星系的生命和呼吸：气体与星系的生死

你身体里的每一个原子，都在星系际介质和环星系介质中循环往复。所以，这段历史不仅是关于星系的故事，也是一个关于我们起源的故事。

/Ann Finkbeiner

译/geekFox

原 /www.knowablemagazine.org/article/physical-world2019/intergalactic-medium-gas-galaxy/

ESA/HST/NASA

天 学家对宇宙的了解，大多来自他们能看到的东西。所以他们的观测一直对恒星和星系有所偏差：更倾向看到明亮的星系。但宇宙中的大部分常规物质都以气体的形式存在，而气体的光芒是暗弱的。被称为星系际介质（intergalactic medium, IGM）的气体填满了星系之间的空间；环星系介质（circumgalactic medium, CGM）的气体更紧密地包围着星系。这两个地方的气体调节着星系的诞生、生死，保存着宇宙的详细历史。直到最近，天 学家才有能力探测到它。

宇宙诞生后不久，就充满了气体，主要是氢气。随着时间的推移，引力将气体聚集云，变成星系，并在其中将恒星点燃，恒星通过气体的热核燃烧而发光。那些死于爆炸的恒星，有些会把气体吹到星系外。在星系外，气体逐渐冷却并变得更加密集，直到引力将其拉回星系，在那里形成新的恒星。这个过程不断重复：引力将气体凝结成星系和恒星，恒星炸开，将气体踢出，引力又将冷却后的气体拉回星系，形成新的恒星。

随着时间的推移，任何一个星系都会开始耗尽可回收的气体。没有了气体，它就无法形成新的恒星，年老的恒星走到生命尽头后死去，最终星系也会死去。星系沐浴在气体中，使它们诞生，使它们燃烧。星系吸入气体而又呼出，恒星燃烧它们，直到气体全部消失。

图中显示了一个典型的旋涡星系的IGM、CGM和气体流出和流入的大致位置。类星体发出的光穿过星系周围的气体光晕，可以被天 学家分析研究宇宙气体。直到20世纪60年代，天 学家还无法研究星系间的气体，从那时起他们开始收集来自遥远的类星体的、通过IGM的光，并进行光谱分析。在过去的十年里，他们把研究的重点转向了CGM。 J. Tumlinson et al. ARA&A, 2017/M, Kornmesser, ESO

以上只是理论，它之所以难以证实，在于早期天 学家的仪器几乎无法探测到气体，更不用说绘制出气体的来去轨迹。有了更灵敏的仪器和更多观测之后，很多证据表明，星系间的介质中含有丰富的气体，这些气体充斥着宇宙，并孕育着星系。但是，星系际介质中关于“回收恒星产生的气体并再造恒星”的证据则不那么令人信服，目前只有初步证据支持“星系耗尽气体、停止形成恒星并死亡”的论点。

将气体和星系连接起来

问题的部分原因在于，虽然星系和气体有内在的联系，但两个领域的科学家交流却甚少。从历史上看，研究星系的天 学家与研究气体的天 学家处于独立的群体中，后者的研究难度更大。研究气体的加州理工学院的Charles Steidel说，科学会议的安排者们会 "把我们安排在最后一天，当星系的人回家的时候，我们还没来得及告诉他们宇宙的其他部分。"

1989年，Steidel使用了一种技术（由他在加州理工学院的导师Wallace Sargent首创），可以在星系无法看到的距离上观察到气体。他收集到了足够的证据，证明他和其他人一样，在星系际介质中发现了星系之间的气体。他还发现了证据，证明在那些看不见的星系附近的气体云，显示出曾经在星系内部的迹象，进一步将星系之间的气体与星系本身联系起来。在写博士论 时，他小心翼翼地把 "星系间的介质"和 "星系 "都写在了题目里。"一旦我完成了我的学位，"他说，"我的目标就是把星系与气体连接起来。"

到2013年，当Steidel的学生Gwen Rudie，现在在加州帕萨迪纳（Pasadena）的卡内基天 台，写下自己的博士论 时，观测技术已经有了足够的改进，在与Steidel的气体云相同的距离上，她可以找到以前看不见的星系。这些星系都很年轻，正在疯狂地形成恒星，并快速地使用气体。她发现，CGM中紧靠这些星系周围的气体，比星系际介质中气体的平均密度要高一千倍；和其他星系一样，她也发现了气体从星系中流出的迹象。

到了现在，气体和星系已经有了千丝万缕的联系，现在对星系的研究通常包括对星系周围和星系之间的气体的研究，它们由气体产生，也靠气体生存的。

星系际介质：用气体制造星系

星系发光，气体几乎不发光。当气体坐在明亮的东西面前——最明显的是类星体（quasar），也就是极其遥远和异常明亮的星系的核心——并吸收它的光时，气体就会变得可见。天 学家分析到达地球的光线时，这些气体在类星体光的光谱中以暗线的形式出现。暗色吸收线的图案包含了大量令人惊讶的信息，包括气体的距离（以及年龄）。类星体比普通星系的距离要远得多，因此常常比正常星系更古老。由于光谱还能揭示气体的化学成分、密度、温度和视向速度，因此在过去的50年里，类星体吸收线研究一直是研究宇宙气体的最佳方法之一。

在类星体的光谱中，最明显的是暗吸收线，它们的距离可以追溯到早期宇宙，并且紧密地聚集在一起，当时在科罗拉多大学博尔德分校（University of Colorado, Boulder）的 Charles Danforth说，"就像撞击到森林中的树干，嘣，嘣，嘣，嘣，嘣"。这些树木被称为“莱曼α森林”（Lyman alpha forest）——吸收光线的气体是氢气，从基态跃迁到Lyman α态而吸收能量，它显示出一个充满氢云的年轻宇宙。

到了20世纪90年代中期，华盛顿大学的Matthew McQuinn在2016年的《天 学和天体物理学年度评论》（ARA&A）中写道，天 学家们已经把莱曼α森林理解为最早的星系之间的气体——星系际介质。莱曼 α森林开始于宇宙大约诞生10亿年的时候。McQuinn说，在模拟中 "向后推演莱曼α森林，看起来就像今天的星系际介质。"

Keck高分辨光谱仪拍摄的类星体光的光谱图上的暗吸收线。气体云在类星体光的光谱上以暗吸收线的形式出现，通过分析这些暗吸收线可以更好地了解气体的距离和性质。在高分辨率下，特定波长范围内的吸收线，就像一棵棵“树”，因而得名为“莱曼α森林”。 Womble et al. 1996/M. rauch, ARA&A, 1998

年轻宇宙的星系际介质占其常规物质的98%。"人们通常认为宇宙就是那些会发光的东西，"巴尔的摩（Baltimore）太空望远镜科学研究所(STSCI)的Molly Peeple说，但类星体吸收线研究显示，在恒星和星系外的气体中，"是宇宙的大部分组成"。

不过，即便是在年轻的宇宙中，气体也不均匀。大部分是冷的，在100到1000开尔 之间。但星系际介质中零星的斑块是热的，达到20000开尔 或更高——这是恒星诞生和星系形成的证据。

星系间介质也不是纯氢：它含有少量比氢更重的元素，是恒星爆炸和死亡时产生的。科罗拉多大学博尔德分校的Michael Shull说，星系间的介质是 "块状的"，引力把稍密集的气体拉成更密集的团块。

加州大学河滨分校的Anson D'Aloisio说，尽管有大量的热气体，但星系际介质总体上还是在冷却，"因为宇宙正在膨胀。"随着时间的推移，气体也变薄了。加州大学圣克鲁斯分校的Jason Prochaska说 "到今这一时刻，"加州大学圣克鲁斯分校的Jason Prochaska说，"光谱中可以发现森林变薄了。"

Prochaska说，这种古老的、块状的、冷却的、稀薄的星系际介质，"是已经很好地被天 学家所理解"，它对星系何时以及如何产生有着令人信服的描述。

天 学家兼观测员Jessica Werk描述了星系从早期宇宙中的气体到现在的演化过程，重点介绍了气体在推动星系生命周期中的作用。加州理工学院的Philip Hopkins提供FIRE项目的模拟图，显示了气体和星系随着时间的推移而变化。 Knowable Magazine

环星系介质：控制星系的生命

在类星体光谱数据中，莱曼α森林的氢云只是最稀薄的、化学成分最纯的。科学家们还发现了其他的云层，这些云层的密度更大，布满了更重的元素，天 学家称之为金属——比如碳、氧、硅、铁和镁。天 学家们推断，由于这些金属只有恒星才能制造，而且所有的恒星都在星系中，那么这些富含金属、密度较高的云层一定与星系有一定的关联。他们把这些云的类型分为一个小动物园：更稠密、金属性更强的云被称为莱曼极限系统（Lyman limit systems），而金属性更强、最稠密的云被称为阻尼莱曼α系统（damped Lyman alpha systems）。这些系统看起来就像一个演化过程——从莱曼α森林到莱曼极限系统再到阻尼莱曼α系统——这些气体越来越接近星系并与星系有更密切的联系。

这些想法的确认必须等待更敏感的仪器。不过，至少在10年前，从使用类星体吸收线的艰苦观测开始。研究人员就认为（不令人意外地）：在成熟的宇宙中，如果莱曼α森林气体是IGM，那么莱曼极限和阻尼莱曼α系统就是CGM。

有一项巡天，即Keck重子结构巡天（Keck Baryonic Structure Survey, KBSS），是由Steidel和同伴们的“气体与星系关系”的任务发展而来。KBSS团队选择了15颗最亮的类星体，在其吸收线中发现了5000个星系的证据。在这些星系中，该团队寻找100亿到110亿年前的星系周围的气体。在宇宙开始后的几十亿年后，这是一个恒星疯狂形成的时期——天 学家称之为"宇宙正午"（cosmic noon）。

另一项大型巡天，是利用哈勃太空望远镜上的宇宙起源光谱仪（Cosmic Origins Spectrograph, COS）进行的，被称为COS-Halos。COS-Halos本质上是针对附近星系的KBSS；它首先对44个本地星系进行了观测——包括仍在形成恒星的活跃星系和静止的星系，它们周围的气体都被类星体的光线穿透。

这些巡天项目一起，对星系周围星系介质的密度、温度和金属性进行了总体确认。星系周气体的密度是星系际介质中气体的1000倍，温度从比星系际介质更冷到更热，从1万到100万开尔 不等。而且越靠近宿主星系，气体的金属性越强。

哈勃超深场（Hubble Ultra Deep Field），是由哈勃太空望远镜从2003年9月3日到2004年1月16日期间积累的数据合成的天炉座（Fornax）一个小空间区域的图像。选择这片星系所处的天空，是因为它的近场中明亮的恒星密度较低。在过去的50年里，星系之间的介质的性质已经变得逐渐清晰。但关于气体是如何在星系之间循环进出的，以及星系最终是如何熄灭的，仍有许多未获回答。 NASA/ESA

IGM的末端和CGM的起始，并不一致。"这是其定义造成的。"Peeples说。

她在STSCI的同事Jason Tumlinson，他表示赞同。"关于边界的争论都是人为的。自然界有跨越任何你能设定的边界的东西。曾经在IGM中的东西会出现在CGM中，而CGM中的东西会回到IGM中。"

也就是说，虽然星系际和环星系的气体随着时间的推移和星系的接近而改变，但它仍然是同一种气体。而这两者之间流动，不知为何，它让星系保持着活力。"还未被理解的是，"Prochaska说，"星系际介质如何为环星系介质和星系提供燃料。"

这种燃料流（fueling flow）的一种可能假说，叫做星系循环（galactic recycling），它很简单：气体落入星系，为恒星提供燃料，然后被吹回，再落回星系，为更多的恒星提供燃料。收集证据来支持这个方案很困难，到目前为止还没有定论。坠落的气体流是很难看到的——它们以狭窄的流的形式进入星系，尽管一些观测者认为他们已经看到了。

加州大学圣巴巴拉分校的Crystal Martin说，"气体流入（inflow）的信号往往与星系本身的信号重叠，"也就是说，在星系的衬托下，流入的气体流可能很难看到。

另一方面，观测者通常会探测到外流（outflow），即富含金属的气体从星系中大范围地流出。"基本上我们对恒星形成星系拍摄的每一个光谱都有风从星系吹出的证据。"Rudie说。

没有人知道是什么原因推动了气体外流——也许是超新星爆炸，也许是黑洞周围混沌中射出的巨大喷流，或者是热恒星的风。也没有人知道这些气体是在星系和CGM之间进行局部循环，还是与IGM进行更广泛的循环；这两种情况都有证据。

并非假说、而有确凿的证据的是：在某一时刻，星系的燃料耗尽而死亡——这个过程被称为 "息产"（quenching）。在近二十年前，当斯隆数字巡天（SDSS）将星系划分为两大类时，天 学家就已经知道，气体多、形成活跃的星系是蓝色的，气体少、恒星凋零的星系是红色的。大多数星系要么是蓝色，要么是红色，两者之间再无其他。

星系不是活的，就是死的。如果星系是靠耗尽气体来制造新的恒星，那就意味着无论星系怎么死，都会快速耗尽气体。这种情况是如何发生，目前还不清楚。要找到星系循环的证据很困难，因此寻找息产机制的证据目前也不可能。CGM应该是解决问题的关键，但事实上，目前的观测结果只让问题更棘手。

COS-Halos发现红色的死星系周围的气体，在引力作用下被束缚在星系周围，温度在1万到10万开尔 ——应该足够冷以落入星系，但事实并非如此。科学家们提出，有什么东西阻止气体的落入了，或者有什么东西把它加热了，使它无法落入。

不管答案是什么，都应在CGM中找到。华盛顿大学和COS-Halos团队的Jessica Werk正在进行一项观测，这项观测将使观测到的红色星系数量增加10倍。"很多问题，"她说，"归结到停止恒星形成的星系发生了什么，以及它在环星系介质中的作用。"

重现星系的诞生

到目前为止，观测者们的发现并没有形成一个关于星系是如何诞生、生存和死亡的连贯故事。故事是理论的工作，而在天 学中，理论往往以计算机模拟的形式出现。理论家们把引力、流体力学、会发光的常规物质和不会发光的暗物质放在一起，让模拟重新创造出星系的演化过程。然后，他们将模拟的星系与真实的星系进行比较：形状、恒星形成的速率、假设的息产原理、外流速率、下坠的证据、温度、密度和金属丰度。目前，模拟在两个尺度上运行，即大的星系间的和小的环绕星系的；没有一个模拟能同时涵盖这两个尺度。

模拟显示的由几个星系团作为节点组成的类似于 状的结构。星系并不是均匀地分布在整个宇宙中，但如果不同时了解气体的作用，就无法理解它们的分布。这张模拟的图片显示了宇宙中已发现的最大结构之一，一个由星系、空洞和星系丝组成的超级星系团，被称为BOSS长城（BOSS Great Wall）。 MAX PLANCK INSTITUTE FOR ASTROPHYSICS/wikimedia commons

这些模拟有助于天 学家解释他们目前的观测结果，或者提出新的观测建议。例如，在理论家Molly Peeples的模拟中，金属会出人意料地出现，远在CGM之外，因此观测者Charles Danforth可以对他在IGM的金属观测更有信心一些。

在模拟中，"落下的冷气体是非常清晰的，"Crystal Martin说，但对于她这样的观测天 学家来说，这一点并不明显。因此，她的研究小组专门在CGM中寻找冷、低压气体，这些气体的移动速度足够慢，阻力足够大，应该会螺旋地进入星系。大多模拟结果显示，星系间的介质中包含着逐渐升温的气体小团块，称为WHIM，这还未被任何人确切观测到。"我喜欢模拟天 学家，他们的结果是最精确的，"Werk说，"但我不确定他们的宇宙就是真实的宇宙。"

不管是不是真的，这些模拟（其中有几个是由不同的小组完成的）都最清晰地展示了气体可能是如何形成星系的，而且效果很华丽。它们的故事通常是这样：

诞生2亿年的宇宙，星系和恒星还未诞生。气体一直在冷却，但仍然很热，大约在10万开尔 左右，看起来像一团不均匀的雾。在一些地方气体渐渐变清，在另一些地方渐渐变浓。最终，在最厚的地方，恒星形成了。

当宇宙达到5亿年的年龄时，冷却的、凝结的气体在重力作用下在自身上落下成片状；然后片状物变窄成点缀着小点的细丝。细丝间间隔的空隙越来越大。在10亿年左右时，细丝与其他细丝相交，形成一个扩张的 状。在15亿年时，气体顺着细丝流下，在一些节点上涌出，形成星系，巨大而白色炽热热，被激波（shock wave）和垂死恒星的爆炸加热到1000万到1亿开尔 之间。

到20亿年时，星系中心的超大规模黑洞和更多爆炸的恒星将击波涌入星系际介质。到了35亿年，在不断扩散的激波前沿，是由星系组成的小节。这些星系将星系间的气体收集到自己的环星系介质中，并将爆炸的超新星喷射的金属散布到星系际介质中。

70亿年时，星系间介质已经明显变薄。它在所有物质中的比例从95%下降到80%。到了100亿年后，星系和CGM的金属丰度更高，丝状物更多，并仍然是热的；星系间的空间更大，更黑，更冷。

而现在，在宇宙开始138亿年后的今天，星系际介质中只剩下60%的气体，其余的气体都在环星系介质和星系中。这些星系围绕着空洞（void）串联在一起，看起来就像黑暗国家里明亮的交通线和城市。

恒星把金属射到了各处，无论是射出到CGM中，还是在星系内，准备被重新加工成其他恒星。新的恒星在金属气体中凝聚，与尘埃一起成形。在它们周围形成了原行星盘（protoplanetary disk），凝聚成行星，其中的一颗就是我们。"你身体里的每一个原子，"Werk说，"都在星系际介质和环星系介质中循环往复。" 所以，她说，这段历史不仅是关于星系的故事，也是一个 "关于我们起源的故事。"

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