研究发现星系拥有一种类似心肺的调节机制以控制过快生长

一项新的研究表明，星系之所以能够避免过早死亡，是因为它们拥有"心肺"，能够有效地调节它们的"呼吸"，防止它们生长失控。否则，宇宙老化的速度会比现在快得多，我们今天看到的只是巨大的"僵尸"星系，其中充斥着死亡和垂死的恒星。

艺术家印象图，显示源自星系中心超大质量黑洞的双极气体喷流。图片来源：欧空局/哈勃，L. Calçada （欧洲南方天文台）

这是发表在《皇家天文学会月刊》（Monthly Notices of the Royal Astronomical Society）上的一项新研究得出的结论，该研究调查了宇宙的一大谜团--为什么星系不像天文学家想象的那么大。

似乎有什么东西限制了它们吸收气体转化为恒星的数量，从而扼杀了它们的巨大潜力，也就是说，它们体内的某些东西并没有无休止地生长，而是在抵抗着人们认为不可避免的引力。

这个片段展示了超音速喷气机通过接收来自黑洞"心脏"的脉冲信号，产生"波纹状动作"，使其"像充满空气的肺一样"膨胀和收缩，向周围"呼出暖空气"（压力波纹）。图中坐标轴为非维度距离刻度。资料来源：C-理查兹/MD-史密斯/肯特大学

现在，肯特大学的天体物理学家认为他们可能已经发现了这个秘密。他们认为，星系实际上可以通过"呼吸"的方式来控制其生长速度。

在比喻中，研究人员把星系中心的超大质量黑洞比作星系的心脏，而它们发出的两股双极超音速气体和辐射喷流则比作一对肺的呼吸道。

来自黑洞（或"心脏"）的脉冲会导致喷流冲击前沿沿着两个喷流轴来回摆动，就像人体的胸膈在胸腔内上下运动，为两个肺部充气和放气一样。

这就像我们呼出温暖的空气一样，会导致喷射能量被广泛传递到周围的介质中，从而减缓银河系气体的生成和增长。

对称双极射流一侧模拟的两个不同示例，压力波纹在银河系外介质中扩散。这里显示的是用红色-温度色标表示的压力变化（深色=低压，浅色=高压）。每个喷流从左侧进入时的压力都会随着对周围环境介质的挤压而迅速下降。坐标轴为非维度距离刻度。资料来源：C 理查兹/MD 史密斯/肯特大学

博士生卡尔-理查兹（Carl Richards）在创建了新的、从未尝试过的模拟来研究超音速喷流在抑制星系生长方面可能发挥的作用后，提出了这一理论。

这包括让黑洞"心脏"脉动，让喷流处于高压状态--如果把这种情况扩大到人体，就很像一种高血压。这使得喷射器"像风箱一样"发出声波，"就像池塘水面上的涟漪一样"。

这种现象类似于地球上打开香槟酒瓶时产生的声波和冲击波、汽车的尖叫声、火箭的排气声和加压外壳的穿刺声。

在这幅艺术家的印象图中，显示的是充满英仙座星团的热气体中的声波（涟漪）。这些声波被认为是星系中心的一个超大质量黑洞（亮白点）的喷流吹出的空腔产生的。资料来源：美国国家航空航天局/NASA/CXC/M.Weiss

理查兹说："我们意识到，喷流必须有某种方式来支持主体--星系周围的环境气体--这正是我们在计算机模拟中发现的。当我们分析高压下的计算机模拟并让心脏脉动时，发现了意想不到的行为。这就向高压喷流发送了一股脉冲，使它们在振荡喷流冲击前沿的波纹状作用下改变了形状。"

研究人员说，这些超压喷流"就像充满空气的肺一样"有效膨胀。在此过程中，他们将声波以一系列压力涟漪的形式传送到周围的星系中，然后证明这些压力涟漪抑制了星系的生长。

有一些证据表明银河系外的介质中存在涟漪，比如在附近的英仙座星系团中观测到的与巨大的热气泡有关的涟漪，据信这就是声波的例子。

此前有观点认为这些波纹负责维持星系周围的环境，尽管还缺少产生这些波纹的机制。因此，传统的宇宙学模拟无法解释气体流入星系的情况，这也是宇宙的一大谜团，所以它只能依靠星系中心高度活跃的黑洞来提供一些阻力。

合著者迈克尔-史密斯（Michael Smith）教授说："然而，要做到这一点并不容易，我们对脉动的类型、黑洞的大小以及肺的质量都有限制。呼吸过快或过慢都无法提供维持银河系介质所需的生命震颤，同时也无法为心脏提供燃料。"

研究人员的结论是，星系的寿命可以在其"心肺"的帮助下得到延长，星系核心的超大质量黑洞引擎可以从早期阶段就限制坍缩成恒星的气体数量，从而抑制星系的生长。

他们说，这有助于创造我们今天看到的星系。如果没有这样的机制，星系早就耗尽了燃料，并以"红死"或"僵尸"星系的形式消失了。