星系如何消亡:对星系晕、黑洞和恒星形成的熄灭的新见解

星系黑洞质量关系

一种新的理论解释了黑洞如何随着星系质量的变化而增长,并最终熄灭其所在星系中的恒星形成。这张图上的图像是斯隆数字巡天所拍摄的当今时代附近的星系,被选中来代表星系的演化。这张图显示了小的、密集的星系与大的、更分散的星系的演化是如何不同的。密度更大的星系有更大的黑洞质量,因此熄灭得更快,质量也更低;而密度更大的星系有更小的黑洞质量,在熄灭发生之前必须增长更多。陡坡的变化标志着进入“绿谷”,在这里强烈的淬火开始。该理论认为,黑洞从这一点开始增长得更快。我们的银河系现在正处于这一临界点,预计它的黑洞在完全熄灭之前还会再增长3倍。资料来源:桑德拉·费伯/索菲亚·奎罗斯/SDSS

一个简单的模型通过描述星系晕与其中心黑洞之间的竞争来解释广泛的观察结果,而这些竞争最终会阻碍恒星的形成。

研究星系演化的天文学家长期以来一直在努力理解是什么原因导致大质量星系中的恒星形成停止。尽管人们提出了许多理论来解释这一被称为“淬火”的过程,但至今仍没有一个令人满意的模型。

现在,由加州大学圣克鲁兹分校天文学和天体物理学荣誉教授桑德拉·费伯(Sandra Faber)领导的一个国际团队提出了一个新的模型,该模型成功地解释了对星系结构、超大质量黑洞和恒星形成的熄灭的广泛观察。研究人员在2020年7月1日发表的一篇论文中介绍了他们的发现天体物理学杂志》上

这个模型支持了一个关于淬火的主要观点黑洞“反馈”是指当物质落入黑洞并使其增长时,从中心超大质量黑洞释放到星系及其周围的能量。这种能量反馈加热、喷射或以其他方式破坏了星系的气体供应,阻止了星系光晕的气体流入,从而为恒星的形成提供养分。

“这个想法是,在恒星形成的星系中,中央黑洞就像一个寄生虫,最终生长并杀死宿主,”Faber解释说。“这是以前说过的,但我们没有明确的规则来说明黑洞什么时候大到足以阻止其宿主星系的恒星形成,现在我们有定量规则来解释我们的观察。”

尺寸和质量

其基本思想涉及到星系中恒星的质量(恒星质量)、恒星的扩散程度(星系半径)以及中心黑洞的质量之间的关系。对于具有给定恒星质量的恒星形成星系,星系中心恒星的密度与星系的半径相关,因此半径较大的星系中心恒星密度较低。假设中心黑洞的质量与中心恒星密度成正比,那么半径越大(给定恒星质量)的恒星形成星系的黑洞质量就越低。

Faber解释说,这意味着更大的星系(在给定的恒星质量下具有更大半径的星系)必须进一步演化,并在它们的中心黑洞变大到足以熄灭恒星形成之前,建立起更高的恒星质量。因此,小半径星系在质量低于大半径星系时就会熄灭。

她说:“这是新的见解,如果具有大半径的星系在给定的恒星质量下有较小的黑洞,并且如果黑洞反馈对于熄灭是重要的,那么大半径的星系必须进一步进化。”“如果你把所有这些假设放在一起,令人惊讶的是,你可以重现大量观察到的星系结构属性的趋势。”

这解释了,例如,为什么更多的大质量淬灭星系有更高的中心恒星密度,更大的半径和更大的中心黑洞。

基于这个模型,研究人员得出结论,当黑洞释放的总能量大约是星系晕内气体引力束缚能量的四倍时,就开始了猝灭。束缚能指的是将气体束缚在包围星系的暗物质晕内的引力。当黑洞发出的总能量是星系晕内气体束缚能量的20倍时,熄灭就完成了。

物理过程

费伯强调说,这个模型还没有详细解释恒星形成过程中所涉及的物理机制。她说:“这个简单理论提出的关键物理过程尚未被理解。”“不过,这样做的好处是,在这个过程的每一步都有简单的规则,这对理论家提出解释每一步的物理机制提出了挑战。”

天文学家习惯于用图表来描绘星系不同属性之间的关系,并展示它们如何随时间变化。这些图表揭示了恒星形成和熄灭的星系在结构上的巨大差异,以及它们之间的清晰边界。因为恒星形成时在光谱的蓝色端发出大量的光,天文学家称之为“蓝色”恒星形成星系,“红色”静止星系,以及“绿色山谷”作为它们之间的过渡。一个星系处于哪个阶段可以通过它的恒星形成速率来揭示。

这项研究的结论之一是,随着星系从一个阶段进化到下一个阶段,黑洞的增长速度必须改变。观测证据表明,当星系开始熄灭时,大部分的黑洞生长发生在绿谷。

“黑洞似乎是在恒星形成减慢的时候被释放出来的,”Faber说。这是一个启示,因为它解释了为什么形成恒星的星系中的黑洞质量遵循一个标度法则,而熄灭星系中的黑洞遵循另一个标度法则。如果黑洞质量在绿谷中快速增长,这就说得通了。”

CANDELS

费伯和她的合作者多年来一直在讨论这些问题。自2010年以来,Faber一直是一个专业的联席领导哈勃太空望远镜星系调查计划(CANDELS,宇宙大会近红外深星系外遗产调查),产生了本研究中使用的数据。在分析CANDELS数据时,她与UCSC名誉物理学教授Joel Primack领导的一个团队密切合作,该团队开发了Bolshoi宇宙学模拟暗物质晕的演化,星系在其中形成。这些光晕为该理论提供了脚手架,在此基础上建立了星系在熄灭之前的早期恒星形成阶段。

这篇论文的中心思想来自于对坎迪斯数据的分析,并在大约四年前首先打动了费伯。她说:“它突然出现在我面前,我意识到如果我们把所有这些东西放在一起——如果星系在半径和质量之间有一个简单的轨迹,如果黑洞能量需要克服光晕结合能——就可以解释所有这些星系结构图中的倾斜边界。”

当时,费伯经常去中国,在那里她参与了研究合作和其他活动。她是上海师范大学的客座教授,在那里她遇到了第一作者朱晨。陈于2017年以访问研究员的身份来到加州大学圣克鲁兹分校,并开始与费伯研究星系猝灭的想法。

费伯说:“她在数学上非常好,比我好,而且这篇论文的所有计算都是她做的。”

Faber还赞扬了她的长期合作伙伴David Koo, UCSC的天文学和天体物理学荣誉退休教授,他首次将注意力集中在星系的中心密度上,并将其作为中心黑洞增长的关键。

在这个新模型所解释的谜题中有一个显著的不同银河系银河系和它非常相似的邻居仙女座星系。“银河系和仙女座星系有着几乎相同的恒星质量,但是仙女座星系的黑洞几乎是银河系的50倍,”Faber说。“黑洞在绿谷中大量生长的想法对解释这个谜题很有帮助。银河系刚刚进入绿色山谷,它的黑洞仍然很小,而仙女座星系刚刚离开,所以它的黑洞变得更大,也比银河系更熄灭。”

参考:“淬火星系晕及其中央黑洞之间的较量”,陈竺,s·m·费伯David c .古,雷切尔·s·萨默维尔市,乔尔·r·Primack Avishai Dekel,奥尔多Rodriguez-Puebla,翼城县郭,戴尔·d·Kocevski吉列尔莫•巴罗a van der嗯,乔安娜哇,埃里克·f·贝尔,杰罗姆·j·方,亨利·c·弗格森Mauro Giavalisco,马克•Huertas-Company Fangzhou江,苏珊卡辛,玲玲,f·s . Liu Yifei罗罗下,卡米拉Pacifici, Viraj迪亚,萨米尔萨利姆,工,2020年7月7日,Sandro Tacchella, Bryan A. Terrazas和Hassen M. Yesuf,天体物理学杂志》上
1538 - 4357 . DOI: 10.3847 / / ab9633

除了Faber、Chen、Koo和Primack,这篇论文的共同作者还包括来自7个国家的20多个机构的研究人员。这项工作是由美国国家航空航天局以及国家科学基金会。

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