科學(xué)家揭秘星系“死亡” 或因缺氣體“窒息”

科幻小說《三體》中曾提及，“三體星系”被來歷不明的外星人攻擊，致星系死亡。小說中這個充滿想象力的設(shè)置，在天文學(xué)家那里可以演化成無數(shù)種理論及假說。目前，所有星系中約有一半死亡，星系是如何死亡的，科學(xué)家們認(rèn)為其中最有可能的是“窒息而死”。爭論在于，窒息過程是瞬間發(fā)生的，還是緩慢發(fā)生的？近日，英國劍橋大學(xué)和愛丁堡皇家天文臺的研究人員在最新一期的《自然》雜志上，發(fā)表研究成果，回答了這個困擾天文學(xué)界的難題。他們的答案是：星系死于緩慢窒息。

“死亡星系”

約40億年間，星系“窒息而亡”

我們面對的第一個問題是，什么樣的星系叫作死亡星系？

正如人類需要氧氣才能呼吸，星系也需要氫氣、氦氣等氣體來維持生存。如果星系無法獲得這些必要氣體，星系則無法生成新恒星。停止產(chǎn)生新恒星的星系就被認(rèn)定為是死亡星系。

天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，年輕星系閃爍著溫度很高的藍(lán)光，晚年星系則閃爍著溫度較低的紅光。通過觀測星系的光芒，科學(xué)家們可以推測出哪些行星屬于已停止生成新恒星的死亡星系。整個宇宙星系中，紅色的、死亡的星系約占所有星系的一半。

北京天文館高級工程師寇文介紹，星系的出生過程與氣體緊密相關(guān)。恒星具有足夠的質(zhì)量和熱量，對星體內(nèi)的氫元素產(chǎn)生強大的壓縮作用。氫元素在壓縮作用過程中產(chǎn)生裂變反應(yīng)，形成氦元素，氦元素再經(jīng)過反應(yīng)，產(chǎn)生出更高級的元素。此過程循環(huán)往復(fù)，最終產(chǎn)生出銅、鐵、金、銀等宇宙中存在的各種元素，并最終形成恒星。這可以說是天文學(xué)家們一致認(rèn)同的“定論”。

一直以來，科學(xué)家都無法確定星系為何會失去生成恒星的能力，也無法回答星系死亡的具體過程。

能夠回答這些問題的線索，是天文學(xué)界此前提出的兩個假說。第一種假說是，在某種內(nèi)力或外力作用下，維持星系生存的氣體突然間被從星系中吸走，導(dǎo)致星系瞬間死亡；另一種假說則是，某種內(nèi)部機制阻礙了新的氣體供應(yīng)，失去新的氣體補充，星系在“緩慢窒息”中逐步走向衰亡。

此前，天文學(xué)家們多傾向于前一種假說，認(rèn)為星系是被黑洞等物質(zhì)突然間吸空了冷氣體，導(dǎo)致星系瞬間死亡。不過，英國科學(xué)家此次的研究結(jié)果表明，星系死亡的原因很可能是第二種假說的情況，即星系在約40億年的緩慢時間里，逐漸“窒息”而死。

新線索

高含量金屬元素泄露死亡秘密

天文學(xué)家的這一最新結(jié)論建立在龐大的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)之上。

此份研究報告主要作者、英國劍橋大學(xué)卡文迪什實驗所和卡弗里宇宙學(xué)研究所的天文學(xué)家彭英杰介紹，研究人員對超過2.6萬個位于銀河系附近，且平均體積相當(dāng)?shù)男窍颠M(jìn)行了金屬含量分析。而星系中的金屬物質(zhì)是觀察恒星形成歷史的重要標(biāo)記物。

根據(jù)天文學(xué)家推理，假如外部力量迅速吸光星系里生成新恒星所需的氣體，金屬元素含量在死亡前后就會是相等的。而假如星系死于緩慢窒息，氣體供應(yīng)逐漸被阻絕，那么金屬元素含量在一定時期內(nèi)就會繼續(xù)上升，直到氣體全部耗光，金屬元素含量的上升才會停止。

研究人員對比了活星系和死亡星系的金屬含量差別，以及這種差別所能反映的恒星年齡差異。他們發(fā)現(xiàn)，就一定的星體質(zhì)量而言，死星系里的金屬元素含量大大高于仍在生成恒星的同等質(zhì)量的活星系。這種情況更符合第二種假說，即“緩慢窒息”而死。研究報告還表明，一個星系窒息而死大約需要40億年。彭英杰表示，這是天文學(xué)界首次找到確切證據(jù)顯示星系如何死亡。

疑犯

黑洞吸走了星系的生命之源？

什么原因?qū)е铝诵窍档木徛舷ⅲ繉Υ耍煳膶W(xué)家也有兩種主要解釋。

其中之一與黑洞有關(guān)；還有一種與超新星爆炸有關(guān)，抑或二者兼有。

星系中存在著超大質(zhì)量的黑洞。氣體需要達(dá)到一定的低溫和高密度，在引力作用下坍縮才能形成新的恒星，因此熾熱、低密度氣體必須能夠降低溫度，才能具備孕育新恒星的條件。這一降溫過程需要漫長的時間才能實現(xiàn)。而被黑洞吸附的氣體，在黑洞巨大的引力作用下溫度迅速升高，失去了孕育新恒星的機會。

另一種情況，則是大質(zhì)量的恒星在其生命末期爆發(fā)，形成超新星。這一過程中產(chǎn)生強烈的沖擊波，將星系內(nèi)的氣體像噴泉一樣噴射式地涌出星系。天文學(xué)家們觀測到，涌出星系的氣體會逐漸回落到星系周圍。但某些氣體在星系周圍停止了循環(huán)，無法重新進(jìn)入星系，參與新恒星形成的過程。但對于超新星爆炸中的部分氣體，為何會停止循環(huán)，天文學(xué)家們還沒有得出確切的結(jié)論。

懸案

殺死星系的“真兇”仍然是謎

對天文學(xué)家的這些假說，寇文評價道，歸根結(jié)底它們還只是一些假說，關(guān)于星系的形成，還有太多未解之謎。

黑洞能否吸走星系中的氣體？寇文解釋，黑洞具有引力，通過這種巨大的引力作用來吸附一切物質(zhì)，是黑洞最大的特質(zhì)之一，從這一點來看，黑洞吸走了恒星所需的氣體是合理的。但問題是，關(guān)于黑洞的整個理論體系，本身就未被證實。“甚至黑洞是否存在，天文學(xué)界還有爭論。”

而恒星風(fēng)暴中被沖出星系的氣體，由于星系的引力作用，最終仍然會逐漸落回星系周圍。為何這些氣體沒有繼續(xù)參加恒星的演化過程？天文學(xué)家們正嘗試通過電腦模擬來解釋星系中氣體的循環(huán)過程，從而解答這一問題。但目前還沒有任何模型能夠模擬成功。其中的一個問題是目前的模擬器還無法涵蓋星系演變的整個過程，更不要說包括爆炸的恒星與增長的黑洞等復(fù)雜交錯的物理現(xiàn)象。

關(guān)于星系謀殺的整個過程，現(xiàn)在我們知道了星系死于緩慢窒息，但是，到底是誰、用何種方式殺死了星系，仍然是未解之謎。科學(xué)家們預(yù)測，在未來十年內(nèi)，也許會通過更先進(jìn)的觀測設(shè)備，追蹤氣體從藍(lán)色變成紅色的神秘過程，進(jìn)而找出星系死亡背后的“真兇”。(采寫/新京報記者張婷)