星系的演化通过计算机模拟发现了一个秘密

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艺术家关于星系如何从快速、狭窄的冷气体流中吸积质量的概念。这些细丝为星系提供了源源不断的原材料，以相当悠闲的速度喂养其恒星形成。图片来源：ESA-AOES Medialab

在天文学史的大部分时间里，我们能看到的只是恒星。我们可以单独看到它们，在星团中，在星云中，以及在模糊的斑点中，我们认为它们是恒星团块，但实际上是星系。问题是，那里的大部分东西都比恒星和星系更难看到。是气体。

现在天文学家比以往任何时候都更能看到气体，我们可以看到星系如何吸入和呼出气体。当他们停止呼吸时，恒星就停止形成。

在宇宙的早期，一切都是气体。没有恒星或星系。快进135亿年左右，我们几乎可以在任何地方看到星系及其恒星。但星系中的绝大多数物质仍然是气体。

天然气无处不在。当它位于星系之间的空间时，我们称之为星系际介质。当气体紧紧围绕星系时，我们称之为银河系周围气体。它们之间没有障碍，它们只是天文学家使用的名称，以便他们可以谈论它们。

天文学家开始了解星系，银河系周围介质和星系际介质之间的气体流动。流动调节恒星的形成，当流动停止时，星系停止呼吸。

恒星、引力、气体温度和密度都在星系呼吸中发挥作用。当宇宙开始运行时，气体聚集在星系中并形成恒星。当恒星死亡时，特别是作为超新星，它们会排出气体。此时，气体相对较热且扩散，并且抗压实。

但是当气体离开银河系时，它会冷却。当它冷却时，它的密度增加，星系的引力可以更牢固地抓住它。然后气体被拉回星系，在那里它可以再次从云层中坍缩，形成恒星。这就是气体在星系中循环或呼吸的方式。

天文学家直到1960年代才知道这种银河系的呼吸，当时他们可以观察来自遥远类星体的光穿过所有这些气体。现在天文学家有了更好的工具来观察这种气体，他们的理解也在增长。

CGM是一个比IGM小得多的区域，也暗淡得多。然而，该地区在回收利用方面发挥着至关重要的作用。“CGM是星系恒星形成燃料的来源，银河反馈和回收的场所，也许是银河系气体供应的关键调节器，”2017年的一篇论文指出。

研究CGM的天文学家发现了一些令人信服的星系呼吸证据。它来自对星系外分离气体云的研究。其中一些气体云比其他云具有更高的金属度。只有恒星才能产生金属，所以金属量较高的气体云一定是来自恒星的流出气体。高金属度气体是已经存在于星系中但被推出的呼出气体。

天文学家在1960年代开始利用来自遥远类星体的光来观察进出星系的气流。图片来源：Tumlinson et al. 2107

天文学家还发现，CGM中最靠近星系的气体具有更高的金属量。“银河系周介质甚至可以引起人们的迷恋：在太阳系形成之前，地球上的重元素是否会在银河系的CGM中多次来回循环？”2017年的论文问道。

天文学家已经转向大规模调查，以更深入地探测银河系呼吸。事实证明，CGM 中的气体密度是 IGM 中的气体的 1,000 倍。它的温度范围从10,000到100万开尔文，比IGM中的气体更冷，更热。但仍然很难看出到底发生了什么。来自流入气体的信号通常与来自星系本身的信号重叠，这使得它们难以研究。另一方面，流出的气体更容易看到。

外流的原因尚不确定。超新星可以发挥作用，来自巨大，炽热，年轻恒星的强大恒星风也可以发挥作用。黑洞喷流和反馈也可能发挥作用。

无论这种气体呼吸的绝对原因是什么，它最终都会停止。天文学家称之为“淬火”，并且有充分的证据证明这一点。一旦淬灭，星系被称为“静止星系”，不再形成恒星。在巡天中，仍在呼吸的星系仍在形成恒星并呈现蓝色，而静止星系显示为红色。他们之间没有太多。

这幅图显示了流入和流出星系的气体。粉红色和橙色的流出从星系的盘面中出现。蓝色气体来自星系际介质（IGM），并流回银河系以回收到新的星系中。资料来源：Tumlinson 等人，2017 年

但天文学家在理解淬灭方面面临着与流入星系的气体相同的问题：缺乏强有力的证据。天文学家确实掌握的一些证据非常令人费解。

例如，一些研究发现气体与红色的淬灭星系有引力结合。气体很冷，密度足以形成恒星，但由于某种原因，它不会落入星系。所以附近有充足的恒星形成燃料，但它无法进入银河系。

观察下落气体的困难意味着目前无法更全面地了解银河系呼吸。但天文学家还有另一种工具：模拟。

一个名为FIRE：现实环境中的反馈的模拟模拟了数十亿年来气体流入和流出星系及其恒星的形成。其中一个模拟显示银河系随着时间的推移而形成。星系的形成永远不会真正结束，模拟提供了一个有用的可视化，即温暖的气体离开星系，而凉爽的密集气体又流回星系。

一旦恒星停止形成，行星也会停止形成。推而广之，生命可能也是如此。从这个角度来看，星系的熄灭就是可能性的熄灭。在一个已经熄灭的星系中成为一名外星天文学家会是什么感觉，那里的恒星正在老化，没有新的恒星正在形成？这是一个奇怪的、忧郁的想法。

但有一天，不仅仅是星系会淬灭。我们生活在Stelliferous时代，物质被组织成行星，恒星，星系和星系团。大约100万亿年后，这个时代将结束，就像整个宇宙都被淬灭一样。剩下的将是白矮星，褐矮星，中子星和黑洞。

没有新的恒星会再次形成，宇宙将变得黑暗和寒冷，人类曾经思考过的一切，包括星系如何呼吸气体和形成恒星，都将毫无意义。

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原标题：《星系的演化通过计算机令人叹为观止的模拟发现了一个秘密》

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