长期以来，研究星系演化的天文学家一直在努力弄清楚是什么原因导致大质量星系中的恒星形成停止。尽管人们提出了许多理论来解释这个被称为“淬火”的过程，但仍没有一个令人满意的模型。
现在，由加州大学圣克鲁兹分校的天文学和天体物理学emerita教授Sandra Faber领导的一个国际小组提出了一个新的模型，该模型成功地解释了对星系结构、超大质量黑洞和恒星形成过程中的熄灭现象的广泛观测。研究人员在7月1日的《天体物理学杂志》上发表了他们的发现。
该模型支持了关于“熄灭”的主要观点之一，该观点将“熄灭”归因于黑洞的“反馈”，即当物质落入黑洞并滋养其成长时，中央特大质量黑洞向星系及其周围释放出的能量。这种能量反馈加热、喷射或以其他方式破坏星系的气体供应，阻止了星系晕的气体流入来为恒星的形成提供物质。
费伯解释说:“在恒星形成的星系中，中心的黑洞就像寄生虫一样，最终会生长并杀死宿主。”“这是以前说过的，但我们没有明确的规则来说明什么时候一个黑洞大到足以阻止其所在星系的恒星形成，现在我们有定量的规则来解释我们的观察结果。”
其基本思想涉及星系中恒星的质量(恒星质量)、恒星的分布(星系的半径)和中心黑洞质量之间的关系。对于具有给定恒星质量的恒星形成星系，星系中心恒星的密度与星系的半径相关，因此半径较大的星系中心恒星密度较低。假设中心黑洞的质量与中心恒星的密度成正比，半径较大(在给定的恒星质量下)的恒星形成星系的黑洞质量会较低。
费伯解释说，这意味着更大的星系(对于给定的恒星质量具有更大半径的星系)必须进一步演化，形成更高的恒星质量，然后它们的中心黑洞才能发展到足以抑制恒星形成的程度。因此，小半径星系比大半径星系以更低的质量淬灭。
她说:“这是新的发现，如果半径大的星系在给定的恒星质量下有较小的黑洞，
，如果黑洞反馈对猝灭很重要，那么大半径的星系必须进一步演化。”“如果你把所有这些假设放在一起，令人惊讶的是，你可以重现大量观测到的星系结构特性的趋势。”
这解释了，例如，为什么更多的大质量淬灭星系有更高的中心恒星密度，杏耀更大的半径，更大的中心黑洞。
基于这个模型，研究人员得出结论，当黑洞释放出的总能量大约是星系晕气体引力结合能的四倍时，就开始“熄灭”。束缚能指的是将气体控制在环绕星系的暗物质晕内的引力。当黑洞释放出的总能量是星系晕气体结合能的20倍时，就完成了熄火。
Faber强调，这个模型还没有详细解释恒星形成过程中猝灭的物理机制。“这个简单的理论唤起的关键物理过程还没有被理解，”她说。“然而，这种方法的优点在于，为这一过程中的每一步制定简单的规则，这就挑战了理论家们提出解释每一步的物理机制。”
天文学家习惯于用图表来描绘星系不同性质之间的关系，并显示它们如何随时间变化。这些图表揭示了恒星形成星系和熄灭星系在结构上的巨大差异，以及它们之间清晰的边界。因为恒星的形成会在光谱的蓝色末端发出大量的光，天文学家把“蓝色”恒星形成星系、“红色”静止星系和“绿色山谷”作为它们之间的过渡。星系处于哪个阶段可以通过它的恒星形成率来揭示。
该研究的结论之一是，黑洞的增长速度必须随着星系从一个阶段演化到下一个阶段而改变。观测证据表明，大多数黑洞的成长发生在绿谷，此时星系正开始熄灭。
“黑洞似乎是在恒星形成速度减慢时释放出来的，”Faber说。这是一个启示，因为它解释了为什么恒星形成星系中的黑洞质量遵循一个尺度定律，而熄灭星系中的黑洞遵循另一个尺度定律。如果在绿谷中黑洞质量快速增长，这就说得通了。”
费伯和她的合作者已经讨论这些问题很多年了。自2010年起，费伯就参与领导了一个大型的哈勃太空望远镜星系调查项目(CANDELS，宇宙近红外深河外遗留调查)，该项目产生了这项研究中使用的数据。在分析CANDELS的数据时，她与UCSC物理学荣誉退休教授Joel Primack领导的团队密切合作，杏耀软件该团队开发了大剧院宇宙学模拟暗物质晕的演化，星系形成于其中。这些光晕为理论建立在熄灭之前星系演化的早期恒星形成阶段提供了支撑。
这篇论文的中心思想来自对坎德尔斯数据的分析，费伯大约在四年前第一次想到了它。她说:“我突然意识到，如果我们把所有这些东西放在一起——如果星系在半径和质量上有一个简单的轨迹，如果黑洞能量需要克服晕结合能——它就可以解释星系结构图中所有这些倾斜的边界。”
当时，费伯经常去中国，在那里她参与了研究合作和其他活动。她是上海师范大学的客座教授，在那里她遇到了第一作者朱陈。陈于2017年以访问研究员的身份来到加州大学圣克鲁兹分校，并开始与费伯合作，发展这些关于星系猝灭的想法。
费伯说:“她在数学方面非常好，比我还好，她为这篇论文做了所有的计算。”
费伯还称赞了她的长期合作伙伴大卫·古(UCSC天文学和天体物理学名誉教授)，是他首次将注意力集中到星系的中心密度上，认为这是中心黑洞增长的关键。
在这个新模型所解释的谜题中，我们的银河系和它非常相似的邻居仙女座星系有一个显著的不同。“银河系和仙女座有着几乎相同的恒星质量，但是仙女座的黑洞几乎是银河系的50倍大，”Faber说。“黑洞在绿谷中大量生长的想法对解释这个谜题大有帮助。银河系刚刚进入绿谷，它的黑洞仍然很小，而仙女座星系刚刚离开，所以它的黑洞变得更大，它也比银河系更不稳定。”
