巨獸百尋，是為曼延。神山崔巍，欻從背見。在巍峨的宇宙山巒中，生活著一群巨大的獸類，名喚星系。它們吞吸著群山中的氣體、滋養(yǎng)生息；而當(dāng)它們長呼一口氣后，山中的氣體環(huán)境皆隨之異動。這是星系與宇宙環(huán)境之間的叢林法則。呼吸之間，星系歷經(jīng)著它波瀾壯闊的一生。

星系的氣體吸積正如“巨獸的吞吸”，供給著星系演化中兩個重要的物理過程：恒星形成和黑洞活動。圖1中的藍(lán)色帶狀結(jié)構(gòu)表征星系的氣體吸積過程。當(dāng)吸積的氣體與星系中的原有氣體相互作用，經(jīng)歷角動量損失，會進(jìn)一步觸發(fā)氣體內(nèi)流。當(dāng)星系演化過程中吸積了大量與原有氣體方向不一致的氣體時，便可能會產(chǎn)生一類獨特的“巨獸”—— 錯位星系（misaligned galaxies）。

本期，我們將以錯位星系為研究對象，一起探索兩個問題：（1）星系氣體吸積的起源是什么？（2）氣體吸積對星系演化過程有何影響？

圖1：星系中氣體吸積和外流的示意圖。藍(lán)色結(jié)構(gòu)示意氣體吸積過程，橙色結(jié)構(gòu)示意氣體外流。圖片來自Tumlinson, Peeples & Werk (2017)。

氣體吸積的起源

由于星系的吸積過程通常沿著氣體盤發(fā)生、且速度較低，直接觀測這一物理過程極其困難。不過，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一類特殊的錯位星系，它們的恒星成份和氣體成份的旋轉(zhuǎn)方向不一致?，F(xiàn)有研究普遍表明這些星系在演化過程中從外部吸積了錯位旋轉(zhuǎn)的氣體。圖2展示了一個錯位星系的例子，左圖為其恒星速度場，右圖為氣體速度場。圖中，藍(lán)色代表該成份在朝向我們運動（藍(lán)移），紅色代表該成份在遠(yuǎn)離我們運動（紅移）?？梢姾阈浅煞莸乃{(lán)移和紅移的分布與氣體成份不一致，即兩個成份的旋轉(zhuǎn)方向不一致。對這類星系的研究，如同繪制了一張“吞吸診斷圖”，幫助天文學(xué)家理解星系的吸積過程源何而起，又會對星系演化過程產(chǎn)生怎樣的影響。

圖2：具有錯位的恒星成份和氣體成份的星系個例。左圖展示了這個星系的恒星速度場，右圖展示了氣體速度場。其中，藍(lán)色代表該成份在朝向我們運動（藍(lán)移），紅色代表該成份在遠(yuǎn)離我們運動（紅移）。

星系所處的宇宙環(huán)境根據(jù)密度從低到高可以分為四類，即空洞（voids）、面狀結(jié)構(gòu)（sheets）、纖維狀結(jié)構(gòu)（filaments）和節(jié)點（nodes）。宇宙中的物質(zhì)大多分布在纖維狀結(jié)構(gòu)里，如圖3的紫色條帶狀結(jié)構(gòu)所示，這些物質(zhì)會沿著纖維狀結(jié)構(gòu)向更加致密的節(jié)點環(huán)境移動。假如星系中的氣體成份（或恒星成份）形成自纖維狀結(jié)構(gòu)，那么這部分物質(zhì)的角動量方向會表現(xiàn)出與該結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。

圖3：宇宙纖維狀結(jié)構(gòu)中的氣體分布。條帶狀結(jié)構(gòu)示意纖維狀結(jié)構(gòu)的分布，漩渦結(jié)構(gòu)示意其中形成的星系。 圖片來自Codis et al. (2012)。

從世界上最先進(jìn)的積分視場光譜巡天MaNGA（Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory survey）中，作者收集了496個錯位星系，構(gòu)成了目前最大的此類樣本。將錯位星系的氣體角動量方向與其周邊的纖維狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，作者發(fā)現(xiàn)兩者相互垂直，該現(xiàn)象證明了這類星系中的錯位氣體大多是從纖維狀結(jié)構(gòu)中獲取的。

氣體吸積的影響

巨獸吞吸了群山中的氣體，獲得了充足的氧氣，供給了龐大身軀中的新陳代謝。經(jīng)歷了氣體吸積的星系，也為其演化過程儲備了充足的原料。一方面，星系中的恒星形成過程會消耗大量的氣體；另一方面，超新星爆發(fā)或黑洞反饋都會產(chǎn)生巨大的能量，進(jìn)一步驅(qū)逐星系中的氣體。如果沒有新的氣體補充，星系很快會耗盡所有的原料，恒星形成和黑洞活動都會逐漸停止。因此，氣體吸積對于維持星系的活力至關(guān)重要 —— 點亮新生的恒星，亦或喚醒沉睡的黑洞。

維持恒星形成是氣體吸積過程對星系演化最直接的影響。吸積所輸送的冷氣體為恒星“工廠”提供原材料，保證了星系持續(xù)發(fā)光發(fā)熱的能力。當(dāng)吸積來的氣體與星系中的原有氣體相互作用，會經(jīng)歷角動量損失的過程。這時，在引力勢的作用下，氣體便會落入星系中心觸發(fā)新一輪的恒星形成。此外，落入星系的氣體也有一部分會直奔星系的中心黑洞。這些氣體有可能會激活黑洞，使其成為明亮的活動星系核（active galactic nuclei, AGN）。黑洞被激活后產(chǎn)生的巨大噴流和輻射，又會反過來影響氣體吸積的過程，形成一個復(fù)雜的自我調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

寫在結(jié)尾

星系的每一次恒星形成或黑洞活動都伴隨著閃耀的光芒，而這一次次的閃耀正是得益于演化過程中偶爾的深吸一口氣。對于生活在當(dāng)代社會的我們，正如《白日夢想家》的電影劇情所描述的，每天都遵循固定的時間、沿著固定軌跡、去往固定的終點，時不時還會被突發(fā)狀況消磨了這些固定中的安全感。也許，偶爾的停頓、深吸一口氣，也可以像電影主角一樣在意外的時刻、從意外的路線中、得到意外的收獲。

慢下來，去感受天上的云朵、枝頭的鳥鳴、空氣中的花香。慢下來，深吸一口氣，也許人生的演化也會和星系一樣，多一些閃耀的可能性。

參考文獻(xiàn)

[1]“The Circumgalactic medium”, Tumlinson, J., Peeples, M. & Werk, J., 2017, ARA&A, 55, 389.

[2]“Connecting the cosmic web to the spin of dark haloes: implications for galaxy formation”, Codis, S., Pichon, C., Devriendt, J., et al. 2012, MNRAS, 427, 3320.

[3]“The Large-scale structure supplies the formation of gas-star misaligned galaxies”, Bao, M., Chen, Y., Gu, Q., et al. 2025, ApJL, 982, L29.

作者簡介

鮑敏，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院博士后，主要研究方向為氣體、恒星運動學(xué)與星系演化。

本文轉(zhuǎn)載自《中國科學(xué)院國家天文臺》微信公眾號

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