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根据目前最广为接受的宇宙学模型，第一个星系是在130亿到140亿年前开始形成的，在接下来的10亿年间，我们现在所能观测到的宇宙结构才首次出现。这其中有包括星系团、超星系团和暗物质主导下的丝状结构，也有球状星系团、星系隆起以及超大质量黑洞（SMBHs）等。

银河系

宇宙间的星系充满着神秘的色彩，其演化方式也常常引发不同的思考。那么，星系是一个孤立的个体吗？它能与周围环境发生物质或能量交换吗？什么是银河系的质量流入和流出？

恒星反馈

要想深入了解星系的演化过程，恒星反馈（stellar feedback）是一个绕不开的话题。与具有生命的有机体一样，银河系也在不断地进化中，星系演化进程中不断地进行吸积、喷射物质。

星系中恒星形成的关键在于物质的可用性，所以了解星系物质的增加和减少速度对于理解星系如何随时间演化是至关重要的。在“星系喷射”的模型中，星系中最大型的一类恒星会产生恒星风，继而将物质吹出星系盘，由此造成了物质的流出；另一方面，当恒星接近寿命尾声之时将变成超新星，它们同样会把大部分物质抛射出星系。而随着时间的推移，这些物质又会回流入星系中，为下一个新恒星的形成提供必要的物质基础。

星系吸积

上述这一过程即为恒星反馈（stellar feedback），其作用是将星际气体物质抛出银河系。也就是说，银河系并不是一个孤立的物质体，而是一个因重力和恒星反馈而不断增加或减少物质的开放空间。

为了了解这一过程的具体机制，欧洲航天局的天文学家Dr. Andrew J. Fox对气体从宇宙高速云团（HVC）进出银河系的速度进行了分析，进而计算出了银河系中物质流入和流出的具体速率。

恒星形成与超大质量黑洞的大小密切相关

有研究表明，恒星的形成可能与星系中心超大质量黑洞（SMBH）的大小密切相关。SMBHs释放出的大量能量可以加热星系中心周围的星际气体和尘埃，这一现象阻止了后者大量聚集，并经引力坍缩来形成新的恒星。所以说，SMBHs的质量越大，释放出来的能量可能越多，如此一来恒星的形成可能也会变越慢许多。

恒星形成区域与地球所处位置关系

同样地，物质流入和流出星系的速度是决定恒星形成速度的关键。为了计算银河系物质交换的实际速率，Dr. Andrew J. Fox及其团队深入挖掘了由NASA和ESA保存的哈勃太空望远镜数据档案。这些数据利用宇宙起源光谱仪（COS）对类星体进行了细致的刻画，其灵敏度甚至可以用来分析遥远天体释放出的紫外线。通过这种方法，科学家发现了270个有价值的类星体。利用这些观测资料，研究人员制作了一个银河系星际间快速移动气体云目录，这些气体云被称为高速云团（HVCs）。接着，通过多普勒频移将这些宇宙高速云团拆分为流入型和流出型云团。

费米气泡

最近的一项研究表明，大约在70亿年前银河系经历了一个较长的休眠期，在此期间几乎没有新的恒星形成，这个过程大约持续了20亿年。科学家认为，由于进入银河系的气体暂时停止了流动，因而这是激波导致星际气体云变热的结果。而随着时间的推移，气体开始冷却并再次流入，引发了第二轮恒星的爆发。

依据上式，在比较了流入和流出气体的速率之后，Dr. Andrew J. Fox发现相比流出，流入星系的气体量会更多。而这个对银河系中未来恒星的形成来说无疑是个好消息，因为大量的气体是转化为恒星和行星的必要基础。不过科学家指出：宇宙高速云团的寿命只有1亿年左右，所以这种物质的净流入不可能无期限地持续下去。但与此同时，所有人都忽略了存在于宇宙中已知的、无法追踪流入流出速率的HVCs结构——如费米气泡。

自2010年以来，天文学家们开始注意到银河系中心出现的一种神秘结构，即费米气泡。这些气泡状的结构绵延数千光年，被认为是黑洞吞噬星际气体、尘埃并释放伽玛射线的结果。正如今日头条搜索结果所见，费米气泡的提出为星系的形成和演化提供了新的见解。

今日头条APP搜索结果

这项研究还支持了“冷流吸积”的新理论——当晕内气体发射X射线时温度迅速降低，从而形成吸积气体流。该理论最初是由耶路撒冷-希伯来大学（Hebrew University of Jerusalem）拉卡物理研究所（Racah Institute of Physics）的Avishai Dekel教授提出的，目的是解释星系在形成过程中如何从周围空间吸积气体。这一结果表明，像银河系这样的星系并不是在一个稳定的状态下进化的；相反，星系的质量会断断续续地增加或减少。

艺术家眼中的星系

总的来说，这是一个繁荣和萧条并存的循环体：当气体流入时会形成更多的恒星，但是当气体过多，就会触发星爆。其强度之大可以把剩余的所有气体都吹走，从而阻断了恒星的继续形成。因此，物质流入和流出之间的平衡决定了恒星形成的稳定性。

地球也会失去质量？

另一个有趣的结论就是上述有关银河系的模型也太阳适用于恒星系统。例如，随着时间的推移，我们的太阳系也会受到物质流入和流出的影响。天体物理学家Brian Koberlein在2015年曾提出一个观点：

“事实上，根据我们对流星轨迹的卫星观测记录表明，每天约有100-300吨的星际物质不断撞击地球。这一数字乘以365即每年有3-10万吨物质。虽然这可能看起来很多，但其实100万年后累积的总质量还不到地球总质量的1/1,000,000,000。”

星际物质撞击地球模拟示意图

与此同时，地球也会通过一系列的过程失去质量：

• 其一是地壳物质的放射性衰变，这一过程导致能量和亚原子粒子（α、β和γ射线）源源不断地离开地球；

• 其二是大气耗散，比如氢气和氦气这样的轻气体会持续流失并进入到太空中。这两种情况进行的速度约为每年11万吨。

综合而言，地球大约正以每年10000-50000吨的速度变轻。

地球-宇宙质量交换

太阳的情况也与地球类似。一方面，星际气体和尘埃一直在流动；另一方面，占太阳系质量99.86%的太阳也在随时间而流失质量。根据美国国家航天局信使号探测器收集得到的数据，NASA和MIT（麻省理工学院）的研究人员得出结论：即使太阳在膨胀，但由于太阳风和恒星内部过程，太阳正在以每年1.3245×10^15吨的速度变轻。

这是一个相当惊人的数字，但考虑到太阳的质量约为1.9885×10^27吨，所以它可能还不会很快消失。但根据万有引力公式，随着太阳质量的减轻，地球和其他行星所受的引力作用就会减弱，甚至脱离太阳的束缚。不过，也许到那个时候太阳已经走到生命的尽头，最终会大大膨胀以吞噬水星、金星乃至地球。

无论我们谈论的是行星、恒星还是星系，这些宇宙中最古老、最庞大的物体也会像生物一样经历出生、发育和死亡。生命的循环在繁复的宇宙尺度上开展，令人鼓舞。而宇宙的奥秘，就这样在我们眼中慢慢显现。

作者/朱张航宇

责编/朱张航宇

图源/ Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF; Robert Hurt, NASA; NASA’s Goddard Space Flight Center; ESA

参考文献：Andrew J. Fox, et al. The Mass Inflow and Outflow Rates of the Milky Way. arXiv:1909.05561v1 [astro-ph.GA]: arxiv.org/abs/1909.05561