南京大学天文与空间科学学院王涛教授团队与合作者创新性地从探索近邻星系的黑洞质量与星系中原子氢气体的含量之间的关系入手，首次揭示了星系中心黑洞的质量是调制星系中原子氢气体含量的最关键的物理量：中心黑洞质量越高的星系其原子氢气体含量越低。这一发现对星系中心黑洞是否影响和如何影响星系中的冷气体含量及恒星形成提供了重要的观测证据，同时也对中心黑洞对宿主星系具体的反馈机制作出了重要限制。相关成果以“Black holes regulate cool gas accretion in massive galaxies”为题于2024年8月14日在国际著名期刊《Nature》上在线发表，南京大学王涛教授为论文的第一作者和通讯作者。
星系是构成宇宙的基本单位。以我们的银河系为例，星系是一个包含有数千亿颗恒星、气体和尘埃等星际介质及中心超大质量黑洞的自引力束缚系统。星系的内部组成成分及其周围的星系周介质之间在多个空间和时间尺度上进行着复杂的相互作用，共同影响着星系的形成和演化。研究星系的形成和演化对于理解宇宙的形成历史及宇宙不同层级的结构形成都有着重要意义。
天文学家一般把星系分为两类：一类是较年轻的星系，仍在活跃地产生新的恒星，称为恒星形成星系；而另一类是较年老的星系，则几乎没有新的恒星形成，称为被动演化星系。研究恒星形成星系如何转变为被动演化星系，即星系如何由“生”到“死”的问题，是星系形成和演化领域的最核心任务之一。围绕这一难题，自上世纪70年代理论家就提出星系中心的超大质量黑洞在吸积物质过程中释放的巨大能量对星系的形成演化，尤其是对星系从“生”（恒星形成星系）到“死”（被动演化星系）的转变有重要的作用。经过近半个世纪的发展，当前中心黑洞对宿主星系具有重要的反馈作用已成为主流星系形成演化理论模型的共同结论。然而，观测上黑洞是否影响以及如何影响星系的形成演化一直缺乏明确的证据。
面对这一挑战，南京大学王涛教授团队与合作者创新性地从探索近邻星系的黑洞质量与星系中原子氢气体的含量之间的关系入手，首次揭示了星系中心黑洞的质量是调制星系中原子氢气体含量的最关键的物理量：中心黑洞质量越高的星系其原子氢气体含量越低。原子氢气体是星系冷气体的主要组成部分，而冷气体又是星系中恒星形成的原料，因此这一发现对星系中心黑洞是否影响和如何影响星系中的冷气体含量及恒星形成提供了重要的观测证据。它显示很大程度上中心黑洞影响宿主星系的恒星形成是通过从源头上限制恒星形成的原料—冷气体的含量来实现的。该结果对中心黑洞对宿主星系具体的反馈机制也作出了重要限制。因为原子氢气体是星系周气体冷却形成的初级产物，该发现意味着通过中心黑洞在其成长过程中释放的能量来调节星系周气体的冷却效率很可能是中心黑洞影响宿主星系形成演化的主要方式。
该工作也同时揭示了不同类型的星系遵循同样的冷气体含量-黑洞质量关系（图1），这意味着冷气体含量-黑洞质量关系为研究星系形成演化，尤其是研究星系在不同类型间的转化机制，提供了全新的、可能更为基础的框架。
南京大学王涛教授为论文的第一作者和通讯作者，南京大学两位研究生许可和吴雨瑄同学为论文作出重要贡献，南京大学的施勇教授、顾秋生教授、张智昱教授、王倚君副研究员，及法国原子能研究所、北京大学、上海师范大学、天津师范大学、复旦大学相关科研人员参与了本工作。本工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发项目、载人航天项目等的支持。
图1：星系中冷气体含量与中心黑洞质量的关系示意图。
中心黑洞质量越大的星系其冷气体含量越低、成为被动演化星系的可能性也越高。