研究发现黑洞可以帮助某些星系形成新的恒星
导读：结合系统观测和宇宙学模拟的一项新研究发现，令人惊讶的是，黑洞可以帮助某些星系形成新的恒星。
结合系统观测和宇宙学模拟的一项新研究发现，令人惊讶的是，黑洞可以帮助某些星系形成新的恒星。在星系的尺度上，超大质量黑洞对恒星形成的作用以前被认为是破坏性的--活跃的黑洞会剥夺星系形成新恒星所需的气体。发表在《自然》杂志上的新结果显示，活跃的黑洞反而可以为在星系群或星系团内运行的星系“开路”，使这些星系在飞过周围的星系间气体时不会被破坏其恒星形成。
活跃的黑洞主要被认为对其周围环境有破坏性的影响。当它们向其宿主星系喷射能量时，它们会加热并喷出该星系的气体，使该星系更难产生新的恒星。但是现在，研究人员发现，同样的活动实际上可以帮助恒星的形成--至少对于围绕宿主星系运行的卫星星系来说是如此。
这个反直觉的结果是由专门从事大规模计算机模拟的天文学家和观察者在午餐时的谈话所引发的合作产生的。因此，它是一个很好的例子，说明在大流行的情况下，那种非正式的互动变得更加困难。
研究人员的天文观测包括拍摄一个遥远星系的光谱--一个星系的光像彩虹一样被分成不同的波长--可以相当直接地测量该星系形成新星的速度。
根据这样的测量结果，一些星系正在以相当平静的速度形成恒星。在我们的银河系中，每年只有一两颗新星诞生。其他星系则经历了短暂的过度恒星形成活动的爆发，被称为 "恒星爆发"，每年有数百颗恒星诞生。在另外一些星系中，恒星的形成似乎被抑制了，正如天文学家所说，这样的星系实际上已经停止形成新的恒星。
一种特殊的星系，其标本经常--几乎有一半的时间--被发现处于这种枯竭状态，这就是所谓的卫星星系。这些星系是一个星系群或星系团的一部分，它们的质量相对较低，而且它们围绕着一个质量更大的中心星系运行，类似于卫星围绕地球运行的方式。
这样的星系通常很少形成新的恒星，如果有的话，自20世纪70年代以来，天文学家就怀疑可能有类似于“逆风”的东西在作怪。星系群和星系团不仅包含星系，还包含填充在星系间空间的相当热的稀薄气体。
当一个卫星星系以每秒数百公里的速度在星系团中运行时，稀薄的气体会使它感受到与骑快速自行车或摩托车的人一样的“逆风”。卫星星系的恒星非常紧凑，不会受到源源不断涌来的星系间气体的影响。
但是卫星星系自身的气体却不会。它将在一个被称为 "冲压剥离 "的过程中被迎面而来的热气体剥离。另一方面，一个快速移动的星系没有机会拉入足够数量的星系间气体，以补充它的气体库。结果是，这样的卫星星系几乎完全失去了它们的气体--以及随之而来的恒星形成所需的原材料。因此，恒星形成的活动将被扼杀。
这些过程发生在几百万甚至几十亿年的时间里，所以我们无法直接观察它们的发生。但即便如此，天文学家们还是有办法了解更多。他们可以利用虚拟宇宙的计算机模拟，通过编程来遵循相关的物理定律--并将结果与我们实际观察到的进行比较。他们还可以在天文观测所提供的宇宙演化的全面 "快照 "中寻找蛛丝马迹。
马克斯-普朗克天文研究所（MPIA）的组长Annalisa Pillepich专门从事这类模拟工作。Pillepich共同领导的IllustrisTNG模拟套件提供了迄今为止最详细的虚拟宇宙--在这些宇宙中，研究人员可以在相对较小的尺度上跟踪气体的运动。
IllustrisTNG提供了一些刚刚被 "冲压剥离 "的卫星星系的极端例子：所谓的 “水母”星系，它们像水母拖着触角一样拖着它们的气体残余。事实上，识别模拟中的所有“水母”星系是Zooniverse平台上最近发起的一个公民科学项目，志愿者可以帮助研究那种刚被淬灭的星系。
但是，虽然“水母”星系是相关的，但它们并不是本研究项目的起点。在2019年11月的午餐会上，Pillepich向Ignacio Martín-Navarro讲述了她IllustrisTNG的另一项成果：一个关于超大质量黑洞的影响的结果，它超出了宿主星系，进入了星系间空间。
这种超大质量黑洞可以在所有星系的中心找到。落在这种黑洞上的物质通常会成为黑洞周围旋转的所谓吸积盘的一部分，然后落入黑洞本身。这种坠落到吸积盘上的现象以辐射的形式释放出巨大的能量，有时也会以两股快速运动的粒子喷流的形式出现，它们以直角加速离开黑洞。以这种方式发射能量的超大质量黑洞被称为活跃星系核（简称AGN）。
虽然IllustrisTNG不够详细，无法包括黑洞喷射，但它确实包含了模拟AGN如何向周围气体增加能量的物理术语。正如模拟显示的那样，这种能量注入将导致气体外流，而气体外流又会沿着阻力最小的路径定向：在类似于我们银河系的盘状星系中，垂直于恒星盘；对于所谓的椭圆星系，垂直于由星系恒星排列定义的合适的首选平面。
随着时间的推移，垂直于星盘的双极气体外流将影响到星系间环境--星系周围的稀薄气体。它们将把星系间的气体推开，每次外流都会产生一个巨大的气泡。正是这种说法引起了Pillepich和Martín-Navarro的思考。如果一个卫星星系穿过那个气泡--它是否会受到外流的影响，它的恒星形成活动是否会被进一步影响？
Martín-Navarro在自己的领域内着手解决这个问题。他在处理来自迄今为止最大的系统调查之一的数据方面有着丰富的经验：斯隆数字天空勘测计划，它提供了北半球大部分地区的高质量图像。在该调查的第10次公开数据中，他检查了3万个星系群和星系团，每个星系都包含一个中心星系和平均4个卫星星系。
在对这几千个系统的统计分析中，他发现在接近中心星系首选平面的卫星星系和明显高于和低于中心星系的卫星星系之间有一个小但明显的差异。但是这种差异与研究人员所预期的方向相反。在平面之上和之下的卫星，在较薄的气泡内，平均来说，它们的恒星形成活动被“熄灭”的可能性不是更大，而是少了大约5%。
有了这个令人惊讶的结果，Martín-Navarro回到了Annalisa Pillepich那里，两人在IllustrisTNG模拟的虚拟宇宙中进行了同样的统计分析。毕竟，在这种模拟中，宇宙演化不是由研究人员 "手工 "完成的。相反，软件包括尽可能自然地模拟该虚拟宇宙的物理学规则，其中还包括对应于大爆炸后不久我们自己的宇宙状态的适当的初始条件。
这就是为什么像这样的模拟为意外情况留下了空间--在这个特定的案例中，为重新发现被“熄灭”的卫星星系的平面上、平面下分布。虚拟宇宙对卫星星系的“熄灭”显示了同样的5%的偏差。在这种情况下，研究人员发现了卫星星系的平面分布。显而易见，研究人员发现了一些问题。
随着时间的推移，Pillepich、Martín-Navarro和他们的同事为淬火变化背后的物理机制提出了一个假说。考虑到一个卫星星系在中央黑洞吹入周围星系间介质的一个变薄的气泡中旅行。由于密度较低，该卫星星系经历的“逆风”较小，冲压压力较小，因此其气体被剥离的可能性较小。
然后，这就涉及到统计问题了。对于那些已经绕着同一个中心星系运行了数次的卫星星系来说，它们不仅穿越了气泡，而且还穿越了中间的高密度区域，这种影响将是不明显的。这样的星系在很久以前就已经失去了它们的气体。
但是对于那些最近才加入星系群或星系团的卫星星系来说，位置就会产生变化。如果这些卫星碰巧首先降落在一个气泡中，那么如果它们碰巧降落在气泡之外，它们就不太可能失去气体。这种效应可以解释被“熄灭”的卫星星系的统计差异。
由于SDSS观测和IllustrisTNG模拟的统计分析结果非常一致，并且有一个合理的机制假说，这是一个非常有希望的结果。在星系演化的背景下，它特别有趣，因为它间接地证实了活跃星系核的作用，它不仅加热了星系间的气体，而且积极地 "推开它"，以创造低密度区域。与所有有希望的结果一样，现在有一些自然方向，Martín-Navarro、Pillepich和他们的同事或其他科学家可以采取，以便进一步探索。