超大质量黑洞可以开启或关闭恒星的形成？

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半人马座A的彩色合成图像，揭示了活跃星系中心黑洞的裂片和喷射物。图片版权：ESO/NASA/CXC/CfA/WFI/MPIfR/APEX/A.Weiss et al./R.Kraft et al.

在20世纪70年代，天文学家发现一个特别大的黑洞(人马座a *)存在于银河系的中心。类似的超大质量黑洞(SMBHs)存在于大多数大星系的中心。这些黑洞的存在，活跃星系核(AGN)，也正是那些拥有特别发光的核的分化星系——aka。

天文学家和宇宙学家们思考SMBHs对星系演化的作用，一些人大胆地说它们对恒星的形成产生了深远的影响。多亏了国际天文学家小组最近的一项研究，现在有了直接证据证明了黑洞和一个星系的恒星形成之间的关系。研究小组证明：黑洞的质量可以决定星系中恒星形成的时间。

这项名为“大星系中黑洞调控恒星形成”的研究最近发表在科学杂志《自然》上。该研究小组由来自加州大学天文台的玛丽·居里研究员伊格纳西奥·马丁纳-纳瓦罗(Ignacio martinar – navarro)领导，该研究小组成员还包括来自马普天文研究所(max – planck Institute for天文学)的成员和卡纳利亚斯研究所(Instituto de Astrofisica de Canarias)的成员。

位于麦克唐纳天文台的霍比-埃伯利望远镜(HET)的主镜。镜子由91个部分组成，有效孔径为9.2米。图片版权：Marty Harris/McDonald Observatory

研究小组依靠2015 年收集的爱因- 埃伯尔望远镜大规模星系测量的数据。这一系统的调查使用了麦克唐纳天文台的10 米霍比 – 埃伯望远镜（HET）进行光学长缝光谱测量超过1000个星系。这次调查不仅为这些星系提供了光谱，而且还为这些星系中的74个星系产生了中心黑洞的直接质量测量。

使用这些数据，马丁-纳瓦罗和他的同事们发现了第一个观测证据，证明星系中心黑洞的质量与恒星形成的历史有直接联系。虽然天体物理学家们已经在这个假设下运作了几十年，但直到现在才发现证据。正如加州大学圣克鲁斯分校的天文学和天体物理学教授Jean Brodie和该论文的合著者，在UCSC的新闻稿中说：

我们一直在反馈信息，让模拟结果出来，但却不知道它是如何发生的。这是第一个直接观测的证据，可以看到黑洞对银河系恒星形成史的影响。

大约15年前，一个星系的质量和一个星系的恒星的总质量之间的相关性被发现，这导致了一个重大的悬而未决的问题在天体物理学圈。虽然这种相关性似乎是星系的中心特征，但还不清楚是什么导致了它。一个相对较小的中心黑洞的质量如何与遍布整个星系的数十亿颗恒星的质量有关？

星系NGC 660,在这个和其他星系中，新恒星形成的速率似乎与星系中心黑洞的演化有关。图片版权：ESA/Hubble/NASA

一个可能的解释是，更大的星系聚集了大量的气体，从而导致更多的恒星和一个更大的中心黑洞。然而天体物理学家们也相信是一种反馈机制，不断增长的黑洞会抑制附近恒星的形成。简而言之，当物质在一个中心黑洞上形成时，它会以辐射和粒子喷射的形式释放出大量的能量。

如果这种能量转移到围绕着星系核心的气体和尘埃，恒星将不太可能在这个区域形成，因为气体和尘埃需要冷却才能经历塌陷的区域。多年来这类反馈被包括在宇宙学模拟中，用来解释星系中观测到的恒星形成率。根据这些相同的模拟，减去这一机制，星系将形成比观测到的更多的恒星。

然而没有直接证据表明这种现象以前是可以得到的。获得其中一些的第一步是复制用于研究的74个目标星系的恒星形成史。马丁-纳瓦罗和他的同事们通过对从这些星系中获得的光谱进行分析，得出了一些计算方法，这些技术都是为了寻找最佳组合的恒星来适应这些数据。

这样，研究小组就能够在过去的125亿年里重建目标星系内恒星形成的历史。在研究了这些历史之后，发现了一些可预测的结果，但也有一些相当显著的差异。首先正如预测的那样：星系中心黑洞周围的区域对恒星形成的速度产生了明显的抑制作用。

最遥远的超大质量黑洞被发现。它是大爆炸后的6亿9千万年前的类星体的一部分。图片版权：Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

正如所预测的，在这些星系中，中央黑洞质量和恒星质量之间也存在明显的相关性。研究小组还指出，在恒星质量略小于预期的情况下(相对于其中心黑洞的质量)，恒星形成率较低。在其他一些情况下，星系的恒星质量(相对于黑洞)要大得多，恒星形成率也更高。

这种相关性不仅与黑洞质量和恒星质量之间的一致性更一致，而且独立于其他因素(如形状或密度)。Martin-Navaro解释说：对于有着相同质量恒星的星系，但在中心有不同的黑洞质量，那些有较大黑洞的星系比那些有较小黑洞的星系更早被熄灭。所以恒星的形成持续时间较长在那些星系中心的小黑洞中。

这种相关性延伸到过去的深处，在过去的125亿年里，超大质量中心黑洞的星系一直在不断地产生相对较低的恒星。这是恒星形成与星系中心黑洞存在的直接、长期联系的第一个有力证据。

特写近一个超大质量黑洞(艺术印象图)。图片版权：ESA/Hubble, ESO, M. Kornmesser

这项研究的另一个有趣的结论是，它解决了AGN光度和恒星形成之间可能的相关性。在过去，其他研究人员试图找到两者之间联系的证据，但没有成功。根据马丁-纳瓦罗和他的团队的说法：这可能是因为时间尺度是非常不同的。而恒星的形成过程是在eons过程中发生的，而从agn中爆发的时间间隔较短。

更重要的是AGN高度变量和它们的属性依赖于很多因素有关黑洞——即大小、质量、吸积率等。使用黑洞质量的代理能量投入AGN的星系，因为吸积到更大质量黑洞导致更有活力的反馈活动星系核，将淬火恒星形成更快。

展望未来，该研究小组希望进一步研究并确定中心黑洞如何阻止恒星形成。目前，它可能是由于辐射或气体加热的气体加热周围物质的可能性不是决定性的。正如圣何塞州立大学(San Jose State University)的天文学家艾伦·罗曼诺斯基(Aaron Romanowsky)所指出的：黑洞可以通过不同的方式将能量注入银河系，理论学家也有各种各样的关于淬火如何发生的想法，但是还有更多的工作要做，以适应这些新的观测结果。

决定宇宙如何形成的部分原因是知道什么机制在起作用，以及它们的作用范围。通过这项最新的研究，天体物理学家和宇宙学家可以在他们已经正确的认识上获得安慰——至少在这种情况下！