100亿年前，星系中的气体就已耗尽

编译 王晓涛

大约有45亿年历史的太阳，在宇宙中只不过是个后辈。恒星形成的鼎盛时期是在100多亿年前，即大爆炸之后的35亿年。从那时起，恒星形成的速率一直呈指数下降。

但并非所有的星系都是这场聚会中的成员。即使在恒星形成的速率达到顶峰时，那些最大规模的星系中，也有半数几乎没有产生新的恒星。从那时起，宁静星系的数量就一直在增加，因为一旦星系中的恒星形成过程停止，就几乎不会再重新开始。

为什么有些星系中不再有新的恒星形成？为什么恒星形成过程停止得如此突然，并且一旦停下就是永久性的？为什么有些星系会这么早就停止了恒星形成过程？天文学家对这些问题并不清楚。距离足够远的星系可以提供一个窗口，以帮助我们了解很久以前宇宙中发生的事情，但它们的辐射通常太过微弱，导致我们无法对其进行必要的细节研究。

目前，由马萨诸塞大学阿默斯特分校的凯瑟琳•惠特克（Katherine Whitaker）和哥本哈根尼尔斯•玻尔研究所的苏恩•托夫特（Sune Toft）共同领导的REQUIEM（解析宁静放大星系，Resolving Quiescent Magni fi ed Galaxies）合作小组，有了一项新的发现。惠特克及其同事选择了6个宁静星系进行研究，这些宁静星系射向地球的光经过了引力透镜的增强。他们发现这些星系实际上已经耗尽了气体：它们不再形成恒星，是因为星系内缺乏制造恒星所必要的冷氢气。

这一结论远非问题的最终答案。它并没有解释气体的去向——这些气体是被简单地消耗殆尽而从未得到过补充，还是以某种方式从星系中逸出，或是被加热从而无法凝结成恒星？同时，这一研究结果也不能证明，所有的宁静星系都是出于同样的原因而不再有恒星形成的。

但这个结果确实表明，至少有那么一种机制，能够在宇宙历史的极早时期耗尽星系中用于恒星形成的气体——而在这一时期，大多数其他星系还拥有着充足的气体储备。

统计死亡星系

与银河系中的恒星不同，其他星系中的恒星太过遥远，望远镜无法将它们区分出来，更不用说观察它们是怎么产生的了。那么天文学家是如何知道哪些星系正在形成新恒星而哪些没有的呢？

关键之处在于，并非所有的星星都是生而平等的。最重的主序星，质量是太阳的10倍以上，明亮而又炽热，整体呈现蓝色。它们会在短短300万年内燃烧殆尽。而在主序星分布图的另一端，小于1/10太阳质量的恒星，温度会更低，颜色会更红，预期寿命为数千亿年。

因此，星系的颜色可以表示其所含恒星的种类。如果星系发出大量蓝光，那么它一定正在积极地制造新的恒星，以补充那些正燃烧自己的短命蓝色恒星。另一方面，如果没有蓝光，说明这一星系中就不再有蓝色恒星生成，甚至可能不再生成任何恒星：星系中一片寂静——或者我们可以采用更通俗的说法：“红色即死亡。”

测量极其遥远星系要复杂一些，因为星系的光可能会因恒星形成过程的停止或宇宙膨胀引起的红移而变红。这两种现象对光谱形状的影响并不相同，天文学家会通过分别测量星系的红移值和恒星形成率来将二者区分开。

然而，要想详细研究那些遥远的星系，极其微弱而又受红移影响的光通常是不够的。但这正是REQUIEM小组擅长解决的问题。REQUIEM小组的想法是利用引力透镜的效果进行观测。如果某个遥远的星系正好位于一个巨大的前景物体的后方，这一物体的引力会对星系发出的光施加强大的拉力，使得更多的光向地球方向弯曲。

这种巧妙的空间结构是十分罕见的，但在宇宙中的数十亿个星系中，总有一些天体的分布会恰到好处地表现为这样的形式。在整理了10年来对星系的观测数据之后，REQUIEM的研究人员锁定了10个合适的目标星系。这些星系的辐射都被引力透镜放大了30倍。这10个星系距离我们都很遥远，红移值在1.6到3.2之间，这意味着它们的光可以追溯到95亿到115亿年前。并且，它们都是宁静星系：大多数都呈现出死气沉沉的红色。但有几个星系还含有一些蓝色的恒星，年龄不到1亿年，不过从那时以后就不再有新的恒星形成了。

气体和尘埃

目前，REQUIEM使用智利的阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（ALMA）对6个目标星系进行研究——ALMA足以充分观测这些星系。ALMA的观测波长为1.3毫米，这一波段的信号并非来自星系内的恒星，而是来自星系所包含的可以表征氢气存在的星际尘埃。

直接测量星系内的氢气含量并不可行，因为氢分子本身基本处于不可见的状态。氢分子是对称的，没有电偶极矩，因此在旋转和振动时不会吸收或发出辐射。只有氢分子的温度足够高，可以被激发到更高的电子态时，望远镜才有可能对其进行观测。而当氢分子的温度低到凝结成足以形成恒星的致密区域的时候，望远镜是看不到它们的。

为了观测低温的氢气，天文学家必须要寻找与它同时存在的其他物质。一种可能是选择一氧化碳进行观测。这是一种不对称的分子，有偶极矩，因此具有冷光谱的特征。但是观测一氧化碳分子可能是个代价昂贵的选择，因为这需要的光谱分辨率比大多数望远镜图像所能提供的更高。

另一种选择是寻找尘埃。惠特克解释说，当气体分子粘连在一起时，尘埃颗粒就会不断增长。“我们在周边的宇宙区域中观察到，哪里有气体，哪里就有尘埃。”通常，本地星系中存在的氢气含量是尘埃的100 倍，因此REQUIEM的研究人员假定，在他们的目标星系中，情况也是如此。但他们对此并不确定——因为之前从未测量过这样的高红移星系中的尘埃含量。“这是这项工作中的一个重要假设。”惠特克说。

观测数据的采集时间是2018年和2019年。（由于新冠疫情，ALMA于2020年3月暂停运营。）研究人员对每一批新数据都感到十分惊讶：他们几乎完全没有观测到灰尘信号。6个星系中有4个，完全没有灰尘的存在，其中包括图1a中显示的星系。研究人员所能获得的最好结果就只有灰尘含量的可能上限。

图1 引力透镜使得研究人员能够在高红移值的遥远星系中寻找尘埃—恒星形成所必需的冷氢气的表征物。图中，尘埃信号叠加在了哈勃太空望远镜观测到的图像上。（a）几个高度透镜化的星系，包括位于右图中心的星系，这些星系中完全没有出现任何尘埃信号。（b）其余几个星系显示出微弱的尘埃信号，但非常神秘的是，这些信号似乎只从银河系的某一部分发出

其他两个星系，包括图1b中的星系，表现出了微弱的尘埃信号。但这些信号带来了另一个谜题：这里的尘埃形状与银河系中的其他部分有着显著区别。引力透镜使每个星系看起来都被拉长了，但尘埃信号仅存在于其中的一部分。“那里发生了什么事？” 惠特克说道。“我们仍然不明白这意味着什么。”

神秘的缺席

总体来说，如图2所示，6个REQUIEM星系（6个大圆圈）中的尘埃质量中位数低于0.01%，研究人员从中推断出氢气质量分数的中位数低于1%。这个数字小得令人讶异，远小于针对低红移目标的其他研究（图2中的其他符号） 中观测到的结果，也远没有达到大质量星系中的恒星形成所必须包含的气体的平均数量（实线）。有几个星系的气体含量甚至少于根据其自身的恒星形成率（6个大圆圈上方的小点）预期的气体数量。

图2 在REQUIEM的6个目标宁静星系（6个大圆圈）中观察到的尘埃和氢气含量少得惊人。无论是与之前对宁静星系的测量相比，还是与大质量星系的预期平均值（实线）相比，甚至与基于星系自身恒星形成率的预期值（6个大圆圈上方的小点）相比，这一含量都显得很少。高红移值的星系（最右侧两个圆圈）在过去1亿年有着很高的平均恒星形成率，但由于其中的恒星形成从那时起迅速停止，因此它也被包含在了样本中

“但在我看来，最重要的一点是，”惠特克说，“这些都是无效观测。我们的研究还是不够深入，无法真正计算得到星系中冷气体和尘埃的数量区间。” 该团队的下一步计划是继续利用ALMA收集更多数据——疫情期间，ALMA已经对数据进行了备份，并开始运行——以测量星系中尘埃含量的上限。

由于REQUIEM的研究对象仅有6个星系，研究人员无法判断尘埃和气体的缺乏到底是宁静星系的普遍现象，还是他们采样的少数星系的不寻常特征。统计样本数量不够是REQUIEM的研究方法的固有限制，因为星系的强引力透镜是很少见的。惠特克说：“我们最后可能会找到更多可以用这种方式研究的星系，但恐怕总数量连100个也达不到。”

即使认为在这几个宇宙极早期的星系中完全不存在低温的氢气，也很难使其与目前对宇宙学和星系演化的认知相协调。100亿年前，宇宙比现在小得多，星际气体的密度也应该要高得多。此外，星际空间曾经（并且仍然）被暗物质网络渗透，这些暗物质会通过引力吸引气体并将其引导至星系之中。

理论物理学家确实对早期星系中的气体如何被耗尽、排出或加热提出过一些观点。许多想法中的核心机制都涉及活动星系核：一种星系中心的超大质量黑洞，其对物质的快速吸积可以为星系内气体的加热或排出提供动力。REQUIEM的研究人员将继续使用更多仪器，在更广的波长范围内收集星系的相关数据，而这些工作大部分会用来寻找活动星系核的可观测特征。

前不久升空的詹姆斯•韦布空间望远镜应该能帮上大忙——收集图1a中星系的相关数据已经列入了这一望远镜的工作计划中。该望远镜经过优化，可在近红外波段进行观测。红移星系的光谱特征就位于该频率范围内，而其他现有望远镜很难对这一波段进行观测。此外，它还可以在近红外波段成像，并且具有很高的空间分辨率和光谱分辨率。因此，它可以检测到从星系中心的活动星系核向外流动的气体。惠特克说：“就了解这些星系的化学历史这一目的而言，它是台完美的望远镜。”

资料来源 Physics Today