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 30 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及次毫米波陣列計畫（ALMA）和哈伯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。該研究發表於《Nature》期刊上。

從REsolving QUIEscent Magnified galaxies at high redshift（REQUIEM）中觀測這六個被稱為「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的。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車了，但新的研究中得出的結論是早期的星系實際上並沒有踩剎車，而是空載運行。

為了更了解星系是如何形成和消亡，研究團隊使用哈伯太空望遠鏡對它們進行了觀察，這揭示了這些星系中恆星的細節，並且使用ALMA同時觀測，ALMA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REQUIEM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他星系周圍被扭曲而被拉伸和放大。透過重力透鏡與哈伯太空望遠鏡及ALMA的解析力與靈敏度相結合，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被切斷，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，並且某些東西抑制了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10億年內形成了1,000億顆恆星，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REQUIEM提供了第一個線索。

▲ MACSJ 0138星系團來自ALMA和哈伯太空望遠鏡的合成圖。放大的部分顯示了一個明亮的橙色/紅色點，它描繪了使用ALMA在無線電中觀察到的冷塵埃。這種冷塵埃有助於科學家通過推斷了解星團中星系中存在的恆星形成所需的冷氫氣量。圖片來源：ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/S。Dagnello (NRAO)、STScI、K. Whitaker 等。