宇宙为什么不如应该的那样亮?

[ 录入者:nhyu | 时间:2015-03-13 14:20:08 | 作者: | 来源: | 浏览:2707次 ]

原文标题:Why isn't the universe as bright as it should be?

作者:Massachusetts Institute of Technology Press Release     原文来自:Astronomy Now   Posted: 2015.3.4

编译:YuNanhua   审校:数星星的猫 (编译版权所有,文章有删节,未经许可请勿转载。)

星系NGC 1275的这幅哈勃空间望远镜影像揭示了该星系周围的气体中的纤细的丝状纤维结构。红色纤维由悬浮在磁场中的冷气体组成,被英仙星系团中心的1亿华氏度的高温气体包围。这些纤维是反馈过程的引人注目的标志物,能量通过这一反馈过程从中心的大质量黑洞传输到周围气体。影像提供:NASA, ESA, and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration

每年在银河系中有大量新恒星诞生,而在整个宇宙中诞生更多的新恒星。但天文学家观测到,基于星际气体的数量,某些星系应该产生数百万颗更多的恒星。

目前来自麻省理工,哥伦比亚大学和密歇根州立大学的研究人员拼凑出一个理论,描述星系团如何调节和控制恒星形成。他们在本周的《自然》上描述了他们的理论框架。

当星系团内的气体快速地冷却,它会凝结,然后塌缩形成新恒星。科学家长期以来一直认为,某些机制必须在阻止气体足够冷却从而产生更多恒星,但确切是什么机制仍然是个谜。

研究人员说,对一些星系团而言,星系团内的气体可能只是太热了,达到数亿摄氏度的量级。即使一个区域经历了一定程度的冷却,周围热量的强度将会阻止该区域进一步冷却,这种效应被称为传导。

“这就像把冰块放入一锅沸腾的水中,平均温度仍然在沸点,”麦克唐纳说,他是麻省理工的卡弗里天体物理学和空间研究所的研究助理。“在超高温度下,传导机制平滑温度分布,因此你不会得到任何应该形成恒星的冷云。”

对所谓“冷核”星系团,中心附近的气体可能足够冷却从而形成一些恒星。然而,一部分这种冷却气体可能流入中心黑洞,然后黑洞喷发灼热物质,重新加热周围环境,阻止了许多恒星的形成,这种效应被该研究团队称为“降雨驱动反馈”。

“一些恒星将形成,但在情况变得失去控制之前,黑洞将把一切重新加热起来,就像星系团的恒温器,”麦克唐纳说。“传导和降雨驱动反馈的组合提供了星系团中恒星形成如何被调控的简单而清晰的图景。”

穿越星系门限  在整个宇宙中,存在两类主要的星系团:冷核星系团--那些快速冷却并形成恒星的星系团,以及非冷核星系团--那些没有足够时间冷却的星系团。

后发星系团是一个非冷核星系团,充斥着高达1亿摄氏度的高温气体。为了形成恒星,这些气体不得不冷却数十亿年。相反,邻近的英仙星系团是一个冷核星系团,星系团内的气体相对温和,温度为数百万摄氏度。在英仙星系团中,新恒星偶尔从气体的冷却过程中出现,虽然没有科学家预期的那样多。

“供应给恒星形成的燃料数量超过恒星数量10倍,因此这些星系团应该确实是富含恒星的,”麦克唐纳说。“你确实需要一些机制来阻止气体冷却,否则宇宙将会拥有目前10倍的恒星。”

麦克唐纳及其同事们构建了一个基于两种反冷却机制的理论框架。

这个研究小组计算了星系团内气体的行为,基于星系团的半径,质量,密度和温度。研究人员发现,存在一个重要的温度门限,在这个门限以下,气体的冷却大大加速,导致气体足够快速地冷却从而形成恒星。

据该小组提出的理论,两种不同机制调控恒星形成,取决于星系团是否在温度门限以上还是以下。对明显超过温度门限以上的星系团,传导机制对恒星形成设置了阻碍:周围的热气体压倒了可能形成的任何冷气体包,把星系团中的一切保持在高温。

“对这些更热的星系团,它们保持这种热状态,将永远不会冷却和形成恒星,”麦克唐纳说。“一旦你进入这种非常高温的区域,冷却确实变得无效,它们永远保持高温。”

对接近较低温度门限的气体,它们冷却形成恒星要容易得多。然而,在这些星系团中,降雨驱动反馈开始调控恒星形成。当冷却气体能够快速地凝结成“雨滴”云,从而能够形成恒星,这些“雨滴”也能够进入中心黑洞,在这种情况下,黑洞会向星系团喷发灼热的物质喷流,加热周围气体,从而阻止进一步的恒星形成。

“在英仙星系团中,我们看到这些喷流作用在灼热气体上,包括所有这些泡泡、涟漪和冲击波,”麦克唐纳说。“现在我们对触发那些喷流的机制很了解,即降落在黑洞上的凝结气体。”

走上正轨    麦克唐纳及其同事们对他们提出的理论框架和遥远星系团的观测进行了比较,发现他们的理论和观测到的星系团之间的差异符合得很好。该研究团队收集了来自钱德拉X射线天文台和南极望远镜的数据。南极望远镜是南极洲上的天文台,研究遥远的大质量星系团。

研究人员比较了他们的理论框架和每一个已知星系团的气体冷却时间,发现星系团可能分为两类,非常缓慢冷却的星系团和快速冷却的星系团,接近研究小组预言的门限值。

麦克唐纳说,借助这个理论框架,可能能够预言星系团的演化以及它们产生的恒星。

“我们建立了星系团遵循的轨道,”麦克唐纳说。“关于这个框架的美好而简单的事实是,你将非常长期地保持两种模式之一,直到非常灾难性的事情把你撞出,比如和另一个星系团的迎头碰撞。”

研究人员希望更深入地研究这个理论,看一下调控星系团中恒星形成的机制是否也适用于单个星系。他说,原始证据说明情况正是如此。

“如果我们能够利用所有这些信息理解恒星为什么在我们周围形成,或者为什么没有形成,那么我们就跨出了一大步,”麦克唐纳说。

“这些结论看上去非常有前途,”纳尔森说,他是哈佛-史密松天体物理学中心的天文学家,没有参与这项研究。“必须做更多工作,才能结论性地说明降雨机制是驱动反馈的主源。反馈循环中的其它过程也必须获得理解。例如,对气体如何降落进大质量黑洞从而产生高能量喷流或者它们如何在剩余气体中阻止冷却还没有达成共识。这不是故事的结尾,但这对一个被证明比任何人的预期都困难得多的问题提供了重要的视角。”

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