星系如何在数十亿年间形成新的恒星？
西雅图华盛顿大学天文学家杰西卡·沃克(Jessica Walker)在去年5438年6月+10月的一次美国天文学会会议上说，“星系就像你我一样。他们生活在持续混乱的状态中。”
大多数湍流发生在一个巨大而复杂的环境中，这种环境被称为周围介质(CGM)。这片巨大的尘埃和天然气云是银河系的燃料来源、废物堆积和回收中心。天文学家认为，星系最紧迫的谜团的答案隐藏在星系周围的周围介质(CGM)中，例如，星系如何在数十亿年内不断形成新的恒星，以及恒星的形成为什么会突然停止。
巴尔的摩太空望远镜科学研究所的天文学家莫莉·皮普斯(Molly Pips)说:“要了解星系，你必须了解它们所生活的生态系统。”
然而，这个星系的大气非常分散，以至于看不见，一升周围的介质只包含一个原子。近60年后，哈勃太空望远镜的升级开始探测遥远的周围介质(CGM)，并弄清楚它们不断的搅动如何创造或毁灭星系。
直到最近，我们才能够真正真实地观察到这种气体循环与星系本身性质之间的关系。
通过第一次河外调查，天文学家现在正在拼凑周围介质(CGM)如何控制其星系的生死。新的理论研究表明，如果没有介质的疯狂流动，星系中的恒星会有非常不同的排列。此外，新的观察表明，一些周围介质(CGM)惊人地巨大。通过新的望远镜和计算机模拟，我们对周围介质(CGM)有了更好的了解，这可能会改变科学家对从星系碰撞到我们自己的原子起源的所有事情的看法。
研究人员使用明亮的背景光源，如类星体，来了解星系周围的环境介质，即星系周围弥漫的气体和金属云(图中为粉红色)。气体在星系和CGM之间循环。
等待哈勃望远镜
2009年哈勃望远镜的升级使得对周围介质(CGM)的巡天成为可能，但这几乎没有发生。
巧合的是，哈勃望远镜的主要支持者也是第一个发现如何观察星系周围介质(CGM)的天文学家。普林斯顿大学的莱曼·斯必泽、新泽西普林斯顿高等研究院的约翰·巴赫和其他天文学家在1963发现类星体后，发现了一些奇怪的事情。这些明亮的信标现在被认为是遥远星系中心超大质量黑洞周围的热盘。
天文学家随处可见类星体的光谱中有空隙。一些波长的光不能通过。
1969年，斯皮策和巴什尔意识到了正在发生的事情:失去的光被星系边缘的气体吸收，这种气体后来被称为周围介质(CGM)。天文学家一直在观察类星体，类星体通过周围的介质(CGM)发光，就像车灯穿过雾一样。
但是，当时也没什么事情可做。地球大气层也会吸收相同波长的光，因此很难分辨哪些挡光原子在星系的周围介质(CGM)中，哪些来自离家近的星系。知道CGM的存在是一回事，测量它需要额外的东西。
斯皮策和巴什尔知道他们需要什么:一架可以从地球大气层外进行观测的太空望远镜。
巴什尔从未停止过对哈勃的推崇。2005年2月，他死于一种罕见的血液病，享年70岁。去世前6个月，他在《洛杉矶时报》上发表了一篇文章，敦促美国国会恢复资助修复一些老化的哈勃仪器的任务，该任务在2003年哥伦比亚号航天飞机失事后被美国国家航空航天局取消。
“这不仅关系到一项恒星技术，也关系到我们对人类最根本的追求——了解宇宙的承诺，”巴奇尔和他的同事写道。"哈勃望远镜最重要的发现可能是在未来."
他的请求得到了回应:2009年5月，亚特兰蒂斯号航天飞机最后一次为宇航员修复了哈勃望远镜。在修复过程中，宇航员安装了宇宙起源光谱仪，它可以检测扩散的周围介质(CGM)气体，灵敏度比以前的任何仪器都高30倍。虽然哈勃早期的光谱仪每次都能探测到一些类星体的光束，但新设备允许天文学家利用较暗类星体的光搜索几十个星系。
巴尔的摩太空望远镜科学研究所的杰森·图姆林森(Jason Tumlinson)领导的一个团队，从哈勃望远镜的角度汇编了44个星系的目录，其中包括一个类星体。在2011发表在《科学》杂志上的一篇论文中，研究人员报告说，他们每观察一个距离它49万光年以内的星系，就会看到光谱上覆盖着原子吸收光的空白点。这意味着周围介质(CGM)并不是几个星系独有的，它们无处不在。
汤姆林森的团队在哈勃望远镜升级后的最初几年。研究小组测量了星系周围介质(CGM)的质量和化学成分，发现它们是重元素的巨大水库。仅在氧气中，周围介质(CGM)就含有654.38+00万倍太阳质量。在很多情况下，周围介质的质量(CGM)相当于整个星系可见部分的质量。
这一发现为一个长期存在的宇宙之谜提供了答案:星系是如何拥有足够多的恒星来形成持续数十亿年的燃料的？星系以恒定的速率从坍缩的冷气体云中形成恒星。比如银河系每年都会产生一两颗质量相当于太阳的恒星。但是在星系的可见部分，也就是包含恒星的圆盘中，没有足够的冷气体来支持观测到的恒星形成速率。
“我们认为气体可能来自周围介质(CGM)，”杰西卡·沃克说。“但是气体是如何进入星系的，从哪里进入的，进入的时间尺度，是什么阻止了它的进入？这些都是让我们夜不能寐的大问题。”
沃克和皮普斯意识到，所有这些品质都有助于解决另外两个宇宙簿记问题。所有比氦重的元素都是由恒星中心的核聚变形成的。当恒星耗尽燃料，以超新星的形式爆发时，它们会分散这些金属，折叠成下一代恒星。
但是如果你把一颗恒星中的所有金属、气体和尘埃都加到一个星系的圆盘上，这不足以解释这个星系曾经制造过的所有金属。如果我们包括氢、氦、电子和质子，基本上是大爆炸以来银河系中应该收集到的所有普通物质，这种不匹配会变得更糟。天文学家称所有这些为重子。星系似乎失去了70%到95%的物质。
因此，沃克和皮布尔斯领导了一项全面的工作，用哈勃的新光谱仪计算了大约40个星系中的所有普通物质。研究人员在2014的《天体物理学杂志》上发表了两篇论文。
当时，Walker报告称，星系丢失的普通物质至少有一半可以在它们的周围介质(CGM)中找到。在2017的一次更新中，Walker和他的同事发现星系周围介质(CGM)中以冷气体形式存在的重子质量可能接近900亿个太阳质量。“显然，这个质量可以解决银河系中重子丢失的问题。”该小组写道。
研究人员对丢失的材料应该在哪里做了一个假设，并做了一个预测。该小组通过观察来检验这些预测，并找到了他们想要的东西。
在另一项研究中，皮布尔斯发现，尽管金属诞生在星系的星盘中，但它们并没有停留在那里。星系产生的金属只有20%至25%残留在恒星、气体和尘埃中，这些金属可以被纳入新的恒星和行星中。其余的可能在周围介质(CGM)中结束。
汤姆林森说:“如果你观察星系在其一生中产生的所有金属，更多的是在星系之外，而不是仍然在银河系内部，这是一个巨大的影响。”
回收中心。
那么金属是如何进入周围介质(CGM)的呢？类星体的光谱对这个问题没有帮助。他们的光显示一次只有一个碎片穿过一个星系。但是天文学家可以根据恒星和气体行为的物理规则，通过计算机模拟来跟踪星系的生长和发展。
这个策略揭示了星系周围介质(CGM)中气体搅动和变化的本质。荷兰莱顿大学发起的“星系及其环境的演化与组装”等模拟研究表明，金属可以通过恒星的暴力生命到达周围介质:在强大的辐射风中吹走大量年轻恒星，在超新星的垂死挣扎中喷射金属。
然而，一旦金属进入周围介质(CGM ),它们并不总是保持不变。在模拟中，星系似乎反复使用同一种气体。
“基本上只是重力。”皮普斯说:“把棒球扔上去，它就会回到地上。”流出星系的气体也是如此:除非气体运动的速度足够快，可以逃离星系的引力极限。否则，这些原子最终会返回星系，形成新的恒星。"
一些模拟显示，离散的气体包从星系盘传播到周围的介质(CGM ),然后返回几次。周围介质(CGM)和它们的星系是巨大的回收装置。
这意味着，构成行星、植物和人类的原子，在成为我们的一部分之前，可能已经多次进入银河系。在几亿年里，最终成为你一部分的原子穿越了几十万光年。
“这是我最喜欢的东西，”汤姆林森说。"在某种程度上，你的碳、氧、氮和铁都在星系际空间."
星系是如何消亡的。
但是，并不是所有的星系都能取回它们周围的介质气体。失去气体可能会永远停止星系中恒星的形成。没有人知道恒星的形成是如何停止的。但答案可能在环绕介质(CGM)里。
有两种主要的星系形式:正在形成恒星的年轻旋涡星系和正在消亡恒星的古老星系。
汤姆林森说:“星系是如何熄灭的，为什么会保持这种状态，这是星系形成过程中最重要的问题之一。这个只和供气有关。”
利用类星体发出的光，研究人员可以“看到”CGM。在这个例子中，来自两个星系G1和G2的光谱缺少一些CGM原子吸收光的波长(红色，在底部的方框中)。
此前发表的一篇论文提出了被超新星加热的气体喷流可能从星系中剥离的可能性。威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家查德·巴斯塔德(Chad Bustard)和他的同事模拟了卫星星系——银河系的大麦哲伦云，发现从这个小星系流出的气体被银河系周围运动的轻微压力卷走。
或者，死星系周围介质(CGM)中的气体可能太热，无法沉入星系形成恒星。如果是这样，恒星形成的星系应该有一个充满冷气体的周围介质(CGM)，而死星系应该被热气体覆盖。热空气会像热气球一样漂浮在银河盘面上方，热气球浮力太大，无法下沉形成恒星。
但是哈勃看到了相反的情况。恒星形成的星系中有大量的氧VI——意味着气体非常热(100万摄氏度或更高)，氧原子失去了原来的五个电子。死亡星系的氧气含量少得惊人。
2016年，科罗拉多大学博尔德分校的计算天体物理学家本杰明·《奥本海默》提出了一个解决方案:这个“死亡”的星系根本没有被剥夺氧气。气体太热，哈勃无法观测。事实上，这些被动星系周围的氧气甚至更多。
所有这些热气体都可能解释这些星系的死亡，只不过这些星系也充满了恒星形成的冷气体。
汤姆林森说:“死亡星系的燃料箱里还有足够的燃料。我们不知道他们为什么不用它。大家都在追这个问题。”
直到最近，观测者还不能绘制单个星系的周围介质(CGM)图。研究人员必须将几十个类星体光束相加，才能对它们的组成有一个平均的了解。
使用两台新光谱仪的团队——夏威夷凯克望远镜上的凯克宇宙网络成像仪(KCWI)和智利甚大望远镜上的多单元光谱探测器Muse——正在竞相改变这种状况。这些仪器被称为集成视场光谱仪，可以同时读取整个星系的光谱。有了足够的背景光，天文学家现在可以检查单个星系的整个周围介质(CGM)。最后，天文学家有办法测试气体如何在星系内外循环的理论。
由智利圣地亚哥大学天文学家塞巴斯蒂安·洛佩兹(Sebastian Lopez)及其同事领导的智利研究小组利用Muse观测到了一个小型黑暗星系，它恰好夹在一个明亮、遥远的星系和一个离地球较近的大型星系群之间。星系团作为一个引力透镜，将遥远星系的影像扭曲成一条又长又亮的弧线。这个弧发出的光在56个不同的点(团队称之为G1)穿过三明治星系的周围介质(CGM)。
令人惊讶的是，G1的CGM并不稳定，也没有想象中的流畅。洛佩兹说:“人们总是认为气体均匀分布在每个系统中。事实并非如此。”
来自源星系的光被中间的星系团偏转并放大，形成了最右边投影图像中看到的明亮弧形。与类星体的窄光束不同，宽弧照亮了大多数星系G1的CGM，显示出令人惊讶的细节。
与此同时，皮布尔斯的团队正在重新研究计算机如何呈现周围媒体(CGM)。她说:“在模拟中，环星系介质的分辨率很差。现有的模拟很好地匹配了星系的可见属性——它们的恒星、恒星之间的气体以及整体形状和大小。但它们根本无法重现银河系介质的特征。”
因此，她正在运行一个名为FOGGIE的新模拟程序，该程序首次关注周围的媒体。“我们发现它改变了一切，”她说。“形状，恒星形成的历史，甚至银河系在太空中的方向看起来都不一样。”
简而言之，新的观察和模拟表明，周围介质在星系生命周期中的作用被低估了。皮布尔斯等理论家和奥米拉等观察家正在合作，对周围媒体的出现做出新的预测。然后，研究人员将检查真实的星系，看它们是否匹配。
虽然未来对银河系的研究将集中在从完整的周围介质中收集光谱，但汤姆林森希望他现在可以从哈勃望远镜中提取更多的信息。哈勃望远镜使得研究周围的介质成为可能，但是这台望远镜已经用了28年，可能还剩不到10年。哈勃望远镜仍然是观察周围介质中一些原子的最佳工具，有助于揭示气态晕的秘密。