星系的生命和呼吸

編譯 喬琦

這幅圖像展示的是銀河系最大的伴星系大麥哲倫星云的某個區(qū)域，其中的氣體散發(fā)出白色的光芒，為一處恒星誕生地所點亮。大多數(shù)宇宙氣體都是不可見的，而且大都處于星系外部——也就是分布于星系暈和星系之間的巨大空隙中。然而，正是這些氣體決定了星系的生命周期

科學家追蹤氣體隨時間和空間的變化，探尋恒星群出生及死亡的方式。

天文學家對宇宙的大部分了解來自他們能夠看到的東西，因此，他們的理論總是偏愛明亮的恒星和星系。然而，宇宙中的大部分常規(guī)物質(zhì)都是以昏暗的氣體形式存在的。稱作星系際介質(zhì)的氣體充滿星系間的空間；而環(huán)星系介質(zhì)的氣體則環(huán)繞在星系附近。這兩個區(qū)域的氣體管控星系誕生、成長和死亡，也詳細記錄了整個宇宙的歷史。不過，直到近來，天文學家才探測到這些氣體。

宇宙誕生不久就充滿著氣體，其中大部分是氫氣。隨著時間的推移，宇宙各處的引力將這些氣體集聚到一起，形成氣體云，氣體云形成星系，而恒星就在星系中誕生。恒星通過氣體的熱核燃燒而發(fā)光，而那些在爆炸中死去的恒星中，一部分恒星把氣體噴射回星系的外部。在星系間的空間的外部，氣體因冷卻而收縮，直到引力將其拽回星系，而新恒星又在星系中形成。這個過程周而復(fù)始：引力將氣體凝聚成星系和恒星，恒星爆炸把氣體噴出，引力拽回這些氣體并形成新恒星。

隨著時間的推移，任何星系開始耗盡可循環(huán)的氣體。沒有了這些氣體，星系就無法產(chǎn)生新恒星，而年邁的恒星會走到生命的盡頭，整個星系也會隨之死亡。星系于氣體中誕生，于氣體中汲取養(yǎng)料，于氣體中成長，不停吸入和排出氣體，而星系的恒星也會不斷燃燒，直到氣體耗盡。

在星系內(nèi)部，相對較為稠密的氣體加速了恒星的誕生。稍外一些，環(huán)星系介質(zhì)氣體要稀薄一點，更外側(cè)的星系際介質(zhì)就更加稀薄。直到20世紀60年代，當天文學家開始收集氣體過濾的遙遠類星體的星光并進行光譜分析時，他們才能研究星系間的氣體。而在最近的10年中，他們把注意力轉(zhuǎn)向了環(huán)星系介質(zhì)。

這只是理論。驗證這些氣體的問題在于：天文學家的設(shè)備很難探測到氣體的蹤跡，更不用說定位其來源和去向。隨著儀器靈敏度的提高，再加上持之以恒的研究，天文學家現(xiàn)在掌握了更多信息?？煽孔C據(jù)表明，星系際介質(zhì)富含氣體，后者充滿宇宙并形成星系。而環(huán)星系介質(zhì)的不令人信服（有時令人疑惑）的證據(jù)表明，星系通過排出和吸入恒星的循環(huán)氣體而生存。另外，對于星系氣體耗盡、停止形成恒星和死亡的論點，天文學家只掌握了初步證據(jù)。

把氣體和星系相聯(lián)系

出現(xiàn)這種情況的部分原因在于，雖然氣體和星系之間存在內(nèi)在聯(lián)系，但研究這兩個領(lǐng)域的天文學家并沒有互相交流。從歷史上說，研究星系（相對容易觀測）的天文學家與研究氣體（相對較難觀測）的天文學家是幾乎沒有交際的兩撥人。加州理工學院研究氣體的天文學家查爾斯·斯蒂德爾（Charles Steidel）說，科學會議總是“把我們安排在最后一天，那個時候研究星系的同行都回家了，根本沒有時間互相交流。”

1989年，斯蒂德爾憑借一項技術(shù)（該技術(shù)由斯蒂德爾在加州理工的導師華萊士·薩金特（Wallace Sargent）開創(chuàng)）在無法觀測到星系的距離上觀測到氣體。他收集了足夠多的證據(jù)表明：他在星系際介質(zhì)的外部，也就是各星系間發(fā)現(xiàn)了氣體。當然，其他人已經(jīng)作出這個發(fā)現(xiàn)。他還發(fā)現(xiàn)證據(jù)：位于不可見星系附近的氣體云展示出了曾經(jīng)位于星系內(nèi)部的痕跡，這就進一步把星系間的氣體直接和星系本身聯(lián)系在一起。當斯蒂德爾寫下博士論文的時候，他小心翼翼地把“星系際介質(zhì)”和“星系”這兩個詞都放到了標題里。他說：“從拿到學位的那一刻起，我的目標就成為把宇宙氣體和星系聯(lián)系到一起?！?/p>

2013年，當斯蒂德爾的學生格溫·魯?shù)希℅wen Rudie，現(xiàn)在在加利福尼亞帕薩迪納卡內(nèi)基天文臺工作）撰寫博士論文的時候，觀測技術(shù)已經(jīng)大幅發(fā)展，她在當年斯蒂德爾觀測到氣體云的距離上找到了此前不可見的星系。這些星系相當年輕，正在形成大量恒星，消耗氣體的速度很快。她還發(fā)現(xiàn)星系周圍的氣體，也就是環(huán)星系介質(zhì)中的氣體，要比星系際介質(zhì)氣體的平均密度大1 000倍。和其他天文學家一樣，魯?shù)弦舶l(fā)現(xiàn)了氣體從星系中流出的跡象。

時至今日，對宇宙氣體和星系的研究已經(jīng)緊密交織在一起。并且，對星系的研究普遍還包括對星系周圍及星系之間氣體的研究，畢竟星系誕生于氣體之中，且依靠氣體而生存。

星系際介質(zhì)：從氣體中產(chǎn)生星系

星系總是閃閃發(fā)光，但宇宙氣體卻很少閃爍。當氣體碰巧處于某些明亮天體（最出名的就是類星體，也就是內(nèi)核離我們極其遙遠又極度明亮的星系）前端并且吸收了后者的光時，我們才能看到它們。當天文學家分析抵達地球的星光時，這類氣體呈現(xiàn)為類星體光的光譜上的暗線。這些昏暗吸收線的分布模式包含了大量信息，比如氣體的年齡以及與我們之間的距離：這類氣體的距離比尋常星系要遠得多，而且時間也要早得多，卻依然可見。此外，光譜上攜帶的信息還能告訴我們氣體的化學組成、密度、溫度、是朝地球而來還是離地球而去，因此，在最近的50年中，類星體吸收線始終都是研究宇宙氣體的最佳方式之一。

類星體光譜中，最值得注意的是那些可以追溯到宇宙早期的昏暗吸收線群，這些吸收線緊密貼合在一起。當時科羅拉多大學博爾德分校的查爾斯·丹弗斯（Charles Danforth）說：“就像樹樁上的年輪，反應(yīng)了大爆炸之后不久的相關(guān)情況。”這些樹就叫作萊曼α森林，吸收星光的氣體是在萊曼α狀態(tài)間轉(zhuǎn)變的特殊氫——并且表明，宇宙年輕時充滿氫氣云。

華盛頓大學馬修·麥克昆因（Mathew McQuinn）在2016年的《天文學與天體物理學年評》（Annual Review of Astronomy and Astrophysics）中寫道：到20世紀90年代中葉，天文學家已經(jīng)逐漸理解萊曼α森林，也就是最早期星系間氣體（星系際介質(zhì)）的相關(guān)情況。星系際介質(zhì)很早之前就在宇宙中存在：在宇宙大約只有10億年的時候，萊曼α森林就開始出現(xiàn)。麥克昆因說：“從這個初始條件開始，在計算機中模擬萊曼α森林的發(fā)展情況，得到的結(jié)果和現(xiàn)在星系際介質(zhì)的實際狀況很像。”

星系內(nèi)和周圍的氣體

星系際介質(zhì)的含量占到了宇宙年輕時常規(guī)物質(zhì)的98%。“人們通常會覺得宇宙光彩奪目?！卑蜖柕哪臻g望遠鏡研究所（STScI）的莫利·皮波斯（Molly Peeples）說。但對類星體光譜吸收線的研究表明，恒星和星系之外的氣體中儲存了“宇宙中的大部分原子”。

不過，即便是在年輕的宇宙中，這些氣體也不是一模一樣。大多數(shù)氣體溫度比較低，大概在100K～1 000K之間。不過，星系際介質(zhì)的分散斑塊溫度就很高，能夠達到20 000K及以上，這是產(chǎn)生恒星、形成星系的標志。

此外，星系際介質(zhì)也不全是氫氣，還包含一些比氫重的元素。這些元素是在恒星爆炸和死亡時產(chǎn)生?？屏_拉多大學博爾德分校的邁克爾·沙爾（Michael Shull）說，星系際介質(zhì)“成塊”存在，引力會把密度稍低的氣體團拽到一起，形成更致密的氣體團。

加州大學河濱分校的安森·德阿洛伊西奧（Anson D'Aloisio）說，雖然有部分星系際介質(zhì)包含灼熱氣體，但總的來說，星系際介質(zhì)是在不斷冷卻，“這是因為宇宙在膨脹?！彪S著時間的推移，氣體總體上就會變得稀薄。加州大學圣克魯茲分校的杰森·普羅查斯卡（Jason Prochaska)說：“把到今天為止的所有類星體光譜放在一起比較，用肉眼就能發(fā)現(xiàn)萊曼α森林變稀薄了?！逼樟_查斯卡還表示，這些正在不斷冷卻并且日益稀薄的古老星系際介質(zhì)團塊的“性質(zhì)很好理解”，形成了星系何時、從何而來的可信畫卷。

環(huán)星系介質(zhì)：調(diào)控星系的生命周期

在類星體光譜數(shù)據(jù)中，萊曼α森林中的氫氣云最為稀薄，從化學角度上說最為純凈。在氫氣云之外，科學家還發(fā)現(xiàn)了其他氣體云，它們的密度更高并且包含更重的元素，這些元素就是天文學家口中的“金屬”——比如碳、氧、硅、鐵和鎂。天文學家推測：因為只有恒星才能生產(chǎn)這些金屬，而恒星又都處于星系之中，所以這些密度更高的富金屬氣體云一定與星系有某種形式的聯(lián)系。他們對上述這些不同類型的非氫氣云進行了分類：密度較高、金屬含量較高的氣體云叫作萊曼限制系統(tǒng)；而金屬含量更高且最為致密的氣體云則叫作阻尼萊曼α系統(tǒng)。 這個系統(tǒng)看上去像是逐漸演進的過程：從萊曼α森林到萊曼限制系統(tǒng)，再到阻尼萊曼α系統(tǒng)——氣體云更接近星系，與星系的關(guān)系更緊密。

這些觀點的最終證實需等待更靈敏的儀器和辛苦的工作（至少10年前已開始），系統(tǒng)性調(diào)查仍舊使用類星體吸收線。研究人員表明（不出大家所料），在逐漸成熟的宇宙中，如果萊曼α森林氣體是星系際介質(zhì)，那么萊曼限制系和阻尼萊曼α系就是環(huán)星系介質(zhì)。

其中一項調(diào)查：凱克重子結(jié)構(gòu)調(diào)查（Keck Baryonic Structure Survey，KBSS）始于斯蒂德爾和該機構(gòu)研究宇宙氣體和星系間聯(lián)系的任務(wù)。KBSS團隊挑選了15個最明亮的類星體，并在它們的吸收線中發(fā)現(xiàn)了5 000個星系的證據(jù)。該團隊在這些星系中搜尋110億年前—100億年前圍繞星系運動的氣體。這段時間在宇宙誕生幾十億年后，是恒星形成的爆發(fā)期——用天文學家的話來說，這段時間叫作“宇宙中午”。

另一項大型調(diào)查叫作COS-Halos，利用哈勃空間望遠鏡上搭載的宇宙起源光譜儀（Cosmic Origins Spectrograph，COS）。從本質(zhì)上說，COS-Halos和KBSS很相似，只不過，COS-Halos研究的是鄰近星系。這個項目從與我們相近的44個星系開始，既有仍在形成恒星的活躍星系，也有較為平靜的星系，它們周圍的氣體被類星體的光線穿透。

這些研究綜合考量了環(huán)星系介質(zhì)的密度、溫度和金屬豐度。環(huán)星系介質(zhì)氣體的密度要比星系際介質(zhì)氣體大1 000倍，溫度范圍也要廣得多，有些環(huán)星系介質(zhì)氣體要比星系際介質(zhì)氣體冷，還有一些則要熱很多，溫度可達10 000K～1 000 000K。另外，離宿主星系越近，氣體中的金屬含量越高。

類星體光譜中的昏暗吸收線代表著氣體云。我們可以通過分析這些吸收線，更好理解氣體的性質(zhì)及其與我們之間的距離。在高分辨率圖像中，各種波長的吸收線看上去就想一棵棵“樹”，并進而構(gòu)成了萊曼α森林

目前，學界對星系際介質(zhì)的終點和環(huán)星系介質(zhì)的起點并沒有形成統(tǒng)一觀點?！靶窍惦H介質(zhì)和環(huán)星系介質(zhì)現(xiàn)在還只是處于命名階段?！逼げㄋ拐f。

她的同事，同時也是STScI成員的杰森·塔姆林森（Jason Tumlinson）也附和說：“星系際介質(zhì)和環(huán)星系介質(zhì)之間的劃分都是人為的。無論怎么劃分，宇宙中都會有物質(zhì)跨越你設(shè)定的分界線。曾經(jīng)屬于星系際介質(zhì)的物質(zhì)會變成環(huán)星系介質(zhì)，而如今屬于環(huán)星系介質(zhì)的物質(zhì)也會回到星系際介質(zhì)狀態(tài)?！?/p>

也就是說，雖然星系際介質(zhì)和環(huán)星系介質(zhì)中的氣體會隨著時間以及與星系之間的距離的變化而變化，但無論怎么變，它都還是原來的氣體。而氣體在這兩種狀態(tài)之間切換（甚至還會通過某種方式在其他狀態(tài)間切換）的過程中，可以保持星系存活。普羅查斯卡說：“現(xiàn)在還有待研究的是有關(guān)星系際介質(zhì)如何為環(huán)星系介質(zhì)和星系供給能量的天體物理學?！?/p>

這種能量供應(yīng)的一種可能情景叫作星系循環(huán)，機制相對簡單：氣體落到星系中為恒星供能，接著又在恒星爆炸時噴出，然后又落回星系為更多恒星供能，如此循環(huán)。收集支持這種模式的相關(guān)證據(jù)是相當痛苦的過程，并且到目前為止也還沒排除其他供能模式的可能。落向星系的氣體流很難觀測到——它們就像狹窄的河流那樣流入星系——哪怕有些觀測者覺得自己看到了它們。

然而，加州大學圣巴巴拉分校的克里斯托·馬?。–rystal Martin）說：“氣體云流入的信號總是會和星系自身的信號重疊在一起?！币簿褪钦f，在星系背景下，我們很難觀測到這種氣體云的流入過程。

另一方面，觀測者普遍能夠探測到氣體的外流，大量含有重金屬的氣體會從星系中噴涌而出?！皬谋举|(zhì)上說，我們獲得的每一個正在形成恒星的星系的光譜，其實都含有吹出星系外的氣體風的證據(jù)?！濒?shù)险f。

沒人可以肯定究竟是什么驅(qū)動了這種外流的形成：或許是超新星爆發(fā)，或許是黑洞周圍的混亂區(qū)域拋射出的海量氣體物質(zhì)，又或許是灼熱恒星發(fā)出的恒星風。也沒人知道這些氣體是在所在星系和環(huán)星系介質(zhì)中循環(huán)還是在范圍更廣的星系際介質(zhì)中循環(huán)，這兩種情景目前都能找到證據(jù)支持。

不只是設(shè)想，而是獲得確鑿證據(jù)支持的情況是：在某些時間點上，星系會耗盡燃料和死亡，這個過程叫作“淬熄”。天文學家已經(jīng)知道了近20年，當斯隆數(shù)字巡天項目把星系分成兩大類以來，含有大量氣體并且正在“生產(chǎn)”恒星的星系呈藍色，而氣體含量較少及衰老恒星的星系呈紅色。絕大多數(shù)星系不是藍色就是紅色，幾乎沒有中間色。

如果星系不是生存就是死亡，如果它們的“死因”是為生產(chǎn)新恒星而耗盡了氣體，那就意味著無論星系是否死亡，它們都在快速消耗氣體。這個過程如何發(fā)生并不清楚。找到星系循環(huán)的證據(jù)很困難，找到淬熄機制的證據(jù)目前不可能。環(huán)星系介質(zhì)應(yīng)當有這類證據(jù)，但事實上，觀測使問題更棘手。

宇宙中有大量星系。這幅拼接而成的照片是哈勃空間望遠鏡拍攝的天爐座的一小部分。在過去50年中，位于星系之間的物質(zhì)已經(jīng)變得越發(fā)清晰。然而，對于這些宇宙氣體在星系內(nèi)外的循環(huán)模式以及最終消亡的方式，仍舊有許多問題等待解答

COS-Halos項目發(fā)現(xiàn)紅色、死亡星系周圍的氣體，引力將這些氣體束縛在星系，溫度在10 000K～100 000K之間，氣體已經(jīng)冷到足以落入星系中，但并沒有發(fā)生?？茖W家提出，可能有些物質(zhì)通過某種方式阻礙了下墜的氣體，或是其他物體在加熱氣體，導致后者太過活躍而不能落入星系。

無論答案究竟是什么，都會在環(huán)星系介質(zhì)中找到答案。COS-Halos項目成員、華盛頓大學杰西卡·韋克（Jessica Werk）正在開展一項研究，它能大幅增加可觀測紅色星系的數(shù)量，達到目前水平的10倍。她說：“許多問題歸結(jié)到：停止生產(chǎn)新恒星的星系發(fā)生了什么？上述情況在環(huán)星系介質(zhì)中的作用？”

星系再生

到目前為止，觀測者的發(fā)現(xiàn)還不能完整講述星系誕生、成長、死亡的故事。當然，講故事是理論家的工作，而在天文學領(lǐng)域中，理論總是以計算機模擬的形式出現(xiàn)。理論家已經(jīng)把引力、熱力學、發(fā)光的常規(guī)物質(zhì)以及不發(fā)光的暗物質(zhì)考慮在內(nèi)，讓模擬程序再現(xiàn)星系的演化過程。接著，他們把計算機模擬的星系和真實情況進行以下的比較：形態(tài)、恒星形成率、設(shè)想中的淬熄方法、氣體外流率、氣體流入證據(jù)、溫度、密度以及金屬豐度等。目前，模擬主要是在兩種尺度上進行，一是大型星系際尺度，二是較小的環(huán)星系尺度，還沒有模擬能夠兼顧這兩種尺度。

星系并非均勻分布在宇宙中，如果不了解宇宙氣體在其中扮演的角色，就無法了解星系的分布。這張圖展示的是某次模擬過程中的某個靜態(tài)圖像，它表現(xiàn)了宇宙中已經(jīng)確認的最大結(jié)構(gòu)之一，由星系、空洞和星系絲（叫作“超級長城”）組成的超星系團

這類模擬幫助天文學家詮釋了他們現(xiàn)在的觀測發(fā)現(xiàn)，也有助于他們提出新的解釋。例如，在理論家莫利·皮波斯的模擬結(jié)果中，遠超環(huán)星系介質(zhì)范圍的區(qū)域意外出現(xiàn)了金屬。因此，觀測者查爾斯·丹弗斯對自己在星系際介質(zhì)中發(fā)現(xiàn)了金屬的觀測結(jié)果可以稍微自信一些。

在模擬結(jié)果中，“低溫氣體落入星系是確定的。”克里斯托·馬丁說，但對如她這樣的觀測者不夠明顯。因此，她的小組特別注意搜尋環(huán)星系介質(zhì)中的低溫、低壓氣體，這些氣體移動足夠慢，有足夠的阻力，會以螺旋軌跡落入星系中。大多數(shù)模擬表明：星系際介質(zhì)含有溫度在溫暖至灼熱之間的氣體，稱為“WHIM”。目前還沒有觀測者確實觀測到這種星系際介質(zhì)。韋克說：“我熱愛模擬程序，它們是最棒的，但我不確定其模擬的宇宙是否真實?！?/p>

無論是否真實，這些模擬（已有數(shù)個模擬成果，由數(shù)個小組獨立完成）都最清晰描述了氣體如何產(chǎn)生星系，圖像非常華麗。模擬過程是這樣的：從2億歲的宇宙開始，也就是在星系和恒星形成之前，宇宙氣體一直在冷卻但仍舊非常熱，溫度約為100 000K，看上去就像分布得毫無規(guī)律的迷霧。宇宙中有些地方清明無物，有些地方則滿是厚重的濃霧。最終，在那些迷霧最厚的地方，形成了恒星。

當宇宙演化到5億歲時，仍在冷卻的氣體通過引力作用冷凝、疊加在一起，形成相對較薄的數(shù)層，接著，這些氣體層進一步狹長化，變成帶有“斑點”的細絲狀。各段狹長氣體絲之間的清明區(qū)域則會變得龐大、清澈。宇宙演化到大約10億歲時，這些細絲之間互相連接形成網(wǎng)絡(luò)。在宇宙大約15億歲的時候，垂死恒星產(chǎn)生的爆炸和沖擊波把氣體加熱到1 000萬K～1億K之間，這些龐大的白熱氣體會沿著細絲四處運動，并且在某些結(jié)點上堆積起來，形成星系。

宇宙20億歲的時候，星系中心的超大質(zhì)量黑洞和發(fā)生爆炸的更多恒星把大量沖擊波送入星系際介質(zhì)中。宇宙35億歲時的時候，不斷擴散的激波前沿出現(xiàn)了一些小型星系結(jié)。星系結(jié)中的星系會不斷吸收星系際氣體并將其轉(zhuǎn)化成自己的環(huán)星系介質(zhì)，接著再通過超新星爆發(fā)增添金屬物質(zhì)。

宇宙70億歲的時候，星系際介質(zhì)已經(jīng)顯著變?。核奈镔|(zhì)含量從95%下降到了80%。到宇宙100億歲的時候，星系和環(huán)星系介質(zhì)的金屬含量更多，而細絲的密度變得更大且仍舊保持著相當高的溫度，清明地區(qū)則變得更大、更空、更冷。

到了今天，也就是宇宙138億歲時，只有60%的氣體還以星系際介質(zhì)的形式存在，剩下的都變成了環(huán)星系介質(zhì)和星系物質(zhì)。各個星系點綴在空洞周圍，看上去就像一片漆黑的土地上散布的發(fā)光的城市和高速公路。

恒星把金屬噴灑到宇宙各處。這些金屬既分布在環(huán)星系介質(zhì)中，也分布在星系內(nèi)部，隨時準備再度形成恒星。新恒星與塵埃一道脫胎于含金屬的氣體中。它們的四周形成了原始行星盤。在盤上各處形成行星，其中之一就是我們的地球。韋克說：“我們體內(nèi)的每一個原子都經(jīng)過了星系際介質(zhì)和環(huán)星系介質(zhì)的循環(huán)?！币虼?，這段歷史就是一個故事，不僅關(guān)于星系，而且關(guān)于“我們的宇宙起源”。