8月15日凌晨，南京大学天文与空间科学学院教授王涛团队在《自然》发表论文，首次从观测上提供了星系中心黑洞影响冷气体含量的直接证据。该研究揭示了黑洞通过调制星系冷气体含量影响星系的形成演化，解开了困扰天文学界半个世纪的谜题。
王涛在中国科大作报告。受访者供图
困扰天文学界半个世纪的谜题
“研究星系的形成和演化对理解宇宙起源和结构有重要意义。”王涛告诉《中国科学报》。
天文学家通常将星系分为两类：一是比较“年轻”，仍在不断产生新恒星的“恒星形成星系”；二是相对“衰老”，没有新恒星形成的“被动演化星系”。
观测结果表明，这两类星系最重要的区别是后者缺乏冷气体。而冷气体是恒星形成的“原料”，因此，探索星系中冷气体含量的物理机制就成为理解星系如何形成演化的关键。
上世纪70年代，天文学家就提出星系中心超大质量黑洞对宿主星系的反馈是影响星系的重要物理机制。经过近半个世纪的发展，黑洞对宿主星系的反馈作用已成为主流的星系形成演化理论模型。然而，因为缺乏明确的观测证据，星系中心黑洞是否影响及如何影响星系形成演化，成为困扰天文学界半个世纪的谜题。
理论上，星系中心黑洞影响宿主星系冷气体含量和恒星形成的方式有两种：一是黑洞快速吸积冷气体，这一过程会释放大量能量，从而将星系的冷气体“推出”星系；二是黑洞的能量会加热冷气体，并使其无法冷却下来。
“如果黑洞吸积并‘推出’冷气体，会短时间内出现冷气体含量迅速下降的过程。”王涛解释说，“此前的研究显示，即使那些最活跃黑洞的宿主星系，也没有这一过程。这表明很可能第二种方式占主导作用。而星系中原子氢（氢元素的原子，普通氢以分子形式存在，原子氢由单个氢原子组成）气体是热气体冷却的直接产物，因此我们把目光转到原子氢气体和黑洞的联系上。”
王涛团队通过对样本星系中原子氢和超大质量黑洞进行对比研究，发现星系中心黑洞质量与原子氢含量负相关。
“即黑洞质量越大，星系中冷气体含量越低。”王涛说，“之前的研究已经发现星系的冷气体含量与很多星系物理参数相关，但我们发现，一旦排除黑洞质量影响，其他参数与冷气体的相关性就非常非常低，这进一步说明黑洞质量是决定星系冷气体含量最重要的物理参数。”
星系中冷气体含量与中心黑洞质量关系示意图。受访者供图
15年坚持发现完美“小样本”
2009年，王涛受国家留学基金委资助到美国哈佛大学史密松森天体物理中心深造。从那时起，他就致力于研究星系如何从“生”到“死”的问题。
“就像人类有生、老、病、死一样，星系从年轻的恒星形成星系到年老的被动演化星系，可以看作星系由‘生’到‘死’的过程。该过程受很多因素影响，但我们试图找到其中最关键或最主要的物理机制。”王涛说。
与理论研究和数值模拟不同，超大质量黑洞是否影响以及如何影响星系形成演化一直缺乏令人信服的观测证据。这对中心黑洞反馈影响宿主星系理论模型提出了巨大挑战。
2020年前后，情况发生了变化，越来越多对大样本星系的分析表明，星系中心黑洞的质量是区分两类星系（恒星形成和被动演化星系）最重要的物理量。当时，仍在日本东京大学进行博士后研究的王涛第一时间注意到这些结果，他相信超大质量黑洞在星系形成演化中的重要作用，并立即着手开展相关研究。
2021年，王涛回国并开始组建自己的团队，于是决定带学生先用一个观测数据最扎实的“小样本”验证一下。如果结果符合预期，再用更多、更大的样本进行验证。
没想到，最初的小样本验证结果让王涛觉得,“too good to be true”(完美得难以置信)。这让他更坚定自己的判断。
“实际上，我们2022年初就得到了初步结果。”王涛说，“此后1年半时间里，我们一直在尝试不同样本，从样本完备度、测量精度、分析方法、干扰排除等不同角度进行验证。”
研究一开始，团队觉得该结果有可能解决一些重要问题，所以各环节都特别严谨。期间还请北大、复旦和南大的合作者从不同的角度提意见、挑毛病，觉得哪些方面可能存在问题，就针对性地进行验证。
“快速”还是“完美”，冲刺阶段的焦虑
“2022年初，王老师让我看小样本结果的时候，真的感觉就是‘眼前一亮’。”该论文主要作者之一、团队成员吴雨瑄说，“当时有种惊喜的感觉，但后来在实际验证中发现，真正的挑战才刚刚开始。”
团队每次讨论、分析，用各种样本试图把模型‘泛化’验证的时候，总会发现各种奇怪的新问题。发现不符合预期的样本，团队就要找问题出在哪里，是观测的问题还是数据处理的问题。这种情况让团队成员觉得“越深挖越复杂，难度越来越大，好像找不到真相”。
“不同星系的样本有不同的干扰因素或错觉，我们很大一部分工作是发现并排除这些干扰。”论文第二作者，南京大学博士许可解释说，“影响冷气体含量的因素很多，这类似夏天人们吃冰棍、穿短袖、爱游泳，这和夏天有某种关联，但并非决定因素，夏天气温高才是根本原因。”
同样，决定星系冷气体含量的因素也很多，研究人员甚至不知道到底有多少干扰因素。排除干扰、准确验证需要花时间“精细打磨”。但黑洞问题关注度较高，很多人在做类似的研究。近几年有关中心黑洞在星系形成演化中重要作用的文章发表得越来越多。
“我们分析的数据都是公开的，关键是能不能找到对的研究方向。因此某种意义上就是一层窗户纸，谁先想到就可能先捅破。”王涛说，“我们既想把工作做得更细致，又担心‘扣’得太细，被别人抢先发表。”
一个困扰天文学界半个世纪的谜题，从长期关注到埋头验证，再到撰写论文，这一过程有点像运动员经过十几年训练，在比赛最激烈时——论文投稿的“冲刺”阶段，却因追求完美而放慢“脚步”。
尽管面临很大压力，王涛团队还是决定认真细致对待每一个样本，逐一分析、验证，剔除干扰。
精益求精的努力很快有了回报。2023年11月底，团队将论文寄出后，第二天就收到《自然》编辑回复，告诉他们论文会很快送审。
“从黑洞和冷气体含量关系角度看，恒星形成星系和被动演化星系其实可以用同种关系描述。从这个意义上讲，黑洞-冷气体含量的关系给我们提供了研究星系形成演化的全新，可能是更基础的框架。”王涛说，“当然，未来还有很多物理细节需要研究，诸如该关系在宇宙不同时期的演化等，还需要后续工作来探索。下一步，我们会用FAST和未来国际合作的SKA（平方公里射电望远镜阵）相关数据，将研究瞄准更远的宇宙、更小的星系，进一步完善该理论，证实它的普适性。”
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07821-2
本文链接：http://www.gihot.com/news-8-6870-0.html“问诊”星系“生老病死”，科学家解开半个世纪谜题
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