斯分校，并开始与法伯合作以发展有关银河系猝灭的想法。

法伯说：“她在数学上非常好，比我更好，并且她完成了本文的所有计算。”

费伯还称赞她与UCSC天文学和天体物理学名誉教授的长期合作者大卫·古(David Koo)首先将注意力集中在星系的中心密度上，这是中心黑洞生长的关键。

这个新模型解释的难题之一是我们的银河星系与其非常相似的邻居仙女座星系之间的显着差异。“银河系和仙女座的恒星质量几乎相同，但仙女座的黑洞几乎是银河系的50倍。” 法伯说，“在绿色山谷中黑洞大量增加的想法在很大程度上解释了这一谜团。银河系刚刚进入绿色山谷，其黑洞仍然很小，而仙女座刚刚退出，所以它的黑洞 比银河系大得多，而且也比银河系更具淬灭性。”