超大质量黑洞是如何“饿死”它们的星系以阻止恒星形成的？
一位艺术家对超大质量黑洞爆发出强大喷流的印象。（图片来源：uux.cn/S.Dagnello（NRAO/AUI/NSF））
（神秘的地球uux.cn）据美国太空网（Robert Lea）：新的研究证实了超大质量黑洞和星系死亡之间的联系，通过恒星诞生的停止——尽管是以一种意想不到的方式。
科学家们早就知道宇宙中有两种主要类型的星系。有那些恒星形成迅速的恒星，也有那些“安静”的恒星，因为它们产生的恒星很少。我们自己的银河系是一个安静星系的例子，然而，这里有一个难题。科学家们还不太确定星系是如何从恒星诞生到静止的。到目前为止，就是这样。
超大质量黑洞的质量是太阳的数百万倍，有时是数十亿倍，据信潜伏在所有大星系的中心。人们还怀疑这些空洞是使黑洞被动的过程背后的原因，但这一想法的确凿证据尚未出现。然而，南京大学王涛领导的一个科学家团队可能首次发现了这一证据。他们发现超大质量黑洞的质量与从星系中清除的冷气体（新恒星的建筑材料）的量之间存在联系。
超大质量黑洞越大，从星系中清除的气体就越多，通过抑制恒星诞生导致该星系的“死亡”。
王告诉Space.com：“自20世纪70年代以来，理论和模拟都表明，超大质量黑洞应该对其宿主星系的冷气体和恒星形成产生强烈影响；然而，从观测角度来看，这仍然是模糊的。”。
王解释说，各种研究表明，即使是最活跃的黑洞或“类星体”，似乎也与恒星形成率或分子气体含量的降低无关。
王补充说，这些观测结果也与许多传统的能量流入周围星系或“反馈”的模型相矛盾，这些能量来自被称为活动星系核（AGN）的区域，这些区域容纳了超大质量黑洞。这些模型表明，AGN反馈对周围的宿主星系产生了强烈的影响。
王认为，这一矛盾导致许多天文学家开始怀疑超大质量黑洞在恒星诞生过程中对大质量星系形成的作用。王继续说道：“另一方面，拥有更多质量黑洞的星系往往具有较低的恒星形成率。这对我们来说有点令人困惑。”。
但该团队的主要发现是，黑洞质量确实是驱动星系中冷气体含量的基本量。
超大质量黑洞是如何杀死星系的？
巴黎城市大学的团队成员David Elbaz向Space.com解释说，恒星形成很少的被动星系要么没有冷气体，要么只有很少的冷气体。这与拥有大量物质的恒星形成星系不同。
埃尔巴兹说：“因此，人们普遍认为，这两个种群之间的差异来自是否存在气藏。”。“关键问题是确定星系从恒星形成到被动转变的原因是什么。”
研究人员补充说，被动星系可能更大，这是观测所暗示的，或者以某种方式被阻止聚集冷气体库。在前一种情况下，也许星系内的气体太稀疏，而在后一种情况中，也许有什么东西带走了所有形成恒星的冷气体。这个“东西”可能是一个中心超大质量黑洞。
尽管如此，一个谜题仍然存在。黑洞在宿主星系的中心占据相对较小的位置，而产生恒星的冷气体则延伸到整个星系。
埃尔巴兹说：“众所周知，黑洞聚集了大量的引力能，足以影响周围的气体，但令人困惑的部分不是能量问题；而是它是如何工作的问题。”。“想象一下，你用枪射击一团云；子弹的能量可以像你希望的那样大，而云并不在乎。然而，我们在有黑洞的地方看到的气体云更少。”
一个星系的超大质量黑洞的质量大约是该星系紧密聚集的恒星或星系凸起中恒星质量的千分之一。这些地区的恒星形成早已停止。
埃尔巴兹说：“因此，人们认为黑洞可以通过阻止星系形成新恒星来影响星系。”。“但如何做到呢？到目前为止，还没有直接证据表明超大质量黑洞对星系演化的影响。”
（左）M87中心的黑洞在偏振光中可见。（右）偏振光中银河系自身的超大质量黑洞Sgr A*（图片来源：uux.cn/EHT Collaboration）
为了解开这个谜团，王、埃尔巴兹和他的同事分析了69个星系。他们观察了这些星系恒星的质量、其中心超大质量黑洞的质量以及其冷原子氢气库的质量，冷原子氢气是恒星形成的主要元素。
埃尔巴兹说：“在大质量星系中，原子氢气的储量较低，这并不奇怪，因为被动星系主要存在于最大质量的星系中。”。“但这里的新发现是，我们也在研究气体储层如何随星系黑洞的质量而变化。我们表明，与黑洞的质量相比，气体储层的减少具有更好的相关性。”
因此，星系的质量可能无法解释为什么安静的星系形成的恒星更少；相反，很可能是星系内黑洞的质量决定了星系的恒星形成速率。
埃尔巴兹说：“星系中的黑洞质量越大，其原子气体库就越小。”。
研究人员补充说，星系中形成恒星的冷气体来自落入星系的物质，或来自星系间空间（即星系之间的空间）的“吸积”。该团队的分析表明，这些星系储层中的冷气体体积随着黑洞质量的增加而下降。“这表明黑洞有能力阻止星系从外部接收物质，”Elbaz说。
一个具有明亮AGN和大量冷气体的螺旋星系（图片来源：uux.cn美国国家航空航天局、欧洲航天局和D.Thilker（约翰·霍普金斯大学），图像处理：Gladys Kober（美国国家航空和宇宙航行局/美国天主教大学））
Elbaz解释说，有两种可能的方法来解释超大质量黑洞的质量与该星系仍在积极形成恒星的可能性之间的联系。
“首先，黑洞可能会将气体喷射出星系，但这一选择面临一个问题：我们看到许多星系尽管有一个活跃的黑洞，但仍在经历恒星形成，”他说。“其次，来自活动黑洞的喷流可以加热周围的星系间气体，并阻止其向星系提供食物。这被称为星系饥饿。”
第二种机制是研究人员青睐的解决方案，也是增加宇宙数值模拟似乎更受欢迎的解决方案。然而，需要明确的是，该团队缺乏观测证据来验证这一假设。
埃尔巴兹总结道：“由于之前的大多数研究都没有发现黑洞和气藏之间存在直接联系的迹象，而这种联系是无法用其他方式解释的，因此这项研究的主要发现令人惊讶。”。“尽管它为我们在宇宙中观察到的星系的行为提供了合乎逻辑的解释。”
Elbaz解释说，星系还有另一种气体成分——密度更大的分子气体，研究小组接下来将把注意力转向这个话题。
他解释说，该团队的下一步将是结合对这两种气体的分析。这应该使他们能够确定最近有多少宇宙气体落入星系。恒星形成以及星系生长对稠密分子气体的依赖性可以与超大质量黑洞的质量进行比较。
埃尔巴兹说：“这可以通过使用ALMA（阿塔卡马大型毫米阵列）天文台来实现。”。
该团队的研究发表在上周的《自然》杂志上。
