巨兽吞吸天下动 —— 星系的气体吸积

巨兽百寻，是为曼延。神山崔巍，欻从背见。在巍峨的宇宙山峦中，生活着一群巨大的兽类，名唤星系。它们吞吸着群山中的气体、滋养生息；而当它们长呼一口气后，山中的气体环境皆随之异动。这是星系与宇宙环境之间的丛林法则。呼吸之间，星系历经着它波澜壮阔的一生。

星系的气体吸积正如“巨兽的吞吸”，供给着星系演化中两个重要的物理过程：恒星形成和黑洞活动。图1中的蓝色带状结构表征星系的气体吸积过程。当吸积的气体与星系中的原有气体相互作用，经历角动量损失，会进一步触发气体内流。当星系演化过程中吸积了大量与原有气体方向不一致的气体时，便可能会产生一类独特的“巨兽”—— 错位星系（misaligned galaxies）。

本期，我们将以错位星系为研究对象，一起探索两个问题：（1）星系气体吸积的起源是什么？（2）气体吸积对星系演化过程有何影响？

图1：星系中气体吸积和外流的示意图。蓝色结构示意气体吸积过程，橙色结构示意气体外流。图片来自Tumlinson, Peeples & Werk (2017)。

气体吸积的起源

由于星系的吸积过程通常沿着气体盘发生、且速度较低，直接观测这一物理过程极其困难。不过，天文学家发现了一类特殊的错位星系，它们的恒星成份和气体成份的旋转方向不一致。现有研究普遍表明这些星系在演化过程中从外部吸积了错位旋转的气体。图2展示了一个错位星系的例子，左图为其恒星速度场，右图为气体速度场。图中，蓝色代表该成份在朝向我们运动（蓝移），红色代表该成份在远离我们运动（红移）。可见恒星成份的蓝移和红移的分布与气体成份不一致，即两个成份的旋转方向不一致。对这类星系的研究，如同绘制了一张“吞吸诊断图”，帮助天文学家理解星系的吸积过程源何而起，又会对星系演化过程产生怎样的影响。

图2：具有错位的恒星成份和气体成份的星系个例。左图展示了这个星系的恒星速度场，右图展示了气体速度场。其中，蓝色代表该成份在朝向我们运动（蓝移），红色代表该成份在远离我们运动（红移）。

星系所处的宇宙环境根据密度从低到高可以分为四类，即空洞（voids）、面状结构（sheets）、纤维状结构（filaments）和节点（nodes）。宇宙中的物质大多分布在纤维状结构里，如图3的紫色条带状结构所示，这些物质会沿着纤维状结构向更加致密的节点环境移动。假如星系中的气体成份（或恒星成份）形成自纤维状结构，那么这部分物质的角动量方向会表现出与该结构的相关性。

图3：宇宙纤维状结构中的气体分布。条带状结构示意纤维状结构的分布，漩涡结构示意其中形成的星系。 图片来自Codis et al. (2012)。

从世界上最先进的积分视场光谱巡天MaNGA（Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory survey）中，作者收集了496个错位星系，构成了目前最大的此类样本。将错位星系的气体角动量方向与其周边的纤维状结构进行比较，作者发现两者相互垂直，该现象证明了这类星系中的错位气体大多是从纤维状结构中获取的。

气体吸积的影响

巨兽吞吸了群山中的气体，获得了充足的氧气，供给了庞大身躯中的新陈代谢。经历了气体吸积的星系，也为其演化过程储备了充足的原料。一方面，星系中的恒星形成过程会消耗大量的气体；另一方面，超新星爆发或黑洞反馈都会产生巨大的能量，进一步驱逐星系中的气体。如果没有新的气体补充，星系很快会耗尽所有的原料，恒星形成和黑洞活动都会逐渐停止。因此，气体吸积对于维持星系的活力至关重要 —— 点亮新生的恒星，亦或唤醒沉睡的黑洞。

维持恒星形成是气体吸积过程对星系演化最直接的影响。吸积所输送的冷气体为恒星“工厂”提供原材料，保证了星系持续发光发热的能力。当吸积来的气体与星系中的原有气体相互作用，会经历角动量损失的过程。这时，在引力势的作用下，气体便会落入星系中心触发新一轮的恒星形成。此外，落入星系的气体也有一部分会直奔星系的中心黑洞。这些气体有可能会激活黑洞，使其成为明亮的活动星系核（active galactic nuclei, AGN）。黑洞被激活后产生的巨大喷流和辐射，又会反过来影响气体吸积的过程，形成一个复杂的自我调节系统。

写在结尾

星系的每一次恒星形成或黑洞活动都伴随着闪耀的光芒，而这一次次的闪耀正是得益于演化过程中偶尔的深吸一口气。对于生活在当代社会的我们，正如《白日梦想家》的电影剧情所描述的，每天都遵循固定的时间、沿着固定轨迹、去往固定的终点，时不时还会被突发状况消磨了这些固定中的安全感。也许，偶尔的停顿、深吸一口气，也可以像电影主角一样在意外的时刻、从意外的路线中、得到意外的收获。

慢下来，去感受天上的云朵、枝头的鸟鸣、空气中的花香。慢下来，深吸一口气，也许人生的演化也会和星系一样，多一些闪耀的可能性。

参考文献

[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.

作者简介

鲍敏，南京大学天文与空间科学学院博士后，主要研究方向为气体、恒星运动学与星系演化。

本文转载自《中国科学院国家天文台》微信公众号

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