結合系統觀測和宇宙學模擬的一項新研究發現，令人驚訝的是，黑洞可以幫助某些星系形成新的恆星。在星系的尺度上，超大質量黑洞對恆星形成的作用以前被認為是破壞性的–活躍的黑洞會剝奪星系形成新恆星所需的氣體。發表在《自然》雜誌上的新結果顯示，活躍的黑洞反而可以為在星系群或星系團內運行的星系“開路”，使這些星系在飛過周圍的星系間氣體時不會被破壞其恆星形成。

活躍的黑洞主要被認為對其周圍環境有破壞性的影響。當它們向其宿主星系噴射能量時，它們會加熱並噴出該星系的氣體，使該星系更難產生新的恆星。但是現在，研究人員發現，同樣的活動實際上可以幫助恆星的形成–至少對於圍繞宿主星系運行的衛星星係來說是如此。

這個反直覺的結果是由專門從事大規模計算機模擬的天文學家和觀察者在午餐時的談話所引發的合作產生的。因此，它是一個很好的例子，說明在大流行的情況下，那種非正式的互動變得更加困難。

研究人員的天文觀測包括拍攝一個遙遠星系的光譜–一個星系的​​光像彩虹一樣被分成不同的波長–可以相當直接地測量該星系形成新星的速度。

根據這樣的測量結果，一些星係正在以相當平靜的速度形成恆星。在我們的銀河系中，每年只有一兩顆新星誕生。其他星系則經歷了短暫的過度恆星形成活動​​的爆發，被稱為”恆星爆發”，每年有數百顆恆星誕生。在另外一些星系中，恆星的形成似乎被抑制了，正如天文學家所說，這樣的星系實際上已經停止形成新的恆星。

一種特殊的星系，其標本經常–幾乎有一半的時間–被發現處於這種枯竭狀態，這就是所謂的衛星星系。這些星係是一個星系群或星系團的一部分，它們的質量相對較低，而且它們圍繞著一個質量更大的中心星系運行，類似於衛星圍繞地球運行的方式。

這樣的星系通常很少形成新的恆星，如果有的話，自20世紀70年代以來，天文學家就懷疑可能有類似於“逆風”的東西在作怪。星系群和星系團不僅包含星系，還包含填充在星系間空間的相當熱的稀薄氣體。

當一個衛星星係以每秒數百公里的速度在星系團中運行時，稀薄的氣體會使它感受到與騎快速自行車或摩托車的人一樣的“逆風”。衛星星系的恆星非常緊湊，不會受到源源不斷湧來的星系間氣體的影響。

但是衛星星係自身的氣體卻不會。它將在一個被稱為”沖壓剝離”的過程中被迎面而來的熱氣體剝離。另一方面，一個快速移動的星系沒有機會拉入足夠數量的星系間氣體，以補充它的氣體庫。結果是，這樣的衛星星係幾乎完全失去了它們的氣體–以及隨之而來的恆星形成所需的原材料。因此，恆星形成的活動將被扼殺。

這些過程發生在幾百萬甚至幾十億年的時間裡，所以我們無法直接觀察它們的發生。但即便如此，天文學家們還是有辦法了解更多。他們可以利用虛擬宇宙的計算機模擬，通過編程來遵循相關的物理定律–並將結果與我們實際觀察到的進行比較。他們還可以在天文觀測所提供的宇宙演化的全面”快照”中尋找蛛絲馬跡。

馬克斯-普朗克天文研究所（MPIA）的組長Annalisa Pillepich專門從事這類模擬工作。Pillepich共同領導的IllustrisTNG模擬套件提供了迄今為止最詳細的虛擬宇宙–在這些宇宙中，研究人員可以在相對較小的尺度上跟踪氣體的運動。

IllustrisTNG提供了一些剛剛被”沖壓剝離”的衛星星系的極端例子：所謂的“水母”星系，它們像水母拖著觸角一樣拖著它們的氣體殘餘。事實上，識別模擬中的所有“水母”星係是Zooniverse平台上最近發起的一個公民科學項目，志願者可以幫助研究那種剛被淬滅的星系。

但是，雖然“水母”星係是相關的，但它們並不是本研究項目的起點。在2019年11月的午餐會上，Pillepich向Ignacio Martín-Navarro講述了她IllustrisTNG的另一項成果：一個關於超大質量黑洞的影響的結果，它超出了宿主星系，進入了星系間空間。

這種超大質量黑洞可以在所有星系的中心找到。落在這種黑洞上的物質通常會成為黑洞周圍旋轉的所謂吸積盤的一部分，然後落入黑洞本身。這種墜落到吸積盤上的現像以輻射的形式釋放出巨大的能量，有時也會以兩股快速運動的粒子噴流的形式出現，它們以直角加速離開黑洞。以這種方式發射能量的超大質量黑洞被稱為活躍星系核（簡稱AGN）。

雖然IllustrisTNG不夠詳細，無法包括黑洞噴射，但它確實包含了模擬AGN如何向周圍氣體增加能量的物理術語。正如模擬顯示的那樣，這種能量注入將導致氣體外流，而氣體外流又會沿著阻力最小的路徑定向：在類似於我們銀河系的盤狀星系中，垂直於恆星盤；對於所謂的橢圓星系，垂直於由星系恆星排列定義的合適的首選平面。

隨著時間的推移，垂直於星盤的雙極氣體外流將影響到星系間環境–星系周圍的稀薄氣體。它們將把星系間的氣體推開，每次外流都會產生一個巨大的氣泡。正是這種說法引起了Pillepich和Martín-Navarro的思考。如果一個衛星星系穿過那個氣泡–它是否會受到外流的影響，它的恆星形成活動​​是否會被進一步影響？

Martín-Navarro在自己的領域內著手解決這個問題。他在處理來自迄今為止最大的系統調查之一的數據方面有著豐富的經驗：斯隆數字天空勘測計劃，它提供了北半球大部分地區的高質量圖像。在該調查的第10次公開數據中，他檢查了3萬個星系群和星系團，每個星係都包含一個中心星系和平均4個衛星星系。

在對這幾千個系統的統計分析中，他發現在接近中心星系首選平面的衛星星系和明顯高於和低於中心星系的衛星星系之間有一個小但明顯的差異。但是這種差異與研究人員所預期的方向相反。在平面之上和之下的衛星，在較薄的氣泡內，平均來說，它們的恆星形成活動​​被“熄滅”的可能性不是更大，而是少了大約5%。

有了這個令人驚訝的結果，Martín-Navarro回到了Annalisa Pillepich那裡，兩人在IllustrisTNG模擬的虛擬宇宙中進行了同樣的統計分析。畢竟，在這種模擬中，宇宙演化不是由研究人員”手工”完成的。相反，軟件包括盡可能自然地模擬該虛擬宇宙的物理學規則，其中還包括對應於大爆炸後不久我們自己的宇宙狀態的適當的初始條件。

這就是為什麼像這樣的模擬為意外情況留下了空間–在這個特定的案例中，為重新發現被“熄滅”的衛星星系的平面上、平面下分佈。虛擬宇宙對衛星星系的“熄滅”顯示了同樣的5%的偏差。在這種情況下，研究人員發現了衛星星系的平面分佈。顯而易見，研究人員發現了一些問題。

隨著時間的推移，Pillepich、Martín-Navarro和他們的同事為淬火變化背後的物理機制提出了一個假說。考慮到一個衛星星系在中央黑洞吹入周圍星系間介質的一個變薄的氣泡中旅行。由於密度較低，該衛星星係經歷的“逆風”較小，沖壓壓力較小，因此其氣體被剝離的可能性較小。

然後，這就涉及到統計問題了。對於那些已經繞著同一個中心星系運行了數次的衛星星係來說，它們不僅穿越了氣泡，而且還穿越了中間的高密度區域，這種影響將是不明顯的。這樣的星系在很久以前就已經失去了它們的氣體。

但是對於那些最近才加入星系群或星系團的衛星星係來說，位置就會產生變化。如果這些衛星碰巧首先降落在一個氣泡中，那麼如果它們碰巧降落在氣泡之外，它們就不太可能失去氣體。這種效應可以解釋被“熄滅”的衛星星系的統計差異。

由於SDSS觀測和IllustrisTNG模擬的統計分析結果非常一致，並且有一個合理的機制假說，這是一個非常有希望的結果。在星系演化的背景下，它特別有趣，因為它間接地證實了活躍星系核的作用，它不僅加熱了星系間的氣體，而且積極地”推開它”，以創造低密度區域。與所有有希望的結果一樣，現在有一些自然方向，Martín-Navarro、Pillepich和他們的同事或其他科學家可以採取，以便進一步探索。