众所周知,如果一个人摄入的能量高于消耗的能量,身体就可能发胖,反之则会消瘦。测量人的体重增减只需一台秤而已。

而浩瀚宇宙中的星系,特别是人类生存的银河系,处于怎样的变化之中,却是困扰全球天文学家的重大难题。日前,一个由欧洲航天局天文学家安德鲁·福克斯博士领衔的国际研究团队在《天体物理学报》上撰文指出,银河系吸入的气体比呼出的气体质量更大,处于“发胖”的过程中。

那么,银河系的“呼吸”和质量变化背后有怎样的奥秘?这种“发胖”将给银河系带来哪些影响?

气体物质交换 激活“一池春水”

银河系中不断有气体被“吹”出,但这些气体还会重新被“吸”回,落到银河系上。这种“呼吸”意味着什么?

“这是恒星的诞生与死亡所带来的气体尘埃物质循环。”中国科学院上海天文台副研究员左文文在接受科技日报记者采访时表示,恒星从银盘中的气体分子云中坍缩形成。恒星演化过程中的星风,以及大质量恒星演化到生命晚期发生的超新星爆炸,均会将大部分物质向外抛散,并向周围的星际物质发射激波,形成一个由膨胀的气体和尘埃构成的壳状结构,即超新星遗迹。

“恒星可视为源于尘埃,死亡时又归于尘埃。”左文文说。

恒星从生到死的整个生命周期成就了一次大尺度的搬运——将银盘中的气体尘埃物质向银河系更外围的银晕中转移。而且,恒星的一生积攒了大量的金属元素。天文学中通常把比氦元素原子数大的元素均称作金属元素,这些金属元素就像是一颗恒星兢兢业业地工作——努力地燃烧自己,奋斗一辈子攒下的财富。它在日常生活中偶尔会“消费”,即通过星风现象抛出一部分物质;更多的是在大质量恒星走向灭亡的那一刻,它穷极一生积攒的“家当”,抛散四射,丰富了整个星系的元素组成,也点燃了下一代恒星生命起源的星星之火。

随着时间的推移,银晕中的气体尘埃物质会逐渐聚集在一起,重力将导致这些气体团块落回银盘,开始下一轮恒星形成。

恒星的死亡造就了新恒星的诞生,终点即是起点。周而复始,“向死而生”。银河系也在无数个恒星的“献祭”中完成了与周围环境的气体物质交换,就像一个湖泊,里面是一池活水。

高速分子云 标记“流动人口”

那么,银河系这个大湖泊是在“涨水”还是在“泄水”?很多研究人员都想找到答案。

此次研究给出的答案是前者,即气体入流大于外流。

该项研究利用哈勃太空望远镜的紫外波段数据,研究了187个高速分子云,根据吸收线相对于静止参考系波长的移动,测定出它们在银河系标准静止参考系的速度,分类成入流的高速分子云和外流的高速分子云。通过计算,研究人员估计流入率为每年0.53±0.17倍太阳质量,流出率为每年0.16±0.06倍太阳质量,表明目前银河系处在入流主导的时期。

入流的气体来源于哪里?左文文指出,银河系的引力有可能将部分星系际介质拖拽进来,也可能会从它的卫星星系拖拽一些气体物质过来。

科技日报记者注意到,该研究的主要对象是高速分子云。银河系中气体尘埃无数,为何研究人员单单瞄向了高速分子云?

左文文提到,恒星与恒星之间有星际介质,星系与星系之间有星系际介质。星系并不是一个有着密闭边界的系统。

因此,没有任何一种气体会给自己主动贴上“外来者”或“本地人”的标签。那么,研究人员如何界定哪些气体是外流或入流的“流动人口”?哪些又是银河系内“长居”的“常住人口”?解决这些问题的切入点就是高速分子云。

通常,银盘中的“常住”气体会与银盘的旋转速度一致。而高速分子云中气体的移动速度要快于银盘的旋转速度,这意味着它们很可能就是入流或外流气体的一种。再观测分子云的速度走向,分析它是向着银盘移动还是远离银盘移动,即可判断该分子云是银河系吸入的还是呼出的气体。

当然,也有学者指出,该研究忽略了本就存在于银盘中的高速气体结构,如费米气泡等,这些银盘中已有的结构无疑会给实验带来误差。

左文文也表示,该研究仅基于温度较低(约10000开尔文)的气体云块,给出的每年入流、外流的气体质量均是下限,还需要有更多数据才能得到更确切的结果。

呼吸的意义 调控恒星生命周期

“恒星的形成会受到气体入流与外流之间关系的调节。所以研究气体循环过程,对于研究恒星形成、星系演化有很重要的作用。”左文文表示,银河系是我们所居住的星系,拥有相对来说更丰富的观测数据去研究气体循环问题。

也许很多人都会好奇,如果银河系一直处于气体入流多于外流的状态,可能会怎样?

“内流多于外流,表明星系会累积更多的气体。银河系提供了恒星产生所需的原料——气体、尘埃,有助于后续的恒星形成。”左文文表示,相反,如果星系中气体外流一直多于内流,总有一天,恒星形成的原材料会损失殆尽,星系中便再没有新恒星形成了。事实上,虽然入流和外流决定了一个星系是否会有持续的恒星形成,但还要关注两者差距有多大以及这种情况持续时间有多长。

2018年日本东北大学的天文学家在《自然》杂志撰文指出,银河系在两次恒星形成的“婴儿潮”之间经历了一个持续了数十亿年的休眠期,实际上是在“死亡”后“复活”了,而这一现象与星系的气体循环密不可分。

根据这一研究,银河系早期吸入大量寒冷气体,开始形成第一代恒星。大约在70亿年前,恒星坍塌爆炸产生的冲击波将星系内气体加热到高温。这导致寒冷气体停止流入银河系,恒星的形成也随之停止。随着时间的推移,银河系的高温气体逐渐辐射冷却,并在50亿年前开始吸入新的寒冷气体。这导致了包括太阳在内的第二代恒星的形成。更重要的是,其他研究表明,银河系的邻居“仙女座”星系可能也经历过类似的历程。这表明大质量的旋涡星系往往会出现形成恒星的“休眠期”,而较小的星系则不会。

事实上,星系“呼吸”的概念也适用于恒星甚至行星等宇宙中更小的系统。相比银河系的“增重”,太阳和地球都在减重。根据美国国家航空航天局(NASA)和麻省理工学院的研究,太阳每年丧失1324.5万亿吨的质量,地球每年减轻1到5万吨。

正如今日宇宙(Universe Today)网站所写:“无论我们谈论的是行星、恒星还是星系,它们都在经历出生、生存和死亡。在这期间,他们或许会增重或减重几磅。生命的循环,便在宇宙的尺度上展开。”