為了孕育恒星 銀河系正在“變胖”

　　眾所周知，如果一個人攝入的能量高于消耗的能量，身體就可能發(fā)胖，反之則會消瘦。測量人的體重增減只需一臺秤而已。

　　而浩瀚宇宙中的星系，特別是人類生存的銀河系，處于怎樣的變化之中，卻是困擾全球天文學(xué)家的重大難題。日前，一個由歐洲航天局天文學(xué)家安德魯·福克斯博士領(lǐng)銜的國際研究團(tuán)隊在《天體物理學(xué)報》上撰文指出，銀河系吸入的氣體比呼出的氣體質(zhì)量更大，處于“發(fā)胖”的過程中。

　　那么，銀河系的“呼吸”和質(zhì)量變化背后有怎樣的奧秘？這種“發(fā)胖”將給銀河系帶來哪些影響？

　　氣體物質(zhì)交換 激活“一池春水”

　　銀河系中不斷有氣體被“吹”出，但這些氣體還會重新被“吸”回，落到銀河系上。這種“呼吸”意味著什么？

　　“這是恒星的誕生與死亡所帶來的氣體塵埃物質(zhì)循環(huán)。”中國科學(xué)院上海天文臺副研究員左文文在接受科技日報記者采訪時表示，恒星從銀盤中的氣體分子云中坍縮形成。恒星演化過程中的星風(fēng)，以及大質(zhì)量恒星演化到生命晚期發(fā)生的超新星爆炸，均會將大部分物質(zhì)向外拋散，并向周圍的星際物質(zhì)發(fā)射激波，形成一個由膨脹的氣體和塵埃構(gòu)成的殼狀結(jié)構(gòu)，即超新星遺跡。

　　“恒星可視為源于塵埃，死亡時又歸于塵埃。”左文文說。

　　恒星從生到死的整個生命周期成就了一次大尺度的搬運(yùn)——將銀盤中的氣體塵埃物質(zhì)向銀河系更外圍的銀暈中轉(zhuǎn)移。而且，恒星的一生積攢了大量的金屬元素。天文學(xué)中通常把比氦元素原子數(shù)大的元素均稱作金屬元素，這些金屬元素就像是一顆恒星兢兢業(yè)業(yè)地工作——努力地燃燒自己，奮斗一輩子攢下的財富。它在日常生活中偶爾會“消費”，即通過星風(fēng)現(xiàn)象拋出一部分物質(zhì)；更多的是在大質(zhì)量恒星走向滅亡的那一刻，它窮極一生積攢的“家當(dāng)”，拋散四射，豐富了整個星系的元素組成，也點燃了下一代恒星生命起源的星星之火。

　　隨著時間的推移，銀暈中的氣體塵埃物質(zhì)會逐漸聚集在一起，重力將導(dǎo)致這些氣體團(tuán)塊落回銀盤，開始下一輪恒星形成。

　　恒星的死亡造就了新恒星的誕生，終點即是起點。周而復(fù)始，“向死而生”。銀河系也在無數(shù)個恒星的“獻(xiàn)祭”中完成了與周圍環(huán)境的氣體物質(zhì)交換，就像一個湖泊，里面是一池活水。

　　高速分子云 標(biāo)記“流動人口”

　　那么，銀河系這個大湖泊是在“漲水”還是在“泄水”？很多研究人員都想找到答案。

　　此次研究給出的答案是前者，即氣體入流大于外流。

　　該項研究利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的紫外波段數(shù)據(jù)，研究了187個高速分子云，根據(jù)吸收線相對于靜止參考系波長的移動，測定出它們在銀河系標(biāo)準(zhǔn)靜止參考系的速度，分類成入流的高速分子云和外流的高速分子云。通過計算，研究人員估計流入率為每年0.53±0.17倍太陽質(zhì)量，流出率為每年0.16±0.06倍太陽質(zhì)量，表明目前銀河系處在入流主導(dǎo)的時期。

　　入流的氣體來源于哪里？左文文指出，銀河系的引力有可能將部分星系際介質(zhì)拖拽進(jìn)來，也可能會從它的衛(wèi)星星系拖拽一些氣體物質(zhì)過來。

　　科技日報記者注意到，該研究的主要對象是高速分子云。銀河系中氣體塵埃無數(shù)，為何研究人員單單瞄向了高速分子云？

　　左文文提到，恒星與恒星之間有星際介質(zhì)，星系與星系之間有星系際介質(zhì)。星系并不是一個有著密閉邊界的系統(tǒng)。

　　因此，沒有任何一種氣體會給自己主動貼上“外來者”或“本地人”的標(biāo)簽。那么，研究人員如何界定哪些氣體是外流或入流的“流動人口”？哪些又是銀河系內(nèi)“長居”的“常住人口”？解決這些問題的切入點就是高速分子云。

　　通常，銀盤中的“常住”氣體會與銀盤的旋轉(zhuǎn)速度一致。而高速分子云中氣體的移動速度要快于銀盤的旋轉(zhuǎn)速度，這意味著它們很可能就是入流或外流氣體的一種。再觀測分子云的速度走向，分析它是向著銀盤移動還是遠(yuǎn)離銀盤移動，即可判斷該分子云是銀河系吸入的還是呼出的氣體。

　　當(dāng)然，也有學(xué)者指出，該研究忽略了本就存在于銀盤中的高速氣體結(jié)構(gòu)，如費米氣泡等，這些銀盤中已有的結(jié)構(gòu)無疑會給實驗帶來誤差。

　　左文文也表示，該研究僅基于溫度較低（約10000開爾文）的氣體云塊，給出的每年入流、外流的氣體質(zhì)量均是下限，還需要有更多數(shù)據(jù)才能得到更確切的結(jié)果。

　　呼吸的意義 調(diào)控恒星生命周期

　　“恒星的形成會受到氣體入流與外流之間關(guān)系的調(diào)節(jié)。所以研究氣體循環(huán)過程，對于研究恒星形成、星系演化有很重要的作用。”左文文表示，銀河系是我們所居住的星系，擁有相對來說更豐富的觀測數(shù)據(jù)去研究氣體循環(huán)問題。

　　也許很多人都會好奇，如果銀河系一直處于氣體入流多于外流的狀態(tài)，可能會怎樣？

　　“內(nèi)流多于外流，表明星系會累積更多的氣體。銀河系提供了恒星產(chǎn)生所需的原料——氣體、塵埃，有助于后續(xù)的恒星形成。”左文文表示，相反，如果星系中氣體外流一直多于內(nèi)流，總有一天，恒星形成的原材料會損失殆盡，星系中便再沒有新恒星形成了。事實上，雖然入流和外流決定了一個星系是否會有持續(xù)的恒星形成，但還要關(guān)注兩者差距有多大以及這種情況持續(xù)時間有多長。

　　2018年日本東北大學(xué)的天文學(xué)家在《自然》雜志撰文指出，銀河系在兩次恒星形成的“嬰兒潮”之間經(jīng)歷了一個持續(xù)了數(shù)十億年的休眠期，實際上是在“死亡”后“復(fù)活”了，而這一現(xiàn)象與星系的氣體循環(huán)密不可分。

　　根據(jù)這一研究，銀河系早期吸入大量寒冷氣體，開始形成第一代恒星。大約在70億年前，恒星坍塌爆炸產(chǎn)生的沖擊波將星系內(nèi)氣體加熱到高溫。這導(dǎo)致寒冷氣體停止流入銀河系，恒星的形成也隨之停止。隨著時間的推移，銀河系的高溫氣體逐漸輻射冷卻，并在50億年前開始吸入新的寒冷氣體。這導(dǎo)致了包括太陽在內(nèi)的第二代恒星的形成。更重要的是，其他研究表明，銀河系的鄰居“仙女座”星系可能也經(jīng)歷過類似的歷程。這表明大質(zhì)量的旋渦星系往往會出現(xiàn)形成恒星的“休眠期”，而較小的星系則不會。

　　事實上，星系“呼吸”的概念也適用于恒星甚至行星等宇宙中更小的系統(tǒng)。相比銀河系的“增重”，太陽和地球都在減重。根據(jù)美國國家航空航天局（NASA）和麻省理工學(xué)院的研究，太陽每年喪失1324.5萬億噸的質(zhì)量，地球每年減輕1到5萬噸。

　　正如今日宇宙（Universe Today）網(wǎng)站所寫：“無論我們談?wù)摰氖切行恰⒑阈沁�是星系，它們都在經(jīng)歷出生、生存和死亡。在這期間，他們或許會增重或減重幾磅。生命的循環(huán)，便在宇宙的尺度上展開。”（于紫月）