Астрономы предложили новое объяснение тому, почему в галактиках со временем перестают рождаться звёзды. Согласно результатам моделирования, решающую роль в этом процессе может играть горячее газовое гало, формирующееся вокруг массивных галактик. Когда масса галактики достигает определённого порога, это гало начинает препятствовать поступлению извне холодного газа, необходимого для рождения новых звёзд.
Известно, что самые массивные галактики не могут бесконечно образовывать звёзды. Многие из них проходят через период бурного звездообразования, после чего постепенно угасают и переходят в относительно спокойное состояние. Однако физическая причина такого перехода оставалась предметом дискуссий.
Для поиска ответа исследователи использовали космологическую симуляцию Horizon Run 5 - одну из крупнейших современных космологических симуляций. Она прослеживает эволюцию газа, тёмной материи, звёзд, сверхновых и сверхмассивных чёрных дыр от ранних этапов существования Вселенной до наших дней. Из массива данных учёные отобрали около 20 тысяч наиболее массивных галактик и проследили их развитие со временем.
Основным параметром исследования стало отношение массы звёзд к полной массе галактики. Этот показатель отражает эффективность превращения доступного вещества в звёзды. Полная масса включает не только звёзды, но также газ, тёмную материю и другие компоненты галактики.
Расчёты показали, что эффективность звездообразования достигает максимума в галактиках с массой примерно от 2,5 до 5 триллионов масс Солнца. Ниже этого диапазона поступающий газ относительно легко охлаждается и продолжает подпитывать рождение новых звёзд. Однако после достижения критической массы ситуация резко меняется.
По мнению авторов работы, по мере роста галактики падающий в неё газ нагревается ударными волнами. Пока масса системы невелика, этот газ быстро теряет тепло и продолжает поступать в центральные области. Но после достижения порогового значения вокруг галактики формируется плотное и горячее газовое гало, которое может сохраняться в состоянии равновесия миллиарды лет.
В результате газ перестаёт эффективно охлаждаться и больше не поступает в галактику в достаточных количествах. Хотя сама галактика продолжает накапливать тёмную материю и поглощать небольшие спутниковые галактики, приток холодного газа практически прекращается. А именно холодный газ служит основным сырьём для рождения новых звёзд.
Авторы также проверили альтернативную гипотезу, согласно которой снижение звездообразования связано прежде всего с потерей вещества из-за вспышек сверхновых или активности сверхмассивных чёрных дыр. Однако моделирование показало, что различия в количестве удерживаемого галактиками обычного вещества оказываются слишком малы, чтобы объяснить наблюдаемое падение эффективности звездообразования более чем в три раза. То есть главную роль играет не выброс вещества из галактики, а сокращение притока нового газа извне.
Авторы подчёркивают, что результаты получены на основе компьютерного моделирования и зависят от используемых физических моделей звездообразования и обратной связи от сверхновых и чёрных дыр. Тем не менее работа предлагает конкретный механизм, который связывает хорошо известное наблюдательное явление с определённым физическим процессом. Будущие наблюдения межгалактического газа и галактических скоплений помогут проверить эту гипотезу.