誰電離了星系之間的氣體？

□ 比薩高等師范學(xué)校 岳 斌

誰電離了星系之間的氣體？

□ 比薩高等師范學(xué)校 岳 斌

萊曼α譜線觀測下的宇宙叢林（圖片來源：APOD）

星系之間并非虛空，而是充滿了電離的氣體，它們密度很低，總量卻不少。天文學(xué)家一般認為這些氣體是被星系和類星體發(fā)出的光所電離的，然而最近的一項研究卻表明：僅靠星系和類星體提供的光，并不足以把星系際氣體電離到我們現(xiàn)在看到的這種程度。那么，額外的光子是哪里來的？答案尚不為人所知。

宇宙里的 “氣體”

對人類而言，星系是一種巨大無比的存在，然而就整個宇宙來說，它們只是扮演了“分子”的角色。這些“分子”之間的空間里充滿著彌散的氣體，這些氣體被稱為“星系際介質(zhì)”（intergalactic medium）。星系際介質(zhì)的密度很低，平均來說每幾個立方米才有一個原子。其主要成分為氫，其次是氦。按照原子的數(shù)目來說，氫占了90%，按照質(zhì)量來說則占了70%。

在我們今天的宇宙中，絕大多數(shù)星系際介質(zhì)處于電離狀態(tài)，這是因為星系發(fā)出了大量的電離光子，這些光子一旦碰到中性的原子就會把它電離。同時，由于星系際介質(zhì)本身密度很低，原子核碰到自由電子并復(fù)合的概率不高。因此，大多數(shù)原子一旦被電離就只能一直保持這種狀態(tài)。

圖1 宇宙中暗物質(zhì)的分布在大尺度上呈纖維狀結(jié)構(gòu)，纖維交叉的節(jié)點為暗物質(zhì)暈，我們看到的星系就位于這些暗物質(zhì)暈內(nèi)，在大尺度上，氣體的分布也具有類似的結(jié)構(gòu)。順便一提，氣體跟暗物質(zhì)不同的一點是，氣體具有壓強，能抵抗引力的作用，因此僅靠自身引力的話其結(jié)構(gòu)增長會很慢，若非暗物質(zhì)“幫忙”，今天的星系大多根本來不及形成。（圖片來源：http://www．mpa-garching．mpg．de/galform/millennium/seqD_063a_half．jpg）

星系際介質(zhì)的分布相當(dāng)不均勻，這是宇宙結(jié)構(gòu)演化的結(jié)果。宇宙中的結(jié)構(gòu)是朝著越來越復(fù)雜的方向演化的，早期宇宙中的物質(zhì)分布比較均勻，只有微小的密度漲落。隨著時間的流逝，這些漲落在引力的作用下逐漸放大：密度高的區(qū)域會聚集越來越多的物質(zhì)，最終成為星系誕生之地；密度低的區(qū)域物質(zhì)會越來越少，成為空洞狀的結(jié)構(gòu)。

宇宙的成分包括暗能量、暗物質(zhì)和重子物質(zhì)，重子物質(zhì)也被稱為“氣體”，前面說到的星系際介質(zhì)就是氣體的一部分。引力在對暗物質(zhì)和氣體作用時“一視同仁”，但是宇宙中的暗物質(zhì)遠比氣體多，在宇宙的演化過程中，氣體實際上是被暗物質(zhì)“裹挾”進它的引力勢阱中，因而在大尺度上大致遵從與暗物質(zhì)相似的分布——在暗物質(zhì)結(jié)團的地方，氣體也會聚集成團。

萊曼α森林

如果把宇宙看作一片大海，發(fā)光的星系猶如海上的島嶼，這些氣體團塊就如暗礁一般，它們不發(fā)光，很難被直接看到。不過，當(dāng)一束來自遠處類星體的光線穿過氣體團塊時，光線中的萊曼α光子會被氣體團塊里的中性氫原子散射而改變傳播方向，無法被觀測者接收到。上述過程帶來的現(xiàn)象，就是在這個類星體的連續(xù)譜位于萊曼α光子的位置上會出現(xiàn)一條吸收線。

超鏈接：

能量為11.2電子伏特的光子被稱為萊曼α光子，這個能量是氫原子基態(tài)和第一激發(fā)態(tài)之間的能量差。當(dāng)一個萊曼α光子經(jīng)過一個處于基態(tài)的氫原子時，原子中的電子會吸收這個光子，獲得它的能量，并躍遷到更高的能級上去。此時的氫原子處于第一激發(fā)態(tài)，這種狀態(tài)很不穩(wěn)定，電子會很快失去能量并重新躍遷回基態(tài)。失去的能量以光子的形式輻射出來，其能量還是11.2電子伏特，但是這個新產(chǎn)生的萊曼α光子的傳播方向是隨機的。整體看來這個過程沒有改變光子的能量，只是改變了其傳播方向，因此是一個散射過程。

圖2 萊曼α森林示意圖，右側(cè)為提供連續(xù)譜的類星體，它下面的峰是它自己發(fā)出的萊曼α發(fā)射線。萊曼α森林應(yīng)該在這條發(fā)射線的左側(cè)，也就是向波長更短的方向去尋找。（圖片來源：http://blackholeswithrevelations．files．wordpress．com/2013/09/lymanalphaforest．jpg）

由于宇宙膨脹，類星體發(fā)出的不同能量的光，只要其在發(fā)出時的能量高于11.2電子伏特，在傳播一定距離之后都會紅移成萊曼α光子，從而被對應(yīng)位置處的中性氫原子散射。因此若觀測者跟類星體之間有多個氣體團塊，連續(xù)譜上就會出現(xiàn)多個吸收線，甚至密如林木，這種現(xiàn)象被稱為萊曼α森林。利用這一原理，并且考慮到萊曼α吸收強度跟氣體團塊的中性氫柱密度的相關(guān)性，人們就可以利用遠處類星體的連續(xù)譜測出該天體跟觀測者之間的中性氣體團塊的數(shù)量、位置以及每個團塊里的中性氫的柱密度。

通過類星體吸收線測到的氣體團塊大致可以分為三類：

第1類

被稱為萊曼α吸收云，這是一些密度較低而體積較大的氣體團塊。由于密度低，電離光子可以直接到達團塊內(nèi)部，整個團塊處于電離平衡的狀態(tài)，這是一種較為簡單的物理狀態(tài)。這類團塊數(shù)量最多。

第2類

被稱為萊曼極限系統(tǒng)，這類團塊密度高，能量較低的電離光子被阻擋在團塊外面。不過一般而言，萊曼極限系統(tǒng)內(nèi)的大部分氣體依然是電離的，因為能量更高的電離光子依然可以穿透外面的氣體進入其內(nèi)部。萊曼極限系統(tǒng)可能是一些位于質(zhì)量較小的暗物質(zhì)暈內(nèi)的氣體，這些氣體并不能形成恒星；也可能是一些正沿著纖維狀結(jié)構(gòu)流入星系內(nèi)部的冷氣體。

第3 類

被稱為阻尼萊曼α系統(tǒng)，這是一些正在形成過程中的星系，其氣體密度很高，不僅能將萊曼α光子全部散射掉，部分能量在11.2電子伏特附近的光子也被散射，從而在連續(xù)譜上留下很寬的、具有特定輪廓的吸收區(qū)。

新危機，新挑戰(zhàn)

宇宙結(jié)構(gòu)演化中形成了一大堆的中性氣體團塊，電離輻射則對這些團塊坯子進行雕蝕，大部分被電離，小部分保持中性。這兩個過程會互相影響，一方面被電離的氣體更難結(jié)團，另一方面結(jié)團后的氣體更難被電離。萊曼α吸收云的物理狀態(tài)較為簡單，是一種理想的測量工具。通過測量萊曼α吸收云，結(jié)合宇宙結(jié)構(gòu)演化的理論，天文學(xué)家即可得知電離輻射強度的演化。事實上，對于較早時候的宇宙，人們之前已經(jīng)做過這類研究，結(jié)果沒有問題。然而，最近科爾邁爾（Kollmeier）等人研究了現(xiàn)在的宇宙，他們卻發(fā)現(xiàn)了危機?。═he Photon Underproduction Crisis，原文請查閱2014ApJ...789L..32K）

為了得到準(zhǔn)確且直觀的氣體結(jié)構(gòu)分布，科爾邁爾等人選擇了數(shù)值模擬，這是一種主流方法，模擬程序采用的是已被廣泛認可的算法。他們在模擬中使用了目前最完善的、來自于星系和類星體的電離輻射強度，最終得到了氣體的密度、電離度、溫度、速度等的三維分布場。然后，他們隨機選擇了2500個方向，假設(shè)每個方向上有一個類星體，其連續(xù)譜每經(jīng)過一處萊曼α吸收云，就會得到一條吸收線。這樣他們就得到了2500條模擬的光譜，每條光譜上都有很多萊曼α吸收線。他們用處理真實光譜的方法來處理這些模擬光譜，還原模擬中氣體的柱密度分布。

然而結(jié)果讓人吃驚，他們發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬給出的萊曼α吸收云的數(shù)量約為實際觀測的3倍；為了得出跟觀測一致的數(shù)量分布，需要人為地把電離輻射強度放大5倍。如果真是這樣，那大多數(shù)電離光子的來源是什么？為什么這些源隱藏地這么好，以至于之前從未被人發(fā)現(xiàn)或者想到？

宇宙的電離輻射主要來自于星系和類星體，然而，上面的矛盾不能通過簡單地增加星系或者類星體的輻射而解決。要知道，他們采用的電離輻射強度本身就是從跟觀測的比對中得來的，對于較早期的宇宙，這些數(shù)據(jù)跟觀測符合得很好。對于星系而言，其不確定性可能來自電離光子的逃逸概率。星系內(nèi)部有中性氣體且密度較高，因此恒星發(fā)出的電離光子中，通常只有一小部分可以逃逸出來并電離周圍的氣體。通過嘗試，他們發(fā)現(xiàn)要使模擬給出跟觀測一樣多的萊曼α吸收云，平均來說需要15%的電離光子從星系中逃逸出來。這么高的比率難以被人接受，因為通過直接測量星系，人們發(fā)現(xiàn)這個比率一般只能到百分之幾。而對于類星體，長期以來人們對其產(chǎn)生的電離輻射并沒有多大爭議，差別不超過一倍。增加類星體電離輻射的同時其X射線也會增加，這會跟觀測的X射線背景產(chǎn)生矛盾。

在科學(xué)上，危機往往令人興奮，因為這可能是新物理或者新事物的征兆。是誰在默默地為宇宙提供電離光子？或者，也許根本就不需要那么多的電離光子，只是人們弄錯了氣體的結(jié)構(gòu)？科爾邁爾等人在文章里提出了問題，答案，或許在后來者那里。