銀河系正在“變胖” 帶來哪些影響？背后有怎樣的奧秘?

眾所周知，如果一個(gè)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(huì)消瘦。測量人的體重增減只需一臺(tái)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(gè)由歐洲航天局天文學(xué)家安德魯·?？怂共┦款I(lǐng)銜的國際研究團(tuán)隊(duì)在《天體物理學(xué)報(bào)》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(huì)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(tái)副研究員左文文在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)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(huì)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(gè)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(shí)又歸于塵埃。”左文文說。

恒星從生到死的整個(gè)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(cái)富。它在日常生活中偶爾會(huì)“消費(fèi)”，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(gè)星系的元素組成，也點(diǎn)燃了下一代恒星生命起源的星星之火。

隨著時(shí)間的推移，銀暈中的氣體塵埃物質(zhì)會(huì)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(diǎn)即是起點(diǎn)。周而復(fù)始，“向死而生”。銀河系也在無數(shù)個(gè)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(gè)湖泊，里面是一池活水。

高速分子云標(biāo)記“流動(dòng)人口”

那么，銀河系這個(gè)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(xiàng)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(gè)高速分子云，根據(jù)吸收線相對(duì)于靜止參考系波長的移動(dòng)，測定出它們?cè)阢y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(jì)算，研究人員估計(jì)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(shí)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(huì)從它的衛(wèi)星星系拖拽一些氣體物質(zhì)過來。

科技日?qǐng)?bào)記者注意到，該研究的主要對(duì)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(gè)有著密閉邊界的系統(tǒng)。

因此，沒有任何一種氣體會(huì)給自己主動(dòng)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(dòng)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(diǎn)就是高速分子云。

通常，銀盤中的“常住”氣體會(huì)與銀盤的旋轉(zhuǎn)速度一致。而高速分子云中氣體的移動(dòng)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(dòng)還是遠(yuǎn)離銀盤移動(dòng)，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(fèi)米氣泡等，這些銀盤中已有的結(jié)構(gòu)無疑會(huì)給實(shí)驗(yàn)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(huì)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(duì)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(duì)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(huì)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(huì)怎樣?

“內(nèi)流多于外流，表明星系會(huì)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(huì)損失殆盡，星系中便再?zèng)]有新恒星形成了。事實(shí)上，雖然入流和外流決定了一個(gè)星系是否會(huì)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(shí)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(gè)持續(xù)了數(shù)十億年的休眠期，實(shí)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(shí)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(huì)出現(xiàn)形成恒星的“休眠期”，而較小的星系則不會(huì)。

事實(shí)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(UniverseToday)網(wǎng)站所寫：“無論我們談?wù)摰氖切行?、恒星還是星系，它們都在經(jīng)歷出生、生存和死亡。在這期間，他們或許會(huì)增重或減重幾磅。生命的循環(huán)，便在宇宙的尺度上展開。”(實(shí)習(xí)記者 于紫月)

關(guān)鍵詞： 銀河系