天文学家发现跨越数十亿年的恒星诞生火花

熊明青

天文学家发现跨越数十亿年的恒星诞生火花。信用:x光:美国国家航空航天局/CXC/骚；光学:美国国家航空航天局/欧空局/STScI；IR:美国国家航空航天局/欧空局/加空局/STScI/Milisavljevic等人、美国国家航空航天局/JPL/加州理工学院；图像处理:美国国家航空航天局/CXC/萨奥/J .施米特和k .阿坎德

（）据钱德拉X射线中心（的梅根·瓦兹克）：天文学家利用美国国家航空航天局的钱德拉X射线天文台和其他望远镜，完成了对宇宙最大星系中引发恒星形成的因素的最大规模和最详细的研究。他们惊讶地发现，在这些异常巨大的星系中，恒星形成的条件在过去的100亿年中没有改变。

“令人惊讶的是，在过去的100亿年里，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·卡尔扎迪拉说。“然而，最终，这些巨大星系中恒星形成的主要驱动因素实际上归结为一件事——它们周围的热气是否能够足够快地冷却下来。”

星系团是宇宙中由引力聚集在一起的最大物体，包含X射线中可见的大量热气体。这种高温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质量总和的数倍。

卡尔扎迪拉和他的同事们研究了宇宙中最亮、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的样本——使用南极望远镜(SPT)进行的大型调查中最大的星系团——它们距离地球34亿至99亿光年。

研究小组发现，当高温气体中无序运动的数量(一个称为“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触发。低于这个阈值，热气体不可避免地冷却形成新的恒星。

“令人印象深刻的是，一个单一的数字就能告诉我们数十亿颗恒星和行星是否在这些巨大的星系中形成，可以追溯到100亿年前，”合著者迈克尔·麦克唐纳说，他也来自麻省理工学院。

虽然已经进行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在如此大的距离范围内将X射线和光学观测结合起来。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——与气体冷却后恒星的实际形成联系起来，正如光学望远镜在宇宙历史的大部分时间里所看到的那样。

该小组还利用射电望远镜研究了这些星团中超大质量黑洞喷射出的物质。在一个被称为“反馈”的过程中，冷却形成恒星的热气最终流入黑洞，产生喷流和其他活动，加热和激发它们的周围环境，暂时阻止进一步冷却。当黑洞耗尽燃料时，喷射关闭，这个过程重新开始。

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:“这就好像我们在宇宙的大部分时间里收集了恒星形成这本书的不同章节。”"这个故事不是用文字写的，而是用x光、光学和无线电光讲述的."

这项研究的一个意想不到的方面是，以前的工作表明，除了热气冷却之外的其他因素可能在遥远的过去的恒星形成中发挥更大的作用。100亿年前，在一个被天文学家称为“宇宙正午”的时期，星系团中星系的碰撞和合并更加常见，恒星形成率通常更高，星系的超大质量黑洞以更快的速度吸入物质。

“我们看到的恒星形成类型非常一致，甚至在接近宇宙正午时，它可能会被其他过程淹没，”伊利诺伊州阿贡国家实验室的合著者林赛·布里姆说。“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并没有改变。”

在研究相对较近的星系团时，以前的研究人员还发现，高温气体中的无序水平是超大质量黑洞以喷流形式反馈的必要条件。

然而，Calzadilla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没有受到黑洞反馈的良好调节。这似乎是合理的，因为热气体开始冷却到中心星系需要时间，然后冷气体到达中心星系的超大质量黑洞需要更多时间，最后，射流形成并阻止气体进一步冷却。

然而，也有可能无线电信号在早期没有给出清晰的喷射活动的指示。

这个结果是基于美国国家航空航天局钱德拉X射线天文台的X射线数据；来自SPT、澳大利亚望远镜紧凑阵列和澳大利亚SKA探路者望远镜的无线电数据；来自美国国家航空航天局WISE卫星的红外数据:和几个光学望远镜。这里使用的光学望远镜是麦哲伦6.5米望远镜、双子座南方望远镜、布兰科4米望远镜(DECam，MOSAIC-II)和斯沃普1米望远镜。总共将近50天的钱德拉观测时间被用于这个结果。

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