破解星系死亡之谜或成未来天文学研究热点

一个锁着的房间，一具死尸，没有明显的致死原因。这是一个神秘事件的经典组织方式。而实际上这也是数年前天文学家用哈勃太空望远镜载荷的新宇宙起源光谱仪（COS）观看距离地球几十亿光年的少数大型星云时所发现的神秘现象。

因为这些星系闪烁着晚年时温度较低的红光，而不是幼年时温度很高的蓝光，科学家了解到它们已经停止生成新的恒星。这些“红色的、死亡的”星系约占整个宇宙所有星系的一半。数十年来，研究人员推测红色星系逐渐在燃烧中走向衰老与灭亡，因为它们已经耗尽新恒星形成所需要的气体。但COS数据却呈现出一些完全不同的情况。事实上，这些正在走向死亡的星系被氢气和氦气所包围，就表面来看，这些气体应该已经落入可以形成恒星的星系。但是因为某种原因，它们却并未落回这些星系。“那些气体还在那里等待。”美国马里兰州巴尔地摩太空望远镜研究所（STScI）COS-Halos团队成员Molly Peeples说，“某种物质在阻挡气体回归。”

死亡星系与生命星系

“星系的故事实际上是气体的故事。”Peeples说。宇航员认为故事应该是这样的：星系出生在气体云中，其内部各个地方经过压缩形成恒星。反过来恒星会用强烈的恒星风暴把气体吹出星系，恒星风暴会在恒星出生时及其走到生命尽头猛烈爆发时形成，或是在一些恒星爆发变成超新星的过程中形成。这些流出的气体环绕在星系周围，形成一个直径约有几十万光年的球形光环——大小约是人们看到的星系的20倍。这种所谓的“星云周围介质（CGM）”中的气体会靠近星系并逐渐变冷，直到重新回归星系之中，然后给新恒星提供燃料，而恒星的诞生和死亡会把气体吹出星系。这个循环经过数十亿年不断重复，直到星系耗尽新的气体，直到其恒星烧尽余下的气体——最终这个星系开始踏上其漫长的死亡之旅。

气体在超新星和中央黑洞的驱动下从M82（一个形成恒星的螺旋星系）爆发。一些气体移动得很快可以逃出星系，而另一些气体会变冷并下沉到星系盘中。

上述故事讲述了两个星系家族的概况。螺旋星系是蓝色的，充满了气体和新生的恒星，其热度极高，可以产生大量的紫外线辐射。椭圆星系是红色的，它们已经耗尽其中的气体，其中的恒星已经年迈冷却，它们发出的光也变成了红色。天文学家认为，星系出生时是蓝色的，而死亡时是红色的。COS-Halos团队领头人Jason Tumlinson说，因为星系要依靠气体循环生存，“星系变成红色的谜题只有通过研究气体来解题”。

实现这一目标花费了很长时间。其中一个障碍是文化上的：传统上研究星系的天文学家与研究气体的科学家相互分开，各自为战。而后者团队较小，专门区分遥远的明亮星系——类星体的光谱。CGM的气体也是研究难点。它非常稀薄，本身散发的光线非常少。因此，观测红色星系周围的气体需要具备两个条件：位置十分偶然的类星体；直到近期才可以做到的具备高灵敏度和高像素的每次可以观测到一个小领域的光谱仪。

气体向星系外漂流普遍存在

现在的观测已确定了星系生命周期的部分环节。在那些拥有新形成恒星的星系中，观察人员正在跟踪高温气体的迅速流动。加州理工学院天文学家Charles Steidel发现，它们会以惊人的速度形成新的恒星。在超过1000个有恒星爆炸的蓝色星系中，Steidel和卡内基天文台的Gwen Rudie及其同事看到了大约1万开尔文摄氏度的气体以约每秒800公里的速度飞出星系。

最近，另一个由加州大学圣塔巴巴拉分校的Crystal Martin带领的研究团队在中间的距离发现了温度同样达到1万开尔文摄氏度的气体以每秒数百公里的速度漂流出一个由200颗恒星形成的星系的半程之外。天文学家现在认为，气体从恒星形成的星系向外漂流的现象普遍存在。

理论家和观察家都同意，驱动气体向外流动的可能是位居星系中间的巨大黑洞或是星系盘中爆发的超新星，抑或二者兼有。当一个黑洞把周围的物质拉进其中，其巨大的引力让落入其中的物质剧烈升温，把一个星系变成类星体，同时喷射出巨大的放射物质和气体。或者大质量的恒星在其生命末期爆发成超新星，产生的冲击波可以让气泡和气体像喷泉一样涌出星系。天文学家已经观测到，CGM中的气体与恒星星系中的气体一样多。而Steidel观测到的宇宙早期充满了生命周期不长的大质量恒星爆发的蓝色星系则是极端案例，Tumlinson说：“一些星系会剥离它们所拥有的全部气体。”

CGM的气体组成确定了它是被甩出星系的。Steidel与同事发现，围绕距离它们十分遥远的蓝色星系的气体浓缩了非常多的重金属元素，如镁、硅、氧、铁——均由恒星核心的热核反应所形成。COS-Halos 团队发现，围绕50个相对较近的蓝色星系的气体也呈现出类似的浓缩反应，表明这些气体一度曾位于这些星系的恒星内部。

不可阻止的星系死亡脚步

气体流动不可能是单向的。如果它们是，这些星系或已全部失去了气体，在很久以前已经死亡。很明显，气体一定会再次回归。

物理学家表示，它们确实应该这样做：徘徊在CGM的气体会冷却和压缩，直到引力把它们拉进来。在理论上，流进来的气体应该形成狭窄的相对慢速而冰冷的气流。实际上，流入的气体很难被发现，也很难从大量外流的气体中分辨它们，部分是由于这种非常稀薄的气体带不可能落入类星体的视线可见范围之内。然而，由哈佛大学史密森天体物理学中心Kate Rubin和Martin分别带领的研究团队已经发现了近距离的15个星系，这些星系都显示出气体流入的迹象。来自STScI的Joshua Peek和哥伦比亚大学的Mary Putman就是在若干观察人员中绘制出银河系中的气体云向星系螺盘流动的两位天文学家。

围绕年轻的蓝色星系的气体似乎随时准备回归到星系中。其中一些已经冷却至1万开尔文摄氏度以下，这个温度可以让它下沉到其母星系中。在那里它可以进一步冷却至10开尔文摄氏度左右，并压缩成为形成新恒星的原材料。

而这只能低估红色星系谜题的难度，那里的气体似乎同样已经准备回归到原星系并成为新恒星诞生的燃料。2012年，COS-Halos团队发现，CGM附近的16个红色死亡星系拥有的气体几乎和那些拥有恒星的蓝色星系的气体有着同样大的质量，而且其气体温度也在1万开尔文摄氏度的门槛处。

然而，COS-Halos团队观察到的红色死亡星系已经停止了循环。“它们是巨大的谜。”Peek说。目前，天文学家只能说，那里的气体没有原因不回归到原星系。一定有些东西在阻挡它重新进入星系，或是扰乱它形成新恒星。

到目前为止，电脑模拟尚未能提供解释悬浮气体的头绪。“没有任何模型能够成功。”南非西开普敦大学理论天文学家、COS-Halos团队成员Romeel Davé说，其中的一个问题是目前的模拟尽管具备广泛性和复杂性，却尚未能做到同时涵盖从CGM到星系内部的与星系生命周期相关的尺度范围，更不要说包括爆炸的恒星与增长的黑洞等混乱的物理现象。因此，模型不能解释这个谜题。

在未来十年，目前最好的望远镜与天文观测设备——哈勃望远镜机载的COS以及10米长的凯克望远镜机载的HIRES和LRIS的观测仪器，将会给12米太空望远镜和30米地面望远镜上载荷的新一代观测设备让路。Tumlinson说，它们应该能够跟踪到气体流入那些开始死亡的星系的细节，从而“捕捉它们从蓝色变成红色的过程。”（冯丽妃）