Các thiên hà không duy trì trạng thái "nhà máy sao" hoạt động mãi mãi. Nhiều thiên hà bắt đầu như những hệ thống sáng rực chứa đầy các đám mây khí lạnh đang sụp đổ để tạo ra các ngôi sao mới, nhưng theo thời gian, chúng chuyển đổi thành các thiên hà "ngừng hoạt động" nơi quá trình hình thành sao chậm lại đáng kể hoặc dừng hẳn.
Sự ngừng hoạt động này không phải do một sự kiện đơn lẻ gây ra mà là do sự kết hợp của nhiều quá trình vật lý thiên văn dần dần loại bỏ, làm nóng hoặc ổn định khí cần thiết cho sự hình thành sao.
Các quan sát từ các cuộc khảo sát trường sâu và các thiết bị như kính viễn vọng không gian Hubble và James Webb cho thấy các thiên hà đã tắt quá trình hình thành sao đặc biệt phổ biến trong các hệ thống khổng lồ và môi trường vũ trụ dày đặc, tiết lộ rằng quá trình hình thành sao được điều chỉnh chặt chẽ bởi cả động lực bên trong và môi trường bên ngoài.
Sự cạn kiệt khí: Hết nguyên liệu thô
Lý do trực tiếp nhất khiến một thiên hà ngừng hình thành sao là sự cạn kiệt khí phân tử lạnh. Sao được sinh ra trong những đám mây hydro dày đặc sụp đổ dưới tác động của trọng lực, nhưng nguồn nhiên liệu này không phải là vô hạn. Trong các thiên hà có quá trình hình thành sao sớm mạnh mẽ, khí có thể bị tiêu thụ nhanh hơn tốc độ bổ sung. Khi lượng khí dự trữ giảm xuống dưới ngưỡng tới hạn, quá trình hình thành sao mới sẽ chậm lại đáng kể.
Trong một số trường hợp, sự suy giảm này không hoàn toàn là do tiêu thụ. Khí cũng có thể bị đẩy ra bởi các quá trình mạnh mẽ như gió sao và vụ nổ siêu tân tinh. Những sự kiện này truyền năng lượng vào môi trường giữa các vì sao, đẩy khí ra khỏi đĩa thiên hà hoặc làm nóng khí đến nhiệt độ mà nó không còn có thể co lại một cách hiệu quả nữa.
Lỗ đen siêu khối lượng và phản hồi năng lượng
Ở trung tâm của hầu hết các thiên hà lớn đều có một lỗ đen siêu khối lượng, thường có khối lượng gấp hàng triệu hoặc hàng tỷ lần khối lượng Mặt Trời. Khi vật chất rơi vào những vật thể này, nó tạo thành một đĩa bồi tụ có thể giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ. Giai đoạn này được gọi là hạt nhân thiên hà hoạt động, và nó đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn sự hình thành sao.
Năng lượng giải phóng có thể tạo ra các luồng phản lực mạnh mẽ và các trường bức xạ làm nóng khí xung quanh hoặc đẩy khí ra khỏi thiên hà hoàn toàn. Quá trình này, được gọi là phản hồi ngược, ngăn khí nguội đi và ngưng tụ thành các ngôi sao mới. Quan sát các luồng phản lực vô tuyến và các bong bóng phát ra tia X trong các cụm thiên hà cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho thấy các lỗ đen có thể điều chỉnh sự hình thành sao trên quy mô thiên hà, hoạt động hiệu quả như một bộ điều chỉnh nhiệt cho toàn bộ hệ thống.
Ảnh hưởng của môi trường trong các cụm thiên hà
Các thiên hà hiếm khi tiến hóa trong sự cô lập. Nhiều thiên hà nằm trong các cụm, nơi hàng ngàn thiên hà cùng chia sẻ một môi trường hấp dẫn chung chứa đầy khí nóng giữa các cụm. Khi một thiên hà di chuyển qua môi trường này, nó trải qua quá trình tước khí do áp suất va chạm—một quá trình trong đó khí của chính nó bị loại bỏ một cách cưỡng bức bởi plasma nóng xung quanh.
Cơ chế này đặc biệt hiệu quả trong các cụm thiên hà dày đặc, nơi các thiên hà di chuyển với vận tốc cao. Khí bị tước đoạt tạo thành những vệt dài kéo dài phía sau thiên hà, có thể quan sát được bằng sóng radio và tia X. Nếu không có khí này, thiên hà sẽ mất khả năng hình thành sao mới, dần dần trở thành một hệ thống tĩnh lặng với các quần thể sao già hơn, đỏ hơn.
Làm nóng bể chứa vũ trụ
Ngay cả khi khí không bị loại bỏ hoàn toàn, nó cũng có thể trở nên quá nóng để hình thành sao. Sự làm nóng có thể đến từ các quá trình hấp dẫn trong quá trình sáp nhập thiên hà, sóng xung kích trong môi trường giữa các thiên hà, hoặc năng lượng giải phóng từ hoạt động của lỗ đen. Khí nóng chống lại sự sụp đổ hấp dẫn vì các hạt của nó chuyển động quá nhanh để kết tụ lại với nhau.
Trong các thiên hà khổng lồ, đặc biệt là những thiên hà ở trung tâm các cụm thiên hà, một quầng khí cực nóng có thể hình thành và duy trì ổn định trong hàng tỷ năm. "Chế độ nóng" này ngăn cản khí lạnh mới lắng đọng vào thiên hà, làm gián đoạn nguồn cung cấp cần thiết cho sự hình thành sao.
Sự sáp nhập thiên hà và sự phá vỡ cấu trúc
Sự sáp nhập thiên hà có thể vừa kích hoạt vừa kìm hãm sự hình thành sao, tùy thuộc vào điều kiện. Trong khi các tương tác ban đầu thường nén khí và tạo ra các vụ bùng nổ sao, kết quả cuối cùng của một vụ sáp nhập lớn có thể là một thiên hà elip ổn định với rất ít khí lạnh còn lại.
Trong những tương tác dữ dội này, khí được phân bố lại, nung nóng hoặc dẫn hướng về các lỗ đen trung tâm, nơi nó bị tiêu thụ hoặc bị đẩy ra ngoài. Thiên hà hình thành thường thiếu cấu trúc đĩa quay mỏng cần thiết cho sự hình thành sao bền vững, thay vào đó trở thành một hệ thống năng động mạnh mẽ với các quỹ đạo sao ngẫu nhiên chiếm ưu thế.
Sự ngừng hình thành sao do biến đổi hình thái và sự ổn định bên trong
Không phải tất cả các quá trình ngừng hình thành sao đều cần đến lực tác động từ bên ngoài. Trong một số thiên hà, cấu trúc bên trong tự nó ổn định khí chống lại sự sụp đổ. Hiện tượng này, được gọi là sự ngừng hình thành sao do biến đổi hình thái, xảy ra khi một khối phình trung tâm lớn hoặc sự phân bố sao dày đặc làm tăng sự ổn định hấp dẫn của đĩa khí.
Trong những môi trường như vậy, khí vẫn có thể tồn tại, nhưng nó quá ổn định về mặt động lực học để phân mảnh thành các đám mây hình thành sao. Cơ chế tinh tế này cho thấy rằng sự hình thành sao không chỉ phụ thuộc vào việc có đủ nhiên liệu hay không, mà còn phụ thuộc vào việc nhiên liệu đó có thể sụp đổ về mặt vật lý trong điều kiện thích hợp hay không.
Một quá trình tắt đa tầng
Quá trình hình thành sao trong các thiên hà kết thúc thông qua sự kết hợp của các giai đoạn cạn kiệt, gia nhiệt, loại bỏ và ổn định. Không có cơ chế nào chiếm ưu thế tuyệt đối; thay vào đó, các thiên hà khác nhau trải qua các con đường khác nhau tùy thuộc vào khối lượng, môi trường và lịch sử tiến hóa của chúng. Các mô phỏng vũ trụ học hiện đại và các cuộc khảo sát quan sát luôn ủng hộ khuôn khổ đa quá trình này, cho thấy rằng sự tắt dần là một quá trình biến đổi dần dần và phức tạp chứ không phải là một sự chấm dứt đột ngột.
Khi một thiên hà ngừng hình thành sao, nó không đơn giản là chết đi—nó tiến hóa sang một giai đoạn mới được định hình bởi động lực hấp dẫn, phản hồi năng lượng và áp lực môi trường. Ánh sáng xanh lam rực rỡ của các ngôi sao trẻ mờ dần, được thay thế bằng ánh sáng ổn định của các quần thể sao già hơn, đánh dấu một sự chuyển đổi được ghi lại qua hàng tỷ năm lịch sử vũ trụ. Hiểu được lý do tại sao các thiên hà ngừng hình thành sao không chỉ cho thấy cách chúng thay đổi, mà còn cả cách vũ trụ điều chỉnh sự sáng tạo của chính nó.
