科學家揭開早期大質量星系莫名燃料枯竭之謎

在大爆炸後三十億年內形成的大質量星系，理應含有大量的冷氫氣，而這是恆星生成所需的原料。但科學家使用阿塔卡瑪大型毫米/次毫米波陣列（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array）射電望遠鏡和哈勃太空望遠鏡觀察早期宇宙時，發現六個原料耗盡的早期大質量星系。

從解析高紅移的靜止放大星系（Resolving quiescent magnified galaxies at high redshift）中觀測這六個稱為「猝滅」星系，即已經停止恆星形成的星系中，發現這與天文學家對早期宇宙的預期不一致。研究人員表示宇宙中質量最大的星系在極短的時間內創造了它們的恆星，而氣體是恆星形成的原料，在宇宙早期階段應該是十分充足。因此研究人員最初認為這些猝滅的星系在大爆炸後的幾十億年裡就剎停，但新的研究中得出的結論是早期的星系實際上並沒有踩停，而是空載運行。

為了更了解星系是如何形成和消亡，研究團隊使用哈勃太空望遠鏡對它們進行觀測，揭露了這些星系中的恆星細節，並且使用阿塔卡瑪大型毫米/次毫米波陣列射電望遠鏡同時觀測，它可以告訴我們這些星系在毫米波長下的連續輻射，而使研究團隊得以推斷出星系中的氣體含量。

星系若不再產生許多恆星，很快就會變得非常微弱，因此很難或不可能用任何單獨的望遠鏡去觀察它們的細節，而解析高紅移靜止放大星系利用研究被重力透鏡化的星系解決了這個問題，它們的光會在更接近銀河系的其它星系周圍扭曲而拉伸和放大。透過重力透鏡與哈勃太空望遠鏡及阿塔卡瑪大型毫米/次毫米波陣列射電望遠鏡的分辨力與靈敏度相結合，就如同一個天然的望遠鏡，使這些垂死的星系看起來比實際上更大更亮，讓科學家清楚地看見星系內部的情況。

新的觀測發現，六個目標星系中恆星形成的停止，並不是由於冷氣體轉化為恆星的過程中突然出現的低效率所造成，而是星系中氣體耗盡或移除的結果。我們尚不明白為什麼會發生這種情況，但可能的解釋是，為星系提供燃料的主要氣體供應切斷，或者是一個超大質量黑洞正在注入能量，而使星系中的氣體保持高溫，這表示星系無法重新填充燃料箱，因此無法重新啟動恆星生產的引擎。

這是對遙遠靜止星系的冷塵埃連續體的首次測量，新的研究讓科學家能夠看到個別死亡星系有多少氣體，能夠探測這些早期大質量星系中恆星形成的原料。為什麼它們在可輕易取得如此多的冷氣體情況下，卻停止了恆星的形成？研究團隊現在知道這些星系正在運行，並且某些東西抑制它們重新裝滿燃料箱和形成新恆星，這些巨大的宇宙巨獸在大約十億年內形成一千億顆恆星，然後突然停止了它們的恆星形成，這是一個我們想解開的謎，而解析高紅移靜止放大星系提供了第一個線索。

【圖：歐洲南方天文台；文：節錄自台北市立天文科學教育館網頁】研究全文刊登在2021年9月22日出版的《自然》期刊 標題是：Quenching of star formation from a lack of inflowing gas to galaxies