北京
来源：光明日报
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本报北京9月27日电（记者邓晖）
普通人看星系，目光往往聚焦于熠熠生辉的恒星。但在天文学家眼中，星系的“骨架”是弥漫在恒星之间的星际气体。这些气体不是静止的，它们四处涌动、随机翻滚，形成星系尺度的湍流。星系中的气体何以翻滚数十亿年不曾停歇？维系星系湍流的能量究竟来自何处？这个困扰天文界近半个世纪的难题，迎来了来自仙女座星系的直接观测答案。清华大学天文系主任李菂团队依托“中国天眼”FAST与美国卡尔·央斯基甚大阵列望远镜（JVLA）开展联合观测，在250万光年外的仙女座星系识别出118个中性氢超级气泡（以下简称“超泡”）。研究团队借助这套气体观测数据，首次定量证实：星团内接连发生的超新星爆发，持续输入的动能足以长期维持星系湍流。相关成果于近日发表。
湍流对星系演化至关重要：它改变气体分布，调控气体在引力作用下聚集，而气体聚集，正是恒星诞生的前提。可这里藏着一个困扰学界多年的难题：气体湍流会不断损耗能量，就像水里的波纹会慢慢平息。按照计算，星系气体里湍流的能量大约千万年就会耗散殆尽。但星系的演化跨越数十亿年，想要湍流长久存在，就必须有稳定的能量来源持续“充电”。
天文学家猜想，超新星爆发或许就是这个能量源。大质量恒星走到生命终点，轰然爆炸，释放巨大能量，吹开周边气体，形成巨大的空腔与膨胀壳层，也就是超泡。后续理论研究提出，成群恒星的星风与接连不断的超新星爆发，可以在数千万年的时间里吹出巨型超泡。
但猜想不等于实证。过去的研究大多依靠间接估算，很难明确观测到超新星到底向星际气体输入了多少动能，以及湍流消耗能量的速率。研究团队将观测目标锁定在仙女座星系，成功识别出118个覆盖完整生命周期的中性氢超泡。定量测算证实，超新星的能量输入速率与星系湍流耗散速率紧密匹配，足以长期维系星系尺度的气体湍流。
“超新星爆发会将巨大能量、重元素和全新尘埃抛回星际介质，一边吹散、搅动宇宙气体，一边改造星际环境，为下一代恒星、行星的诞生筑牢物质基础。”李菂表示，正是这种生生不息的恒星反馈，让宇宙物质循环持续运转。
长久以来，天体湍流研究的观测维度十分受限。此次研究跳出传统框架，从星系超大尺度切入，清晰阐明恒星死亡、超泡扩张、湍流维持、星系演化的完整物理链条。该成果不仅补齐了星系演化的关键研究短板，也为解读太阳系本地气泡环境、追溯地球宜居条件的宇宙成因提供了重要参照。
【新闻背后】
天文学家为何偏爱仙女座星系
本报记者 邓晖
浩瀚宇宙中，仙女座星系一直是天文学家最热衷观测的深空天体，也是人类探索宇宙的“天然实验室”。作为距离银河系最近的大型旋涡星系，它距离地球约250万光年，凭借得天独厚的观测优势和极高的科研价值，成为天文研究的核心目标。
“我们身处银河系内部，星际尘埃会遮挡视线，很难完整观测星系整体的气体结构。”清华大学天文系主任李菂介绍，人类困在银河系之内，难以看清自身星系的全貌。而仙女座星系给了我们外部视角，可以完整俯瞰整个星系盘，清晰分辨其中的气体壳层、星团与星云，借此理解星际介质和恒星活动之间的相互作用。
仙女座星系更是改写人类宇宙观的关键天体。20世纪20年代，天文学家通过观测仙女座星系的造父变星，首次证实它位于银河系之外，彻底打破了“宇宙只有银河系”的固有认知，证明了河外星系的存在，为现代宇宙学奠定了重要基础。
除此之外，它还是罕见的动态观测样本。不同于大多数远离我们的星系，仙女座星系正持续向银河系靠近，数十亿年后将与银河系碰撞融合。天文学家通过长期观测它的运动轨迹、物质分布和暗物质特征，能够精准模拟星系合并的全过程，探究星系成长、吞并小星系的演化规律。
“同时，它是肉眼可见的最远深空天体，适配全波段天文观测，观测门槛低、数据丰富。凭借这份独特优势，仙女座星系始终是人类探索宇宙奥秘的重要窗口。”李菂说。
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