星系的生命和呼吸

编译 乔琦

这幅图像展示的是银河系最大的伴星系大麦哲伦星云的某个区域，其中的气体散发出白色的光芒，为一处恒星诞生地所点亮。大多数宇宙气体都是不可见的，而且大都处于星系外部——也就是分布于星系晕和星系之间的巨大空隙中。然而，正是这些气体决定了星系的生命周期

科学家追踪气体随时间和空间的变化，探寻恒星群出生及死亡的方式。

天文学家对宇宙的大部分了解来自他们能够看到的东西，因此，他们的理论总是偏爱明亮的恒星和星系。然而，宇宙中的大部分常规物质都是以昏暗的气体形式存在的。称作星系际介质的气体充满星系间的空间；而环星系介质的气体则环绕在星系附近。这两个区域的气体管控星系诞生、成长和死亡，也详细记录了整个宇宙的历史。不过，直到近来，天文学家才探测到这些气体。

宇宙诞生不久就充满着气体，其中大部分是氢气。随着时间的推移，宇宙各处的引力将这些气体集聚到一起，形成气体云，气体云形成星系，而恒星就在星系中诞生。恒星通过气体的热核燃烧而发光，而那些在爆炸中死去的恒星中，一部分恒星把气体喷射回星系的外部。在星系间的空间的外部，气体因冷却而收缩，直到引力将其拽回星系，而新恒星又在星系中形成。这个过程周而复始：引力将气体凝聚成星系和恒星，恒星爆炸把气体喷出，引力拽回这些气体并形成新恒星。

随着时间的推移，任何星系开始耗尽可循环的气体。没有了这些气体，星系就无法产生新恒星，而年迈的恒星会走到生命的尽头，整个星系也会随之死亡。星系于气体中诞生，于气体中汲取养料，于气体中成长，不停吸入和排出气体，而星系的恒星也会不断燃烧，直到气体耗尽。

在星系内部，相对较为稠密的气体加速了恒星的诞生。稍外一些，环星系介质气体要稀薄一点，更外侧的星系际介质就更加稀薄。直到20世纪60年代，当天文学家开始收集气体过滤的遥远类星体的星光并进行光谱分析时，他们才能研究星系间的气体。而在最近的10年中，他们把注意力转向了环星系介质。

这只是理论。验证这些气体的问题在于：天文学家的设备很难探测到气体的踪迹，更不用说定位其来源和去向。随着仪器灵敏度的提高，再加上持之以恒的研究，天文学家现在掌握了更多信息。可靠证据表明，星系际介质富含气体，后者充满宇宙并形成星系。而环星系介质的不令人信服（有时令人疑惑）的证据表明，星系通过排出和吸入恒星的循环气体而生存。另外，对于星系气体耗尽、停止形成恒星和死亡的论点，天文学家只掌握了初步证据。

把气体和星系相联系

出现这种情况的部分原因在于，虽然气体和星系之间存在内在联系，但研究这两个领域的天文学家并没有互相交流。从历史上说，研究星系（相对容易观测）的天文学家与研究气体（相对较难观测）的天文学家是几乎没有交际的两拨人。加州理工学院研究气体的天文学家查尔斯·斯蒂德尔（Charles Steidel）说，科学会议总是“把我们安排在最后一天，那个时候研究星系的同行都回家了，根本没有时间互相交流。”

1989年，斯蒂德尔凭借一项技术（该技术由斯蒂德尔在加州理工的导师华莱士·萨金特（Wallace Sargent）开创）在无法观测到星系的距离上观测到气体。他收集了足够多的证据表明：他在星系际介质的外部，也就是各星系间发现了气体。当然，其他人已经作出这个发现。他还发现证据：位于不可见星系附近的气体云展示出了曾经位于星系内部的痕迹，这就进一步把星系间的气体直接和星系本身联系在一起。当斯蒂德尔写下博士论文的时候，他小心翼翼地把“星系际介质”和“星系”这两个词都放到了标题里。他说：“从拿到学位的那一刻起，我的目标就成为把宇宙气体和星系联系到一起。”

2013年，当斯蒂德尔的学生格温·鲁迪（Gwen Rudie，现在在加利福尼亚帕萨迪纳卡内基天文台工作）撰写博士论文的时候，观测技术已经大幅发展，她在当年斯蒂德尔观测到气体云的距离上找到了此前不可见的星系。这些星系相当年轻，正在形成大量恒星，消耗气体的速度很快。她还发现星系周围的气体，也就是环星系介质中的气体，要比星系际介质气体的平均密度大1 000倍。和其他天文学家一样，鲁迪也发现了气体从星系中流出的迹象。

时至今日，对宇宙气体和星系的研究已经紧密交织在一起。并且，对星系的研究普遍还包括对星系周围及星系之间气体的研究，毕竟星系诞生于气体之中，且依靠气体而生存。

星系际介质：从气体中产生星系

星系总是闪闪发光，但宇宙气体却很少闪烁。当气体碰巧处于某些明亮天体（最出名的就是类星体，也就是内核离我们极其遥远又极度明亮的星系）前端并且吸收了后者的光时，我们才能看到它们。当天文学家分析抵达地球的星光时，这类气体呈现为类星体光的光谱上的暗线。这些昏暗吸收线的分布模式包含了大量信息，比如气体的年龄以及与我们之间的距离：这类气体的距离比寻常星系要远得多，而且时间也要早得多，却依然可见。此外，光谱上携带的信息还能告诉我们气体的化学组成、密度、温度、是朝地球而来还是离地球而去，因此，在最近的50年中，类星体吸收线始终都是研究宇宙气体的最佳方式之一。

类星体光谱中，最值得注意的是那些可以追溯到宇宙早期的昏暗吸收线群，这些吸收线紧密贴合在一起。当时科罗拉多大学博尔德分校的查尔斯·丹弗斯（Charles Danforth）说：“就像树桩上的年轮，反应了大爆炸之后不久的相关情况。”这些树就叫作莱曼α森林，吸收星光的气体是在莱曼α状态间转变的特殊氢——并且表明，宇宙年轻时充满氢气云。

华盛顿大学马修·麦克昆因（Mathew McQuinn）在2016年的《天文学与天体物理学年评》（Annual Review of Astronomy and Astrophysics）中写道：到20世纪90年代中叶，天文学家已经逐渐理解莱曼α森林，也就是最早期星系间气体（星系际介质）的相关情况。星系际介质很早之前就在宇宙中存在：在宇宙大约只有10亿年的时候，莱曼α森林就开始出现。麦克昆因说：“从这个初始条件开始，在计算机中模拟莱曼α森林的发展情况，得到的结果和现在星系际介质的实际状况很像。”

星系内和周围的气体

星系际介质的含量占到了宇宙年轻时常规物质的98%。“人们通常会觉得宇宙光彩夺目。”巴尔的摩空间望远镜研究所（STScI）的莫利·皮波斯（Molly Peeples）说。但对类星体光谱吸收线的研究表明，恒星和星系之外的气体中储存了“宇宙中的大部分原子”。

不过，即便是在年轻的宇宙中，这些气体也不是一模一样。大多数气体温度比较低，大概在100K～1 000K之间。不过，星系际介质的分散斑块温度就很高，能够达到20 000K及以上，这是产生恒星、形成星系的标志。

此外，星系际介质也不全是氢气，还包含一些比氢重的元素。这些元素是在恒星爆炸和死亡时产生。科罗拉多大学博尔德分校的迈克尔·沙尔（Michael Shull）说，星系际介质“成块”存在，引力会把密度稍低的气体团拽到一起，形成更致密的气体团。

加州大学河滨分校的安森·德阿洛伊西奥（Anson D'Aloisio）说，虽然有部分星系际介质包含灼热气体，但总的来说，星系际介质是在不断冷却，“这是因为宇宙在膨胀。”随着时间的推移，气体总体上就会变得稀薄。加州大学圣克鲁兹分校的杰森·普罗查斯卡（Jason Prochaska)说：“把到今天为止的所有类星体光谱放在一起比较，用肉眼就能发现莱曼α森林变稀薄了。”普罗查斯卡还表示，这些正在不断冷却并且日益稀薄的古老星系际介质团块的“性质很好理解”，形成了星系何时、从何而来的可信画卷。

环星系介质：调控星系的生命周期

在类星体光谱数据中，莱曼α森林中的氢气云最为稀薄，从化学角度上说最为纯净。在氢气云之外，科学家还发现了其他气体云，它们的密度更高并且包含更重的元素，这些元素就是天文学家口中的“金属”——比如碳、氧、硅、铁和镁。天文学家推测：因为只有恒星才能生产这些金属，而恒星又都处于星系之中，所以这些密度更高的富金属气体云一定与星系有某种形式的联系。他们对上述这些不同类型的非氢气云进行了分类：密度较高、金属含量较高的气体云叫作莱曼限制系统；而金属含量更高且最为致密的气体云则叫作阻尼莱曼α系统。 这个系统看上去像是逐渐演进的过程：从莱曼α森林到莱曼限制系统，再到阻尼莱曼α系统——气体云更接近星系，与星系的关系更紧密。

这些观点的最终证实需等待更灵敏的仪器和辛苦的工作（至少10年前已开始），系统性调查仍旧使用类星体吸收线。研究人员表明（不出大家所料），在逐渐成熟的宇宙中，如果莱曼α森林气体是星系际介质，那么莱曼限制系和阻尼莱曼α系就是环星系介质。

其中一项调查：凯克重子结构调查（Keck Baryonic Structure Survey，KBSS）始于斯蒂德尔和该机构研究宇宙气体和星系间联系的任务。KBSS团队挑选了15个最明亮的类星体，并在它们的吸收线中发现了5 000个星系的证据。该团队在这些星系中搜寻110亿年前—100亿年前围绕星系运动的气体。这段时间在宇宙诞生几十亿年后，是恒星形成的爆发期——用天文学家的话来说，这段时间叫作“宇宙中午”。

另一项大型调查叫作COS-Halos，利用哈勃空间望远镜上搭载的宇宙起源光谱仪（Cosmic Origins Spectrograph，COS）。从本质上说，COS-Halos和KBSS很相似，只不过，COS-Halos研究的是邻近星系。这个项目从与我们相近的44个星系开始，既有仍在形成恒星的活跃星系，也有较为平静的星系，它们周围的气体被类星体的光线穿透。

这些研究综合考量了环星系介质的密度、温度和金属丰度。环星系介质气体的密度要比星系际介质气体大1 000倍，温度范围也要广得多，有些环星系介质气体要比星系际介质气体冷，还有一些则要热很多，温度可达10 000K～1 000 000K。另外，离宿主星系越近，气体中的金属含量越高。

类星体光谱中的昏暗吸收线代表着气体云。我们可以通过分析这些吸收线，更好理解气体的性质及其与我们之间的距离。在高分辨率图像中，各种波长的吸收线看上去就想一棵棵“树”，并进而构成了莱曼α森林

目前，学界对星系际介质的终点和环星系介质的起点并没有形成统一观点。“星系际介质和环星系介质现在还只是处于命名阶段。”皮波斯说。

她的同事，同时也是STScI成员的杰森·塔姆林森（Jason Tumlinson）也附和说：“星系际介质和环星系介质之间的划分都是人为的。无论怎么划分，宇宙中都会有物质跨越你设定的分界线。曾经属于星系际介质的物质会变成环星系介质，而如今属于环星系介质的物质也会回到星系际介质状态。”

也就是说，虽然星系际介质和环星系介质中的气体会随着时间以及与星系之间的距离的变化而变化，但无论怎么变，它都还是原来的气体。而气体在这两种状态之间切换（甚至还会通过某种方式在其他状态间切换）的过程中，可以保持星系存活。普罗查斯卡说：“现在还有待研究的是有关星系际介质如何为环星系介质和星系供给能量的天体物理学。”

这种能量供应的一种可能情景叫作星系循环，机制相对简单：气体落到星系中为恒星供能，接着又在恒星爆炸时喷出，然后又落回星系为更多恒星供能，如此循环。收集支持这种模式的相关证据是相当痛苦的过程，并且到目前为止也还没排除其他供能模式的可能。落向星系的气体流很难观测到——它们就像狭窄的河流那样流入星系——哪怕有些观测者觉得自己看到了它们。

然而，加州大学圣巴巴拉分校的克里斯托·马丁（Crystal Martin）说：“气体云流入的信号总是会和星系自身的信号重叠在一起。”也就是说，在星系背景下，我们很难观测到这种气体云的流入过程。

另一方面，观测者普遍能够探测到气体的外流，大量含有重金属的气体会从星系中喷涌而出。“从本质上说，我们获得的每一个正在形成恒星的星系的光谱，其实都含有吹出星系外的气体风的证据。”鲁迪说。

没人可以肯定究竟是什么驱动了这种外流的形成：或许是超新星爆发，或许是黑洞周围的混乱区域抛射出的海量气体物质，又或许是灼热恒星发出的恒星风。也没人知道这些气体是在所在星系和环星系介质中循环还是在范围更广的星系际介质中循环，这两种情景目前都能找到证据支持。

不只是设想，而是获得确凿证据支持的情况是：在某些时间点上，星系会耗尽燃料和死亡，这个过程叫作“淬熄”。天文学家已经知道了近20年，当斯隆数字巡天项目把星系分成两大类以来，含有大量气体并且正在“生产”恒星的星系呈蓝色，而气体含量较少及衰老恒星的星系呈红色。绝大多数星系不是蓝色就是红色，几乎没有中间色。

如果星系不是生存就是死亡，如果它们的“死因”是为生产新恒星而耗尽了气体，那就意味着无论星系是否死亡，它们都在快速消耗气体。这个过程如何发生并不清楚。找到星系循环的证据很困难，找到淬熄机制的证据目前不可能。环星系介质应当有这类证据，但事实上，观测使问题更棘手。

宇宙中有大量星系。这幅拼接而成的照片是哈勃空间望远镜拍摄的天炉座的一小部分。在过去50年中，位于星系之间的物质已经变得越发清晰。然而，对于这些宇宙气体在星系内外的循环模式以及最终消亡的方式，仍旧有许多问题等待解答

COS-Halos项目发现红色、死亡星系周围的气体，引力将这些气体束缚在星系，温度在10 000K～100 000K之间，气体已经冷到足以落入星系中，但并没有发生。科学家提出，可能有些物质通过某种方式阻碍了下坠的气体，或是其他物体在加热气体，导致后者太过活跃而不能落入星系。

无论答案究竟是什么，都会在环星系介质中找到答案。COS-Halos项目成员、华盛顿大学杰西卡·韦克（Jessica Werk）正在开展一项研究，它能大幅增加可观测红色星系的数量，达到目前水平的10倍。她说：“许多问题归结到：停止生产新恒星的星系发生了什么？上述情况在环星系介质中的作用？”

星系再生

到目前为止，观测者的发现还不能完整讲述星系诞生、成长、死亡的故事。当然，讲故事是理论家的工作，而在天文学领域中，理论总是以计算机模拟的形式出现。理论家已经把引力、热力学、发光的常规物质以及不发光的暗物质考虑在内，让模拟程序再现星系的演化过程。接着，他们把计算机模拟的星系和真实情况进行以下的比较：形态、恒星形成率、设想中的淬熄方法、气体外流率、气体流入证据、温度、密度以及金属丰度等。目前，模拟主要是在两种尺度上进行，一是大型星系际尺度，二是较小的环星系尺度，还没有模拟能够兼顾这两种尺度。

星系并非均匀分布在宇宙中，如果不了解宇宙气体在其中扮演的角色，就无法了解星系的分布。这张图展示的是某次模拟过程中的某个静态图像，它表现了宇宙中已经确认的最大结构之一，由星系、空洞和星系丝（叫作“超级长城”）组成的超星系团

这类模拟帮助天文学家诠释了他们现在的观测发现，也有助于他们提出新的解释。例如，在理论家莫利·皮波斯的模拟结果中，远超环星系介质范围的区域意外出现了金属。因此，观测者查尔斯·丹弗斯对自己在星系际介质中发现了金属的观测结果可以稍微自信一些。

在模拟结果中，“低温气体落入星系是确定的。”克里斯托·马丁说，但对如她这样的观测者不够明显。因此，她的小组特别注意搜寻环星系介质中的低温、低压气体，这些气体移动足够慢，有足够的阻力，会以螺旋轨迹落入星系中。大多数模拟表明：星系际介质含有温度在温暖至灼热之间的气体，称为“WHIM”。目前还没有观测者确实观测到这种星系际介质。韦克说：“我热爱模拟程序，它们是最棒的，但我不确定其模拟的宇宙是否真实。”

无论是否真实，这些模拟（已有数个模拟成果，由数个小组独立完成）都最清晰描述了气体如何产生星系，图像非常华丽。模拟过程是这样的：从2亿岁的宇宙开始，也就是在星系和恒星形成之前，宇宙气体一直在冷却但仍旧非常热，温度约为100 000K，看上去就像分布得毫无规律的迷雾。宇宙中有些地方清明无物，有些地方则满是厚重的浓雾。最终，在那些迷雾最厚的地方，形成了恒星。

当宇宙演化到5亿岁时，仍在冷却的气体通过引力作用冷凝、叠加在一起，形成相对较薄的数层，接着，这些气体层进一步狭长化，变成带有“斑点”的细丝状。各段狭长气体丝之间的清明区域则会变得庞大、清澈。宇宙演化到大约10亿岁时，这些细丝之间互相连接形成网络。在宇宙大约15亿岁的时候，垂死恒星产生的爆炸和冲击波把气体加热到1 000万K～1亿K之间，这些庞大的白热气体会沿着细丝四处运动，并且在某些结点上堆积起来，形成星系。

宇宙20亿岁的时候，星系中心的超大质量黑洞和发生爆炸的更多恒星把大量冲击波送入星系际介质中。宇宙35亿岁时的时候，不断扩散的激波前沿出现了一些小型星系结。星系结中的星系会不断吸收星系际气体并将其转化成自己的环星系介质，接着再通过超新星爆发增添金属物质。

宇宙70亿岁的时候，星系际介质已经显著变薄：它的物质含量从95%下降到了80%。到宇宙100亿岁的时候，星系和环星系介质的金属含量更多，而细丝的密度变得更大且仍旧保持着相当高的温度，清明地区则变得更大、更空、更冷。

到了今天，也就是宇宙138亿岁时，只有60%的气体还以星系际介质的形式存在，剩下的都变成了环星系介质和星系物质。各个星系点缀在空洞周围，看上去就像一片漆黑的土地上散布的发光的城市和高速公路。

恒星把金属喷洒到宇宙各处。这些金属既分布在环星系介质中，也分布在星系内部，随时准备再度形成恒星。新恒星与尘埃一道脱胎于含金属的气体中。它们的四周形成了原始行星盘。在盘上各处形成行星，其中之一就是我们的地球。韦克说：“我们体内的每一个原子都经过了星系际介质和环星系介质的循环。”因此，这段历史就是一个故事，不仅关于星系，而且关于“我们的宇宙起源”。