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(xué)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(xué)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(xì)記錄了整個宇宙的歷史。不過，直到近來，天文學(xué)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(jì)60年代，當(dāng)天文學(xué)家開始收集氣體過濾的遙遠(yuǎn)類星體的星光并進(jìn)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)家與研究氣體（相對較難觀測）的天文學(xué)家是幾乎沒有交際的兩撥人。加州理工學(xué)院研究氣體的天文學(xué)家查爾斯·斯蒂德爾（Charles Steidel）說，科學(xué)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?！?/p>

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(dǎo)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(dāng)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(jìn)一步把星系間的氣體直接和星系本身聯(lián)系在一起。當(dāng)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(biāo)題里。他說：“從拿到學(xué)位的那一刻起，我的目標(biāo)就成為把宇宙氣體和星系聯(lián)系到一起?！?/p>

2013年，當(dāng)斯蒂德爾的學(xué)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(dāng)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(dāng)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(xué)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(dāng)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(yuǎn)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(dāng)天文學(xué)家分析抵達(dá)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(yuǎn)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(xué)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(dāng)時科羅拉多大學(xué)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?！边@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(xué)馬修·麥克昆因（Mathew McQuinn）在2016年的《天文學(xué)與天體物理學(xué)年評》（Annual Review of Astronomy and Astrophysics）中寫道：到20世紀(jì)90年代中葉，天文學(xué)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(jī)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%?！叭藗兺ǔX得宇宙光彩奪目?！卑蜖柕哪臻g望遠(yuǎn)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(dá)到20 000K及以上，這是產(chǎn)生恒星、形成星系的標(biāo)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。科羅拉多大學(xué)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(tuán)拽到一起，形成更致密的氣體團(tuán)。

加州大學(xué)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。”隨著時間的推移，氣體總體上就會變得稀薄。加州大學(xué)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(tuán)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(xué)角度上說最為純凈。在氫氣云之外，科學(xué)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(xué)家口中的“金屬”——比如碳、氧、硅、鐵和鎂。天文學(xué)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(jìn)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(jìn)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(jī)構(gòu)研究宇宙氣體和星系間聯(lián)系的任務(wù)。KBSS團(tuán)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(tuán)隊在這些星系中搜尋110億年前—100億年前圍繞星系運(yùn)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(xué)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(yuǎn)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(dá)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(jìn)而構(gòu)成了萊曼α森林

目前，學(xué)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。“星系際介質(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(xué)?！?/p>

這種能量供應(yīng)的一種可能情景叫作星系循環(huán)，機(jī)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(dāng)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(xué)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(fēng)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(fēng)。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(xué)家已經(jīng)知道了近20年，當(dāng)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(lán)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(lán)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(jī)制的證據(jù)目前不可能。環(huán)星系介質(zhì)應(yīng)當(dāng)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(yuǎn)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。科學(xué)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(dǎo)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(xué)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(dá)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(dāng)然，講故事是理論家的工作，而在天文學(xué)領(lǐng)域中，理論總是以計算機(jī)模擬的形式出現(xiàn)。理論家已經(jīng)把引力、熱力學(xué)、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(jī)模擬的星系和真實情況進(jìn)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(jìn)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(rèn)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(tuán)

這類模擬幫助天文學(xué)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(yuǎn)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?！笨死锼雇小ゑR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(dāng)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(jìn)一步狹長化，變成帶有“斑點”的細(xì)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(xì)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(xì)絲四處運(yùn)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(kuò)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(xì)絲的密度變得更大且仍舊保持著相當(dāng)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(zhǔn)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)?！币虼耍@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”。