天文学家发现数十亿年来恒星诞生的火花

天文学家利用美国宇航局钱德拉X射线天文台和其他望远镜，完成了关于宇宙最大星系中恒星形成原因的最大规模、最详细的研究。他们惊讶地发现，在过去的一百亿年里，这些异常巨大的星系中恒星孕育的条件并没有改变。

“令人惊讶的是，在过去的一百亿年里，有很多因素可能影响了恒星的形成，”领导这项研究的麻省理工学院(MIT)的迈克尔·卡尔萨迪拉(MichaelCalzadilla)说。“然而，最终，这些巨大星系中恒星形成的主要驱动力实际上归结为一件事——它们周围的热气体是否能够足够快地冷却。”

星系团是宇宙中通过重力聚集在一起的最大天体，包含X射线中可见的大量热气体。这种热气体的质量是通常在星系团中发现的数百个星系中所有恒星总质量的几倍。

卡尔萨迪拉和他的同事研究了宇宙中最亮、质量最大的一类星系，称为最亮星系团，位于95个星系团的中心。所选的星系团本身就是一个极端样本——使用南极望远镜(SPT)进行的大型调查中最大的星系团——距离地球3.4至99亿光年。

研究小组发现，当热气体中的无序运动量(称为“熵”的物理概念)低于临界阈值时，他们研究的星系中的恒星形成就会被触发。低于这个阈值，热气体不可避免地会冷却形成新的恒星。

“令人印象深刻的是，一个数字就能告诉我们这些巨大星系中是否形成了数十亿颗恒星和行星，可以追溯到100亿年前，”麻省理工学院的合著者迈克尔·麦克唐纳(MichaelMcDonald)说。

虽然人们已经做出了其他尝试来确定宇宙时间内如此巨大的星系中恒星形成的驱动因素，但这项调查是第一次将X射线和光学观测相结合，在如此大的距离范围内对星团中心进行观测。这使得研究人员能够将恒星形成所需的燃料(钱德拉探测到的热气体)与气体冷却后恒星的实际形成联系起来，正如光学望远镜所看到的，在宇宙的大部分历史中。

该团队还使用射电望远镜研究从这些星团中的超大质量黑洞发射的物质射流。在一个称为“反馈”的过程中，冷却形成恒星的热气体最终为黑洞提供能量，导致喷流和其他活动加热周围环境并为其提供能量，暂时阻止进一步冷却。当黑洞耗尽燃料时，喷流就会关闭，这个过程会再次开始。

来自芝加哥大学和伊利诺伊州费米实验室的合著者布拉德·本森说：“就好像我们在宇宙生命的大部分时间里为恒星形成书收集了不同的章节。”“这个故事不是用文字写成的，而是用X射线、光学和无线电光来讲述的。”

这项研究的一个意想不到的方面是，之前的研究表明，除了热气体的冷却之外，其他因素可能在遥远的过去的恒星形成中发挥着更大的作用。一百亿年前，在天文学家称之为“宇宙正午”的时期，星团中星系的碰撞和合并更加普遍，恒星形成的速度通常要高得多，星系的超大质量黑洞吸纳物质的速度也快得多。

伊利诺伊州阿贡国家实验室的合著者林赛·布莱姆说：“我们所看到的恒星形成类型非常一致，即使是在接近宇宙正午时，它可能会被其他过程所淹没。”“尽管当时的宇宙看起来非常不同，但这些星系中恒星形成的触发因素却并非如此。”

在研究相对较近的星团时，先前的研究人员还发现，热气体中的无序阈值是超大质量黑洞以喷流形式出现反馈所必需的。

然而，卡尔萨迪拉团队的这项新研究发现，反馈的熵阈值并不适用于更遥远的星系团中的星系，这可能意味着大约一百亿年前的星系团并没有受到黑洞反馈的良好调节。这是合理的，因为热气体需要时间开始冷却到中央星系，然后冷气体需要更多时间才能到达中央星系的超大质量黑洞，最后喷流形成并阻止进一步冷却气体。

然而，无线电信号也有可能无法清楚地表明这些早期的喷射活动。

这一结果基于NASA钱德拉X射线天文台的X射线数据;来自SPT、澳大利亚紧凑阵列望远镜和澳大利亚SKA探路者望远镜的无线电数据;来自NASAWISE卫星的红外数据;和几台光学望远镜。这里使用的光学望远镜是麦哲伦6.5米望远镜、双子座南望远镜、布兰科4米望远镜(DECam、MOSAIC-II)和斯沃普1米望远镜。这一结果总共使用了近50天的钱德拉观测时间。

卡尔达齐拉在新奥尔良举行的美国天文学会第243届会议上公布了这些结果。此外，他是向《天体物理学杂志》提交的有关这项工作的论文的第一作者，该论文可在预印本服务器arXiv上获取。