巨獸吞吸天下動 —— 星系的氣體吸積

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、滋養生息；而當它們長呼一口氣后，山中的氣體環境皆隨之異動。這是星系與宇宙環境之間的叢林法則。呼吸之間，星系歷經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中的藍色帶狀結構表征星系的氣體吸積過程。當吸積的氣體與星系中的原有氣體相互作用，經歷角動量損失，會進一步觸發氣體內流。當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。藍色結構示意氣體吸積過程，橙色結構示意氣體外流。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，天文學家發現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方向不一致。現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，藍色代表該成份在朝向我們運動（藍移），紅色代表該成份在遠離我們運動（紅移）。可見恒星成份的藍移和紅移的分布與氣體成份不一致，即兩個成份的旋轉方向不一致。對這類星系的研究，如同繪制了一張“吞吸診斷圖”，幫助天文學家理解星系的吸積過程源何而起，又會對星系演化過程產生怎樣的影響。

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，藍色代表該成份在朝向我們運動（藍移），紅色代表該成份在遠離我們運動（紅移）。

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

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

從世界上最先進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構進行比較，作者發現兩者相互垂直，該現象證明了這類星系中的錯位氣體大多是從纖維狀結構中獲取的。

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，超新星爆發或黑洞反饋都會產生巨大的能量，進一步驅逐星系中的氣體。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，保證了星系持續發光發熱的能力。當吸積來的氣體與星系中的原有氣體相互作用，會經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，形成一個復雜的自我調節系統。

寫在結尾

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

[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，南京大學天文與空間科學學院博士后，主要研究方向為氣體、恒星運動學與星系演化。

本文轉載自《中國科學院國家天文臺》微信公眾號

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