破解星系死亡之謎或成未來(lái)天文學(xué)研究熱點(diǎn)

一個(gè)鎖著的房間，一具死尸，沒(méi)有明顯的致死原因。這是一個(gè)神秘事件的經(jīng)典組織方式。而實(shí)際上這也是數(shù)年前天文學(xué)家用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡載荷的新宇宙起源光譜儀（COS）觀看距離地球幾十億光年的少數(shù)大型星云時(shí)所發(fā)現(xiàn)的神秘現(xiàn)象。

因?yàn)檫@些星系閃爍著晚年時(shí)溫度較低的紅光，而不是幼年時(shí)溫度很高的藍(lán)光，科學(xué)家了解到它們已經(jīng)停止生成新的恒星。這些“紅色的、死亡的”星系約占整個(gè)宇宙所有星系的一半。數(shù)十年來(lái)，研究人員推測(cè)紅色星系逐漸在燃燒中走向衰老與滅亡，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)耗盡新恒星形成所需要的氣體。但COS數(shù)據(jù)卻呈現(xiàn)出一些完全不同的情況。事實(shí)上，這些正在走向死亡的星系被氫氣和氦氣所包圍，就表面來(lái)看，這些氣體應(yīng)該已經(jīng)落入可以形成恒星的星系。但是因?yàn)槟撤N原因，它們卻并未落回這些星系?！澳切怏w還在那里等待?！泵绹?guó)馬里蘭州巴爾地摩太空望遠(yuǎn)鏡研究所（STScI）COS-Halos團(tuán)隊(duì)成員Molly Peeples說(shuō)，“某種物質(zhì)在阻擋氣體回歸?！?/p>

死亡星系與生命星系

“星系的故事實(shí)際上是氣體的故事。”Peeples說(shuō)。宇航員認(rèn)為故事應(yīng)該是這樣的：星系出生在氣體云中，其內(nèi)部各個(gè)地方經(jīng)過(guò)壓縮形成恒星。反過(guò)來(lái)恒星會(huì)用強(qiáng)烈的恒星風(fēng)暴把氣體吹出星系，恒星風(fēng)暴會(huì)在恒星出生時(shí)及其走到生命盡頭猛烈爆發(fā)時(shí)形成，或是在一些恒星爆發(fā)變成超新星的過(guò)程中形成。這些流出的氣體環(huán)繞在星系周圍，形成一個(gè)直徑約有幾十萬(wàn)光年的球形光環(huán)——大小約是人們看到的星系的20倍。這種所謂的“星云周圍介質(zhì)（CGM）”中的氣體會(huì)靠近星系并逐漸變冷，直到重新回歸星系之中，然后給新恒星提供燃料，而恒星的誕生和死亡會(huì)把氣體吹出星系。這個(gè)循環(huán)經(jīng)過(guò)數(shù)十億年不斷重復(fù)，直到星系耗盡新的氣體，直到其恒星燒盡余下的氣體——最終這個(gè)星系開(kāi)始踏上其漫長(zhǎng)的死亡之旅。

氣體在超新星和中央黑洞的驅(qū)動(dòng)下從M82（一個(gè)形成恒星的螺旋星系）爆發(fā)。一些氣體移動(dòng)得很快可以逃出星系，而另一些氣體會(huì)變冷并下沉到星系盤中。

上述故事講述了兩個(gè)星系家族的概況。螺旋星系是藍(lán)色的，充滿了氣體和新生的恒星，其熱度極高，可以產(chǎn)生大量的紫外線輻射。橢圓星系是紅色的，它們已經(jīng)耗盡其中的氣體，其中的恒星已經(jīng)年邁冷卻，它們發(fā)出的光也變成了紅色。天文學(xué)家認(rèn)為，星系出生時(shí)是藍(lán)色的，而死亡時(shí)是紅色的。COS-Halos團(tuán)隊(duì)領(lǐng)頭人Jason Tumlinson說(shuō)，因?yàn)樾窍狄揽繗怏w循環(huán)生存，“星系變成紅色的謎題只有通過(guò)研究氣體來(lái)解題”。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)花費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間。其中一個(gè)障礙是文化上的：傳統(tǒng)上研究星系的天文學(xué)家與研究氣體的科學(xué)家相互分開(kāi)，各自為戰(zhàn)。而后者團(tuán)隊(duì)較小，專門區(qū)分遙遠(yuǎn)的明亮星系——類星體的光譜。CGM的氣體也是研究難點(diǎn)。它非常稀薄，本身散發(fā)的光線非常少。因此，觀測(cè)紅色星系周圍的氣體需要具備兩個(gè)條件：位置十分偶然的類星體；直到近期才可以做到的具備高靈敏度和高像素的每次可以觀測(cè)到一個(gè)小領(lǐng)域的光譜儀。

氣體向星系外漂流普遍存在

現(xiàn)在的觀測(cè)已確定了星系生命周期的部分環(huán)節(jié)。在那些擁有新形成恒星的星系中，觀察人員正在跟蹤高溫氣體的迅速流動(dòng)。加州理工學(xué)院天文學(xué)家Charles Steidel發(fā)現(xiàn)，它們會(huì)以驚人的速度形成新的恒星。在超過(guò)1000個(gè)有恒星爆炸的藍(lán)色星系中，Steidel和卡內(nèi)基天文臺(tái)的Gwen Rudie及其同事看到了大約1萬(wàn)開(kāi)爾文攝氏度的氣體以約每秒800公里的速度飛出星系。

最近，另一個(gè)由加州大學(xué)圣塔巴巴拉分校的Crystal Martin帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在中間的距離發(fā)現(xiàn)了溫度同樣達(dá)到1萬(wàn)開(kāi)爾文攝氏度的氣體以每秒數(shù)百公里的速度漂流出一個(gè)由200顆恒星形成的星系的半程之外。天文學(xué)家現(xiàn)在認(rèn)為，氣體從恒星形成的星系向外漂流的現(xiàn)象普遍存在。

理論家和觀察家都同意，驅(qū)動(dòng)氣體向外流動(dòng)的可能是位居星系中間的巨大黑洞或是星系盤中爆發(fā)的超新星，抑或二者兼有。當(dāng)一個(gè)黑洞把周圍的物質(zhì)拉進(jìn)其中，其巨大的引力讓落入其中的物質(zhì)劇烈升溫，把一個(gè)星系變成類星體，同時(shí)噴射出巨大的放射物質(zhì)和氣體。或者大質(zhì)量的恒星在其生命末期爆發(fā)成超新星，產(chǎn)生的沖擊波可以讓氣泡和氣體像噴泉一樣涌出星系。天文學(xué)家已經(jīng)觀測(cè)到，CGM中的氣體與恒星星系中的氣體一樣多。而Steidel觀測(cè)到的宇宙早期充滿了生命周期不長(zhǎng)的大質(zhì)量恒星爆發(fā)的藍(lán)色星系則是極端案例，Tumlinson說(shuō)：“一些星系會(huì)剝離它們所擁有的全部氣體?！?/p>

CGM的氣體組成確定了它是被甩出星系的。Steidel與同事發(fā)現(xiàn)，圍繞距離它們十分遙遠(yuǎn)的藍(lán)色星系的氣體濃縮了非常多的重金屬元素，如鎂、硅、氧、鐵——均由恒星核心的熱核反應(yīng)所形成。COS-Halos 團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，圍繞50個(gè)相對(duì)較近的藍(lán)色星系的氣體也呈現(xiàn)出類似的濃縮反應(yīng)，表明這些氣體一度曾位于這些星系的恒星內(nèi)部。

不可阻止的星系死亡腳步

氣體流動(dòng)不可能是單向的。如果它們是，這些星系或已全部失去了氣體，在很久以前已經(jīng)死亡。很明顯，氣體一定會(huì)再次回歸。

物理學(xué)家表示，它們確實(shí)應(yīng)該這樣做：徘徊在CGM的氣體會(huì)冷卻和壓縮，直到引力把它們拉進(jìn)來(lái)。在理論上，流進(jìn)來(lái)的氣體應(yīng)該形成狹窄的相對(duì)慢速而冰冷的氣流。實(shí)際上，流入的氣體很難被發(fā)現(xiàn)，也很難從大量外流的氣體中分辨它們，部分是由于這種非常稀薄的氣體帶不可能落入類星體的視線可見(jiàn)范圍之內(nèi)。然而，由哈佛大學(xué)史密森天體物理學(xué)中心Kate Rubin和Martin分別帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近距離的15個(gè)星系，這些星系都顯示出氣體流入的跡象。來(lái)自STScI的Joshua Peek和哥倫比亞大學(xué)的Mary Putman就是在若干觀察人員中繪制出銀河系中的氣體云向星系螺盤流動(dòng)的兩位天文學(xué)家。

圍繞年輕的藍(lán)色星系的氣體似乎隨時(shí)準(zhǔn)備回歸到星系中。其中一些已經(jīng)冷卻至1萬(wàn)開(kāi)爾文攝氏度以下，這個(gè)溫度可以讓它下沉到其母星系中。在那里它可以進(jìn)一步冷卻至10開(kāi)爾文攝氏度左右，并壓縮成為形成新恒星的原材料。

而這只能低估紅色星系謎題的難度，那里的氣體似乎同樣已經(jīng)準(zhǔn)備回歸到原星系并成為新恒星誕生的燃料。2012年，COS-Halos團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，CGM附近的16個(gè)紅色死亡星系擁有的氣體幾乎和那些擁有恒星的藍(lán)色星系的氣體有著同樣大的質(zhì)量，而且其氣體溫度也在1萬(wàn)開(kāi)爾文攝氏度的門檻處。

然而，COS-Halos團(tuán)隊(duì)觀察到的紅色死亡星系已經(jīng)停止了循環(huán)?！八鼈兪蔷薮蟮闹i?！盤eek說(shuō)。目前，天文學(xué)家只能說(shuō)，那里的氣體沒(méi)有原因不回歸到原星系。一定有些東西在阻擋它重新進(jìn)入星系，或是擾亂它形成新恒星。

到目前為止，電腦模擬尚未能提供解釋懸浮氣體的頭緒?！皼](méi)有任何模型能夠成功。”南非西開(kāi)普敦大學(xué)理論天文學(xué)家、COS-Halos團(tuán)隊(duì)成員Romeel Davé說(shuō)，其中的一個(gè)問(wèn)題是目前的模擬盡管具備廣泛性和復(fù)雜性，卻尚未能做到同時(shí)涵蓋從CGM到星系內(nèi)部的與星系生命周期相關(guān)的尺度范圍，更不要說(shuō)包括爆炸的恒星與增長(zhǎng)的黑洞等混亂的物理現(xiàn)象。因此，模型不能解釋這個(gè)謎題。

在未來(lái)十年，目前最好的望遠(yuǎn)鏡與天文觀測(cè)設(shè)備——哈勃望遠(yuǎn)鏡機(jī)載的COS以及10米長(zhǎng)的凱克望遠(yuǎn)鏡機(jī)載的HIRES和LRIS的觀測(cè)儀器，將會(huì)給12米太空望遠(yuǎn)鏡和30米地面望遠(yuǎn)鏡上載荷的新一代觀測(cè)設(shè)備讓路。Tumlinson說(shuō)，它們應(yīng)該能夠跟蹤到氣體流入那些開(kāi)始死亡的星系的細(xì)節(jié)，從而“捕捉它們從藍(lán)色變成紅色的過(guò)程。”（馮麗妃）