□ 比薩高等師范學(xué)校 岳 斌

誰(shuí)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(cè)下的宇宙叢林（圖片來(lái)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(rèn)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(xiàng)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(lái)的？答案尚不為人所知。

宇宙里的 “氣體”

對(duì)人類而言，星系是一種巨大無(wú)比的存在，然而就整個(gè)宇宙來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)每幾個(gè)立方米才有一個(gè)原子。其主要成分為氫，其次是氦。按照原子的數(shù)目來(lái)說(shuō)，氫占了90%，按照質(zhì)量來(lái)說(shuō)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?yàn)樾窍蛋l(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(huì)把它電離。同時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)是，氣體具有壓強(qiáng)，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(zhǎng)會(huì)很慢，若非暗物質(zhì)“幫忙”，今天的星系大多根本來(lái)不及形成。（圖片來(lái)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(lái)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(shí)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(huì)聚集越來(lái)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(huì)越來(lái)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(shuō)到的星系際介質(zhì)就是氣體的一部分。引力在對(duì)暗物質(zhì)和氣體作用時(shí)“一視同仁”，但是宇宙中的暗物質(zhì)遠(yuǎn)比氣體多，在宇宙的演化過(guò)程中，氣體實(shí)際上是被暗物質(zhì)“裹挾”進(jìn)它的引力勢(shì)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(tuán)的地方，氣體也會(huì)聚集成團(tuán)。

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(tuán)塊就如暗礁一般，它們不發(fā)光，很難被直接看到。不過(guò)，當(dāng)一束來(lái)自遠(yuǎn)處類星體的光線穿過(guò)氣體團(tuán)塊時(shí)，光線中的萊曼α光子會(huì)被氣體團(tuán)塊里的中性氫原子散射而改變傳播方向，無(wú)法被觀測(cè)者接收到。上述過(guò)程帶來(lái)的現(xiàn)象，就是在這個(gè)類星體的連續(xù)譜位于萊曼α光子的位置上會(huì)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(gè)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(gè)萊曼α光子經(jīng)過(guò)一個(gè)處于基態(tài)的氫原子時(shí)，原子中的電子會(huì)吸收這個(gè)光子，獲得它的能量，并躍遷到更高的能級(jí)上去。此時(shí)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(huì)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(lái)，其能量還是11.2電子伏特，但是這個(gè)新產(chǎn)生的萊曼α光子的傳播方向是隨機(jī)的。整體看來(lái)這個(gè)過(guò)程沒(méi)有改變光子的能量，只是改變了其傳播方向，因此是一個(gè)散射過(guò)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(zhǎng)更短的方向去尋找。（圖片來(lái)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(shí)的能量高于11.2電子伏特，在傳播一定距離之后都會(huì)紅移成萊曼α光子，從而被對(duì)應(yīng)位置處的中性氫原子散射。因此若觀測(cè)者跟類星體之間有多個(gè)氣體團(tuán)塊，連續(xù)譜上就會(huì)出現(xiàn)多個(gè)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(qiáng)度跟氣體團(tuán)塊的中性氫柱密度的相關(guān)性，人們就可以利用遠(yuǎn)處類星體的連續(xù)譜測(cè)出該天體跟觀測(cè)者之間的中性氣體團(tuán)塊的數(shù)量、位置以及每個(gè)團(tuán)塊里的中性氫的柱密度。

通過(guò)類星體吸收線測(cè)到的氣體團(tuán)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(tuán)塊。由于密度低，電離光子可以直接到達(dá)團(tuán)塊內(nèi)部，整個(gè)團(tuán)塊處于電離平衡的狀態(tài)，這是一種較為簡(jiǎn)單的物理狀態(tài)。這類團(tuán)塊數(shù)量最多。

第2類

被稱為萊曼極限系統(tǒng)，這類團(tuán)塊密度高，能量較低的電離光子被阻擋在團(tuán)塊外面。不過(guò)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?yàn)槟芰扛叩碾婋x光子依然可以穿透外面的氣體進(jìn)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(guò)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(jī)，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(tuán)塊，電離輻射則對(duì)這些團(tuán)塊坯子進(jìn)行雕蝕，大部分被電離，小部分保持中性。這兩個(gè)過(guò)程會(huì)互相影響，一方面被電離的氣體更難結(jié)團(tuán)，另一方面結(jié)團(tuán)后的氣體更難被電離。萊曼α吸收云的物理狀態(tài)較為簡(jiǎn)單，是一種理想的測(cè)量工具。通過(guò)測(cè)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(qiáng)度的演化。事實(shí)上，對(duì)于較早時(shí)候的宇宙，人們之前已經(jīng)做過(guò)這類研究，結(jié)果沒(méi)有問(wèn)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(jī)?。═he Photon Underproduction Crisis，原文請(qǐng)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(rèn)可的算法。他們?cè)谀M中使用了目前最完善的、來(lái)自于星系和類星體的電離輻射強(qiáng)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(chǎng)。然后，他們隨機(jī)選擇了2500個(gè)方向，假設(shè)每個(gè)方向上有一個(gè)類星體，其連續(xù)譜每經(jīng)過(guò)一處萊曼α吸收云，就會(huì)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(shí)光譜的方法來(lái)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(shí)際觀測(cè)的3倍；為了得出跟觀測(cè)一致的數(shù)量分布，需要人為地把電離輻射強(qiáng)度放大5倍。如果真是這樣，那大多數(shù)電離光子的來(lái)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(lái)自于星系和類星體，然而，上面的矛盾不能通過(guò)簡(jiǎn)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(qiáng)度本身就是從跟觀測(cè)的比對(duì)中得來(lái)的，對(duì)于較早期的宇宙，這些數(shù)據(jù)跟觀測(cè)符合得很好。對(duì)于星系而言，其不確定性可能來(lái)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(lái)并電離周圍的氣體。通過(guò)嘗試，他們發(fā)現(xiàn)要使模擬給出跟觀測(cè)一樣多的萊曼α吸收云，平均來(lái)說(shuō)需要15%的電離光子從星系中逃逸出來(lái)。這么高的比率難以被人接受，因?yàn)橥ㄟ^(guò)直接測(cè)量星系，人們發(fā)現(xiàn)這個(gè)比率一般只能到百分之幾。而對(duì)于類星體，長(zhǎng)期以來(lái)人們對(duì)其產(chǎn)生的電離輻射并沒(méi)有多大爭(zhēng)議，差別不超過(guò)一倍。增加類星體電離輻射的同時(shí)其X射線也會(huì)增加，這會(huì)跟觀測(cè)的X射線背景產(chǎn)生矛盾。

在科學(xué)上，危機(jī)往往令人興奮，因?yàn)檫@可能是新物理或者新事物的征兆。是誰(shuí)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(cuò)了氣體的結(jié)構(gòu)？科爾邁爾等人在文章里提出了問(wèn)題，答案，或許在后來(lái)者那里。