南京大學天文與空間科學學院王濤教授團隊與合作者創(chuàng)新性地從探索近鄰星系的黑洞質量與星系中原子氫氣體的含量之間的關系入手，首次揭示了星系中心黑洞的質量是調制星系中原子氫氣體含量的最關鍵的物理量：中心黑洞質量越高的星系其原子氫氣體含量越低。這一發(fā)現(xiàn)對星系中心黑洞是否影響和如何影響星系中的冷氣體含量及恒星形成提供了重要的觀測證據(jù)，同時也對中心黑洞對宿主星系具體的反饋機制作出了重要限制。相關成果以“Black holes regulate cool gas accretion in massive galaxies”為題于2024年8月14日在國際著名期刊《Nature》上在線發(fā)表，南京大學王濤教授為論文的第一作者和通訊作者。

　　星系是構成宇宙的基本單位。以我們的銀河系為例，星系是一個包含有數(shù)千億顆恒星、氣體和塵埃等星際介質及中心超大質量黑洞的自引力束縛系統(tǒng)。星系的內部組成成分及其周圍的星系周介質之間在多個空間和時間尺度上進行著復雜的相互作用，共同影響著星系的形成和演化。研究星系的形成和演化對于理解宇宙的形成歷史及宇宙不同層級的結構形成都有著重要意義。

　　天文學家一般把星系分為兩類：一類是較年輕的星系，仍在活躍地產生新的恒星，稱為恒星形成星系；而另一類是較年老的星系，則幾乎沒有新的恒星形成，稱為被動演化星系。研究恒星形成星系如何轉變?yōu)楸粍友莼窍?，即星系如何由“生”到“死”的問題，是星系形成和演化領域的最核心任務之一。圍繞這一難題，自上世紀70年代理論家就提出星系中心的超大質量黑洞在吸積物質過程中釋放的巨大能量對星系的形成演化，尤其是對星系從“生”（恒星形成星系）到“死”（被動演化星系）的轉變有重要的作用。經過近半個世紀的發(fā)展，當前中心黑洞對宿主星系具有重要的反饋作用已成為主流星系形成演化理論模型的共同結論。然而，觀測上黑洞是否影響以及如何影響星系的形成演化一直缺乏明確的證據(jù)。

　　面對這一挑戰(zhàn)，南京大學王濤教授團隊與合作者創(chuàng)新性地從探索近鄰星系的黑洞質量與星系中原子氫氣體的含量之間的關系入手，首次揭示了星系中心黑洞的質量是調制星系中原子氫氣體含量的最關鍵的物理量：中心黑洞質量越高的星系其原子氫氣體含量越低。原子氫氣體是星系冷氣體的主要組成部分，而冷氣體又是星系中恒星形成的原料，因此這一發(fā)現(xiàn)對星系中心黑洞是否影響和如何影響星系中的冷氣體含量及恒星形成提供了重要的觀測證據(jù)。它顯示很大程度上中心黑洞影響宿主星系的恒星形成是通過從源頭上限制恒星形成的原料—冷氣體的含量來實現(xiàn)的。該結果對中心黑洞對宿主星系具體的反饋機制也作出了重要限制。因為原子氫氣體是星系周氣體冷卻形成的初級產物，該發(fā)現(xiàn)意味著通過中心黑洞在其成長過程中釋放的能量來調節(jié)星系周氣體的冷卻效率很可能是中心黑洞影響宿主星系形成演化的主要方式。

　　該工作也同時揭示了不同類型的星系遵循同樣的冷氣體含量-黑洞質量關系（圖1），這意味著冷氣體含量-黑洞質量關系為研究星系形成演化，尤其是研究星系在不同類型間的轉化機制，提供了全新的、可能更為基礎的框架。

　　南京大學王濤教授為論文的第一作者和通訊作者，南京大學兩位研究生許可和吳雨瑄同學為論文作出重要貢獻，南京大學的施勇教授、顧秋生教授、張智昱教授、王倚君副研究員，及法國原子能研究所、北京大學、上海師范大學、天津師范大學、復旦大學相關科研人員參與了本工作。本工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)項目、載人航天項目等的支持。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07821-2