星系是恒星工厂。但有些星系，例如大质量 椭圆星系，如今已不再形成恒星。它们所有可用的气体都已转化为超过一千亿颗恒星。
这些星系合计包含宇宙中有史以来约一半的恒星。
在一项发表于 《科学》的新研究中，天文学家追踪了这些星系中恒星形成之火如何熄灭。
研究显示，大多数情况下，恒星形成首先在星系核心区域被抑制；直到数十亿年后，外围区域才耗尽气体并停止形成恒星。
这一关于巨型星系由内而外走向衰亡的发现，有助于天文学家理解促进或阻碍恒星形成的机制。归根结底，这关乎揭示宇宙的历史，并理解为何我们今天看到的是现存的这些星系类型。
我们的宇宙：一台时间机器
天文学令人惊叹的一点是，每当我们眺望太空，也是在回望过去。宇宙如此辽阔，即使光以每秒30万千米的速度飞驰穿越太空，它的旅程仍可能持续数十亿年。
室女座星系团距离我们6500万光年，其光线启程之时，恐龙也正好灭绝。
NASA、ESA
这项研究所考察的22个星系发出的光，花了超过100亿年才抵达我们。我们看到的是这些星系在宇宙诞生约30亿年时的样子。
那是宇宙的鼎盛时期，星系形成恒星的速度十分活跃，约为今天的20倍。每年，大质量星系形成的恒星总量相当于数百颗类太阳恒星。相比之下，我们的银河系每年只形成四颗类太阳恒星。
宇宙年轻时，质量最大的星系正经历着 最快速的增长；澳大利亚正在开展的一项大型研究——星系与质量汇编（GAMA）项目——也证实了这一点。该项目使用 英澳望远镜开展观测。
那么，增长是如何放缓的？
稳步前行
为回答这个问题，博士生 Sandro Tacchella （苏黎世联邦理工学院，瑞士）及其同事，利用哈勃太空望远镜（HST）和欧洲南方天文台甚大望远镜（VLT）的观测数据。研究人员通过哈勃望远镜的图像追踪星系中较老恒星的分布——也就是过去发生过恒星形成的位置。
天文学家利用甚大望远镜上的一台名为 SINFONI 的仪器，寻找恒星正在活跃形成的区域。他们通过搜寻被年轻炽热恒星发出的辐射激发或 电离 的氢气来完成这项工作。
要使这两组观测数据发挥作用，都必须能够追踪小尺度空间范围内的变化。哈勃望远镜位于太空，不受地球大气造成的模糊影响，因此能够做到这一点。
甚大望远镜要分辨遥远星系中的小区域则更困难，因为它位于智利的地表，必须抵消地球大气的影响。甚大望远镜通过监测一颗人造恒星（由激光产生），再 改变镜面形状以保持星光稳定。观测结果因此更显令人惊叹。
甚大望远镜利用人造恒星追踪大气湍流。
ESO/G Hüdepohl
红而死寂
综合观测结果显示，在样本中质量最大的星系里，恒星曾在星系中心区域迅速形成，随后便停止了。与此同时，星系外围缓慢而持续的恒星形成仍在延续。
研究人员还将这些星系与质量相近、距离近得多的星系进行了比较；后者自 大爆炸以来已经存在了更长时间。
这些就是所谓的“红而死寂”星系。它们之所以得名，是因为其中只有红色恒星（它们比年轻炽热的蓝色恒星温度更低、演化程度也更高），而恒星形成已完全停滞。不再形成恒星的星系也不再成长，因此被称为“死寂”。
大质量星系的中心核球——无论是年轻（或遥远）的，还是古老（或附近）的——都非常相似。这些附近的星系是现代对应体；它们向我们揭示，早在100亿年前，它们的中心核球就已具有如今的形态。
什么会杀死一个星系？
要理解星系中恒星形成为何停止，关键是弄清其气体所在的位置。气体是形成新恒星的燃料，就像添入篝火、使火焰持续燃烧的木柴。木柴不仅必须存在才能燃烧，还必须投入火中才能点燃。
有多种机制可能剥离星系中的气体，或阻止气体进入星系盘——气体必须到达那里才能形成恒星。其中一些过程发生在星系内部，另一些则取决于星系所处的邻域有多拥挤。
许多星系，尤其是椭圆星系，位于由星系密集组成、被称为星系团的“城市”中。有研究认为，在这些高密度环境里， 星系中的气体可能被剥离 ，所涉及的过程包括 冲压剥离 和 星系窒息。
但这类过程会移除星系外围区域的气体，与Tacchella的发现相悖：恒星形成气体在星系外围存留的时间最长。
一项针对附近、质量略低于银河系的星系开展的GAMA研究也显示， 没有证据 表明恒星形成会受到星系局部环境的抑制。该研究中的星系仍以每年形成数颗类太阳恒星的速度持续形成恒星；这可能表明，环境导致的恒星形成停摆是一个非常迅速的过程。
外部因素并非完全不可能——某些机制可能会阻断气体流入星系，使其缺乏形成恒星所需的新燃料。但鉴于观测到的是由内而外的抑制，Tacchella及其同事认为，这一过程很可能发生在星系内部。
黑洞登场
星系核心里发生了什么？是一个 大黑洞。天文学家称它们为超大质量黑洞，因为它们通常蕴含相当于数百万甚至数十亿个太阳的质量。
黑洞以能够吸入物质而闻名，这是其强大引力作用的结果。但它们也会激发强大的风和喷流，将气体推出星系。
超大质量黑洞产生的外流可能抑制星系中的恒星形成。
ESA/ATG medialab
就在上个月， 《自然》 发表了首次探测到超大质量黑洞 喷出强风 并剥夺星系形成恒星潜力的研究。
此外，只有在密度最高的星系核心中，恒星形成才会受到抑制。这或许表明，一旦达到某个临界密度，星系便会趋于稳定，不再让新鲜气体进入中心，并 自行抑制恒星形成。
能够观测一组距离我们100亿光年的星系，并对其进行剖析，从而辨别哪些区域仍然活跃、哪些区域的星系成长已经结束，这是一件令人惊叹的事。这一结果为人们长期以来提出的问题提供了新信息：大质量星系为何以及如何停止形成新恒星。
本文最初发表于 The Conversation。阅读 原文。本文的发表不代表世界经济论坛认可其中的观点。
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作者：Tanya Hill是墨尔本大学荣誉研究员，也是维多利亚博物馆高级策展人（天文学）。Amanda Bauer是澳大利亚天文台的天文学家兼公众 outreach 官员。Sarah Brough是澳大利亚天文台的未来研究员。
图片：一幅合成图，由哈勃高级巡天相机于2003年至2012年拍摄的多张独立曝光图像合成。路透社/HUDF/NASA/经路透社提供。
