導讀:
我們每天出門都會查查天氣。“天氣”一詞一般泛指地球大氣層内的各種實體狀态以及随之相關的現象，包括溫度、濕度、風速、風向以及氣壓等等。就如地球大氣層中的風霜雨雪一樣，宇宙中大大小小的星系（包括我們的銀河系）每時每刻也都在上演着各種奇妙的“天氣”現象。
不知你是否想過：星系裡的“天氣”是什麼樣的？星系裡刮風下雨對我們日常生活有影響嗎？天文學家又是怎樣研究星系“天氣”的？
本期賽先生天文，将詳細解答這些問題，為你帶來一場獨家的星系“天氣”報道。
撰文 | 鄭永（加州大學伯克利分校）
責編 | 韓越揚、呂浩然
星系“天氣”一覽
就如地球被一層厚厚的大氣包裹着一樣，我們平時看到的科學圖檔中的星系（常為光學波段），外圍也有一團巨大但是很暗的氣體結構，稱作星系周媒體暈（Circumgalactic Medium）。我們這裡姑且稱之為星系的“大氣”。與地球大氣不同的是，星系大氣非常厚，其體積可與星系的暗物質暈相當。拿我們的鄰居仙女座星系（M31）舉個例子（圖一右): 如果把 M31 的星系盤想象成一枚硬币，那麼它的星系周媒體（星系大氣）就會如同一個籃球一般大。
圖一：星系的星系周媒體暈（星系大氣）比星系盤本身大很多。圖檔來源: 鄭永
在這個巨大的星系大氣裡，各種奇妙的“天氣”現象輪番上演（圖二）。我們時而會看到高速的氣體外向流，如火山噴發般從星系盤中心噴湧而出。這些氣體外向流的速度可達幾百至幾千米每秒，溫度在百萬攝氏度左右，足以融化地球上的任何物質。這些氣體外向流或由恒星形成活動産生的星風推動，或由星系盤中心的黑洞吸積回報産生。
同時，我們也會看到氣體内向流或者回流從星系大氣中析出，或急或緩，在引力的作用下以幾十至幾百米每秒的速度流向星系盤。這些氣體的溫度一般在幾千度至十萬攝氏度之間。就如雨水潤澤萬物一般，這些氣體内向流為星系盤輸入了大量的物質，為下一代的恒星形成活動提供了充足的養料。
圖二：星系周媒體示意圖。星系周媒體中的各種動力學活動可與地球上的多種現象做類比。圖檔來源：參考文獻[1]
其實，星系裡的“天氣”現象在各種大大小小的星系中頗為常見。除此之外，我們的銀河系還常年處在“多雲”的狀态，我們稱這些“雲”為高速氣體雲（圖三）。它們漂浮在離銀盤約3萬光年左右的高度，由較低溫（約幾千至一萬攝氏度）的中性氫原子構成，總品質約為七千萬太陽品質（不含麥哲倫雲系統），占銀河系銀盤品質的千分之二左右。
就如我們日常看到天上飄的雲一般，高速氣體雲也會呈現出各式各樣的形态。有的高速氣體雲成團出現，在星系大氣中高速運作的時候會慢慢地分解；有的高速氣體雲則成長條狀或絲狀，或與當地的磁場或者冷凝過程相關。這些高速氣體雲的實體形态直接反映了其所在星系“天氣”環境的實體過程（如熱不穩定性、開爾文-亥姆霍茲不穩定性、以及瑞利－泰勒不穩定性等）。
圖三：在銀道坐标系下的銀河系高速氣體雲分布。顔色代表了高速氣體雲與我們太陽系（本地靜止坐标系）的相對速度。正值（黃色及橘紅色）代表離我們遠去，負值（綠色及藍色）代表向我們運動而來。就如我們日常看到的雲一般，銀河系“大氣”中的高速氣體雲也呈現着各式各樣的形态。圖檔來源：參考文獻[2]
星系大氣裡有什麼？
盡管星系大氣也有着如地球上風霜雨雪般的“天氣”現象，其化學成分卻與地球大氣完全不同（圖四）。在地球大氣中我們平均能測到百分之二十一左右的氧氣以及百分之七十八左右的氮氣。剩下的百分之一左右由水蒸氣，二氧化碳等構成。這些氣體都處在分子狀态。
與之相反，星系大氣中的氣體處在原子或者離子狀态。如上文提到的，星系大氣中的氣體（内向流或外向流）溫度在幾千度至百萬度之間。在這樣的高溫下，分子氣體結構無法存在。即使是地球上堅硬無比的金屬，放在星系大氣的高溫中都會立刻升華為金屬氣體，以原子态或者等離子體态存在。
圖四：地球大氣與星系大氣化學成分對比。地球大氣中的氣體多以分子态存在，而星系大氣中的物質多以原子或者等離子體态存在，圖檔來源：鄭永
如圖四右所示，氫是星系大氣中最常見的元素，約占總重子物質成分的百分之七十三。其次是氦，占四分之一。剩下的元素，如碳、氮、氧、鎂等，成分都極其微量。天文學家把所有的這些元素都統稱為“重子物質 (baryons)”。我們上文（圖二）提到的氣體外向流将這些重子物質從星系盤轉移到星系大氣，而氣體内向流則将這些元素從星系大氣中回收，重新輸送到星系盤為下一代的恒星形成活動提供養料。
我們把這個重子物質在星系與星系大氣之間循環往複的過程稱為“宇宙重子物質循環”。這個過程對星系的形成與演化極其重要。美國國家科學院國家研究委員會最近一次的“天文學和天體實體學十年調查 (Astro2020 Decadal Survey)”将星系大氣以及宇宙重子物質循環列為未來十年的研究重點之一。
天文學家是怎樣研究星系“天氣”的？
不知你有沒有發現，假如深夜身處在晚上沒有月光或者城市燈光的郊外，其實我們很難看清天上的雲朵。這是因為天上的雲自己本身并不發光，需要反射、折射或遮擋已有光源才能變得肉眼可見。星系大氣也是類似的情況。由于星系大氣極其稀薄，其密度遠遠低于地球上最好的真空裝置（平均每平方厘米0.00001至0.1個電離粒子），我們很難用常有的光學望遠鏡觀測星系大氣。這也是為什麼我們平時看到的星系圖檔都隻有星系盤本身。
是以，我們需要動用特殊的手段來觀測星系大氣，例如利用X-射線望遠鏡可以收集星系大氣發出的高能光子（如正在争取立項中的宇宙熱重子探尋計劃HUBS），以及在大型光學望遠鏡上安裝內建視場攝譜儀（如VLT/MUSE）進行長時間積分。這裡筆者簡單介紹兩種常用的觀測銀河系及鄰近星系的星系周媒體（星系大氣）的方法：
1
射電望遠鏡
如上文提到的，我們的銀河系常年處于“多雲”狀态，而且這些高速氣體雲能在銀河系“大氣”裡飄上幾千萬年都不會消散。因為星系大氣的主要成分是氫（圖四右），而高速氣體雲的氫主要處于中性狀态，我們便可以利用中性氫原子超精細結構躍遷産生的21厘米譜線對高速氣體雲進行觀測。
由于這一條譜線落在電磁波譜上的射電波段，我們可以用各類射電望遠鏡（比如中國“天眼”FAST）對高速氣體雲進行觀測（圖五）。筆者的研究工作之一便是利用射電望遠鏡對這些高速氣體雲的形成與演化進行觀測研究。
圖五：左圖為利用阿雷西博天文台觀測的銀河系中性氫，圖中的顔色顯示了速度資訊，而非氣體的真實顔色。我們可以看到大量呈絲狀、條狀的氣體形态（圖檔來源：Josh Peek）。右圖為中國“天眼”FAST（圖檔來源：維基百科）。得益于FAST極高的靈敏度以及比阿雷西博天文台更好的空間分辨率以及全天覆寫率，我們對銀河系高速氣體雲的研究也将更上一個層次。
2
哈勃空間望遠鏡
不知你是否有過這樣的經驗：在電影院看電影時視線時常被前排高個子的人遮擋（圖六左下）？類似的“遮擋”效應也時常在天文觀測中發生，并被巧妙利用。由于直接觀測星系大氣發出的光子極其困難，我們可以先用哈勃空間望遠鏡上的宇宙起源頻譜儀觀測一個在紫外波段很亮的背景點源。當背景點源的光穿過其前方星系周圍的時候，我們就會看到部分的流量損失。這是因為星系大氣中處于電離态的“雲”将這些流量吸收了，形成了類似于電影院裡的“遮擋”效應。
通過對損失的流量的研究，我們可以對星系大氣中“雲”的品質、速度以及化學成分進行量化估計（比如個子越高的人遮擋的銀幕面積越大）。筆者的多項研究便是結合“遮擋”效應利用哈勃空間望遠鏡對銀河系以及鄰近星系的星系周媒體進行觀測研究。繼哈勃之後，美國國家科學院國家研究委員會在“天文學和天體實體學十年調查”中強力推薦籌建的下一代紅外-光學-紫外望遠鏡也将為星系大氣的研究帶來全新的視角。
而剛剛升空的“哈勃繼任者”——韋伯空間望遠鏡雖然比哈勃口徑更大，但因為聚焦在紅外波段，是以對于星系大氣的研究貢獻有限。
圖六：利用哈勃空間望遠鏡觀測星系大氣吸收線示意圖。就如在電影院看電影時我們的視線時常被前排高個子的人遮擋一樣，我們可以利用類似的“遮擋”效應來尋找星系大氣中的電離态“雲”，圖檔來源：鄭永
結語
星系大氣裡的“天氣”就如同地球上的風霜雨雪一樣常見。不同的是，風霜雨雪轉眼間就會消散，而星系大氣中的“天氣”則會持續幾千萬年或更久。這些現象既反映了星系的過去，也預示着星系的未來。
由于觀測條件苛刻，對星系大氣的研究不斷促進着科學技術的發展以及望遠鏡儀器裝置的更新。随着新一代射電、光學、紫外以及高能望遠鏡裝置的籌備及建造，筆者期待着下一個十年、二十年……我們對星系大氣的研究将迎來質的飛越。
作者簡介
鄭永，2012年大學畢業于北京大學天文系。2018年于美國紐約哥倫比亞大學天文系獲得博士學位，并加入加州大學伯克利分校米勒基礎科學研究所任米勒博士後學者。研究領域為星系周媒體，其研究旨在通過紫外、光學、射電等多波段高分辨率光譜觀測，對銀河系及本星系群内矮星系的星系及其星系周媒體的關聯性進行全方面分析。
參考文獻：
[1]Tumlinson, Peeples & Werk, ARAnA, 2017,55:389-432, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2017ARA%26A..55..389T/abstract
[2]Putman, Peek & Joung, ARAnA, 2012, 50:491-529, https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2012ARA%26A..50..491P/abstract
[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Metallicity
[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Baryon
[5]https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth
[6]https://en.wikipedia.org/wiki/Five-hundred-meter_Aperture_Spherical_Telescope
制版編輯|-小圭月-