宇宙星系里的奇妙“天气”：“刮风下雨”持续数千万年

来源:中科院半导体所发布时间:2022-02-1198浏览

来源：公众号“赛先生”（ID：mrscience100）

作者：郑永

导读:

我们每天出门都会查查天气。“天气”一词一般泛指地球大气层内的各种物理状态以及随之相关的现象，包括温度、湿度、风速、风向以及气压等等。就如地球大气层中的风霜雨雪一样，宇宙中大大小小的星系（包括我们的银河系）每时每刻也都在上演着各种奇妙的“天气”现象。
不知你是否想过：星系里的“天气”是什么样的？星系里刮风下雨对我们日常生活有影响吗？天文学家又是怎样研究星系“天气”的？
本期赛先生天文，将详细解答这些问题，为你带来一场独家的星系“天气”报道。

撰文 | 郑永（加州大学伯克利分校）

责编 | 韩越扬、吕浩然

星系“天气”一览

就如地球被一层厚厚的大气包裹着一样，我们平时看到的科学图片中的星系（常为光学波段），外围也有一团巨大但是很暗的气体结构，称作星系周介质晕（Circumgalactic Medium）。我们这里姑且称之为星系的“大气”。与地球大气不同的是，星系大气非常厚，其体积可与星系的暗物质晕相当。拿我们的邻居仙女座星系（M31）举个例子（图一右): 如果把 M31 的星系盘想象成一枚硬币，那么它的星系周介质（星系大气）就会如同一个篮球一般大。

图一：星系的星系周介质晕（星系大气）比星系盘本身大很多。图片来源: 郑永

在这个巨大的星系大气里，各种奇妙的“天气”现象轮番上演（图二）。我们时而会看到高速的气体外向流，如火山喷发般从星系盘中心喷涌而出。这些气体外向流的速度可达几百至几千米每秒，温度在百万摄氏度左右，足以融化地球上的任何物质。这些气体外向流或由恒星形成活动产生的星风推动，或由星系盘中心的黑洞吸积反馈产生。

同时，我们也会看到气体内向流或者回流从星系大气中析出，或急或缓，在引力的作用下以几十至几百米每秒的速度流向星系盘。这些气体的温度一般在几千度至十万摄氏度之间。就如雨水润泽万物一般，这些气体内向流为星系盘输入了大量的物质，为下一代的恒星形成活动提供了充足的养料。

图二：星系周介质示意图。星系周介质中的各种动力学活动可与地球上的多种现象做类比。图片来源：参考文献[1]

其实，星系里的“天气”现象在各种大大小小的星系中颇为常见。除此之外，我们的银河系还常年处在“多云”的状态，我们称这些“云”为高速气体云（图三）。它们漂浮在离银盘约3万光年左右的高度，由较低温（约几千至一万摄氏度）的中性氢原子构成，总质量约为七千万太阳质量（不含麦哲伦云系统），占银河系银盘质量的千分之二左右。

就如我们日常看到天上飘的云一般，高速气体云也会呈现出各式各样的形态。有的高速气体云成团出现，在星系大气中高速运行的时候会慢慢地分解；有的高速气体云则成长条状或丝状，或与当地的磁场或者冷凝过程相关。这些高速气体云的物理形态直接反映了其所在星系“天气”环境的物理过程（如热不稳定性、开尔文-亥姆霍兹不稳定性、以及瑞利－泰勒不穩定性等）。

图三：在银道坐标系下的银河系高速气体云分布。颜色代表了高速气体云与我们太阳系（本地静止坐标系）的相对速度。正值（黄色及橘红色）代表离我们远去，负值（绿色及蓝色）代表向我们运动而来。就如我们日常看到的云一般，银河系“大气”中的高速气体云也呈现着各式各样的形态。图片来源：参考文献[2]

星系大气里有什么？

尽管星系大气也有着如地球上风霜雨雪般的“天气”现象，其化学成分却与地球大气完全不同（图四）。在地球大气中我们平均能测到百分之二十一左右的氧气以及百分之七十八左右的氮气。剩下的百分之一左右由水蒸气，二氧化碳等构成。这些气体都处在分子状态。

与之相反，星系大气中的气体处在原子或者离子状态。如上文提到的，星系大气中的气体（内向流或外向流）温度在几千度至百万度之间。在这样的高温下，分子气体结构无法存在。即使是地球上坚硬无比的金属，放在星系大气的高温中都会立刻升华为金属气体，以原子态或者等离子体态存在。

图四：地球大气与星系大气化学成分对比。地球大气中的气体多以分子态存在，而星系大气中的物质多以原子或者等离子体态存在，图片来源：郑永

如图四右所示，氢是星系大气中最常见的元素，约占总重子物质成分的百分之七十三。其次是氦，占四分之一。剩下的元素，如碳、氮、氧、镁等，成分都极其微量。天文学家把所有的这些元素都统称为“重子物质 (baryons)”。我们上文（图二）提到的气体外向流将这些重子物质从星系盘转移到星系大气，而气体内向流则将这些元素从星系大气中回收，重新输送到星系盘为下一代的恒星形成活动提供养料。

我们把这个重子物质在星系与星系大气之间循环往复的过程称为“宇宙重子物质循环”。这个过程对星系的形成与演化极其重要。美国国家科学院国家研究委员会最近一次的“天文学和天体物理学十年调查(Astro2020 Decadal Survey)”将星系大气以及宇宙重子物质循环列为未来十年的研究重点之一。

天文学家是怎样研究星系“天气”的？

不知你有没有发现，假如深夜身处在晚上没有月光或者城市灯光的郊外，其实我们很难看清天上的云朵。这是因为天上的云自己本身并不发光，需要反射、折射或遮挡已有光源才能变得肉眼可见。星系大气也是类似的情况。由于星系大气极其稀薄，其密度远远低于地球上最好的真空装置（平均每平方厘米0.00001至0.1个电离粒子），我们很难用常有的光学望远镜观测星系大气。这也是为什么我们平时看到的星系图片都只有星系盘本身。

因此，我们需要动用特殊的手段来观测星系大气，例如利用X-射线望远镜可以收集星系大气发出的高能光子（如正在争取立项中的宇宙热重子探寻计划HUBS），以及在大型光学望远镜上安装集成视场摄谱仪（如VLT/MUSE）进行长时间积分。这里笔者简单介绍两种常用的观测银河系及邻近星系的星系周介质（星系大气）的方法：

射电望远镜

如上文提到的，我们的银河系常年处于“多云”状态，而且这些高速气体云能在银河系“大气”里飘上几千万年都不会消散。因为星系大气的主要成分是氢（图四右），而高速气体云的氢主要处于中性状态，我们便可以利用中性氢原子超精细结构跃迁产生的21厘米谱线对高速气体云进行观测。

由于这一条谱线落在电磁波谱上的射电波段，我们可以用各类射电望远镜（比如中国“天眼”FAST）对高速气体云进行观测（图五）。笔者的研究工作之一便是利用射电望远镜对这些高速气体云的形成与演化进行观测研究。

图五：左图为利用阿雷西博天文台观测的银河系中性氢，图中的颜色显示了速度信息，而非气体的真实颜色。我们可以看到大量呈丝状、条状的气体形态（图片来源：Josh Peek）。右图为中国“天眼”FAST（图片来源：维基百科）。得益于FAST极高的灵敏度以及比阿雷西博天文台更好的空间分辨率以及全天覆盖率，我们对银河系高速气体云的研究也将更上一个层次。

哈勃空间望远镜

不知你是否有过这样的经验：在电影院看电影时视线时常被前排高个子的人遮挡（图六左下）？类似的“遮挡”效应也时常在天文观测中发生，并被巧妙利用。由于直接观测星系大气发出的光子极其困难，我们可以先用哈勃空间望远镜上的宇宙起源频谱仪观测一个在紫外波段很亮的背景点源。当背景点源的光穿过其前方星系周围的时候，我们就会看到部分的流量损失。这是因为星系大气中处于电离态的“云”将这些流量吸收了，形成了类似于电影院里的“遮挡”效应。

通过对损失的流量的研究，我们可以对星系大气中“云”的质量、速度以及化学成分进行量化估计（比如个子越高的人遮挡的银幕面积越大）。笔者的多项研究便是结合“遮挡”效应利用哈勃空间望远镜对银河系以及邻近星系的星系周介质进行观测研究。继哈勃之后，美国国家科学院国家研究委员会在“天文学和天体物理学十年调查”中强力推荐筹建的下一代红外-光学-紫外望远镜也将为星系大气的研究带来全新的视角。

而刚刚升空的“哈勃继任者”——韦伯空间望远镜虽然比哈勃口径更大，但因为聚焦在红外波段，所以对于星系大气的研究贡献有限。

图六：利用哈勃空间望远镜观测星系大气吸收线示意图。就如在电影院看电影时我们的视线时常被前排高个子的人遮挡一样，我们可以利用类似的“遮挡”效应来寻找星系大气中的电离态“云”，图片来源：郑永

结语

星系大气里的“天气”就如同地球上的风霜雨雪一样常见。不同的是，风霜雨雪转眼间就会消散，而星系大气中的“天气”则会持续几千万年或更久。这些现象既反映了星系的过去，也预示着星系的未来。

由于观测条件苛刻，对星系大气的研究不断促进着科学技术的发展以及望远镜仪器设备的更新。随着新一代射电、光学、紫外以及高能望远镜设备的筹备及建造，笔者期待着下一个十年、二十年……我们对星系大气的研究将迎来质的飞越。

作者简介

郑永，2012年本科毕业于北京大学天文系。2018年于美国纽约哥伦比亚大学天文系获得博士学位，并加入加州大学伯克利分校米勒基础科学研究所任米勒博士后学者。研究领域为星系周介质，其研究旨在通过紫外、光学、射电等多波段高分辨率光谱观测，对银河系及本星系群内矮星系的星系及其星系周介质的关联性进行全方面分析。

参考文献：

[1]Tumlinson, Peeples & Werk, ARAnA, 2017,55:389-432, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2017ARA%26A..55..389T/abstract

[2]Putman, Peek & Joung, ARAnA, 2012, 50:491-529, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2012ARA%26A..50..491P/abstract

[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Metallicity

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Baryon

[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth

[6]https://en.wikipedia.org/wiki/Five-hundred-meter_Aperture_Spherical_Telescope

制版编辑|-小圭月-

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