破解星系死亡之謎或成未來天文學研究熱點

一個鎖著的房間，一具死尸，沒有明顯的致死原因。這是一個神秘事件的經(jīng)典組織方式。而實際上這也是數(shù)年前天文學家用哈勃太空望遠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)大型星云時所發(fā)現(xiàn)的神秘現(xiàn)象。

因為這些星系閃爍著晚年時溫度較低的紅光，而不是幼年時溫度很高的藍光，科學家了解到它們已經(jīng)停止生成新的恒星。這些“紅色的、死亡的”星系約占整個宇宙所有星系的一半。數(shù)十年來，研究人員推測紅色星系逐漸在燃燒中走向衰老與滅亡，因為它們已經(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。但是因為某種原因，它們卻并未落回這些星系。“那些氣體還在那里等待?！泵绹R里蘭州巴爾地摩太空望遠鏡研究所（STScI）COS-Halos團隊成員Molly Peeples說，“某種物質(zhì)在阻擋氣體回歸?！?/p>

死亡星系與生命星系

“星系的故事實際上是氣體的故事?！盤eeples說。宇航員認為故事應(yīng)該是這樣的：星系出生在氣體云中，其內(nèi)部各個地方經(jīng)過壓縮形成恒星。反過來恒星會用強烈的恒星風暴把氣體吹出星系，恒星風暴會在恒星出生時及其走到生命盡頭猛烈爆發(fā)時形成，或是在一些恒星爆發(fā)變成超新星的過程中形成。這些流出的氣體環(huán)繞在星系周圍，形成一個直徑約有幾十萬光年的球形光環(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把氣體吹出星系。這個循環(huán)經(jīng)過數(shù)十億年不斷重復，直到星系耗盡新的氣體，直到其恒星燒盡余下的氣體——最終這個星系開始踏上其漫長的死亡之旅。

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

上述故事講述了兩個星系家族的概況。螺旋星系是藍色的，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。天文學家認為，星系出生時是藍色的，而死亡時是紅色的。COS-Halos團隊領(lǐng)頭人Jason Tumlinson說，因為星系要依靠氣體循環(huán)生存，“星系變成紅色的謎題只有通過研究氣體來解題”。

實現(xiàn)這一目標花費了很長時間。其中一個障礙是文化上的：傳統(tǒng)上研究星系的天文學家與研究氣體的科學家相互分開，各自為戰(zhàn)。而后者團隊較小，專門區(qū)分遙遠的明亮星系——類星體的光譜。CGM的氣體也是研究難點。它非常稀薄，本身散發(fā)的光線非常少。因此，觀測紅色星系周圍的氣體需要具備兩個條件：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到一個小領(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。加州理工學院天文學家Charles Steidel發(fā)現(xiàn)，它們會以驚人的速度形成新的恒星。在超過1000個有恒星爆炸的藍色星系中，Steidel和卡內(nèi)基天文臺的Gwen Rudie及其同事看到了大約1萬開爾文攝氏度的氣體以約每秒800公里的速度飛出星系。

最近，另一個由加州大學圣塔巴巴拉分校的Crystal Martin帶領(lǐng)的研究團隊在中間的距離發(fā)現(xiàn)了溫度同樣達到1萬開爾文攝氏度的氣體以每秒數(shù)百公里的速度漂流出一個由200顆恒星形成的星系的半程之外。天文學家現(xiàn)在認為，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)動氣體向外流動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。當一個黑洞把周圍的物質(zhì)拉進其中，其巨大的引力讓落入其中的物質(zhì)劇烈升溫，把一個星系變成類星體，同時噴射出巨大的放射物質(zhì)和氣體?；蛘叽筚|(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。天文學家已經(jīng)觀測到，CGM中的氣體與恒星星系中的氣體一樣多。而Steidel觀測到的宇宙早期充滿了生命周期不長的大質(zhì)量恒星爆發(fā)的藍色星系則是極端案例，Tumlinson說：“一些星系會剝離它們所擁有的全部氣體。”

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的藍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 團隊發(fā)現(xiàn)，圍繞50個相對較近的藍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，氣體一定會再次回歸。

物理學家表示，它們確實應(yīng)該這樣做：徘徊在CGM的氣體會冷卻和壓縮，直到引力把它們拉進來。在理論上，流進來的氣體應(yīng)該形成狹窄的相對慢速而冰冷的氣流。實際上，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范圍之內(nèi)。然而，由哈佛大學史密森天體物理學中心Kate Rubin和Martin分別帶領(lǐng)的研究團隊已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近距離的15個星系，這些星系都顯示出氣體流入的跡象。來自STScI的Joshua Peek和哥倫比亞大學的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的兩位天文學家。

圍繞年輕的藍色星系的氣體似乎隨時準備回歸到星系中。其中一些已經(jīng)冷卻至1萬開爾文攝氏度以下，這個溫度可以讓它下沉到其母星系中。在那里它可以進一步冷卻至10開爾文攝氏度左右，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)準備回歸到原星系并成為新恒星誕生的燃料。2012年，COS-Halos團隊發(fā)現(xiàn)，CGM附近的16個紅色死亡星系擁有的氣體幾乎和那些擁有恒星的藍色星系的氣體有著同樣大的質(zhì)量，而且其氣體溫度也在1萬開爾文攝氏度的門檻處。

然而，COS-Halos團隊觀察到的紅色死亡星系已經(jīng)停止了循環(huán)。“它們是巨大的謎?！盤eek說。目前，天文學家只能說，那里的氣體沒有原因不回歸到原星系。一定有些東西在阻擋它重新進入星系，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]有任何模型能夠成功。”南非西開普敦大學理論天文學家、COS-Halos團隊成員Romeel Davé說，其中的一個問題是目前的模擬盡管具備廣泛性和復雜性，卻尚未能做到同時涵蓋從CGM到星系內(nèi)部的與星系生命周期相關(guān)的尺度范圍，更不要說包括爆炸的恒星與增長的黑洞等混亂的物理現(xiàn)象。因此，模型不能解釋這個謎題。

在未來十年，目前最好的望遠鏡與天文觀測設(shè)備——哈勃望遠鏡機載的COS以及10米長的凱克望遠鏡機載的HIRES和LRIS的觀測儀器，將會給12米太空望遠鏡和30米地面望遠鏡上載荷的新一代觀測設(shè)備讓路。Tumlinson說，它們應(yīng)該能夠跟蹤到氣體流入那些開始死亡的星系的細節(jié)，從而“捕捉它們從藍色變成紅色的過程?！保T麗妃）