谁电离了星系之间的气体？

□ 比萨高等师范学校 岳 斌

谁电离了星系之间的气体？

□ 比萨高等师范学校 岳 斌

莱曼α谱线观测下的宇宙丛林（图片来源：APOD）

星系之间并非虚空，而是充满了电离的气体，它们密度很低，总量却不少。天文学家一般认为这些气体是被星系和类星体发出的光所电离的，然而最近的一项研究却表明：仅靠星系和类星体提供的光，并不足以把星系际气体电离到我们现在看到的这种程度。那么，额外的光子是哪里来的？答案尚不为人所知。

宇宙里的 “气体”

对人类而言，星系是一种巨大无比的存在，然而就整个宇宙来说，它们只是扮演了“分子”的角色。这些“分子”之间的空间里充满着弥散的气体，这些气体被称为“星系际介质”（intergalactic medium）。星系际介质的密度很低，平均来说每几个立方米才有一个原子。其主要成分为氢，其次是氦。按照原子的数目来说，氢占了90%，按照质量来说则占了70%。

在我们今天的宇宙中，绝大多数星系际介质处于电离状态，这是因为星系发出了大量的电离光子，这些光子一旦碰到中性的原子就会把它电离。同时，由于星系际介质本身密度很低，原子核碰到自由电子并复合的概率不高。因此，大多数原子一旦被电离就只能一直保持这种状态。

图1 宇宙中暗物质的分布在大尺度上呈纤维状结构，纤维交叉的节点为暗物质晕，我们看到的星系就位于这些暗物质晕内，在大尺度上，气体的分布也具有类似的结构。顺便一提，气体跟暗物质不同的一点是，气体具有压强，能抵抗引力的作用，因此仅靠自身引力的话其结构增长会很慢，若非暗物质“帮忙”，今天的星系大多根本来不及形成。（图片来源：http://www．mpa-garching．mpg．de/galform/millennium/seqD_063a_half．jpg）

星系际介质的分布相当不均匀，这是宇宙结构演化的结果。宇宙中的结构是朝着越来越复杂的方向演化的，早期宇宙中的物质分布比较均匀，只有微小的密度涨落。随着时间的流逝，这些涨落在引力的作用下逐渐放大：密度高的区域会聚集越来越多的物质，最终成为星系诞生之地；密度低的区域物质会越来越少，成为空洞状的结构。

宇宙的成分包括暗能量、暗物质和重子物质，重子物质也被称为“气体”，前面说到的星系际介质就是气体的一部分。引力在对暗物质和气体作用时“一视同仁”，但是宇宙中的暗物质远比气体多，在宇宙的演化过程中，气体实际上是被暗物质“裹挟”进它的引力势阱中，因而在大尺度上大致遵从与暗物质相似的分布——在暗物质结团的地方，气体也会聚集成团。

莱曼α森林

如果把宇宙看作一片大海，发光的星系犹如海上的岛屿，这些气体团块就如暗礁一般，它们不发光，很难被直接看到。不过，当一束来自远处类星体的光线穿过气体团块时，光线中的莱曼α光子会被气体团块里的中性氢原子散射而改变传播方向，无法被观测者接收到。上述过程带来的现象，就是在这个类星体的连续谱位于莱曼α光子的位置上会出现一条吸收线。

超链接：

能量为11.2电子伏特的光子被称为莱曼α光子，这个能量是氢原子基态和第一激发态之间的能量差。当一个莱曼α光子经过一个处于基态的氢原子时，原子中的电子会吸收这个光子，获得它的能量，并跃迁到更高的能级上去。此时的氢原子处于第一激发态，这种状态很不稳定，电子会很快失去能量并重新跃迁回基态。失去的能量以光子的形式辐射出来，其能量还是11.2电子伏特，但是这个新产生的莱曼α光子的传播方向是随机的。整体看来这个过程没有改变光子的能量，只是改变了其传播方向，因此是一个散射过程。

图2 莱曼α森林示意图，右侧为提供连续谱的类星体，它下面的峰是它自己发出的莱曼α发射线。莱曼α森林应该在这条发射线的左侧，也就是向波长更短的方向去寻找。（图片来源：http://blackholeswithrevelations．files．wordpress．com/2013/09/lymanalphaforest．jpg）

由于宇宙膨胀，类星体发出的不同能量的光，只要其在发出时的能量高于11.2电子伏特，在传播一定距离之后都会红移成莱曼α光子，从而被对应位置处的中性氢原子散射。因此若观测者跟类星体之间有多个气体团块，连续谱上就会出现多个吸收线，甚至密如林木，这种现象被称为莱曼α森林。利用这一原理，并且考虑到莱曼α吸收强度跟气体团块的中性氢柱密度的相关性，人们就可以利用远处类星体的连续谱测出该天体跟观测者之间的中性气体团块的数量、位置以及每个团块里的中性氢的柱密度。

通过类星体吸收线测到的气体团块大致可以分为三类：

第1类

被称为莱曼α吸收云，这是一些密度较低而体积较大的气体团块。由于密度低，电离光子可以直接到达团块内部，整个团块处于电离平衡的状态，这是一种较为简单的物理状态。这类团块数量最多。

第2类

被称为莱曼极限系统，这类团块密度高，能量较低的电离光子被阻挡在团块外面。不过一般而言，莱曼极限系统内的大部分气体依然是电离的，因为能量更高的电离光子依然可以穿透外面的气体进入其内部。莱曼极限系统可能是一些位于质量较小的暗物质晕内的气体，这些气体并不能形成恒星；也可能是一些正沿着纤维状结构流入星系内部的冷气体。

第3 类

被称为阻尼莱曼α系统，这是一些正在形成过程中的星系，其气体密度很高，不仅能将莱曼α光子全部散射掉，部分能量在11.2电子伏特附近的光子也被散射，从而在连续谱上留下很宽的、具有特定轮廓的吸收区。

新危机，新挑战

宇宙结构演化中形成了一大堆的中性气体团块，电离辐射则对这些团块坯子进行雕蚀，大部分被电离，小部分保持中性。这两个过程会互相影响，一方面被电离的气体更难结团，另一方面结团后的气体更难被电离。莱曼α吸收云的物理状态较为简单，是一种理想的测量工具。通过测量莱曼α吸收云，结合宇宙结构演化的理论，天文学家即可得知电离辐射强度的演化。事实上，对于较早时候的宇宙，人们之前已经做过这类研究，结果没有问题。然而，最近科尔迈尔（Kollmeier）等人研究了现在的宇宙，他们却发现了危机！（The Photon Underproduction Crisis，原文请查阅2014ApJ...789L..32K）

为了得到准确且直观的气体结构分布，科尔迈尔等人选择了数值模拟，这是一种主流方法，模拟程序采用的是已被广泛认可的算法。他们在模拟中使用了目前最完善的、来自于星系和类星体的电离辐射强度，最终得到了气体的密度、电离度、温度、速度等的三维分布场。然后，他们随机选择了2500个方向，假设每个方向上有一个类星体，其连续谱每经过一处莱曼α吸收云，就会得到一条吸收线。这样他们就得到了2500条模拟的光谱，每条光谱上都有很多莱曼α吸收线。他们用处理真实光谱的方法来处理这些模拟光谱，还原模拟中气体的柱密度分布。

然而结果让人吃惊，他们发现数值模拟给出的莱曼α吸收云的数量约为实际观测的3倍；为了得出跟观测一致的数量分布，需要人为地把电离辐射强度放大5倍。如果真是这样，那大多数电离光子的来源是什么？为什么这些源隐藏地这么好，以至于之前从未被人发现或者想到？

宇宙的电离辐射主要来自于星系和类星体，然而，上面的矛盾不能通过简单地增加星系或者类星体的辐射而解决。要知道，他们采用的电离辐射强度本身就是从跟观测的比对中得来的，对于较早期的宇宙，这些数据跟观测符合得很好。对于星系而言，其不确定性可能来自电离光子的逃逸概率。星系内部有中性气体且密度较高，因此恒星发出的电离光子中，通常只有一小部分可以逃逸出来并电离周围的气体。通过尝试，他们发现要使模拟给出跟观测一样多的莱曼α吸收云，平均来说需要15%的电离光子从星系中逃逸出来。这么高的比率难以被人接受，因为通过直接测量星系，人们发现这个比率一般只能到百分之几。而对于类星体，长期以来人们对其产生的电离辐射并没有多大争议，差别不超过一倍。增加类星体电离辐射的同时其X射线也会增加，这会跟观测的X射线背景产生矛盾。

在科学上，危机往往令人兴奋，因为这可能是新物理或者新事物的征兆。是谁在默默地为宇宙提供电离光子？或者，也许根本就不需要那么多的电离光子，只是人们弄错了气体的结构？科尔迈尔等人在文章里提出了问题，答案，或许在后来者那里。