星系如何死亡：银河晕，黑洞和恒星形成淬火的新见解

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地淬灭，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，在那里开始强烈的淬火。该理论说，黑洞在这一点上开始增长得更快。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另外三倍。

一个简单的模型通过描述星系光晕与其中心黑洞之间的较量来解释广泛的观测结果，最终使恒星形成失去作用。

研究星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“淬火”，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有关星系结构，超大质量黑洞和恒星形成淬灭的广泛观测结果。研究人员在2020年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，该思想将其归因于黑洞“反馈”，即当物质落入黑洞并促进其生长时，其能量从中央超大质量黑洞释放到星系及其周围。这种充满活力的反馈会加热，喷射或破坏星系的气体供应，从而防止气体从星系的晕圈中坠落而形成恒星。

费伯解释说：“这个想法是在形成恒星的星系中，中央的黑洞就像一个寄生虫，最终会生长并杀死宿主。”“之前已经说过，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用来解释我们的观测结果。”

尺寸和质量

基本思想涉及银河系中恒星的质量（恒星质量），恒星的扩散程度（星系的半径）与中心黑洞的质量之间的关系。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。

Faber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。

她说：“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。”“如果将所有这些假设放在一起，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晕中气体的重力结合能的四倍时，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重力。当黑洞发出的总能量是银晕中气体的结合能的20倍时，淬灭就完成了。

物理过程

费伯强调说，该模型尚未详细解释恒星形成淬灭所涉及的物理机制。她说：“这个简单的理论引发的关键物理过程尚未被理解。”“不过，这样做的好处在于，对过程中的每个步骤都拥有简单的规则会挑战理论家提出能够解释每个步骤的物理机制。”

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，黑洞的增长率必须发生变化。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。

费伯说：“正当恒星形成速度变慢时，黑洞似乎已经释放了。”“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定标律，而淬灭星系中的黑洞遵循另一个定标律。如果黑洞质量在绿色山谷中快速增长，那是有道理的。”

坎德拉

费伯和她的合作者多年来一直在讨论这些问题。自2010年以来，Faber共同领导了一个重要的哈勃太空望远镜星系调查计划（CANDELS，宇宙集会近红外深河外传统遗留调查），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，该理论建立了在淬灭之前星系演化的早期恒星形成阶段。

该论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Faber身上。“它突然一下子扑向我，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-它可以解释所有这些倾斜的边界。她说。

当时，Faber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朱晨。Chen于2017年以客座研究员的身份来到加州大学圣克鲁斯分校，并开始与Faber合作开发有关银河系猝灭的想法。

费伯说：“她在数学上非常好，比我好，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戴维·库（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。

这种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。费伯说：“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。”“黑洞在绿色山谷中大量繁殖的想法对解释这一谜题大有帮助。银河系刚刚进入绿色山谷，它的黑洞仍然很小，而仙女座正要退出，所以它的黑洞变得更大了，而且比银河系更加淬灭了。”

参考：朱琛，SM Faber，David C. Koo，Rachel S. Somerville，Joel R. Primack，Avishai Dekel，AldoRodríguez-Puebla，Yicheng Guo，Guillermo Barro， Dale D.Kocevski，A.van der Wel，Joanna Woo，Eric F.Bell，Jerome J.Fang，Henry C.Ferguson，Mauro Giavalisco，Marc Huertas-Company，Fangzhou Jiang，Susan Kassin，Lin Lin，FS罗，罗志坚，卡米拉·帕西菲基，维拉·潘迪，萨米尔·萨利姆，成刚树，桑德罗·塔切拉，布莱恩·特拉萨斯和哈森·耶夫，2020年7月7日，天体物理学杂志.DOI：
10.3847 / 1538-4357 / ab9633

除了Faber，Chen，Koo和Primack之外，该论文的合著者还包括来自七个国家的大约二十个机构的研究人员。这项工作是由美国国家航空航天局（NASA）和美国国家科学基金会（National Science Foundation）资助的。