探秘星系的“生老病死”

　　研究星系的形成和演化，对理解宇宙起源和结构有重要意义。

　　南京大学天文与空间科学学院教授王涛团队揭示黑洞通过调制星系冷气体含量影响星系的形成演化，解开了困扰天文学界半个世纪的谜题。该研究首次从观测上提供了星系中心黑洞影响冷气体含量的直接证据。8月15日，相关成果发表于《自然》。

　　半个世纪的谜题

　　天文学家通常将星系分为两类：一类是比较“年轻”的，仍在不断产生新恒星的“恒星形成星系”；一类是相对“衰老”的，没有新恒星形成的“被动演化星系”。

　　观测结果表明，这两类星系最重要的区别是后者缺乏冷气体。而冷气体是恒星形成的“原料”，因此，探索星系中冷气体含量的物理机制就成为理解星系如何形成演化的关键。

　　上世纪70年代，天文学家提出星系中心超大质量黑洞对宿主星系的反馈是影响星系的重要物理机制。经过近半个世纪的发展，黑洞对宿主星系的反馈作用已成为星系形成演化的主流理论模型。然而，因为缺乏明确的观测证据，星系中心黑洞是否影响及如何影响星系形成演化，成为困扰天文学界的谜题。

　　理论上，星系中心黑洞影响宿主星系冷气体含量和恒星形成的方式有两种：一是黑洞快速吸积冷气体，这一过程会释放大量能量，从而将星系的冷气体“推出”星系；二是黑洞的能量加热冷气体，并使其无法冷却。

　　“如果黑洞吸积并‘推出’冷气体，短时间内会出现冷气体含量迅速下降的过程。”王涛解释说，“此前的研究显示，即使是那些最活跃黑洞的宿主星系，也没有这一过程。这表明很可能是第二种方式占主导作用。而星系中原子氢气体是热气体冷却的直接产物，因此我们把目光转到原子氢气体和黑洞的联系上。”

　　王涛团队通过对样本星系中原子氢和超大质量黑洞的对比研究，发现星系中心黑洞质量与原子氢含量负相关。

　　“黑洞质量越大，星系中冷气体含量越低。”王涛说，“之前的研究已经发现星系的冷气体含量与很多星系物理参数相关，但我们发现，一旦排除黑洞质量影响，其他参数与冷气体的相关性就非常低，这进一步说明黑洞质量是决定星系冷气体含量最为重要的物理参数。”

　　完美的小样本

　　2009年，王涛到美国哈佛-史密松森天体物理中心深造。从那时起，他就致力于研究星系如何“从生到死”的问题。

　　“就像人类有生老病死一样，星系从年轻的恒星形成星系到年老的被动演化星系，可以看作星系‘从生到死’的过程。该过程受很多因素影响，我们试图找到其中最关键的物理机制。但超大质量黑洞是否影响以及如何影响星系形成演化一直缺乏令人信服的观测证据。”王涛说。

　　2020年前后，情况发生了变化。越来越多的对大样本星系的分析表明，星系中心黑洞的质量是区分恒星形成星系和被动演化星系最重要的物理量。在日本东京大学进行博士后研究的王涛第一时间注意到这些研究结果，他相信超大质量黑洞在星系形成演化中发挥了重要作用，立即着手开展相关研究。

　　2021年，王涛回国并组建了团队，他决定带领学生先用一个观测数据最扎实的“小样本”验证一下。没想到，最初的小样本验证结果让王涛觉得“too good to be true”（完美得难以置信）。这让他更加坚定自己的判断。

　　“实际上，2022年初我们就得到了初步结果。”王涛说，“此后的1年半时间里，我们一直在尝试不同样本，从样本完备度、测量精度、分析方法、干扰排除等不同角度进行验证。”

　　逐一验证，排除干扰

　　“2022年初，王老师让我看小样本结果时，真的感觉眼前一亮。”论文作者之一、团队成员吴雨瑄说，“当时很惊喜，但后来在实际验证中才发现，真正的挑战刚刚开始。”

　　团队每次试图用各种样本将模型“泛化”验证时，总会发现各种奇怪的新问题。一发现不符合预期的样本，团队就找原因，看是观测的问题还是数据处理的问题。这让团队成员觉得“越深挖越复杂，难度越来越大，好像找不到真相”。

　　“不同星系的样本有不同的干扰因素，我们很大一部分工作是发现并排除这些干扰。”论文作者之一、南京大学博士生许可说。

　　同样，决定星系冷气体含量的因素很多，研究人员甚至不知道到底有多少干扰因素。

　　排除干扰、准确验证需要花时间。但黑洞问题关注度较高，很多人在做类似研究。“我们分析的数据都是公开的，关键是能不能找到正确的研究方向。因此这在某种意义上就是一层窗户纸，谁先想到就可能先捅破。”王涛说，“我们既想把工作做得更细致，又担心‘抠’得太细，被别人抢先发表了。”

　　尽管面临很大压力，王涛团队还是决定认真细致对待每一个样本，逐一分析、验证，排除干扰。精益求精的努力最终也有了令人满意的回报。

　　“从黑洞和冷气体含量关系的角度看，恒星形成星系和被动演化星系其实可以用同种关系描述。从这个意义上说，黑洞-冷气体含量的关系给我们提供了研究星系形成演化全新的更基础的框架。”王涛说，“当然，还有很多物理细节需要研究。下一步，我们会利用FAST（500米口径球面射电望远镜）和未来国际合作的SKA（平方公里阵列射电望远镜）相关数据，瞄准更远的宇宙、更小的星系，进一步完善该理论，证实它的普适性。”

　　相关论文信息：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-024-07821-2

　　《中国科学报》 (2024-08-15 第1版 要闻)

　　记者 张双虎