研究宇宙中最大的星系在死亡前是如何快速生长的。来源：uux.cn/Pixabay/CC0公共领域

（神秘的地球uux.cn）据《地平线：欧盟研究与创新杂志》（乔纳森·奥卡拉汉）：天文学家比以往任何时候都更接近于弄清楚宇宙中最大的星系在死亡前是如何快速生长的。

宇宙中星系的形成应该遵循一条相当简单的路径。它始于小星系，然后变得越来越大，直到它们成为我们在现代宇宙中看到的巨型星系，就像我们的银河系一样。容易，对吧？

但对于特定类别的椭圆星系来说，这并不是严格正确的——巨大的球形恒星集合，没有明确的结构。在欧盟资助的帮助下，研究人员已经着手发现这些星系的起源，并揭开宇宙的更多奥秘。

为了做到这一点，他们使用能够追踪光线到宇宙偏远角落的强大望远镜穿越时空。这使科学家能够观察到星系在过去，甚至数十亿年前出现的样子。

丹麦尼尔斯·玻尔研究所的宇宙学家苏内·托夫特说：“星系是宇宙的标杆。它们是万物的起源。了解详细的形成情景是了解宇宙起源和我们来自哪里的唯一途径。”

Toft在2015年至2021年期间领导了欧盟资助的ConTExt项目。目标是观测一些可能最古老的椭圆星系，这些星系可以追溯到宇宙138亿年历史的前20亿年。

时间旅行到遥远的黑暗角落：还没有答案

尽管研究人员对椭圆星系有了一些了解，但它们仍然是一个谜。

托夫特说：“这些已经被人们知道很多年了，但它们是如何形成的，这有点棘手，因为它们在当地的宇宙中都是古老而死亡的。”。

他的研究背后的想法是：当我们进一步回顾过去，通过观察数十亿光年外的星系，在某个时候，我们应该开始看到这些星系的祖先，并能够解释它们是如何变得如此巨大的。

托夫特说：“但我们看得越远，它们就越老，越死。它们几乎没有恒星形成。”托夫特指的是星系演化核心的过程。

这意味着星系在早期宇宙中一定生长得很快。尽管如此，确切的方式和时间仍然未知。

还有另一个谜题：如果星系生长得很快，为什么它们会停止生长？这对我们理解宇宙中由恒星、行星系统、星团和星系组成的分层星系结构意味着什么？

托夫特说：“小星系应该首先形成。那么为什么这些大质量星系是首先形成的呢？”。

恒星形成

他的假设是，这些星系可能在其历史早期经历了强烈的恒星形成，成为所谓的星爆星系。

星爆星系拥有极其密集的尘埃和气体，每年可以形成质量是太阳数千倍的恒星。相比之下，我们的银河系平均每年形成一个新的太阳质量。

托夫特利用智利的阿塔卡马大型毫米阵列望远镜，以及哈勃太空望远镜和斯皮策太空望远镜开始工作，这两台望远镜当时都绕地球运行。

他发现，在大爆炸后的前10亿到20亿年里，“有足够多的这些恒星形成星系变成死亡星系。”这些星系密集而紧凑，看起来与我们今天看到的椭圆星系的核心相似。

托夫特的工作前提是，这些前身椭圆星系在宇宙中迅速形成，然后才有什么东西阻止了它们的恒星形成。

然后，在接下来的100亿年左右的时间里，它们通过吞噬较小的星系，将恒星添加到星系的外围区域，逐渐积累了更多的恒星。因此，椭圆星系仍然古老而死亡，但仍然可以增长到巨大的规模。

椭圆星系的早期生长可能是由星系合并引发的恒星形成造成的。

托夫特说：“你有两个主要的星系迎面相撞，气体被压缩到这次碰撞的中心。”。“这就是你需要非常高的恒星形成率。”

但目前尚不清楚的是，这些星系是如何关闭的。它们是如何如此迅速地停止形成恒星，最终成为我们今天看到的死星系的？

淬火

意大利博洛尼亚大学的天文学家Sirio Belli正在通过他的红衣主教项目调查这个问题，该项目由欧盟资助，从2023年持续到2028年。

它正在使用绕太阳运行的强大的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）以前所未有的方式探测这些早期星系。新出现的观点是，在这些星系中心发现的黑洞对它们的演化负有责任。

今天几乎所有的星系，包括我们自己的星系，在它们的中心都有一个超大质量黑洞，一个质量是太阳数百万到数十亿倍的巨大物体。这些黑洞驱动着星系的形成和演化，在整个星系的历史中搅动和排出气体和尘埃。

贝利发现，这些黑洞也可能是阻止早期星系恒星形成的原因，这一过程被称为淬灭。

2024年4月，他的团队使用JWST报告了在大爆炸后约26亿年发现的一个正在经历淬灭的巨大星系。他说：“这是一个幸运的巧合，因为我们正好在淬火发生的时候观察到了这个星系。”。

这个星系似乎一直在增长，直到最近。贝利说：“它刚刚停止形成恒星。”。

“与此同时，我们发现这个巨大的风从星系中出来。我们认为这是由于星系中心的超大质量黑洞造成的。”

贝利说，这个想法是黑洞变得非常活跃，“将气体从星系中推开”。“所以你没有任何气体来形成新的恒星。这就像一辆耗尽燃料的汽车。”

目前尚不清楚的是，黑洞为什么会变得活跃。一种可能性是，一旦黑洞吞噬了足够的物质并获得了足够的质量，它就会突然开始释放大量的能量，导致淬灭。

贝利说：“我们认为，一旦一个星系达到一定的质量，即1000亿个太阳质量，它们最终都会被淬灭。”。“在今天的宇宙中，我们没有看到任何仍在形成恒星的巨大星系。”

用于进一步探测的超大型望远镜

更多的答案可能来自欧洲超大望远镜（ELT）等新望远镜，该望远镜正在智利建造，将于2028年开始观测。

贝利说：“有了ELT，我们可以在早期宇宙中详细观察这些星系内部”，这是JWST无法做到的。

他说，这将告诉研究人员恒星的整体形成率，以及“恒星在哪里形成”。“如果英语教学如承诺的那样运作，那应该很酷。”

确定淬灭过程的机制对于解开星系死亡的谜团至关重要，这个问题仍然困扰着科学家。

托夫特说：“这不可能，因为当一个星系处于早期宇宙时，它充满了气体。”。

“你是如何从每年形成数千个太阳质量变成什么的？如果我们想证明黑洞是罪魁祸首，我们必须找到正在关闭的星系。”

有了这种理解，我们将了解我们今天看到的宇宙是如何形成的。