宇宙造星工厂为何突然停工：天文学家依托中国天眼 FAST 等望远镜破解星系快速熄火谜题

IT之家 4 月 27 日消息，星系的消亡从来都不是一个温和的过程。星系内部曾源源不断孕育出亿万颗恒星的造星工厂，会骤然停摆。这并非缓慢的衰亡，而是一场突如其来、极具戏剧性的关停，天文学家将这种现象称为快速熄火。这类现象存在于我们所说的后星暴星系之中，它们承载着宇宙间最引人入胜、却往往被忽视的演化故事。对天文学家而言，这类星系就如同宇宙案发现场：它们不久前刚经历过一场规模浩大的恒星形成爆发，宛如一场盛大的宇宙狂欢，如今却几乎不再有新的恒星诞生。这就好比走进一间舞厅，音乐戛然而止，灯火骤然熄灭，人群仓促散去。这般景象不禁让人疑惑：为何转瞬之间只剩一片沉寂？星系中的恒星孕育活动又为何消失得如此之快？难题在于，后星暴星系十分稀少，在所有星系中的占比不足 1%。数量的稀缺给相关研究带来了极大阻碍。早期天文学家依靠光学波段观测，重点分析炽热年轻的 A 型恒星产生的强吸收谱线，同时结合无明显恒星形成活动发射谱线的特征来识别这类星系。但这套多年前建立的观测方法，时常会遗漏大量后星暴星系，导致我们对这类天体的认知始终残缺不全。想要真正弄清星系为何会突然停止造星，首先就要明白恒星形成的本源原料：气体，准确来说是冷气体。恒星不会凭空诞生，它们形成于致密、低温的氢分子云之中。一旦星系耗尽这类分子气体，或是气体结构被扰乱、无法汇聚凝聚，恒星形成活动便会随之停止。据IT之家了解，此前针对这类处于演化过渡期的奇特星系的研究杂乱无章：各研究采用的筛选标准不统一、观测灵敏度存在差异，且研究样本规模往往过小，始终无法形成清晰、统一的认知。各类研究结论相互矛盾，始终拼凑不出完整的宇宙演化真相。甚至有观点认为，部分星系即便仍饱含气体，也无法孕育新恒星，这让研究恒星诞生机制的科学家们百思不得其解。不过，另有研究发现，许多看似气体充足、却陷入沉寂的星系，其实仍在孕育恒星，只是恒星形成活动被厚重的尘埃云遮蔽，在光学观测中显得“隐匿不可见”。可想而知，过往的观测图景模糊不清，也让我们在星系演化的认知上留下了巨大空白。而 EMBERS I 研究的出现，堪称一场精妙绝伦的天文探案工作。该研究由维多利亚大学的本・F・拉斯穆森领衔，来自空间望远镜科学研究所、圣安德鲁斯大学等机构的科研人员共同参与。团队决定从多维度、全方位着手破解这一科学难题，首次对大样本、精准筛选的后星暴星系开展统一的原子气体与分子气体普查观测。这好比多年来仅凭一张模糊照片办案，如今终于集齐了完整的刑侦取证团队。研究团队首先从斯隆数字巡天数据库中筛选出 114 个候选星系，依据恒星质量和距离进行精细甄别。随后便是漫长而艰巨的观测工作。为探测氢原子气体 —— 这类更为弥散、温度更低的气体，是未来恒星形成最初的广阔储备源，团队借助中国 500 米口径球面射电望远镜（FAST，也被称为中国天眼）的超强观测能力。这口直径达 500 米的巨型抛物面射电天线，十分适合捕捉遥远天体发出的微弱信号。但真正作为造星原料的是氢分子，而氢分子很难被直接观测到。因此天文学家会借助可靠的示踪物：一氧化碳（CO）。可以把一氧化碳看作分子云的烟雾报警器：只要探测到一氧化碳，就大概率存在随时会坍缩、孕育恒星的氢分子云。为精准测量一氧化碳的辐射信号，拉斯穆森团队依托西班牙毫米波射电天文研究所 30 米望远镜，累计观测时长高达 188.9 小时，分四次完成观测立项。无数个日夜，科研人员坚守天文台凝望深空。团队全新完成 52 组观测，再结合 9 组存档观测数据，最终构建起包含 61 个星系的研究样本库。研究取得了关键性发现：平均而言，相较于仍在活跃孕育恒星的前身星系，后星暴星系的氢分子气体含量确实显著枯竭。其分子气体储量，比同等恒星质量、仍持续造星的星系少 3 至 6 成。这有力印证了一个核心结论：星系快速熄火的关键原因，就是耗尽了孕育恒星的气体原料。通俗来讲，这场宇宙造星盛宴落幕，只因星系的“能量补给站”彻底空了。但故事的精彩与复杂之处还不止于此。并非所有后星暴星系都彻底耗尽了气体。研究发现，这类星系的冷气体储备呈现出极大的差异性。部分星系即便经历了剧烈的恒星形成骤停，其分子气体占恒星总质量的比例，最低仅有 2%，最高探测值竟可达 250%。由此可见，虽然从整体平均水平来看，后星暴星系普遍缺乏造星气体，但个体演化轨迹却千差万别。这一差异性对研究星系演化有着重大意义：星系快速熄火并非只有单一成因。对部分星系而言，熄火或许不可逆，因气体大量流失，恒星形成活动彻底终结；而另一些仍保留大量气体的星系，则存在令人期待的复苏可能 —— 有望迎来演化的第二阶段，恒星形成活动或再度重启（即便只是暂时现象），这类星系只是短暂休眠，而非永久消亡。