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是什么阻止了星系中恒星的形成?

20世纪20年代,埃德温·哈勃研究了数百个星系,发现它们往往可以分为几种宽泛的类型。一些星系具有优雅的螺旋,上面充满了明亮的恒星;另一些星系则呈现球形或椭圆形,内部结构很少或几乎没有。1926年,哈勃提出了一个星系分类方案,现在称为“哈勃序列”,又称“哈勃音叉图”。

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星系的演化十分复杂

哈勃研究了数百个星系,提出了一个星系分类方案——哈勃音叉图

当我们审视哈勃序列时,可以发现它暗示了星系的演变。开始是一个椭圆星系,然后变平,变成一个螺旋星系。尽管很多人认为这是一个很合理的模型,但哈勃自己却很谨慎,警告不要妄下结论。我们现在知道,椭圆星系不会演变成螺旋星系,星系的演化也极其复杂。不过,哈勃序列确实标志着人类开始试图了解星系如何成长、生存和消亡。

哈勃在天文学界被尊称为星系天文学之父,在他之后,天文学家取得的认识之一,便是星系的演变与形状关系不大,反而更多地与恒星的产生有关。正在形成恒星的星系中,有一些区域存在着亮蓝色的恒星。在宇宙尺度上,大型蓝色恒星的寿命还不够长,它们的存在表明了恒星在近期形成。行将结束生命的星系中充满了暗淡的、红色的恒星。红矮星的寿命最长,因此当一个星系变得不活跃时,留下来的往往只有红矮星。在蓝、红两个时代之间,有一段过渡时期,称为绿色时代。

处于蓝色、绿色和红色时代的不同星系

由于椭圆星系、螺旋星系和不规则星系都可能处于蓝色、绿色或红色时代,因此很明显,星系结构并不会驱动恒星的产生。相反,主要的驱动因素可能是黑洞。大多数星系的中心都有一个超大质量黑洞。这些黑洞导致气体和尘埃聚集在星系中心周围,从而触发新恒星的形成。但是,当超大质量黑洞吞噬附近的物质并进入活跃期时,它们会吸入星系中的气体和尘埃,从而抑制恒星的产生。

一项新的研究着眼于黑洞和恒星产生之间的相互作用,并提出了一个关于星系如何消亡,以及为什么消亡的有趣理论。这项研究使用了来自近红外深河外星系遗迹巡天调查(Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey,简称CANDELS)的数据,这是迄今为止规模最大的星系调查。研究小组发现,像银河系这样的弥散星系,其产生恒星的周期要比致密星系更长;即使两个星系的总体质量相同,这一结论也是成立的。

尽管该结论很合理,但令人惊讶的发现是,这种相关性与星系中心区域的密度有关。更分散的星系需要很长的时间才能使中心区域达到临界密度,而在这个临界密度,恒星的形成速率开始下降。由于星系的中心密度可以很好地衡量其超大质量黑洞的大小,因此这一发现支持了星系演化的“反馈”模式。

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