破解星系死亡之谜或成未来天文学研究热点

一间锁着的房间，一具尸体，没有明显的死因。这是组织神秘事件的经典方式。事实上，这也是几年前天文学家使用装有哈勃太空望远镜的新宇宙起源光谱仪(COS)观察几个距离地球数十亿光年的大星云时发现的一个神秘现象。

因为这些星系在晚年闪烁的是温度较低的红光，而不是早期温度较高的蓝光，科学家们已经了解到它们已经停止产生新的恒星。这些“红色的、死亡的”星系约占宇宙中所有星系的一半。几十年来，研究人员推测红色星系在燃烧中逐渐老化和死亡，因为它们耗尽了新恒星形成所需的气体。然而，COS数据显示了一些完全不同的情况。事实上，这些垂死的星系被氢和氦包围着。在表面上，这些气体应该已经落入可以形成恒星的星系。但是由于某种原因，它们没有回到这些星系中。"那些气体还在那里等着."马里兰州巴尔的摩太空望远镜研究所(STSCI)的COS-Halos团队成员莫莉·皮普斯说，“有东西阻挡了气体的返回。”

死亡星系和生命星系

"星系的故事实际上是气体的故事."皮尔普斯说。宇航员认为故事应该是这样的:星系诞生于气体云中，它们内部的不同部分被压缩形成恒星。另一方面，恒星会利用强烈的恒星风暴将气体吹出星系。恒星风暴会在恒星诞生时形成，当它们到达生命的尽头时，或者当一些恒星爆炸成超新星时，就会猛烈爆发。气体外流围绕着银河系，形成了一个直径达几十万光年的球形光晕，大约是人们看到的银河系的20倍。这个所谓的“CGM”中的气体将接近星系并逐渐冷却，直到它回到星系，然后为新的恒星提供燃料，这些恒星的诞生和死亡将把气体吹出星系。这个循环重复了数十亿年，直到星系耗尽新的气体，恒星烧掉剩余的气体——最终星系开始了漫长的死亡之旅。

气体从M82爆炸，M82是一个螺旋星系，由超新星和*黑洞驱动形成恒星。一些气体移动非常快，可以从星系中逃逸，而另一些气体变冷，沉入星系的圆盘中。

上面的故事讲述了两个星系家族的大致情况。螺旋星系是蓝色的，充满气体和新生恒星，具有极高的热量，并能产生大量的紫外线辐射。椭圆星系是红色的，它们耗尽了气体，它们的恒星又旧又冷，它们的光变成了红色。天文学家认为星系出生时是蓝色的，死亡时是红色的。COS-Halos团队的负责人杰森·图姆林森说，因为星系依赖气体循环生存，“星系变红的难题只能通过研究气体来解决”。

实现这个目标花了很长时间。其中一个障碍是文化上的:传统上研究星系的天文学家和研究气体的科学家彼此分离，互相争斗。后一个团队规模较小，专门研究区分遥远明亮星系类星体的光谱。CGM气体也是一个研究难点。它很薄，发出的光很少。因此，观察红色星系周围的气体需要两个条件:类星体的位置非常偶然；直到最近，高灵敏度和高像素的分光计才能一次在一个小范围内观察到。

气体漂移出星系是很常见的。

目前的观察已经确定了银河系生命周期的一部分。在有新形成恒星的星系中，观测者正在追踪热气体的快速流动。加州理工学院的天文学家查尔斯·斯蒂德尔发现它们会以惊人的速度形成新的恒星。在1000多个发生恒星爆炸的蓝色星系中，卡内基天文台的斯蒂德尔和格温·鲁迪以及他们的同事们看到大约10000开尔文摄氏度的气体以每秒800公里的速度飞出星系。

最近，由加州大学圣巴巴拉分校的克里斯托·马丁领导的另一个研究小组发现，温度为10，000开尔文摄氏度的气体以每秒数百公里的速度从一个由200颗恒星组成的星系中漂移出来。天文学家现在认为气体从恒星形成星系向外漂移是很常见的。

理论家和观察者一致认为，驱动气流的可能是星系*的巨大黑洞，或者是在星系圆盘中爆炸的超新星，或者两者都有。当黑洞把周围的物质拉进它的时候，它巨大的引力使得落入其中的物质急剧升温，把一个星系变成类星体，同时喷射出巨大的放射性物质和气体。或者，大质量恒星在生命末期爆发成超新星，产生冲击波，让气泡和气体像喷泉一样从星系喷出。天文学家观察到，日冕物质抛射包含的气体和恒星星系一样多。然而，斯蒂德尔对早期宇宙中蓝色星系的观察是一个极端的例子，早期宇宙中充满了生命周期很短的大质量恒星。“一些星系会剥离掉它们所有的气体，”图姆林森说。

CGM的气体成分决定了它是被抛出星系的。Steidel和他的同事发现，远离蓝色星系的周围气体集中了大量重金属元素，如镁、硅、氧和铁，这些元素都是由恒星核心的热核反应形成的。COS-Halos团队发现，50个相对较近的蓝色星系周围的气体也表现出类似的浓度反应，表明这些气体曾经位于这些星系的恒星内部。

星系不可避免的死亡阶梯

气流不能是单向的。如果是的话，这些星系可能都失去了气体，很久以前就死亡了。显然，气体肯定会再次返回。

物理学家说他们应该这样做:悬浮在计算机生成模型周围的气体将会冷却和压缩，直到重力把它们拉进来。理论上，进入的气体应该形成一个狭窄的相对缓慢的冷气流。事实上，很难找到流入的气体并将其与大量流出的气体区分开来，部分原因是这种非常薄的气体带无法落入类星体的可见范围内。然而，由哈佛大学史密森天体物理学中心的凯特·鲁宾和马丁领导的研究小组已经发现了15个非常接近的星系，它们都显示出气体流入的迹象。科学科学学院的乔舒亚·皮克和哥伦比亚大学的玛丽·普特曼是两位天文学家，他们在几位观测者中把银河系中的气体云流映射到银河系的螺旋盘中。

年轻的蓝色星系周围的气体似乎准备好返回星系。其中一些已经冷却到10，000开尔文摄氏度以下，这一温度使它们能够沉入它们的母星系。在那里，它可以进一步冷却到大约10开尔文摄氏度，并被压缩成形成新恒星的原材料。

这只是低估了红色星系难题的难度，在这个难题中，气体似乎也准备好回到原始星系，成为新恒星诞生的燃料。2012年，COS-Halos团队发现，CGM附近的16个红色死亡星系的质量与有恒星的蓝色星系几乎相同，它们的气体温度达到了10，000开尔文摄氏度。

然而，由COS-Halos团队观察到的红色死亡星系已经停止了循环。“它们是巨大的谜团。”皮克说。目前，天文学家只能说，那里的气体没有理由不回到原来的星系。一定有什么东西阻止它再次进入星系或者干扰它形成新的恒星。

迄今为止，计算机模拟未能提供解释悬浮气体的线索。“没有一种模式能成功。”南非西开普顿大学的理论天文学家、COS-Halos团队的成员罗梅勒·达维(Romeel Davé)说，问题之一是，尽管当前的模拟具有普遍性和复杂性，但它还不能涵盖与星系生命周期相关的尺度范围，从CGM到星系内部，更不用说包括恒星爆炸和黑洞增长在内的混沌物理现象了。因此，该模型无法解释这个难题。

在接下来的十年里，目前最好的望远镜和天文观测设备——哈勃太空望远镜上的COS和10米长的凯克望远镜上的HIRES和LRIS的观测仪器将让位于新一代的12米太空望远镜和30米地面望远镜上的观测设备。图姆林森说，他们应该能够追踪气体流入开始死亡的星系的细节，从而“捕捉到它们从蓝色变成红色的过程”(李冯公主)

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