星系也在“呼吸”？|星系|恒星

　　来源： 科学世界

　　提到星系时，最常浮现在我们脑海中的是带有旋臂的螺旋星系、色彩纷呈的深空天体，还有其中包含的数以亿计的恒星。事实上，星系中除了有恒星、行星等天体之外，还有大量的气体、尘埃，以及看不到的暗物质。

　　星系中的气体（称为星际介质）以氢和氦为主，伴有少量的重元素（碳、氮、氧、硅、铁等），其中，分子氢是形成恒星最初的原料。鲜为人知的是，星系当中的气体并不是静止不动的，新的气体不断被吸入，老的气体有时也会被排出，就像在"呼吸"。如果星系可以一直吸积周围可用的冷气体，那么将会有源源不断的新鲜气体来进行恒星形成。这样的星系被称作"恒星形成星系"，也是我们通常意义上考虑的"活着的"星系。与此相对的是恒星形成率极低的"宁静星系"，这样的星系如果无法得到足够多的冷气体补给，无法重新形成恒星，就会从此沉寂，失去"生命力"。

　　为什么只有冷气体才能作为恒星形成的原料呢？这是因为，较高温度的氢具有更高的能量，一般不以分子氢的形态存在（可能是氢原子或氢离子）。当氢气体温度较高时，其热运动更加剧烈，更容易逃脱引力的束缚，所以不容易直接在引力下坍缩形成恒星。

　　分子云：恒星的"摇篮"

　　图片描绘了由气体和固体尘埃集结成的分子云。恒星与行星都诞生于其中。由于分子云遮蔽了来自背后的光，所以看上去较暗，因此也被称为暗星云。

　　为什么会有星系外流？

　　星系向外喷射气体的现象叫做"星系外流"。这个现象在20世纪60年代才第一次被观测到。当时，天文学家在大熊星座的M82星系中发现了这个现象，但是并不十分清楚为什么会出现，只是推测"可能是由星系中非常剧烈的爆炸形成的"。现在我们知道，引起星系外流主要有两种原因：大质量恒星的形成以及活动星系核。虽然机制不同，但两者都会有巨大的能量释放，把星际介质喷射出去。

　　活动星系核成因是星系中心的超大质量黑洞在活跃地吸积质量。事实上，绝大多数星系的中心都有超大质量黑洞（1百万个太阳质量以上），包括我们所在的银河系。但这其中只有很少的超大质量黑洞能够有非常高的吸积率，从而被划归为活动星系核。在活动星系核中，超大质量黑洞周边围绕着旋转的吸积盘，以每年一个太阳质量左右的速度吸积周围的气体。这样的活动星系核通常都会伴有高强度的等离子喷流。吸积盘的温度通常非常高，热辐射、光辐射、磁场的不稳定性都会使吸积盘中的气体逐渐脱离盘体，形成外流。

　　如果气体外流是由于恒星形成引起的，那么只有大质量的恒星才是"始作俑者"。我们知道，恒星是由大量的气体聚集起来形成的，那么这些"原料气体"怎样形成恒星的呢？

　　在我们的日常感受中，地球引力很直观，但若把两个物体放在一起，它们之间存在的万有引力却非常微弱。然而在宇宙空间里，由于影响因素很少，引力则是导致物体运动的主导因素。

　　最初，低温（10~20开尔文左右）、高密度的氢气分子云在外界的小扰动下，会由引力牵引，向一个或多个"引力中心"坍缩。在这个过程中，因为此时几乎没有其他由"引力中心"向外的力与之抗衡，引力一直占主导。在分子云坍缩过程中，云团引力中心的密度、温度均会升高，此时，炽热的云团核心被称作"原恒星"。原恒星在引力的作用下继续坍缩，直至中心温度达到1300万开尔文左右"点燃"，发生核聚变。此时，原恒星中心的氢不断被聚变为氦，核聚变过程中释放能量，以光的形式放出。光在穿过云团向外传播时会产生光压，抵抗持续向内的引力。当向外的光压与向内的引力平衡时，原恒星不再坍缩，中心的核聚变速度也趋于稳定，此时恒星进入"主序星"阶段，也就是恒星一生中最长的"成年期"。

　　超大质量恒星（一般在40个太阳质量以上）演化到后期，成为极其明亮、体积非常大的"巨星"。此时，恒星外层气体受到的引力微弱，由内向外的巨大辐射压力把外层气体剥离恒星表面，形成星风。此外，超新星爆发所释放的巨大能量也可推动气体外流。只有大约8倍以上太阳质量的恒星才能够以超新星爆发的形式来结束生命。

　　我们知道，重元素（一般指碳及原子序数比碳高的元素）都是在大质量恒星内部形成的。这些恒星有足够大的质量和引力，在恒星核心形成高压，使其发生高能核聚变，产生重元素。当这些恒星经历超新星爆发时，内部几乎所有的重元素（在形成中子星的条件下除铁之外）都会被释放到星际空间中，丰富星际介质的成分。这些含有更多重元素的气体会在之后变成形成下一代恒星的"原料"。越晚形成的恒星，理论上其内部会含有更多的重元素。

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