我國科學家解開困擾天文學界半個世紀的謎題

研究星系的形成和演化，對理解宇宙起源和結構有重要意義。

南京大學天文與空間科學學院教授王濤團隊揭示黑洞通過調制星系冷氣體含量影響星系的形成演化，解開了困擾天文學界半個世紀的謎題。該研究首次從觀測上提供了星系中心黑洞影響冷氣體含量的直接證據。8月15日，相關成果發表于《自然》。

半個世紀的謎題

天文學家通常將星系分為兩類：一類是比較“年輕”的，仍在不斷產生新恒星的“恒星形成星系”；一類是相對“衰老”的，沒有新恒星形成的“被動演化星系”。

觀測結果表明，這兩類星系最重要的區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制就成為理解星系如何形成演化的關鍵。

上世紀70年代，天文學家提出星系中心超大質量黑洞對宿主星系的反饋是影響星系的重要物理機制。經過近半個世紀的發展，黑洞對宿主星系的反饋作用已成為星系形成演化的主流理論模型。然而，因為缺乏明確的觀測證據，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，并使其無法冷卻。

“如果黑洞吸積并‘推出’冷氣體，短時間內會出現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作用。而星系中原子氫氣體是熱氣體冷卻的直接產物，因此我們把目光轉到原子氫氣體和黑洞的聯系上。”

王濤團隊通過對樣本星系中原子氫和超大質量黑洞的對比研究，發現星系中心黑洞質量與原子氫含量負相關。

“黑洞質量越大，星系中冷氣體含量越低。”王濤說，“之前的研究已經發現星系的冷氣體含量與很多星系物理參數相關，但我們發現，一旦排除黑洞質量影響，其他參數與冷氣體的相關性就非常低，這進一步說明黑洞質量是決定星系冷氣體含量最為重要的物理參數。”

完美的小樣本

2009年，王濤到美國哈佛-史密松森天體物理中心深造。從那時起，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，我們試圖找到其中最關鍵的物理機制。但超大質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證據。”王濤說。

2020年前后，情況發生了變化。越來越多的對大樣本星系的分析表明，星系中心黑洞的質量是區分恒星形成星系和被動演化星系最重要的物理量。在日本東京大學進行博士后研究的王濤第一時間注意到這些研究結果，他相信超大質量黑洞在星系形成演化中發揮了重要作用，立即著手開展相關研究。

2021年，王濤回國并組建了團隊，他決定帶領學生先用一個觀測數據最扎實的“小樣本”驗證一下。 沒想到，最初的小樣本驗證結果讓王濤覺得“too good to be true”（完美得難以置信）。這讓他更加堅定自己的判斷。

“實際上，2022年初我們就得到了初步結果。”王濤說，“此后的1年半時間里，我們一直在嘗試不同樣本，從樣本完備度、測量精度、分析方法、干擾排除等不同角度進行驗證。”

逐一驗證，排除干擾

“2022年初，王老師讓我看小樣本結果時，真的感覺眼前一亮。”論文作者之一、團隊成員吳雨瑄說，“當時很驚喜，但后來在實際驗證中才發現，真正的挑戰剛剛開始。”

團隊每次試圖用各種樣本將模型“泛化”驗證時，總會發現各種奇怪的新問題。一發現不符合預期的樣本，團隊就找原因，看是觀測的問題還是數據處理的問題。這讓團隊成員覺得“越深挖越復雜，難度越來越大，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現并排除這些干擾。”論文作者之一、南京大學博士生許可說。

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、準確驗證需要花時間。但黑洞問題關注度較高，很多人在做類似研究。“我們分析的數據都是公開的，關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，誰先想到就可能先捅破。”王濤說，“我們既想把工作做得更細致，又擔心‘摳’得太細，被別人搶先發表了。”

盡管面臨很大壓力，王濤團隊還是決定認真細致對待每一個樣本，逐一分析、驗證，排除干擾。精益求精的努力最終也有了令人滿意的回報。

“從黑洞和冷氣體含量關系的角度看，恒星形成星系和被動演化星系其實可以用同種關系描述。從這個意義上說，黑洞-冷氣體含量的關系給我們提供了研究星系形成演化全新的更基礎的框架。”王濤說，“當然，還有很多物理細節需要研究。下一步，我們會利用FAST（500米口徑球面射電望遠鏡）和未來國際合作的SKA（平方公里陣列射電望遠鏡）相關數據，瞄準更遠的宇宙、更小的星系，進一步完善該理論，證實它的普適性。”

相關論文信息：

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

《中國科學報》(2024-08-15第1版要聞)

（原標題：探秘星系的“生老病死” 科學家找到黑洞影響星系形成演化的觀測證據）