​探秘巨大的星系是如何在宇宙之网中逐渐成长

宇宙是一个神奇而又神秘的地方，它充满了各种奇妙的现象和结构。其中最引人注目的就是宇宙之网，这是一种由暗物质和普通物质组成的巨大的三维网络，它连接了宇宙中所有的星系和星系团。宇宙之网的形状类似于蜘蛛网，由密集的节点和稀疏的细丝构成。节点是由数千个星系聚集而成的星系团，细丝是由数百个星系串联而成的星系群。宇宙之网的存在是由引力和暗能量共同作用的结果，它反映了宇宙的大尺度结构和演化。

宇宙之网不仅是星系的分布模式，也是星系的成长场所。星系是由气体、尘埃和恒星组成的旋转的岛屿，它们在宇宙中不断地与周围的环境发生相互作用，从而改变自己的形状、颜色和活动。星系的演化受到多种因素的影响，其中最重要的就是它们所处的位置。不同的位置意味着不同的密度、温度和压力，这些都会影响星系的气体含量和恒星形成率，从而决定星系的命运。

那么，星系是如何在宇宙之网中成长的呢？它们是如何从细丝中进入节点的呢？它们在不同的环境中会发生什么样的变化呢？为了回答这些问题，我们需要借助观测和模拟的手段，探索宇宙之网中的星系的奥秘。

堪萨斯大学的物理和天文学教授格雷戈里-鲁德尼克就是这样一位探索者，他正在领导一个由多所大学和研究机构组成的国际合作团队，利用先进的计算机模拟和大量的观测数据，研究宇宙之网中的星系的形成和演化机制。这项工作将使用来自DESI遗产巡天、宽视场红外巡天探测器（WISE）和美国宇航局星系演化探测器（GALEX）的约14000个星系的图像；研究小组还将利用锡耶纳的0.7米Planewave望远镜收集更多的观测数据。

"这个项目的主要目标是理解环境因素对星系变化的影响。"鲁德尼克在一份声明中说。“在宇宙中，星系分布不均匀，密度各不相同。这些星系聚集成大型星系团，由数百至数千个星系组成，也有较小的星系群，由数十至数百个星系组成。”

鲁德尼克指出，星系可以处于星系团或星系群中，也可以处于被称为 "场 "的宇宙中较为孤立、密度较低的区域。这些不同的环境对星系的影响也不同。星系团和星系群中的星系通常会经历更强烈的引力作用和碰撞，从而导致它们的气体被剥夺或加热，恒星形成被抑制或增强。而场中的星系则相对较为安静，它们的气体和恒星形成较为稳定，不受外界的干扰。

以往模拟宇宙网及其中星系的研究将星系团和星系群中的星系与单独存在于宇宙场中的星系进行了比较，但却忽略了连接星系团的气体、尘埃和恒星的细长丝状结构。这些细丝是星系在宇宙之网中的主要通道，它们不仅连接了不同的星系团，也影响了星系的演化。

Rudnick 及其同事考虑了这一宇宙高速公路的因素，重点研究了星系遇到的丝状环境、星系如何首先被引导到星系群和星团中，以及丝状结构如何影响星系的演化。

"星系沿着一条路径进入这些细丝，在进入星系群和星系团之前，第一次经历了致密环境。"Rudnick说。“研究细丝中的星系可以让我们研究星系与致密环境的最初相遇。”

鲁德尼克补充说，大多数进入星系团 "城市中心 "的星系都是沿着宇宙网 "超级高速公路 "进入的，只有少数星系走的是 “乡村路线”，它们进入星系团和星系群时并没有与周围环境发生太多的相互作用。

"细丝类似于州际高速公路，而这些进入密集区域的人迹罕至的路线则类似于在堪萨斯州的乡村公路上驾车进入城市范围。"Rudnick说。“星系可以存在于细丝中，也可以像串珠一样以星系群的形式存在于细丝中。事实上，宇宙中的大多数星系都存在于星系群中。”

研究小组希望通过这种模拟，能够深入了解环境对星系的影响，并破解星系在最常见的丝状结构和星系群中的行为方式。

库克大学研究小组的一项重要工作是评估宇宙网丝的条件如何影响密度过高的气体处理过程，科学家称之为 “重子循环”。

重子循环是指星系中的气体和恒星之间的循环过程，它决定了星系的生长速度和寿命。由于恒星是在密度过高的气体和尘埃团块坍缩时诞生的，因此重子循环的中断会促进或阻碍恒星的形成，从而增加或减缓星系的增长。

"星系可以概念化为重子处理引擎，从星系际介质中汲取气体，并将其中一部分转化为恒星。"Rudnick 解释说。“反过来，恒星会变成超新星，产生更重的元素。部分气体被吹向太空，形成银河喷泉，最终落回星系。”

当星系在宇宙网上遇到高密度环境时，它们会改变内部压力，通过主动从星系中剥离气体或剥夺其未来的气体供应来破坏重子循环。这就导致位于星系团中心的星系恒星工厂，由于其孕育恒星的原始材料被熄灭而停止运转。

"这种干扰影响了星系对气体的吸收和排出，导致它们的恒星形成过程发生改变。"Rudnick说。“虽然恒星形成可能会暂时增加，但几乎在所有情况下，最终都会导致恒星形成的减少。”

这种现象在天文学上被称为 “星系熄灭”，它意味着星系的活动从蓝色变为红色，从年轻变为老化，从富有变为贫瘠。星系熄灭是一个普遍的过程，它影响了宇宙中的大多数星系，包括我们所在的银河系。银河系目前正处于一个相对平静的状态，它的恒星形成率大约是每年一颗太阳质量的恒星，而在它的早期，这个数字可能是每年几百颗。银河系的未来也不太乐观，它将在大约50亿年后与仙女座星系团中的另一个大型星系——仙女座A星系发生碰撞，这将导致它的气体被扰动和消耗，恒星形成被激发和抑制。

天文学家希望通过模拟宇宙之网中的星系熄灭，能够揭示这一过程的物理机制和时间尺度，以及它对宇宙的化学和光学特性的影响。他们的模拟将考虑多种可能的因素，包括星系的质量、形状、速度、方向、距离、温度、密度、金属丰度等，以及宇宙之网的拓扑结构、演化历史、暗物质分布等。他们的模拟将使用堪萨斯大学的超级计算机，每秒钟进行数万亿次的运算，以模拟宇宙之网中的数百万个星系的演化。

"我们的模拟将是目前最详细和最完整的宇宙之网模拟之一，它将能够解释我们的观测数据，并预测未来的观测结果。"Rudnick说。“我们的模拟将有助于我们理解宇宙之网是如何影响星系的演化的，以及星系的演化又是如何影响宇宙之网的。”

鲁德尼克和他的团队的研究不仅对于天文学家，也对于普通人来说都是非常有意义的。它可以让我们更好地认识我们所生活的宇宙，以及我们所属的星系。宇宙之网是一个巨大的舞台，星系是上面的演员，它们在不同的环境中展现出不同的风采。我们的银河系也是其中的一员，它在宇宙之网中经历了无数的变化。