银河系每年只有少数新恒星诞生，而宇宙中还有更多恒星相继点亮。然而，天文学家观测发现，根据可用星际气体的数量，星系本应多形成数百万颗恒星。
麻省理工学院、哥伦比亚大学和密歇根州立大学的研究人员如今拼凑出一种理论，描述星系团如何调节恒星形成。他们本周在期刊 《Nature》上介绍了这一框架。
当星系团内气体迅速冷却时，它会凝结，继而坍缩形成新恒星。科学家长期以来认为，必定有某种因素阻止气体充分冷却、生成更多恒星——但究竟是什么，始终是个谜。
研究人员称，对于某些星系团而言，星系团内的气体可能只是太热了——温度可达数亿摄氏度。即使某个区域有所冷却，周围强烈的热量也会阻止该区域继续冷却，这种效应称为热传导。
“这就像把一块冰放进一锅沸水里——平均温度基本上仍然是沸腾的，”麻省理工学院卡夫利天体物理与空间研究所的哈勃学者迈克尔·麦克唐纳说。“在极高温度下，热传导会使温度分布趋于平缓，因此不会形成那些本应孕育恒星的冷气体云。”
在所谓的“冷核”星系团中，中心附近的气体可能足够冷，能够形成一些恒星。不过，部分冷却后的气体可能会落入中心黑洞，黑洞随后喷出热物质，为周围环境重新加热，从而阻止许多恒星形成——研究团队将这种效应称为“由降水驱动的反馈”。
“一些恒星会形成，但在情况变得过于失控之前，黑洞会把一切重新加热——它就像星系团的恒温器，”麦克唐纳说。“热传导与由降水驱动的反馈相结合，清晰简明地展现了恒星形成如何在星系团中受到调控。”
跨越星系阈值
宇宙中存在两大类星系团：冷核星系团——气体正在迅速冷却并形成恒星；以及非冷核星系团——它们还没有足够时间冷却。
后发星系团是一个非冷核星系团，其中充满了温度高达1亿摄氏度的炽热气体。要形成恒星，这些气体必须冷却数十亿年。相比之下，附近的英仙座星系团是一个冷核星系团，其星系团内气体温度相对温和，为数百万摄氏度。英仙座星系团中，这些气体冷却时偶尔会产生新恒星，但数量不及科学家的预测。
“恒星形成所需燃料的量是恒星数量的10倍，因此这些星系团本应富含恒星，”麦克唐纳说。“确实需要某种机制来阻止气体冷却，否则宇宙中的恒星数量会多出10倍。”
麦克唐纳及其同事建立了一个依赖两种抗冷却机制的理论框架。
研究团队根据星系团的半径、质量、密度和温度，计算了星系团内气体的行为。研究人员发现存在一个临界温度阈值；低于这一阈值，气体冷却会显著加快，导致气体迅速冷却到足以形成恒星。
根据该团队的理论，星系团处于温度阈值之上还是之下，决定了由两种不同机制调节恒星形成。对于温度显著高于阈值的星系团，热传导会抑制恒星形成：周围的热气体会压过任何可能形成的冷气体团，使整个星系团保持高温。
“对于这些温度更高的星系团，它们会困在这种高温状态中，永远不会冷却并形成恒星，”麦克唐纳说。“一旦进入这个极高温度区间，冷却就会非常低效，它们会永远困在那里。”
对于温度更接近较低阈值的气体，冷却并形成恒星要容易得多。不过，在这些星系团中，由降水驱动的反馈开始发挥作用，调节恒星形成：冷却中的气体可以迅速凝结成液滴云团并形成恒星，但这些液滴也可能落入中心黑洞——此时黑洞可能会向星系团喷射高温物质，重新加热周围气体，阻止更多恒星形成。
“在英仙座星系团中，我们看到这些喷流作用于热气体，形成了各种气泡、波纹和冲击波，”麦克唐纳说。“现在我们清楚是什么触发了这些喷流：凝结的气体落入黑洞。”
循迹而行
麦克唐纳及其同事将这一理论框架与遥远星系团的观测结果进行了比较，发现该理论与观测到的星系团差异相符。研究团队收集了钱德拉X射线天文台以及南极望远镜的数据；后者是一座位于南极洲、用于搜寻遥远大质量星系团的天文台。
研究人员将这一理论框架与所有已知星系团的气体冷却时间进行了比较，发现星系团分成了两类：冷却极其缓慢的星系团，以及冷却迅速、冷却速度更接近该团队所预测临界阈值的星系团。
麦克唐纳说，利用这一理论框架，研究人员或许能够预测星系团及其产生的恒星如何演化。
“我们建立了一条星系团遵循的轨迹，”麦克唐纳说。“这个框架的优点在于简单明了：星系团会长期处于两种模式之一，直到某种极具破坏性的事件将其推离轨迹，例如与另一个星系团正面碰撞。”
研究人员希望深入探究这一理论，了解调节星系团中恒星形成的机制是否也适用于单个星系。他说，初步证据表明情况确实如此。
“如果我们能利用所有这些信息，弄清我们周围的恒星为何形成或为何没有形成，那就是一大进步，”麦克唐纳说。
“[这些结果]看起来非常有希望，”未参与这项研究的哈佛-史密森天体物理中心天文学家保罗·努尔森说。“要确凿证明降水是为反馈提供动力的气体的主要来源，还需要更多研究。反馈循环中的其他过程也需要弄清楚。例如，人们对于落入大质量黑洞的气体如何产生高能喷流，或喷流如何抑制剩余气体的冷却，仍未达成共识。这并非故事的终点，但它为一个远比任何人预想的都更难解决的问题提供了重要见解。”
这项研究部分由美国国家科学基金会和美国国家航空航天局资助。
本文由 麻省理工学院新闻合作发布。本文的发布不代表世界经济论坛认可其中观点。
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作者：詹妮弗·楚是麻省理工学院新闻的特约撰稿人。
图片：这张五分钟曝光照片拍摄于美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心，画面中可见ISON彗星。路透社/亚伦·金格里。
