近期，上海交通大学物理与天文学院天文系的李洋博士与李兆聿教授等人研究了富气体宁静星系（gas-rich quiescent galaxy）的形成机制。这些星系含有大量可用于形成恒星的冷气体，但令人困惑的是，这些冷气体并未参与星系中的恒星形成活动。他们的统计分析表明，此类星系的形成机制与周围环境有密切关系，而且星系自身的形态和结构也可能对气体的保留起到了重要作用。该工作于今年发表在《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal) 上，题为“The Origin of the Gas and Its Low Star Formation Efficiency in Quiescent Galaxies” (2025, ApJ, 984, 184L)。
富气体宁静星系
冷气体是星系质量增长的基本原材料。当星系内部冷气体逐渐消耗，且外部气体供应匮乏时，蓝色、富气体的恒星形成星系（star-forming galaxy）会逐渐演变为红色、贫气体的宁静星系。近十几年来，随着诸多大型地面与空间巡天项目的开展，一类特殊的星系——富气体宁静星系的发现打破了学界长期以来对星系演化机制的传统认知。这类星系恒星形成率极低，但却具有较强的冷尘埃辐射或较高的中性氢气体甚至分子氢气体含量（如图1）。该类星系中的气体为什么没能继续形成恒星？是什么机制停止了其中的恒星形成过程？这些重要的问题对理解星系的成长具有重要的意义。
图1. 恒星形成星系（左）、贫气体宁静星系（中）和富气体宁静星系（右）示意图。
基于多波段图像的星系性质探究
为了理解这些富气体宁静星系的物理特性和成因，李洋博士系统性地研究了该类星系的形态结构、环境因素、星族性质、中心黑洞及暗物质晕等多种性质，并构建了严格的对照样本，全面对比分析了不同星系之间的性质异同。此前，李洋博士已利用从远紫外到远红外的17个波段图像，对斯隆数字巡天SDSS的Stripe 82天区约2700个近邻大质量星系进行了能谱拟合，得到了这些星系准确的恒星质量、尘埃（气体）质量以及恒星形成率（Li et al. 2023, ApJS）。基于这一样本，李洋博士选出了一批富气体宁静星系，并同时构建了另外两个对照样本，即贫气体宁静星系和富气体恒星形成星系（如图2所示）。
图2. 恒星形成星系（蓝色）、富气体宁静星系（绿色）和贫气体宁静星系（红色）在恒星形成率面密度与气体面密度关系图（即Kennicutt–Schmidt relation）上的分布。富气体宁静星系具有和恒星形成星系相似的气体面密度，但有着和普通宁静星系相近的恒星形成率。
该研究表明，相比恒星形成星系，宁静星系普遍具有更高比例的晚型星系和更高的中心聚集度，但富气体与贫气体的两种宁静星系在形态、暗物质晕质量、中心黑洞、活动星系核反馈以及星族性质等基本性质方面并无显著区别。在该样本中，棒旋星系尽管只占各样本的约40%，但显示出与无棒星系明显不同的颜色梯度（图3）：在贫气体宁静星系中，有棒星系在其外盘区域具有比无棒星系更红的恒星颜色，内盘则比无棒星系更蓝；而在富气体宁静星系中，有棒和无棒星系盘的颜色基本相同。该结果表明，富气体宁静星系的棒结构未能高效地将气体运输到星系中心，从而并未形成与无棒星系不同的星族颜色梯度。
除此以外，富气体与贫气体宁静星系最大的区别体现在近邻环境密度。团队发现，贫气体宁静星系，特别是其中的大质量卫星星系，通常处在大的星系团或星系群中，具有较高的本地环境密度；而富气体宁静卫星星系则大多位于低密度环境中，例如星系群边缘或是小型星系团。“大质量卫星星系可能在落入星系团之前就已经演变为宁静星系了，而一个低密度的（星系团/群）环境使得它们有更多机会重新通过吸积获取星系团中的气体。”李洋博士解释道，“幸运的是，相对较大的恒星质量使得这些卫星星系有能力把新捕获的气体困在自己的引力势阱中，并且少受冲压剥离或潮汐扰动的影响。”那这些新捕获的冷气体为什么难以重新点燃星系中的恒星形成过程呢？李兆聿教授指出，“大质量星系的结构往往更加稳定，具有显著的内区核球结构，其中心黑洞质量更大，产生的累积反馈效应（integrated AGN feedback）也更强，从而可能抑制星系内的恒星形成。”
图 3. 光学颜色（g-r）随星系的归一化半径轮廓图。富气体宁静星系（左）与贫气体宁静星系（右）分别被划分为有棒（绿或红色）和无棒（灰）结构类型并加以对比。
富气体宁静星系的形成过程
在综合对比恒星形成星系、贫气体宁静星系与富气体宁静星系的物理性质后，研究团队总结了如下的形成路径（如图4）：即恒星形成星系消耗气体，逐渐演化为宁静星系。在不同的条件下，可以形成贫气体和富气体两种状态，并且二者可以互相转化。本研究为理解富气体宁静星系这一特殊类型星系的产生和演化提供了重要的观测限制，并且有助于揭示星系整体的质量增长历史。
图4. 富气体宁静星系的形成过程。在不同条件下，恒星形成星系可以演化为富气体与贫气体宁静星系，且二者之间可以转化。
该研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发项目、中国博士后基金、中国载人航天项目、阳阳发展基金、上海市科委以及粒子天体物理与宇宙学教育部重点实验室的支持。
相关论文列表：
1. Li, Y. A.*, Ho, L. C., Shangguan, J., Li, Z-Y.*, Peng, Y., 2025, ApJ, 984, 2, 184. “The Origin of the Gas and Its Low Star Formation Efficiency in Quiescent Galaxies”
2. Li, Y. A., Ho, L. C., Shangguan, J., et al. 2023, ApJS, 267, 1, 17. “Panchromatic Photometry of Low-redshift, Massive Galaxies Selected from SDSS Stripe 82”
论文链接：
https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025ApJ...984..184L/abstract
