天文学家观测发现星系应该产生更多的恒星

研究人员提出新理论框架解释星系群里恒星的产生

（神秘的地球报道）据凤凰科技（编译/严炎刘星）：科学日报报道，每年银河系都会有几颗新恒星出生，但更多的是在遥远的宇宙闪烁着。然而天文学家观测发现星系应该产生几百万颗更多的恒星，这主要是考虑到宇宙里存在大量星际气体。

美国麻省理工学院和密歇根州立大学的研究人员提出了一项新理论描述星系群是如何规范恒星的形成。这一最新的理论框架被发表在期刊《自然》上。当星团内气体快速冷却，它会凝固然后坍塌形成新恒星。科学家们一直认为有某样东西阻止了气体冷却到足以产生更多恒星的温度，而这个东西具体是什么仍是个谜。

对某些星系群而言，研究人员认为星团内气体可能太过炙热——温度高达几亿摄氏度。即使一个区域发生冷却，周围密集的热量也将阻止它继续冷却——这个现象被称为传导。

“这就相当于将一块冰块放进一锅沸水里——平均温度仍接近沸点，”美国麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的哈勃研究员迈克尔·麦克唐纳（Michael McDonald）这样说道。“在超级高的温度时，传导会消除温度分布因此没有冷却的气体形成恒星。”

在这些所谓的“冷却核心”星系群里，靠近中央的气体可能足够冷却以形成恒星。然而，一小部分冷却气体可能会落入中央黑洞，然后喷射出炙热的材料重新加热周围环境，从而阻止恒星形成——这种效应被研究小组称为“沉淀驱动的反馈”。

“有些恒星会形成，但在它变得无法控制之前，黑洞将加热周围一切——它相当于恒星群的恒温室。” 麦克唐纳说道。“传导和沉淀驱动的反馈的结合提供了一幅简单清晰的画面，展示星系群里恒星形成是如何被主导的。”

在整个宇宙里存在两种主要的星系群类型：冷却核心的星系群——那些快速冷却形成恒星的星系群——和非冷却核心星系群，它们并没有足够充足的时间冷却。

非冷却核心星系群后发座星系群充满了温度高达1亿摄氏度的气体。为了形成恒星，这些气体必须冷却几十亿年。相比之下，临近的英仙座星系群是一个冷却核心星系群，它的星团内气体温度只有温和的几百万摄氏度。英仙座星系群冷却的气体偶尔会形成于新恒星，尽管可能并没有科学家预测的那么多。

“恒星形成所需要的燃料量超过了恒星量的十倍，因此这些星系群本该富含恒星，” 麦克唐纳说道。“因此一定有某种机制阻止了气体的冷却，否则宇宙里的恒星数量至少是现在的10倍。”

麦克唐纳和同事提出了一个理论框架，包含了两个阻止冷却的机制。研究小组根据星系群半径、质量、密度和温度计算出星团内气体的行为。研究人员发现存在一个至关重要的温度临界点，低于它气体的冷却会显著加速，导致气体快速冷却形成恒星。

根据这一理论，两个不同的机制会规范气体的形成，这取决于星系群是低于或高于这一温度临界点。对于那些显著高于温度临界点的星系群而言，传导会抑制恒星的形成：周围炙热气体会阻止任何冷却气体形成恒星，从而保证星系群里一切都处于高温。

“对于那些较炙热的星系群而言，它们会保持处于炙热状态，永远无法冷却形成恒星，” 麦克唐纳解释道。“一旦进入高温范围，冷却是非常低效的，它们几乎将保持这一状态。

对于低于温度临界点的气体，想要冷却形成恒星轻而易举。然而，在这些星系群里，规范恒星形成主要依赖沉淀驱动的反馈：当冷却气体迅速凝结成水滴构成的云，这些水滴会落入中央黑洞，而黑洞会朝星系群释放炙热的物质流，加热周围气体从而阻止恒星的形成。”

“在英仙座星系群里，我们观察到这些物质流作用在炙热气体上，产生各种气泡、波纹和冲击波。” 麦克唐纳解释道。“现在我们就能够理解什么引发了这些物质流，从而导致气体落入黑洞。”

麦克唐纳和同事对比了他们的理论框架和遥远星系群的观测结果，结果发现他们的理论与观测到的星系群之间的差别相符。研究小组收集了钱德拉X射线天文台和南极望远镜的数据，后者是位于南极洲的天文台，用于搜寻遥远的巨大星系群。

研究人员将他们的理论框架与每一个已知星系群的气体冷却时间进行对比，结果发现星系群分为两类：非常缓慢冷却的星系群和快速冷却的星系群，这一分类标准与研究小组预预测的温度临界点相似。

通过利用这一理论模型，麦克唐纳表示研究人员或可以预测星系群的进化，以及它们产生的恒星。“这个理论框架的简单美妙之处在于，在很长时间内星系群只被分为两类，直到某件灾难性事件的发生，例如与另一个星系的碰撞。”

研究人员希望进一步深入研究这一理论，以调查星系群里规范恒星形成的机制是否也适用于单个星系。初步证据显示是如此。“如果我们可以利用所有这些信息理解为什么周围形成或没形成恒星，那么我们已经超前迈出了一大步。”