8月14日，南京大学天文与空间科学学院王涛教授团队在《自然》发表论文，首次揭示了星系中心黑洞的质量是调制星系中冷气体含量的最关键的物理量。这一发现对中心黑洞在星系的形成演化过程中的重要作用提供了关键的观测证据。

黑洞如何影响星系的形成演化：困扰天文学界半个世纪的谜题

星系是构成宇宙的基本单位。以我们的银河系为例，星系是一个包含有数千亿颗恒星、气体和尘埃等星际介质及中心超大质量黑洞的自引力束缚系统。星系的内部组成成分及其周围的星系周介质之间在多个空间和时间尺度上进行着复杂的相互作用，共同影响着星系的形成和演化。研究星系的形成和演化对于理解宇宙的形成历史及宇宙不同层级的结构形成都有着重要意义。

天文学家一般把星系分为两类：一类是较年轻的星系，仍在活跃地产生新的恒星，称为恒星形成星系；而另一类是较年老的星系，则几乎没有新的恒星形成，称为被动演化星系。研究恒星形成星系如何转变为被动演化星系，即星系如何由“生”到“死”的问题，是星系形成和演化领域的最核心任务之一。围绕这一难题，自上世纪70年代理论家就提出星系中心的超大质量黑洞在吸积物质过程中释放的巨大能量对星系的形成演化，尤其是对星系从“生”（恒星形成星系）到“死”（被动演化星系）的转变有重要的作用。经过近半个世纪的发展，当前中心黑洞的能量反馈对宿主星系具有重要影响已成为主流星系形成演化理论模型的共同结论。然而，观测上黑洞是否影响以及如何影响星系的形成演化一直缺乏明确的证据。

坚持问题为导向，持续十五年的探索

2009年，王涛受国家留学基金委的资助从南京大学来到美国哈佛大学-史密松森天体物理中心联合培养，首次接触宇宙不同时期星系的形成演化课题。从那时起，如何解开星系的生死之谜便成为萦绕在他心头的重要问题。“从2009年到2024年的十五年期间，我所从事的研究涉及到星系和星系团形成演化的许多不同方面，但论其本质，这些研究其实始终没有偏离主导星系生死的物理机制这一核心问题”，王涛说。

理论上讲中心黑洞影响星系的恒星形成主要是靠影响恒星形成的原料--冷气体来实现的。黑洞影响星系冷气体主要有两种方式：一种认为是黑洞在快速吸积的过程中瞬时释放的巨大能量会驱动非常强的气体外流，直接把大部分冷气体排出星系之外，使星系“窒息而亡”；另外一种则是黑洞或快或慢的吸积物质的过程中释放的能量都可以加热星系内部及周围的冷气体，使得它们很难冷却下来，慢慢“饿死”。过去一二十年天文界对这一问题的研究很大程度上集中在第一种模式。然而越来越多的证据表明即使是那些黑洞活动最剧烈的星系，比如类星体，也没有发现冷气体明显减少的迹象。这说明很可能第一种方式不是黑洞影响星系形成演化的主要方式。王涛第一时间注意到这些进展，便开始思考如何从观测上证实第二种模式。

从2021年下半年开始，基于天文学界积累的几十年的关于近邻星系黑洞质量和原子氢气体测量的数据，王涛教授团队与合作者创新性地开始探索近邻星系的黑洞质量与星系中原子氢气体的含量之间的关系。“因为原子氢气体是星系周气体冷却的最初产物，所以如果黑洞真的对星系周气体的冷却有影响，那么应该可以从原子氢气体的含量反映出来”。经过近两年的研究，最终在2023年底投稿的论文中首次揭示了星系中心黑洞的质量是调制星系中原子氢气体含量的最关键的物理量：中心黑洞质量越高的星系其原子氢气体含量越低。原子氢气体是星系冷气体的主要组成部分，而冷气体又是星系中恒星形成的原料，因此这一发现对星系中心黑洞是否影响和如何影响星系中的冷气体含量及恒星形成提供了重要的观测证据。它显示很大程度上中心黑洞影响宿主星系的恒星形成是通过从源头上限制恒星形成的原料--原子氢气体的含量来实现的。该结果对中心黑洞对宿主星系具体的反馈机制也作出了重要限制。因为原子氢气体是星系周气体冷却形成的初级产物，该发现意味着通过中心黑洞在其成长过程中释放的能量来调节星系周气体的冷却效率很可能是中心黑洞的反馈影响宿主星系的主要方式。该工作也同时揭示了不同类型的星系遵循同样的原子氢气体含量-黑洞质量关系（图1），对后续深入研究星系在不同类型星系之间的转化提供了全新的框架。

图1：星系中冷气体含量与中心黑洞质量的关系示意图。中心黑洞质量越大的星系其冷气体含量越低、成为被动演化星系的可能性也越高。

唯物辩证法和系统观在自然科学研究的集中体现

回顾整个研究的进程，王涛感慨万千。从十几年前开始接触这一重大问题的不断探索，到从错综复杂的线索中选定黑洞质量与原子氢气体含量作为突破口，再到最终基于学界几十年积累的数据最终证实这一理论猜测，“我觉得在整个过程中，唯物辩证法和系统的观点对我有很大的影响”。“星系作为宇宙中最大的复杂系统，跟许多我们身边的小尺度的系统一样，它的形成演化肯定也要受很多基本的物理机制的制约，而我们的目的就是要揪出这些复杂的物理机制中的‘主要矛盾’。从星系整体的能量平衡角度看，黑洞无疑就是这个‘”主要矛盾’的其中一个重要方面“。

“看到结果的那一刻，我体会到了无法用语言描述的、得以一窥自然奥秘的愉悦。”他曾在学术报告中这样引用《道德经》中的话来总结黑洞在星系演化中的作用，“反者，道之动；弱者，道之用”。“对于包括我们的银河系这样的大质量星系而言，如果没有黑洞吸积物质释放能量的反馈机制，星系就会过快地形成、而且会形成太多的恒星；而黑洞影响星系的方式很大可能并不是以前主流的理论模型想象的相对剧烈地瞬时排空气体的方式，而更多的是通过黑洞伴随星系长期增长的过程中不断的能量释放在温和地调节星系获取冷气体（进食）的速率来影响星系生长的”。

相关成果以“Blackholesregulatecoolgasaccretioninmassivegalaxies”为题近日在国际著名期刊《Nature》上在线发表。南京大学王涛教授为论文的第一作者和通讯作者，南京大学两位研究生许可和吴雨瑄同学为论文作出重要贡献，南京大学的施勇教授、顾秋生教授、张智昱教授、王倚君副研究员，及法国原子能研究所、北京大学、上海师范大学、天津师范大学、复旦大学相关科研人员参与了本工作。本工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发项目、载人航天项目等的支持。（王涛）

论文链接：https：//www.nature.com/articles/s41586-024-07821-2