黑洞是我们所知的最接近神话怪物的存在——是我们宇宙图谱上“此处有龙”的警告标志。位于星系中心的超大质量黑洞尤其值得关注。它们是我们星系以及其他星系中数千亿个太阳系的令人难以置信的巨大锚点。
然而，并非所有星际社区都在成长。有些是“熄灭”的星系，新恒星的形成似乎已经停止。为何以及如何发生这种情况，让天文学家和天体物理学家困惑了 20 年。一篇最近发表的研究有力地表明，最重要的因素在于星系的核心，以及黑洞的超凡力量：它们的质量。
打散星际“浓汤”中的团块
剑桥大学天文学家 Joanna Piotrowska 是该研究的首席作者，她解释说，尽管黑洞、星系和天体物理学总体上很复杂，但星系形成恒星停止的原因只有两种基本方式：要么有什么东西切断了它的气体供应，要么有什么东西阻止了气体的聚集。
目前存在三种主要的理论来解释这一点。它们都与质量有关。第一个理论——超新星爆发——依赖于星系中恒星的质量：超新星爆发。从本质上讲，该理论认为，爆炸的恒星会将尘埃排出星系，使其无法用于恒星形成。然而，超新星是这三种选择中最弱的，它们没有足够的力量将宇宙尘埃完全排除在外。
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下一个是晕区加热。本质上，当黑洞吸引物质向自身聚集时，这些物质被迫穿过围绕它的物质晕。这种摩擦产生了巨大的能量，加热了晕区并使其保持浮力。根据该理论，吸入的物质越多——或者说，技术上讲，吸积越多——星系就应该越“熄灭”，这应该会增加黑洞周围晕区的质量。
最后一个理论非常简单。一旦黑洞足够大，它们就会成为所谓的活动星系核，位于中心的区域会发出巨大的能量，足以喷射出强大的风和尘埃。它们的引力会向周围的气体注入大量的湍流和热量，阻止气体凝结并坍缩成恒星。就像一个系绳球，如果用力过猛，它会留在空中，而不是落回柱子上。Piotrowska 和合著者 Asa Bluck 在他们的研究中就采用了这一理论。
漫步随机森林
为了检验这一理论，研究人员将斯隆数字巡天（Sloan Digital Sky Survey）的宇宙观测数据与三个宇宙模拟——EAGLE、Illustris 和 IllustrisTNG——相结合，这使得他们能够分析多达 200,000 个星系。通过观察中心星系（位于星系团核心的星系），他们采用了一种名为“随机森林”的机器学习方法进行分析。
在分析中，科学家们将这三个理论的参数输入算法，然后要求机器学习程序利用这些参数并尝试复制他们观察到的结果。Bluck 说，因为程序更简单，他们能够“确切地弄清楚它在做什么，以及为什么”。更复杂的机器学习方法的缺点在于，理解它们如何找到答案非常困难。“就简单性而言，你总是想要解决问题的最简单方法，”他说。“我们不想用核弹打钉子；我们用的是锤子。”Piotroska 说，结果令人欣喜地清晰。“最终结果是（关于）黑洞质量的理论远远超过了其他参数。”
她补充说：“据我所知，这是最有说服力、方法论上最强有力的证明，表明超大质量黑洞会扼杀大质量星系的恒星形成。”
西北大学的研究生 Alex Gurvich 认同这一观点。他专门从事使用模拟来研究恒星反馈与恒星形成之间的相互作用，并且没有参与这项研究。他说，这项研究有助于解开天文学中的一个长期存在的谜团，其中一个主要的理论是，黑洞的吸积应该是星系“熄灭”的原因，因此黑洞吸积得越快，星系就应该越快“熄灭”。但存在“令人困惑的观测结果，”他说，“恒星形成已经停止，但却没有吸积。反之亦然：恒星形成正在发生，但同时也有吸积。为什么它还没有停止？”这个问题暗示了总的黑洞质量，而不是任何给定时间点的吸积，在扼杀恒星形成方面更重要。他说，这篇论文“不仅对该领域，而且对其方法论都向前迈进了一步。”
对于 Bluck 来说，Piotrowski 开发的机器学习方法帮助科学家们避免了将相关性误认为是因果关系的陷阱。（换句话说，他们能够明确地证明一个星系巨大的尺寸会导致它停止恒星形成。）“通过结合这两点，我们超越了（超大质量星系与星系熄灭之间的）相关性，并接近了因果关系，”Bluck 说。“当你考虑到这些东西有时距离我们数十亿光年时，能够就因果关系发表明确的看法真是太棒了。”
