不玩大爆炸那一套!天文學家直擊黑洞如何「千刀萬剮」一座巨型星系

本文經授權轉載自友站臺北市立天文科學教育館文/ 王庭萱 

天文學家在早期宇宙中發現了一個年紀輕輕就已死亡的巨大星系,這個星系顯示,超大質量黑洞不一定需要一場毀滅性的爆發,就能慢性扼殺整個星系的恆星誕生。

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巨型星系為何在青春期就停止成長?

這個名為GS-10578的星系存在於大爆炸後約30億年的早期宇宙(z ≈ 3.06),質量高達太陽的2,000億倍,是當時極為罕見的巨型星系。研究分析顯示,這個星系的大部分恆星形成於大爆炸後15至18億年,隨後整個星系便停止誕生新的恆星,相對於同時期的星系過早進入休眠。

研究團隊利用ALMA進行近7小時的超深度觀測,嘗試尋找星系中的冷氣體指標一氧化碳,卻什麼也沒找到。這代表冷氣體的含量低於ALMA的偵測極限,與星系龐大的恆星質量極不相稱。

超大黑洞正對星系執行「千刀萬剮」

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)的紅外線光譜觀測則揭露了真兇:星系中心的超大質量黑洞正噴出高速氣體風,速度高達每秒300到500公里,每年帶走約20到100個太陽質量的氣體,若星系沒有補充冷氣體的手段,剩餘氣體在數千萬年至兩億年內就會耗盡。

研究團隊分析發現,星系呈現出平滑有序的旋轉結構,沒有明顯的潮汐作用,代表在近期沒有遭遇重大合併事件。且黑洞的活動呈現出溫和的間歇與持續性,代表黑洞是透過反覆加熱與阻止冷氣體流入的方式,讓星系長期處於「淨零氣體流入」狀態來慢性扼殺星系,彷彿經歷了「千刀萬剮」的過程。

 星系的千萬種死法!

這項研究成果有助於解釋韋伯太空望遠鏡在早期宇宙觀測到的大量巨大且異常古老的星系,在韋伯升空前這些星系的存在可是前所未聞。未來將持續利用ALMA超深度無線電波觀測結合韋伯的紅外線光譜優勢,尋找更多類似的星系,以了解在早期宇宙中緩慢的物質匱乏是否才是星系演化的常態,而不是過去認為的黑洞劇烈爆發導致大量流出讓星系死亡。

研究團隊計畫以韋伯的中紅外成像光譜儀(MIRI)追蹤較溫暖的氣體,更深入研究黑洞如何影響不同溫度層的氣體流出與流入。