星系是极其复杂的存在。如果把宇宙类比成地球，星系就像是地球上一片一片的陆地：看似一个整体，其实成分繁多。大陆不止包含泥土和岩石，还存在河流和湖泊，青草和野兽，连接天地的雨雪和行踪不定的风。同样，星系中不止有恒星，还有星际间的气体和尘埃，超大质量黑洞，和蔓延开来的炙热电离气体。当然，和零零星星屈指可数的陆地不同，广袤的宇宙中容纳着无数星系，数量多到可以根据颜色、形态、年龄等等分成不同的种类。
星系本身非常庞大，但绝大部分星系距离我们很遥远。用最好的望远镜看过去，也只能看到一个小小光斑。如果我们仔细观察光斑的颜色，就会发现它们很明显的分为两大类，一类颜色偏红，一类颜色偏蓝。当更仔细地了解了星系的光谱后，会发现颜色偏蓝的星系中有年轻的大质量恒星贡献的很多“蓝色”的短波光，说明其中有刚刚形成的恒星，因此被称为“恒星形成星系”。而偏红色的星系通常缺少年轻大质量恒星的痕迹，主要是年老的恒星，因此被称为“熄灭的星系”。
一个人的一生会经历迅速成长的青少年时期、体能稳定的中年期，以及逐渐衰落的老年期。星系的生长过程也有些类似，可以分为生长阶段和熄灭阶段。在生长期，大部分星系的生长速率（恒星形成率）相对稳定，遵循一个被称为“恒星形成主序”的关系（图1）。当然也有个别星系在各种因素的刺激下，突然暴饮暴食吃掉大量气体，异常亢奋地迅速增长质量。这种星系被称为星爆星系。星系不能无限生长，在宇宙已经演化了130多亿年的今天，星系的质量最大不过1万亿倍太阳质量，接近这个质量的星系一般早已熄灭。熄灭的星系向下方远离主序，维持极低的生长率或者干脆停止生长。
图1，星系的恒星形成率和质量关系图。每个光斑代表一个星系。光斑内颜色分布表示密度分布，颜色越红代表密度越高。灰色粗线是恒星形成主序。蓝色拎箱子小人代表恒星形成星系，蓝色起飞小人代表充满能量的星爆星系，红色小人代表躺平休息的熄灭的星系。背景图片来自Schreiber &Wuyts 2020。通常一个大质量星系需要足够长的时间来积攒质量，其熄灭也是一个循序渐进的过程。然而，近期天文学者们发现了一些存在于宇宙极早期的熄灭星系(Carnall et al. 2024)，比我们已知的大部分星系成长得更加快速和激烈。在宇宙年龄仅仅为10亿年的年轻时代，这些星系已经形成了1000亿倍太阳质量。仔细看它们的生长历史，会发现大部分恒星是在几千万年内形成的（图2）。这段时间内，星系内每年制造的恒星质量大约相当于400-1000个太阳。这些星系的熄灭过程更是快速。借用庞博脱口秀中的一句话来描述这些庞然大物短暂又辉煌的一生：“快乐、快乐、快乐、然后嘎～死掉。”由于过程太快，图2这篇文章在标题中直接写到：“Too much, too young, too fast?”。翻译一下就是：你们是不是长的太多太急，死的太快了点？
图2，年轻宇宙中的熄灭星系的恒星形成历史。左图是恒星形成率随宇宙年龄（下方坐标轴）和红移（上方坐标轴）的变化，每个颜色代表一个观测到的星系。可以看到每个星系的恒星形成率集中在很短的时间内。右图对应每个星系的质量增长过程。图片来自 Carnall et al. 2024。这些年纪轻轻就达成了生长成就，从此“躺平”的星系是迄今为止发现的最古老的大质量熄灭星系，也许是宇宙诞生后第一批迅速“躺平”的大质量星系。它们的形成机制毫不意外地成为了研究的热点。在过去一年有几十篇文章讨论：它们如何成长和熄灭？成长和熄灭的速度是不是已经超出了星系演化理论的限制？
在目前的星系演化理论中，宇宙早期是否能够形成1000亿倍太阳质量的星系？一个直接的办法是用数值模拟进行检查。数值模拟方法依靠星系形成与演化的理论，使用超级计算机模拟一小块宇宙中的物质分布随着时间的变化。这一小块模拟的宇宙能够告诉我们，在如今的星系演化理论框架下，这部分宇宙中每个时刻可能发生的事情，以及可能存在的天体。如果在现实观测中发现了模拟宇宙中不存在的天体，或者发现了与模拟相悖的现象，那么说明我们的理论有可能还存在问题。
图3，数值模拟预测的星系的熄灭比例随红移（宇宙年龄，红移越大对应越年轻的宇宙）的演化。图中显示GAEA模型中约5%的超大质量星系（红色粗实线）在红移大约为4.5（宇宙年龄约14亿年）时已经熄灭，在TNG模拟中同质量超大星系（红色点线）的熄灭时刻是红移4（宇宙年龄约16亿年）。图片来自Xie et al. 2024。
在本文作者所研究的GAEA星系演化模型中，早在宇宙年龄14亿年左右，第一代熄灭的1000亿倍太阳质量的星系就出现了（图3），更小质量的熄灭星系出现地更早（Xie et al. 2024）。不过，不同模拟得到的结论并不相同：TNG数值模拟中第一代熄灭星系出现的稍微晚一些。此外，在同样年龄的宇宙中，GAEA模型和TNG模拟中熄灭星系所占的比例也差别较大。分析这些差异的来源可以帮助我们更好地理解宇宙早期的星系演化过程。这也说明，高红移熄灭星系的观测对于限制模型和验证星系演化理论至关重要。
在上述两个模拟/模型中，在宇宙年龄小于10亿年时都没有发现大质量的熄灭星系。这里可能的原因很多。可能仅仅是由于这种星系极其罕见，恰好没有出现在被模拟的小块宇宙中，我们需要更大的模拟盒子和更高的时间分辨率来模拟早期宇宙。第二个原因是我们现在的物理模型需要改进。目前我们对星系演化中多个物理过程的理解主要来自于对低红移（距离我们比较近的）宇宙的观测数据，年轻的宇宙中一些极端的环境或许超出了我们现有的理解范围。此外，观测本身也存在一定误差。如果将观测误差考虑进来，模拟的结果和观测会更加接近（De Lucia et al. 2024, Wang et al. 2024）。
关于这些星系“躺平”的过程，一些观点认为，这些星系因为短期暴饮暴食，耗尽了家产，导致后面只能挨饿。或者，短期大量的恒星形成引发了大量的超新星爆发，驱散了周围本可以用来形成恒星的气体。更多观点认为，活动星系核的反馈机制应该发挥了主要作用。活动星系核是星系中心的超大质量黑洞吸积物质时产生的活动性很强的星系的核心。当超大质量黑洞快速吞噬周围的气体时，能够释放大量的能量，引起高速喷流（图4），加热并驱散了形成恒星所需的原料气体。在最近的工作中，我们做了一个简单的测试，在GAEA模型中把超大质量黑洞的喷流关掉，结果在宇宙早期熄灭星系的比例几乎下降为0（对比图3中蓝色点虚线和蓝色实线）。这直接证明了，超大质量黑洞吸积引发的喷流在宇宙早期是最有效的熄灭大质量星系的方式，至少在GAEA模型中是这样。这些已经躺平的星系之后会怎样发展呢？或许垂死病中惊坐起来再吃几口，或许隐身于夜幕中保持沉寂。这将是另外的故事，有待下回书写。参考文献：
[1] Carnall, A. C.; et al, arXiv:2405.02242
[2] Xie, Lizhi; et al., 2024, ApJ, 966, 2
[3] De Lucia, Gabriella; et al., 2024, A&A, 687, 68
[4] Wang, Tao; et al. arXiv:2403.02399
来源：中国科学院国家天文台
编辑：小咕咕
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
如需转载请联系原公众号
