加州大学圣克鲁斯分校 一项新的理论解释了黑洞是如何随着星系质量的变化而增长，并最终抑制宿主星系中恒星的形成
这张图上的图像是斯隆数字天空测量公司拍摄的当前时代附近星系的图像，选择它来代表星系的演化
该图显示了小而密的星系的演化与大而弥散的星系的演化有何不同
密度较大的星系质量较大，因此在较低的质量下熄灭得更快，而密度较大的星系质量较小，在熄灭发生之前必须增长更多
坡度变得更陡标志着进入“绿色山谷”，在那里强烈地开始淬灭
该理论认为黑洞在这一点上开始加速增长
我们的银河系现在正处于临界点，在完全熄灭之前，它的黑洞预计还会增长三倍
信用:桑德拉·费伯/索菲亚·奎罗斯/SDSS 研究星系演化的天文学家长期以来一直在努力理解是什么导致大质量星系中恒星形成停止
尽管已经提出了许多理论来解释这一过程，即所谓的“淬火”，但对于一个令人满意的模型仍然没有达成共识
现在，由加州大学圣克鲁斯分校天文学和天体物理学荣誉教授桑德拉·费伯领导的一个国际团队提出了一个新模型，该模型成功地解释了关于星系结构、超大质量黑洞和恒星形成猝灭的一系列观测结果
研究人员在7月1日发表在《天体物理学杂志》上的一篇论文中展示了他们的发现
该模型支持一个关于淬灭的领先观点，该观点将其归因于黑洞“反馈”，即当物质落入黑洞并促进其生长时，从中央超大质量黑洞释放到星系及其周围的能量
这种能量反馈加热、喷射或以其他方式破坏了星系的气体供应，阻止了气体从星系的光晕进入恒星形成
费伯解释说:“这个想法是，在恒星形成的星系中，中央黑洞就像一种寄生虫，最终会生长并杀死宿主。”
“这之前已经说过了，但是我们还没有明确的规则来说明黑洞什么时候大到足以关闭宿主星系中的恒星形成，现在我们有了定量的规则来解释我们的观察结果
" 基本思想包括星系中恒星的质量(恒星质量)、这些恒星的分布(星系半径)和中心黑洞质量之间的关系
对于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，因此半径越大的星系中心恒星密度越低
假设中心黑洞的质量与中心恒星密度成比例，半径较大的恒星形成星系(在给定的恒星质量下)将具有较低的黑洞质量
费伯解释说，这意味着更大的星系(对于给定的恒星质量，半径更大的星系)必须进一步演化，并在它们的中心黑洞大到足以抑制恒星形成之前建立起更高的恒星质量
因此，小半径星系比大半径星系质量更低
“这是新的见解，如果大半径星系在给定的恒星质量下有更小的黑洞，如果黑洞反馈对猝灭很重要，那么大半径星系必须进一步进化，”她说
“如果你把所有这些假设放在一起，令人惊讶的是，你可以重现大量观察到的星系结构特性的趋势
" 这解释了，例如，为什么更大质量的猝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
基于这个模型，研究人员得出结论，当黑洞发射的总能量大约是星系晕中气体引力结合能的四倍时，淬灭开始
结合能指的是将气体保持在包围星系的暗物质晕内的重力
当黑洞发射的总能量是星系晕中气体结合能的20倍时，猝灭就完成了
费伯强调，该模型还没有详细解释恒星形成过程中的物理机制
“这个简单理论引发的关键物理过程还没有被理解，”她说
“然而，这样做的好处是，对过程中的每一步都有简单的规则，这就要求理论家们提出解释每一步的物理机制
" 天文学家习惯于用图表来思考，这些图表描绘了星系不同属性之间的关系，并显示了它们如何随着时间的推移而变化
这些图表揭示了恒星形成和猝灭星系之间结构的巨大差异，以及它们之间的明显界限
因为恒星的形成在光谱的蓝色端发出大量的光，天文学家称“蓝色”恒星形成星系、“红色”静止星系和“绿色山谷”为它们之间的过渡
一个星系处于哪个阶段由它的恒星形成率来揭示
这项研究的结论之一是，随着星系从一个阶段进化到下一个阶段，黑洞的增长率必然会发生变化
观测证据表明，当星系开始熄灭时，大多数黑洞的增长发生在绿色山谷
费伯说:“黑洞似乎是在恒星形成变慢的时候释放出来的。”
“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标度律，而熄灭星系中的黑洞遵循另一个标度律
如果黑洞质量在绿色山谷中快速增长，这是有道理的
" 费伯和她的合作者已经讨论这些问题很多年了
自2010年以来，费伯共同领导了一个大型哈勃太空望远镜星系调查项目(CANDELS，宇宙组件近红外深河外遗产调查)，该项目产生了本研究中使用的数据
在分析坎迪斯的数据时，她与UCSC物理学荣誉退休教授乔尔·普里马克领导的团队密切合作，该团队开发了莫斯科大剧院宇宙学模拟，模拟星系形成时的暗物质晕的演化
这些光晕为理论提供了支架，在猝灭前建立了星系演化的早期恒星形成阶段
这篇论文的中心思想来自对坎代尔斯数据的分析，大约四年前第一次打动了费伯
“它突然向我扑来，我意识到如果我们把所有这些东西放在一起——如果星系在半径和质量上有一个简单的轨迹，如果黑洞能量需要克服晕束缚能——它可以解释星系结构图中所有这些倾斜的边界，”她说
当时，费伯经常去中国，在那里她参与了研究合作和其他活动
她是上海师范大学的客座教授，在那里她遇到了第一作者朱晨
陈于2017年以访问研究员的身份来到加州大学圣克鲁斯分校，并开始与费伯合作开发这些关于星系淬火的想法
费伯说:“她数学很好，比我好，她为这篇论文做了所有的计算。”
费伯还称赞了她的长期合作者、UCSC天文学和天体物理学荣誉退休教授古天乐，因为他首次将注意力集中在星系的中心密度上，认为这是中心黑洞增长的关键
在这个新模型解释的难题中，我们的银河系和它非常相似的邻居仙女座之间有着惊人的差异
费伯说:“银河系和仙女座几乎有相同的恒星质量，但是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生长的想法对解释这个谜有很大帮助
银河系刚刚进入绿色山谷，它的黑洞仍然很小，而仙女座菌株刚刚退出，所以它的黑洞已经变得更大，它也比银河系更猝灭
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