一幅艺术家的印象，描绘了一个年轻的星系，大约在大爆炸后的20亿年，正在从周围的氢和氦气体中吸积物质，并形成许多年轻的恒星。（图片来源：ESO/L. Calçada） 星系并不会永远增长。在某个时刻，即使是最活跃的形成恒星的星系也会开始放缓，然后停滞，最终进入漫长的安静退休。天文学家们早已知道这一过渡，但我们还没有一个清晰的物理解释，来说明为什么会发生这一现象，以及为什么它会在特定的质量规模上发生。由韩国高等研究院的普瑞提什·米什拉（Preetish Mishra）领导的一项新论文，以及一个国际科学家团队，提出了一个清晰且可检验的建议：星系增长的放缓是由于围绕星系形成了一个稳定的热气云，而这个气云形成的质量极为特定：大约是10^12.5个太阳质量。在这个阈值之上，星系不再是有效的恒星工厂，无论它们手中有多少原材料。问题是：是什么触发了这个开关？为了进行计算，该团队使用了“地平线运行5”模拟，这是迄今为止最大的宇宙学模拟之一。它取了一块虚拟宇宙，约为一亿秒差距，建模了从大爆炸后不久到现在的气体、重力、恒星形成、超新星和超大黑洞的完整物理，并允许研究人员跟踪单个星系的整个历史。米什拉和同事们挑选了大约20,000个最巨大的中央星系，并观察它们在宇宙时间中的变化。他们跟踪的关键量是恒星与总质量比。这是一个衡量星系整体质量预算（恒星、气体、暗物质、黑洞等）中，有多少实际上最终锁定在恒星中的度量。可以将其视为星系的恒星形成效率报告。团队发现，当总质量介于大约10^12.4和10^12.7个太阳质量之间时，此比例急剧达到峰值。在这个范围以下，星系将气体转化为恒星的速度大致与气体的流入相当。在这个范围以上，它们的速度放缓超过三倍。这个峰值就是关键质量。米什拉关于星系停止增长的理论是形成了一个已经达到引力平衡的热气晕。随着星系的增长，进入的气体被震荡加热。在某个质量之前，这些气体足够迅速地冷却，继续降下并促进新的恒星形成。超过关键质量后，气晕的密度和温度变得足够高，能够抵御重力长达数十亿年。气体不再能快速冷却以进入，星系突然与其燃料供应隔绝。它仍在吞噬暗物质并拖入卫星星系，但实际上形成恒星的冷气体停止到达。一幅艺术家的印象展示了一个在遥远宇宙中的星系，在大爆炸后的20亿年之内，正在从周围吸入冷气体（以橙色显示）。（图片来源：ESO/L. Calçada/ESA/AOES Medialab） 该论文还排除了一个竞争性的解释。一个自然的猜测是，超过关键质量的星系由于超新星和活跃星系核的外流而失去了更多正常物质。该团队通过计算每个星系的重子预算中实际留在系统中的部分，直接检查了这一点。结果表明，变化最多不过30％。这并不算少，但却无法解释恒星形成效率下降的三倍因素。决定性变化发生在流入侧，而不是流出侧。有几个警告值得注意。“地平线运行5”是一个模拟，而不是一个望远镜，其结果依赖于用于建模恒星形成、超新星和黑洞反馈的子网格物理。作者进行了敏感性测试，基本结果依然成立，但关键质量尺度的确切数值可能会随着这些设定的改进而变化。该分析还限制在超过10^10.8个太阳质量的星系，以确保每个星系都有足够的模拟粒子以可靠解析。更小的星系则是另一个模拟中的故事。这项工作的令人满意之处在于，它将一个著名的观察模式与一个单一且特定的物理机制联系起来。不仅是超过某个质量的星系会停止生长，而且它们之所以停止，是因为它们的热气晕变得自我支撑。这种说法可以与未来的星系团调查和温暖-热星际介质（星系之间的气体和尘埃）进行核对。 一旦这些调查结果出来，我们就会知道他们是否得到了正确的答案。