100億年前，星系中的氣體就已耗盡

編譯 王曉濤

大約有45億年歷史的太陽，在宇宙中只不過是個后輩。恒星形成的鼎盛時期是在100多億年前，即大爆炸之后的35億年。從那時起，恒星形成的速率一直呈指數(shù)下降。

但并非所有的星系都是這場聚會中的成員。即使在恒星形成的速率達到頂峰時，那些最大規(guī)模的星系中，也有半數(shù)幾乎沒有產(chǎn)生新的恒星。從那時起，寧靜星系的數(shù)量就一直在增加，因為一旦星系中的恒星形成過程停止，就幾乎不會再重新開始。

為什么有些星系中不再有新的恒星形成？為什么恒星形成過程停止得如此突然，并且一旦停下就是永久性的？為什么有些星系會這么早就停止了恒星形成過程？天文學家對這些問題并不清楚。距離足夠遠的星系可以提供一個窗口，以幫助我們了解很久以前宇宙中發(fā)生的事情，但它們的輻射通常太過微弱，導致我們無法對其進行必要的細節(jié)研究。

目前，由馬薩諸塞大學阿默斯特分校的凱瑟琳?惠特克（Katherine Whitaker）和哥本哈根尼爾斯?玻爾研究所的蘇恩?托夫特（Sune Toft）共同領導的REQUIEM（解析寧靜放大星系，Resolving Quiescent Magni fi ed Galaxies）合作小組，有了一項新的發(fā)現(xiàn)。惠特克及其同事選擇了6個寧靜星系進行研究，這些寧靜星系射向地球的光經(jīng)過了引力透鏡的增強。他們發(fā)現(xiàn)這些星系實際上已經(jīng)耗盡了氣體：它們不再形成恒星，是因為星系內(nèi)缺乏制造恒星所必要的冷氫氣。

這一結論遠非問題的最終答案。它并沒有解釋氣體的去向——這些氣體是被簡單地消耗殆盡而從未得到過補充，還是以某種方式從星系中逸出，或是被加熱從而無法凝結成恒星？同時，這一研究結果也不能證明，所有的寧靜星系都是出于同樣的原因而不再有恒星形成的。

但這個結果確實表明，至少有那么一種機制，能夠在宇宙歷史的極早時期耗盡星系中用于恒星形成的氣體——而在這一時期，大多數(shù)其他星系還擁有著充足的氣體儲備。

統(tǒng)計死亡星系

與銀河系中的恒星不同，其他星系中的恒星太過遙遠，望遠鏡無法將它們區(qū)分出來，更不用說觀察它們是怎么產(chǎn)生的了。那么天文學家是如何知道哪些星系正在形成新恒星而哪些沒有的呢？

關鍵之處在于，并非所有的星星都是生而平等的。最重的主序星，質(zhì)量是太陽的10倍以上，明亮而又熾熱，整體呈現(xiàn)藍色。它們會在短短300萬年內(nèi)燃燒殆盡。而在主序星分布圖的另一端，小于1/10太陽質(zhì)量的恒星，溫度會更低，顏色會更紅，預期壽命為數(shù)千億年。

因此，星系的顏色可以表示其所含恒星的種類。如果星系發(fā)出大量藍光，那么它一定正在積極地制造新的恒星，以補充那些正燃燒自己的短命藍色恒星。另一方面，如果沒有藍光，說明這一星系中就不再有藍色恒星生成，甚至可能不再生成任何恒星：星系中一片寂靜——或者我們可以采用更通俗的說法：“紅色即死亡。”

測量極其遙遠星系要復雜一些，因為星系的光可能會因恒星形成過程的停止或宇宙膨脹引起的紅移而變紅。這兩種現(xiàn)象對光譜形狀的影響并不相同，天文學家會通過分別測量星系的紅移值和恒星形成率來將二者區(qū)分開。

然而，要想詳細研究那些遙遠的星系，極其微弱而又受紅移影響的光通常是不夠的。但這正是REQUIEM小組擅長解決的問題。REQUIEM小組的想法是利用引力透鏡的效果進行觀測。如果某個遙遠的星系正好位于一個巨大的前景物體的后方，這一物體的引力會對星系發(fā)出的光施加強大的拉力，使得更多的光向地球方向彎曲。

這種巧妙的空間結構是十分罕見的，但在宇宙中的數(shù)十億個星系中，總有一些天體的分布會恰到好處地表現(xiàn)為這樣的形式。在整理了10年來對星系的觀測數(shù)據(jù)之后，REQUIEM的研究人員鎖定了10個合適的目標星系。這些星系的輻射都被引力透鏡放大了30倍。這10個星系距離我們都很遙遠，紅移值在1.6到3.2之間，這意味著它們的光可以追溯到95億到115億年前。并且，它們都是寧靜星系：大多數(shù)都呈現(xiàn)出死氣沉沉的紅色。但有幾個星系還含有一些藍色的恒星，年齡不到1億年，不過從那時以后就不再有新的恒星形成了。

氣體和塵埃

目前，REQUIEM使用智利的阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）對6個目標星系進行研究——ALMA足以充分觀測這些星系。ALMA的觀測波長為1.3毫米，這一波段的信號并非來自星系內(nèi)的恒星，而是來自星系所包含的可以表征氫氣存在的星際塵埃。

直接測量星系內(nèi)的氫氣含量并不可行，因為氫分子本身基本處于不可見的狀態(tài)。氫分子是對稱的，沒有電偶極矩，因此在旋轉和振動時不會吸收或發(fā)出輻射。只有氫分子的溫度足夠高，可以被激發(fā)到更高的電子態(tài)時，望遠鏡才有可能對其進行觀測。而當氫分子的溫度低到凝結成足以形成恒星的致密區(qū)域的時候，望遠鏡是看不到它們的。

為了觀測低溫的氫氣，天文學家必須要尋找與它同時存在的其他物質(zhì)。一種可能是選擇一氧化碳進行觀測。這是一種不對稱的分子，有偶極矩，因此具有冷光譜的特征。但是觀測一氧化碳分子可能是個代價昂貴的選擇，因為這需要的光譜分辨率比大多數(shù)望遠鏡圖像所能提供的更高。

另一種選擇是尋找塵埃。惠特克解釋說，當氣體分子粘連在一起時，塵埃顆粒就會不斷增長。“我們在周邊的宇宙區(qū)域中觀察到，哪里有氣體，哪里就有塵埃。”通常，本地星系中存在的氫氣含量是塵埃的100 倍，因此REQUIEM的研究人員假定，在他們的目標星系中，情況也是如此。但他們對此并不確定——因為之前從未測量過這樣的高紅移星系中的塵埃含量。“這是這項工作中的一個重要假設。”惠特克說。

觀測數(shù)據(jù)的采集時間是2018年和2019年。（由于新冠疫情，ALMA于2020年3月暫停運營。）研究人員對每一批新數(shù)據(jù)都感到十分驚訝：他們幾乎完全沒有觀測到灰塵信號。6個星系中有4個，完全沒有灰塵的存在，其中包括圖1a中顯示的星系。研究人員所能獲得的最好結果就只有灰塵含量的可能上限。

圖1 引力透鏡使得研究人員能夠在高紅移值的遙遠星系中尋找塵埃—恒星形成所必需的冷氫氣的表征物。圖中，塵埃信號疊加在了哈勃太空望遠鏡觀測到的圖像上。（a）幾個高度透鏡化的星系，包括位于右圖中心的星系，這些星系中完全沒有出現(xiàn)任何塵埃信號。（b）其余幾個星系顯示出微弱的塵埃信號，但非常神秘的是，這些信號似乎只從銀河系的某一部分發(fā)出

其他兩個星系，包括圖1b中的星系，表現(xiàn)出了微弱的塵埃信號。但這些信號帶來了另一個謎題：這里的塵埃形狀與銀河系中的其他部分有著顯著區(qū)別。引力透鏡使每個星系看起來都被拉長了，但塵埃信號僅存在于其中的一部分。“那里發(fā)生了什么事？” 惠特克說道。“我們?nèi)匀徊幻靼走@意味著什么。”

神秘的缺席

總體來說，如圖2所示，6個REQUIEM星系（6個大圓圈）中的塵埃質(zhì)量中位數(shù)低于0.01%，研究人員從中推斷出氫氣質(zhì)量分數(shù)的中位數(shù)低于1%。這個數(shù)字小得令人訝異，遠小于針對低紅移目標的其他研究（圖2中的其他符號） 中觀測到的結果，也遠沒有達到大質(zhì)量星系中的恒星形成所必須包含的氣體的平均數(shù)量（實線）。有幾個星系的氣體含量甚至少于根據(jù)其自身的恒星形成率（6個大圓圈上方的小點）預期的氣體數(shù)量。

圖2 在REQUIEM的6個目標寧靜星系（6個大圓圈）中觀察到的塵埃和氫氣含量少得驚人。無論是與之前對寧靜星系的測量相比，還是與大質(zhì)量星系的預期平均值（實線）相比，甚至與基于星系自身恒星形成率的預期值（6個大圓圈上方的小點）相比，這一含量都顯得很少。高紅移值的星系（最右側兩個圓圈）在過去1億年有著很高的平均恒星形成率，但由于其中的恒星形成從那時起迅速停止，因此它也被包含在了樣本中

“但在我看來，最重要的一點是，”惠特克說，“這些都是無效觀測。我們的研究還是不夠深入，無法真正計算得到星系中冷氣體和塵埃的數(shù)量區(qū)間。” 該團隊的下一步計劃是繼續(xù)利用ALMA收集更多數(shù)據(jù)——疫情期間，ALMA已經(jīng)對數(shù)據(jù)進行了備份，并開始運行——以測量星系中塵埃含量的上限。

由于REQUIEM的研究對象僅有6個星系，研究人員無法判斷塵埃和氣體的缺乏到底是寧靜星系的普遍現(xiàn)象，還是他們采樣的少數(shù)星系的不尋常特征。統(tǒng)計樣本數(shù)量不夠是REQUIEM的研究方法的固有限制，因為星系的強引力透鏡是很少見的。惠特克說：“我們最后可能會找到更多可以用這種方式研究的星系，但恐怕總數(shù)量連100個也達不到。”

即使認為在這幾個宇宙極早期的星系中完全不存在低溫的氫氣，也很難使其與目前對宇宙學和星系演化的認知相協(xié)調(diào)。100億年前，宇宙比現(xiàn)在小得多，星際氣體的密度也應該要高得多。此外，星際空間曾經(jīng)（并且仍然）被暗物質(zhì)網(wǎng)絡滲透，這些暗物質(zhì)會通過引力吸引氣體并將其引導至星系之中。

理論物理學家確實對早期星系中的氣體如何被耗盡、排出或加熱提出過一些觀點。許多想法中的核心機制都涉及活動星系核：一種星系中心的超大質(zhì)量黑洞，其對物質(zhì)的快速吸積可以為星系內(nèi)氣體的加熱或排出提供動力。REQUIEM的研究人員將繼續(xù)使用更多儀器，在更廣的波長范圍內(nèi)收集星系的相關數(shù)據(jù)，而這些工作大部分會用來尋找活動星系核的可觀測特征。

前不久升空的詹姆斯?韋布空間望遠鏡應該能幫上大忙——收集圖1a中星系的相關數(shù)據(jù)已經(jīng)列入了這一望遠鏡的工作計劃中。該望遠鏡經(jīng)過優(yōu)化，可在近紅外波段進行觀測。紅移星系的光譜特征就位于該頻率范圍內(nèi)，而其他現(xiàn)有望遠鏡很難對這一波段進行觀測。此外，它還可以在近紅外波段成像，并且具有很高的空間分辨率和光譜分辨率。因此，它可以檢測到從星系中心的活動星系核向外流動的氣體。惠特克說：“就了解這些星系的化學歷史這一目的而言，它是臺完美的望遠鏡。”

資料來源 Physics Today