黑洞如何让星系“优雅老去”

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（作者供图）

“十大进展”系列解读⑩

“发现超大质量黑洞影响宿主星系形成演化的重要证据”成果，入选了由国家自然科学基金委员会公布的2024年度“中国科学十大进展”。

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星系之于宇宙，就像城镇之于国家一样，是宇宙结构的基本组成单元。以银河系为例，每个星系都是一个包含数千亿颗恒星、气体、尘埃等星际介质，以及中心超大质量黑洞的自引力束缚系统。其内部组成成分与星系周介质、宇宙网结构持续相互作用，共同塑造星系的演化。可以说，星系是宇宙中最大的复杂系统，研究其演化规律对理解宇宙不同层级的结构（从行星到大尺度结构）具有重要意义。

星系的生死之谜

星系发光主要源于内部含有的数千亿颗恒星，其中，年轻恒星贡献最大。根据星系形成新的恒星能力的大小，通常将其分为两类：一类是恒星形成星系，能够持续孕育新恒星，例如银河系；另一类是宁静星系，几乎没有新的恒星形成，如M87星系。研究星系如何由恒星形成星系（“生”）转变成为宁静星系（“死”），是该领域的核心课题。

早在20世纪70年代至80年代，天文学家就提出：超大质量黑洞通过吸积物质释放的巨大能量，可能影响星系演化。经过50年研究，学界公认：黑洞反馈能够对宿主星系演化产生重要影响，尤其是会导致大质量星系失去恒星形成的能力，但始终缺乏直接观测证据。

理论上，黑洞通过调控恒星形成的原料——冷气体而影响星系的演化。黑洞影响星系冷气体主要有两种方式：一种是“窒息而亡”模型，黑洞剧烈成长期间释放的能量能够驱动外流风，将冷气体排出星系之外；另外一种是“饿死”模型，黑洞长期加热星系内部及其周围的冷气体，抑制冷却。学界过去20年的研究多集中在第一种方式。然而观测证据表明，即使类星体等剧烈核活动星系，也没有显著减少冷气体。这说明第一种方式并非黑洞影响星系形成演化的主要方式，或者黑洞活动峰值与冷气体减少的时间存在滞后。这些观测结果使黑洞反馈机制对星系的作用备受质疑。

黑洞影响星系生死的关键证据被发现

近年来，统计研究发现，黑洞质量可能是决定星系恒星形成能力的关键参数。然而，黑洞如何通过冷气体间接影响恒星形成仍缺失关键证据。

从2021年，我们团队开始探索近邻星系的黑洞质量与原子氢气体（冷气体主要成分）含量的关联，并最终揭示了黑洞质量与原子氢气体含量呈负相关：黑洞质量越大，原子氢气体含量越低。这一研究成果发表于2024年《自然》杂志上，填补了黑洞质量-恒星形成关系中的缺失环节，表明黑洞通过限制冷气体含量调控星系演化。

由于原子氢气体是星系周气体冷却形成的初级产物，该结果支持“饿死”方式——黑洞通过长期调节星系内部及其周围的冷气体冷却效率，抑制恒星形成。此外，所有星系类型均遵循同一黑洞质量-原子氢气体含量关系，为星系类型转化研究提供了新框架。

探寻更多星系生死细节

该研究意味着黑洞影响星系演化的主要方式并非像过去认为的以剧烈星风直接将冷气体吹出的方式。实际上，它更像一个“慢性调节器”：在星系漫长的一生中，黑洞通过持续释放能量，温和控制着星系获取冷气体的速度。

此次研究成果填补了黑洞与恒星形成关系之间的重要一环。它提醒我们：研究星系这种“宇宙长寿老人”，不能只看它某个短暂活跃期，而要观察它几十亿年的一生。未来，我们将进一步探索宇宙不同时期黑洞如何决定星系“生死轮回”的物理细节。

（作者系南京大学天文与空间科学学院教授）