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科学家揭秘星系死亡或因缺气体窒息

发布时间:2019-11-10 20:43:33

科幻小说《三体》中曾提及,“三体星系”被来历不明的外星人攻击,致星系死亡。小说中这个充满想象力的设置,在天文学家那里可以演化成无数种理论及假说。目前,所有星系中约有一半死亡,星系是如何死亡的,科学家们认为其中有可能的是“窒息而死”。争论在于,窒息过程是瞬间发生的,还是缓慢发生的?近日,英国剑桥大学和爱丁堡皇家天文台的研究人员在一期的《自然》杂志上,发表研究成果,回答了这个困扰天文学界的难题。他们的答案是:星系死于缓慢窒息。

“死亡星系”

约40亿年间,星系“窒息而亡”

我们面对的个问题是,什么样的星系叫作死亡星系?

正如人类需要氧气才能呼吸,星系也需要氢气、氦气等气体来维持生存。如果星系无法获得这些必要气体,星系则无法生成新恒星。停止产生新恒星的星系就被认定为是死亡星系。

天文学家们发现,年轻星系闪烁着温度很高的蓝光,晚年星系则闪烁着温度较低的红光。通过观测星系的光芒,科学家们可以推测出那些行星属于已停止生成新恒星的死亡星系。整个宇宙星系中,红色的、死亡的星系约占所有星系的一半。

北京天文馆高级工程师寇文介绍,星系的出生过程与气体紧密相关。恒星具有足够的质量和热量,对星体内的氢元素产生强大的压缩作用。氢元素在压缩作用过程中产生裂变反应,形成氦元素,氦元素再经过反应,产生出更高级的元素。此过程循环往复,终产生出铜、铁、金、银等宇宙中存在的各种元素,并终形成恒星。这可以说是天文学家们一致认同的“定论”。

一直以来,科学家都无法确定星系为何会失去生成恒星的能力,也无法回答星系死亡的具体过程。

能够回答这些问题的线索,是天文学界此前提出的两个假说。种假说是,在某种内力或外力作用下,维持星系生存的气体突然间被从星系中吸走,导致星系瞬间死亡;另一种假说则是,某种内部机制阻碍了新的气体供应,失去新的气体补充,星系在“缓慢窒息”中逐步走向衰亡。

此前,天文学家们多倾向于前一种假说,认为星系是被黑洞等物质突然间吸空了冷气体,导致星系瞬间死亡。不过,英国科学家此次的研究结果表明,星系死亡的原因很可能是第二种假说的情况,即星系在约40亿年的缓慢时间里,逐渐“窒息”而死。

新线索

高含量金属元素泄露死亡秘密

天文学家的这一结论建立在庞大的数据分析基础之上。

此份研究报告主要作者、英国剑桥大学卡文迪什实验所和卡弗里宇宙学研究所的天文学家彭英杰介绍,研究人员对超过2.6万个位于银河系附近,且平均体积相当的星系进行了金属含量分析。而星系中的金属物质是观察恒星形成历史的重要标记物。

根据天文学家推理,假如外部力量迅速吸光星系里生成新恒星所需的气体,金属元素含量在死亡前后就会是相等的。而假如星系死于缓慢窒息,气体供应逐渐被阻绝,那么金属元素含量在一定时期内就会继续上升,直到气体全部耗光,金属元素含量的上升才会停止。

研究人员对比了活星系和死亡星系的金属含量差别,以及这种差别所能反映的恒星年龄差异。他们发现,就一定的星体质量而言,死星系里的金属元素含量大大高于仍在生成恒星的同等质量的活星系。这种情况更符合第二种假说,即“缓慢窒息”而死。研究报告还表明,一个星系窒息而死大约需要40亿年。彭英杰表示,这是天文学界首次找到确切证据显示星系如何死亡。

疑犯

黑洞吸走了星系的生命之源?

什么原因导致了星系的缓慢窒息?对此,天文学家也有两种主要解释。

其中之一与黑洞有关;还有一种与超新星爆炸有关,抑或二者兼有。

星系中存在着超大质量的黑洞。气体需要达到一定的低温和高密度,在引力作用下坍缩才能形成新的恒星,因此炽热、低密度气体必须能够降低温度,才能具备孕育新恒星的条件。这一降温过程需要漫长的时间才能实现。而被黑洞吸附的气体,在黑洞巨大的引力作用下温度迅速升高,失去了孕育新恒星的机会。

另一种情况,则是大质量的恒星在其生命末期爆发,形成超新星。这一过程中产生强烈的冲击波,将星系内的气体像喷泉一样喷射式地涌出星系。天文学家们观测到,涌出星系的气体会逐渐回落到星系周围。但某些气体在星系周围停止了循环,无法重新进入星系,参与新恒星形成的过程。但对于超新星爆炸中的部分气体,为何会停止循环,天文学家们还没有得出确切的结论。

悬案

杀死星系的“真凶”仍然是谜

对天文学家的这些假说,寇文评价道,归根结底它们还只是一些假说,关于星系的形成,还有太多未解之谜。

黑洞能否吸走星系中的气体?寇文解释,黑洞具有引力,通过这种巨大的引力作用来吸附一切物质,是黑洞的特质之一,从这一点来看,黑洞吸走了恒星所需的气体是合理的。但问题是,关于黑洞的整个理论体系,本身就未被证实。“甚至黑洞是否存在,天文学界还有争论。”

而恒星风暴中被冲出星系的气体,由于星系的引力作用,终仍然会逐渐落回星系周围。为何这些气体没有继续参加恒星的演化过程?天文学家们正尝试通过电脑模拟来解释星系中气体的循环过程,从而解答这一问题。但目前还没有任何模型能够模拟成功。其中的一个问题是目前的模拟器还无法涵盖星系演变的整个过程,更不要说包括爆炸的恒星与增长的黑洞等复杂交错的物理现象。

关于星系谋杀的整个过程,现在我们知道了星系死于缓慢窒息,但是,到底是谁、用何种方式杀死了星系,仍然是未解之谜。科学家们预测,在未来十年内,也许会通过更先进的观测设备,追踪气体从蓝色变成红色的神秘过程,进而找出星系死亡背后的“真凶”。( 张婷)

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