韋伯望遠(yuǎn)鏡最近盯上了一些"早該退休"的星系。它們在宇宙誕生才十億年出頭的時(shí)候,就已經(jīng)停止造星,變成一片紅彤彤的"老年社區(qū)"。這相當(dāng)于一個(gè)嬰兒剛學(xué)會走路,身體就開始衰老了。
更奇怪的是,這些星系中心幾乎都有超大質(zhì)量黑洞。按理說,黑洞和星系應(yīng)該是同步長大的——你長我也長,像一對搭伙過日子的伙伴。但韋伯的觀測顯示,這對伙伴的"發(fā)育時(shí)間表"似乎對不上。
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亞利桑那大學(xué)斯圖爾德天文臺的劉維哲(Weizhe Liu)團(tuán)隊(duì)最近在《自然》上發(fā)表了一項(xiàng)研究,試圖解釋這個(gè)怪現(xiàn)象。他們的答案指向一種宇宙級的"吹風(fēng)機(jī)":類星體。
所謂類星體,就是黑洞瘋狂進(jìn)食時(shí)的狀態(tài)。當(dāng)超大質(zhì)量黑洞拼命吞噬周圍物質(zhì),它會變成一個(gè)極其明亮的核心,亮度能達(dá)到銀河系所有恒星總和的幾千倍。這種能量輸出不是鬧著玩的——它能把星系里用來造星的氫氣加熱到無法冷卻,恒星自然就造不出來了。這個(gè)過程叫"熄滅"(quenching),造星停止的星系就成了"寧靜星系"。
劉維哲團(tuán)隊(duì)在論文里寫道:"大爆炸后僅10到20億年就存在大量后星暴/寧靜星系,這挑戰(zhàn)了我們當(dāng)前的星系演化范式。"他們提到的"后星暴星系",就是那種剛經(jīng)歷一輪瘋狂造星、突然戛然而止的類型。
但這里有個(gè)老問題:天文學(xué)家以前找到的類星體太少了,根本不夠用來解釋這么多星系被"吹滅"。就像你發(fā)現(xiàn)全城停電,但只找到幾臺發(fā)電機(jī)——對不上數(shù)。
這項(xiàng)新研究的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn),是早期明亮類星體中"極端星系尺度外流"非常普遍。所謂外流,就是類星體噴出的高能物質(zhì)流,像從黑洞兩極噴出的巨型噴氣機(jī)。這些外流能把氣體推出星系,或者加熱到無法參與造星。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),這種極端現(xiàn)象在早期明亮類星體里頻繁出現(xiàn),比以前認(rèn)為的更常見。
這意味著,早期宇宙里的類星體可能比我們先前估計(jì)的更"勤快"——它們不僅更亮,而且更擅長"搞破壞",用能量輸出壓制整個(gè)星系的恒星生產(chǎn)。宇宙學(xué)模擬也支持這個(gè)解釋:類星體反饋很可能是導(dǎo)致快速熄滅的最有希望的機(jī)制。
韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的JADES-GS-z7-01-QU就是一個(gè)典型例子。這個(gè)古老的"紅且死"星系,在形成后不久就停止了造星。它的紅色來自衰老的恒星群體——沒有新的藍(lán)熱恒星補(bǔ)充,整個(gè)星系就慢慢變成了紅色調(diào)。
造星需要?dú)錃猓冶仨毷抢涞摹釟錃馓陝樱瑹o法坍縮成恒星。類星體的能量就像一臺永不關(guān)機(jī)的暖氣,把星系里的氫氣維持在"高溫罷工"狀態(tài)。時(shí)間一長,恒星工廠就徹底停工了。
劉維哲在新聞稿中說:"許多星系看起來'很老',意思是它們停止造星的時(shí)間比預(yù)期早得多。它們怎么能形成得這么早、變得這么重,卻又這么早 quit 掉造星?這個(gè)驚人發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了我們當(dāng)前的星系演化范式,也是我們這篇論文的主要動機(jī)之一。"
這項(xiàng)研究沒有解決所有問題。類星體和星系演化的確切關(guān)系仍然"難以捉摸",就像原文說的——我們知道它們有關(guān)聯(lián),但說不清到底是誰在主導(dǎo)誰。是黑洞先長大然后壓制星系?還是星系的環(huán)境決定了黑洞能長多大?或者兩者互相拉扯,形成一個(gè)我們還沒理解的反饋循環(huán)?
韋伯望遠(yuǎn)鏡的觀測還在積累。每發(fā)現(xiàn)一個(gè)"早夭"的古老星系,都在提醒天文學(xué)家:早期宇宙的劇本,可能和我們基于近鄰星系寫下的版本很不一樣。那些遙遠(yuǎn)的天體,正在用它們的紅光和沉默,講述一個(gè)關(guān)于能量、時(shí)間和熄滅的故事。
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