科学家揭示宇宙早期大质量星系为何奇怪地耗尽了孕育恒星的燃料

早期的大质量星系 —— 那些形成于大爆炸后 30 亿年的星系 —— 理论上应该含有大量可孕育恒星的冷氢气。然而科学家们在借助阿塔卡马大型毫米 / 亚毫米阵列（ALMA）和哈勃太空望远镜观察早期宇宙时，却发现了一些奇怪的案例 —— 其中就包括了六个耗尽燃料的早期大质量星系。

星系团 MACSJ 0138 合成图像（来自：ALMA / Hubble）

在 9 月 22 日发表于《自然》杂志上的一篇文章中，科学家们详细介绍了 REQUIEM 调查中研究的这些无法再形成恒星的“淬火”星系，并揭示了有哪些因素阻止其“燃料”的输送。

上图放大的明亮橙 / 红点，描绘了使用 ALMA 在无线电中观察到的冷尘埃，其有助于科学家推断了解星团中存在星系诞生所需的冷氢气量。

然而 REQUIEM 调查中的六个高红移星系，却与天文学家们对早期宇宙的预期并不一致。

REQUIEM 研究早期大质量星系缺乏形成恒星所需的冷氢气

研究一作、马萨诸塞大学阿莫斯特分校助理教授 Kate Whitaker 指出：“宇宙中质量最大的星系，可谓生长得又快又猛，能够在极短的时间内孕育大量恒星”。

气体是恒星形成所需的‘燃料’，在宇宙的早期阶段应该是相当充足的。 我们起初认为，这些‘淬火’星系是在大爆炸后短短几十亿年就踩下了刹车。 然而新研究表明，早期星系实际上并未致动，而是在空虚的情况下运行的。

研究配图 - 1：六个大质量透镜星系的影像（来自：Nature）

为了更好地了解星系是如何形成和消亡的，研究小组使用了哈勃望远镜对它们进行对比观察，揭示了生活在上述星系中的恒星的详情。

同期的 ALMA 观测，则揭示了星系在毫米波长下的连续辐射（尘埃的示踪剂），使得研究人员能够推断星系中的气体量。

两架望远镜的使用，都经过了精心的设计。因为 REQUIEM 项目的主要目的，就是利用强引力透镜作为天然望远镜。

这使得科学家们能够以更高的空间分辨率来观察休眠星系，最终让我们对星系的内部活动有了更加清晰认识。

研究配图 - 2：“淬火”星系的低尘埃质量

来自美国宇航局的研究合著者、兼德克萨斯大学奥斯汀分校的哈勃博士后研究员 Justin Spilker 表示：

若一个星系没有产生很多新恒星，那它很快就会变得非常微弱，意味着我们很难、或者几乎不可能用任何单独的望远镜来观察它们的细节。 好消息是，REQUIEM 通过研究被引力透镜化的星系，巧妙地化解了这个难题。这意味着它们发出的光线，会在更接近银河系的其它星系周围时被拉伸和放大。 通过宇宙里的这种‘天然望远镜’，我们结合哈勃与 ALMA 的分辨率和灵敏度，让这些垂死星系看起来较实际更大、更明亮，最终让我们看到正在发生的事情。

研究配图 - 3：与恒星形成星系相比的低分子气体质量

新观测表明，六个目标星系中恒星形成的停止，并不是由于冷气体转化为恒星的突然低效造成的。相反，它是星系中气藏耗尽、或被抽离的结果。

研究合著者、亚利桑那大学天文学家 Christina Williams 表示：

我们尚不清楚为何会发生这种情况，但可能的解释是，为星系提供‘燃料’的主要气体供应被切断，或者一个超大质量黑洞正在注入能量、使得星系中的气体保持着高温。 从本质上讲，这意味着星系无法重新填充其‘燃料箱’，因而难以重启恒星孕育阶段的‘发动机’。

最后，这项研究率先测量了早期大质量星系的诸多方面，相关经验或为未来几年的早期宇宙研究奠定坚实的基础和指导。