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探秘星系的“生老病死”
2024/08/15 14:58 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào) 閱讀：1.3萬(wàn)
研究星系的形成和演化,，對(duì)理解宇宙起源和結(jié)構(gòu)有重要意義。
南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授王濤團(tuán)隊(duì)揭示黑洞通過調(diào)制星系冷氣體含量影響星系的形成演化,，解開了困擾天文學(xué)界半個(gè)世紀(jì)的謎題,。該研究首次從觀測(cè)上提供了星系中心黑洞影響冷氣體含量的直接證據(jù),。8月15日，相關(guān)成果發(fā)表于《自然》,。
半個(gè)世紀(jì)的謎題
天文學(xué)家通常將星系分為兩類：一類是比較“年輕”的,，仍在不斷產(chǎn)生新恒星的“恒星形成星系”；一類是相對(duì)“衰老”的,，沒有新恒星形成的“被動(dòng)演化星系”,。
觀測(cè)結(jié)果表明，這兩類星系最重要的區(qū)別是后者缺乏冷氣體,。而冷氣體是恒星形成的“原料”,，因此，探索星系中冷氣體含量的物理機(jī)制就成為理解星系如何形成演化的關(guān)鍵,。
上世紀(jì)70年代,，天文學(xué)家提出星系中心超大質(zhì)量黑洞對(duì)宿主星系的反饋是影響星系的重要物理機(jī)制。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,，黑洞對(duì)宿主星系的反饋?zhàn)饔靡殉蔀樾窍敌纬裳莼闹髁骼碚撃Ｐ?。然而，因?yàn)槿狈γ鞔_的觀測(cè)證據(jù),，星系中心黑洞是否影響及如何影響星系形成演化,，成為困擾天文學(xué)界的謎題。
理論上,，星系中心黑洞影響宿主星系冷氣體含量和恒星形成的方式有兩種：一是黑洞快速吸積冷氣體,，這一過程會(huì)釋放大量能量，從而將星系的冷氣體“推出”星系,；二是黑洞的能量加熱冷氣體,，并使其無(wú)法冷卻。
“如果黑洞吸積并‘推出’冷氣體,，短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)冷氣體含量迅速下降的過程,。”王濤解釋說,，“此前的研究顯示,，即使是那些最活躍黑洞的宿主星系，也沒有這一過程,。這表明很可能是第二種方式占主導(dǎo)作用,。而星系中原子氫氣體是熱氣體冷卻的直接產(chǎn)物，因此我們把目光轉(zhuǎn)到原子氫氣體和黑洞的聯(lián)系上,?！?/span>
王濤團(tuán)隊(duì)通過對(duì)樣本星系中原子氫和超大質(zhì)量黑洞的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)星系中心黑洞質(zhì)量與原子氫含量負(fù)相關(guān)。
“黑洞質(zhì)量越大,，星系中冷氣體含量越低,。”王濤說,，“之前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)星系的冷氣體含量與很多星系物理參數(shù)相關(guān),，但我們發(fā)現(xiàn)，一旦排除黑洞質(zhì)量影響,，其他參數(shù)與冷氣體的相關(guān)性就非常低,，這進(jìn)一步說明黑洞質(zhì)量是決定星系冷氣體含量最為重要的物理參數(shù)?！?/span>
完美的小樣本
2009年,，王濤到美國(guó)哈佛-史密松森天體物理中心深造。從那時(shí)起,，他就致力于研究星系如何“從生到死”的問題,。
“就像人類有生老病死一樣，星系從年輕的恒星形成星系到年老的被動(dòng)演化星系,，可以看作星系‘從生到死’的過程,。該過程受很多因素影響，我們?cè)噲D找到其中最關(guān)鍵的物理機(jī)制,。但超大質(zhì)量黑洞是否影響以及如何影響星系形成演化一直缺乏令人信服的觀測(cè)證據(jù),。”王濤說,。
2020年前后，情況發(fā)生了變化,。越來(lái)越多的對(duì)大樣本星系的分析表明,，星系中心黑洞的質(zhì)量是區(qū)分恒星形成星系和被動(dòng)演化星系最重要的物理量。在日本東京大學(xué)進(jìn)行博士后研究的王濤第一時(shí)間注意到這些研究結(jié)果,，他相信超大質(zhì)量黑洞在星系形成演化中發(fā)揮了重要作用,，立即著手開展相關(guān)研究。
2021年,，王濤回國(guó)并組建了團(tuán)隊(duì),，他決定帶領(lǐng)學(xué)生先用一個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)最扎實(shí)的“小樣本”驗(yàn)證一下。沒想到,，最初的小樣本驗(yàn)證結(jié)果讓王濤覺得“too good to be true”（完美得難以置信）,。這讓他更加堅(jiān)定自己的判斷。
“實(shí)際上,，2022年初我們就得到了初步結(jié)果,。”王濤說，“此后的1年半時(shí)間里,，我們一直在嘗試不同樣本,，從樣本完備度、測(cè)量精度,、分析方法,、干擾排除等不同角度進(jìn)行驗(yàn)證?！?/span>
逐一驗(yàn)證,，排除干擾
“2022年初，王老師讓我看小樣本結(jié)果時(shí),，真的感覺眼前一亮,。”論文作者之一,、團(tuán)隊(duì)成員吳雨瑄說,，“當(dāng)時(shí)很驚喜，但后來(lái)在實(shí)際驗(yàn)證中才發(fā)現(xiàn),，真正的挑戰(zhàn)剛剛開始,。”
團(tuán)隊(duì)每次試圖用各種樣本將模型“泛化”驗(yàn)證時(shí),，總會(huì)發(fā)現(xiàn)各種奇怪的新問題,。一發(fā)現(xiàn)不符合預(yù)期的樣本，團(tuán)隊(duì)就找原因,，看是觀測(cè)的問題還是數(shù)據(jù)處理的問題,。這讓團(tuán)隊(duì)成員覺得“越深挖越復(fù)雜，難度越來(lái)越大,，好像找不到真相”,。
“不同星系的樣本有不同的干擾因素，我們很大一部分工作是發(fā)現(xiàn)并排除這些干擾,?！闭撐淖髡咧弧⒛暇┐髮W(xué)博士生許可說,。
同樣,，決定星系冷氣體含量的因素很多，研究人員甚至不知道到底有多少干擾因素,。
排除干擾,、準(zhǔn)確驗(yàn)證需要花時(shí)間。但黑洞問題關(guān)注度較高,，很多人在做類似研究,。“我們分析的數(shù)據(jù)都是公開的，關(guān)鍵是能不能找到正確的研究方向,。因此這在某種意義上就是一層窗戶紙,，誰(shuí)先想到就可能先捅破?！蓖鯘f,，“我們既想把工作做得更細(xì)致，又擔(dān)心‘摳’得太細(xì),，被別人搶先發(fā)表了,。”
盡管面臨很大壓力,，王濤團(tuán)隊(duì)還是決定認(rèn)真細(xì)致對(duì)待每一個(gè)樣本,，逐一分析、驗(yàn)證,，排除干擾,。精益求精的努力最終也有了令人滿意的回報(bào)。
“從黑洞和冷氣體含量關(guān)系的角度看,，恒星形成星系和被動(dòng)演化星系其實(shí)可以用同種關(guān)系描述,。從這個(gè)意義上說，黑洞-冷氣體含量的關(guān)系給我們提供了研究星系形成演化全新的更基礎(chǔ)的框架,?！蓖鯘f，“當(dāng)然,，還有很多物理細(xì)節(jié)需要研究,。下一步，我們會(huì)利用FAST（500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡）和未來(lái)國(guó)際合作的SKA（平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡）相關(guān)數(shù)據(jù),，瞄準(zhǔn)更遠(yuǎn)的宇宙,、更小的星系，進(jìn)一步完善該理論,，證實(shí)它的普適性?！保ㄓ浾?張雙虎）