互动科普

不管我们对家乡多么熟悉，外来客或孩子们还是会发现一些我们从未注意的东西。他们或许不谙各种细枝末节，但在大面上往往比我们这些长期身在其中的人看得更清楚。研究银河系的天文学家面临着与此类似的情形：不识银河真面目，只缘身在此河中。我们研究其他星系，容易搞清其总体格局，但难于详察其运作细节。而研究我们自身所在的银河系，我们很容易研究细节，却只能间接探知其总体结构。

因此，我们对银河系结构和历史等总体情况的认识，进展一直相当缓慢。在1920年代以前，天文学家甚至不能肯定银河系是一个明确的宇宙客体，是数十亿星系中的区区一员。到1950年代中期，天文学家终于煞费苦心地拼接出了现今大多数人所知道的一幅银河系图最。原来银河系是一个由无数恒星和气体组成的极其壮观的玩具风车状结构。进入1960年代后，理论家们提出，银河系早在宇宙史的初期就形成了——根据最新的估计，银河系形成于130亿年前——而且之后基本上没有变化。

然而随着时间的推移，人们逐渐搞清楚银河系并不是一件已经完工的成品，而是一个正在形成的体系。同那些早期的发现相仿，这一认识在很大程度上得益于其他星系的启示：天文学家观测其他星系，然后把观测结果作为研究银河系的参考。现今的理论认为，绝大多数星系通过较小的前驱星系的合并而形成；对于银河系来说，我们可以观测到这一过程的最后几个阶段。银河系正在使一些较小的近邻星系分崩离析，把它们的恒星并吞到自己的地盘中来。与此同时，气体云正源源不断地从星系际空间涌到银河系。研究人员再也不说银河系的形成是一件早已过去的事情了。

银河系正在持续吸积气体这一现象的证据，就是高速气体云（HVC）。HVC是一些快速穿越银河系外层区域的神秘氢气团，质量可达太阳质量的1000万倍，直径可达1万光年。天文学家早在41年前就发现了HVC，但直到最近5年，新的数据和观念才为我们提供了有力的证据，证明某些HVC就是进入银河系的气体。HVC还掲示银河系存在“呼吸”作用，即把气体推出去又拉回来。此外，HVC的特性也提示，银河系被一个充满炽热而稀薄的等离子体的庞大球体包围着。天文学家早就猜想存在这样一个球体，但几乎无人想到它竟会如此之大。

由于我们人类困在银河系当中，没有直接的手段可以探知HVC的位置，因而过去对HVC的解读一直是个难题。我们可以测定HVC在天空中的二维位置，但是缺乏深度感。过去40年中，深度信息的模糊导致了许多互相对立的假说，其中有的假说认为HVC近在眼前，离太阳系不远；有的却认为HVC远远藏身于星际系空间深处。不过，最近这一问题取得了某些突破性进展，主要是地面望远镜和轨道望远镜终于能够确定气体云的3维位置，从而获得了观察这个人类宇宙故园的更佳视角。

新鲜货还是二手货？

银河系有大约1000亿颗恒星，绝大部分集中在直径10万光年、厚3千光年的扁平银盘内。这些恒星沿着近似圆形的轨道绕银河系中心旋转。例如，太阳以差不多每秒200千米的速度绕银心运动。另外还有100亿颗恒星构成所谓的“银晕”，也就是围绕着银盘的一个庞大的球状包壳。气体和尘埃分布在恒星之间，形成星际介质，其中大多数星际介质也以近似圆形的轨道绕银河系中心运动，而且与恒星相比，它们集中在银盘内一个更狭窄的区域。星际介质气体与行星大气相仿，也是在银河系“底部”（即银道面）密度最大，越往髙处则越稀薄。但是有多达10%的星际介质分布在银道面之外，与单靠旋转所能达到的速度相比，其运动速度超出了400千米/秒之多。这些气体就形成了HVC。

对HVC的研究始于1950年代中期，当时美国加州理工学院的Guido Munch发现，银道面外有一些密度较大的气体包，这显然不符合气体密度随高度减小这一规律。如果没有外力干涉而任由这些高密度气体包自行演变，它们应该很快就会烟消云散。因而1956年美国普林斯顿大学的Lyman Spitzer提出，一个围绕着银河系的炽热气态冕——即星系尺度的日冕——起到了使气体包保持稳定的作用[参见本刊1982年第12期Klaas S. de Boer与Blair D. Savage所著《星系冕》一文]。

在Spitzer这一设想的启示下，荷兰莱顿大学的Jan Oort猜测，银晕中或许也含有远离银道面的冷气体。天文学家通过搜索它们的射电辐射来寻找这些冷气体云，并终于在1963年发现了它们。与Munch发现的气体不同，这些冷气体云并不参与整个银河系的旋转运动，而是以很高的速度向着银盘落下，因此后来就被称为“高速气体云”。同年，天文学家还发现了一类运动速度更慢但仍属反常的气体云，即中速气体云（IVC）。

Oort后来进一步完善了他的设想。他提出，银河系最初形成之后，位于银河系引力作用范围边缘附近的气体就遗留下来了。这些气体只有在经过100亿年乃至更长的时间之后才到达银盘，成为今天观测到的HVC。Oort的思想与一些旨在解释观测到的银河系化学成份的模型不谋而合。恒星合成出重元素，并在死亡之际将它们抛到星际空间中。新诞生的恒星吸收这些重元素，并合成出更多的重元素。因此，如果银河系是孤立地演化，那么每一代恒星的重元素含量都应该超过上一代。

但是纵观太阳系周围的空间，不论年龄，绝大多数恒星的重元素丰度基本上是相同的。对于这一明显的矛盾，目前人们比较倾向于下述解释：银河系并不是一个孤立的系统，更原始的气体正源源不断地进入银河系，使星际气体被稀释。若干研究人员猜测，部分或全部HVC就是这些新鲜气体形成的，但这一设想缺乏直接观测证据的支持。

另一个对立的假说认为，HVC同新鲜气体的涌入毫不相干，而是所谓“星系喷泉”现象的一部分。现在美国德州大学奥斯汀分校的Paul Shapiro与哈佛-史密森天体物理研究中心的George B. Field，在1970年代中期提出了这一设想。被大质量恒星加热并电离的气体从银盘向上升起，进入银冕，形成星系大气。然后此大气层部分区域中的气体冷却，落回到银盘并重新变成电中性气体，从而在银盘和银冕之间形成一种气体往复循环的过程。1981年，现在美国密执安大学安纳波尔分校的Joel Bregman提出，HVC可能就是这一循环过程中返回的气体。这一假说曾一度成为解释HVC起源的热门理论。

气体被潮汐带出

然而，无论是Oort假说还是喷泉模型，都无法完全解释HVC的所有特性。1970年代初期麦哲伦气流(Magellanic Stream)的发现使这个问题更趋复杂。麦哲伦气流是一股呈弧形环绕着银河系的细长气体流，它的走向与大麦哲伦云和小麦哲伦云的轨道刚好吻合。大小麦哲伦云是银河系的两个小小的伴随星系；它们绕着银河系转动，就象卫星绕行星运动一样。天文学家通常用“云”这个词来描述大团气体或尘埃，这两个完全成熟、含有数十亿颗恒星的星系之所以也被称为“云”，是因为它们看起来很象夜空中的云团。目前这两个星系距银河系约15万光年，差不多是它们在其极为狭长的轨道上距银河系最近的位置了。

麦哲伦气流在诸多方面很象一串HVC。该气流的很大一部分其运动速度与正常的银河系旋转运动完全不合拍，然而它却无法用我们上面介绍的两种假说来解释。韩国鲜文大学的Lance T. Gardiner和日本东北大学的野口正史在1996年发表了描述麦哲伦气流的最详尽的模型。该模型认为，银河系周围的这股细长气流非常类似于天文学家在其他许多星系周围观测到的潮汐气流。大小麦哲伦云上一次接近银河系大约是在22亿年以前，当时银河系与大麦哲伦云联合起来的作用力曾把小麦哲伦云外侧区域的部分气体拉了出来。大约一半的气体速度降低，落在了大小麦哲伦云的后面并沿其轨道继续运行。另外一半的气体则加速前进，抢在大小麦哲伦云的前面，形成了所谓的超前臂（leading arm)。类似的过程可能正在使银河系的其他一些卫星星系分崩离析[参见33页框文]。

另外一种模型则将麦哲伦气流的起源归因于摩擦力的作用。如果银河系拥有一个极其广阔的银冕（比Spitzer所设想的大得多），那么此银冕就可能把气体从大小麦哲伦云中剥离出来。不过，无论根据哪一种模型，大小麦哲伦云都已失去了大量气体，形成了许多HVC。

然而1999年，美国加州大学伯克利分校的Leo Blitz及其合作者提出，HVC的位置比他们的绝大多数同行所认为的要远得多，这就使关于HVC的传奇故事又增添了新的曲折。他们认为，HVC不是在快速穿越银河系的外侧，而是在本星系群中四处漂浮（本星系群是由银河系、仙女座星系和其他40个较小星系组成的系统，它占据的空间区域跨度大约为400万光年)。在这种情况下，HVC将是这个星系群（而不仅仅是银河系）形成过程中的遗迹。

30多年以前曾有人提出了与Blitz不谋而合的一些设想，但由于气体云在他们所说的这一距离上不会稳定地存在，所以此类设想最终被淘汰出局。Blitz猜想HVC其实并非气体云，而是暗物质团块，只是有少量气体混杂其间。如果情况的确如此，HVC的质量就将是天文学家先前估计的10倍，从而足以使自己稳定地集聚在一起。此假说有一点对天文学家颇具吸引力，那就是它有望解决天文学家遇到的一个大问题：已发现的星系形成所遗留的暗物质晕始终比模型所预测的要少[见美国原刊2002年6月号Guinevere Kauffmann与Frank van den Bosch所著《The Life Cycle of Galaxies》一文]。HVC可能就是这些失踪的遗留晕，从而填补了这一空白。

高温的气体

如此一来，天文学家在迎来新千年的时候，就有了4个关于HVC的假说：形成银河系时遗留的未使用气体，在星系喷泉中反复循环的气体，来自大小麦哲伦云的细长气体流，还有就是星系际气体与暗物质的混合物。每一假说都有零星的证据予以支持。为了打破这一僵局，研究人员需要新的资料，而自1990年代中期以来，已经在这方面取得了重大的进展。

首先，研究人员完成了对中性氢发出的射电辐射的全天空巡天观测，此项巡天观测旨在搜寻温度为100开氏度左右的气体，荷兰尼吉梅根大学的Aad Hulsbosch与本文作者之一Wakker利用荷兰德温格卢（Dwingeloo）射电望远镜，于1988年完成了这项观测的北天部分。Ricardo Morras及其合作者则利用设在阿根廷的维拉·艾丽萨（Ville Elisa）射电望远镜，于2000年完成了其南天部分[见本页图]。由莱顿天文台的Dap Gartmann与Butler Berton进行的巡天观测在1997年获得了结果，绘出了银河系所有中性氢（包括HVC与IVC）的分布。

由威斯康星氢-阿尔法测绘仪等仪器所进行的可见光观测，则提供了进一步的数据[参见美国原刊2002年第4期Ronald J. Reynolds所著的《Gas between the Stars》一文]。虽然中性氢并不发出可见光波段的辐射，但电离气体却能发出可见光，而来自银河系及其他天体的远紫外辐射将使HVC的外侧区域电离。此辐射也把HVC的外部加热至8000开氏度。可见光的多少是衡量HVC周围辐射场强度的一个指标，而辐射场强度又与它到银盘的距离有关。因此，根据这些观测，研究人员可以粗略地估计出HVC的位置。

最重要的进展来自对HVC的吸收谱线的观测。此项工作不是搜寻气体发出的光，而是分析被气体挡住的光。一定波长的光被一定的原子吸收，产生特征吸收光谱。在这方面，美国设在加纳利群岛的拉帕尔马天文台、哈勃太空望远镜以及1999年发射的远紫外分光探测者卫星（FUSE）三者所作出的贡献最大。

利用这些数据，现在美国丹佛大学的Laura Danly及其合作者11年前确定了一个IVC的距离界限4后来，荷兰格罗宁根大学的Hugovan Woerden及其合作者首次测定了HVC的距离[参见下页框文]。与此同时，本文作者及其同事测定了这些气体云的化学成分，从而进一步补充了鉴定各种假说所需的资料。

根据FUSE卫星的数据，研究人员发现HVC含有一种非常热的成份。这颗卫星探测到高度电离的氧——即总共8个电子中已失去了5个电子的氧原子——所产生的吸收谱线，这就意味着它的温度髙达30万开氏度。当冷（100开氏度）中性氢接触极热（100万开氏度）的气体时，就会出现这样的温度，情况也有可能是，30万开氏度的气体的存在证明了这些极热气体正在冷却。我们和美国麦迪逊-威斯康星大学的Blair D. Savage以及巴尔的摩空间望远镜科学研究所的Kenneth Sembach—起跟踪考察了HVC的这一成份。

复杂的行为

在研究了所有这些新的资料后，我们现在能够对HVC作出比较连贯而统一的描述了。我们从两个被称为复合气体云A（complex A）及复合气体云C（complex C）的HVC入手（它们是在1963年被发现的第一批HVC，属于最大的HVC之列）。复合云A的距离为2.5-3万光年，这说明它显然位于银晕中。复合云C的距离则仍然难以确定：它位于银面上方至少1.4万光年处，但可能不超过4.5万光年。

这两个气体云都缺乏重元素，其重元素浓度仅为太阳的十分之一左右。复合云C的氮含量特别低，为太阳的五十分之一。缺乏氮意味着重元素基本上来自大质量恒星（大质量恒星生成的氮与其他重元素的比例低于较小质量的恒星）。事实上，若干描述年轻宇宙的最新模型预测，最早的恒星质量大得异乎寻常。因而复合云C看来是古老宇宙遗留下来的化石。

澳大利亚墨尔本斯温伯恩大学的Brad Gibson考察了复合云C的另一个区域，测得的重元素含量为我们较早得出的测量结果的两倍。这一成份上的差异表明，复合云C已经开始与银晕中的其他气体云互相融合，而后者的重元素含量较高。此外，威斯康星大学的Andrew Fox及其合作者根据高度电离的氧和其他离子的测量数据，证明了复合云C中的30万开氏度气体就是上述冷热气体云之间的界面。看来复合云在不声不响地融入银河系的过程中正好被我们当场逮住。

因此，诸如复合云A和C之类的气体云.提供了新鲜气体进入银河系的第一批直接证据。复合云C每年把相当于0.1到0.2个太阳质量的新鲜气体送进银河系，而复合云A送进的气体则为其一半。这个数字是稀释银河系气体从而使恒星的化学成份满足观测值所需气体总量的10-20%。剩下的气体则可能由其他HVC提供。不过，这些气体的终极来源仍然不太清楚——它们可能来自一个残留晕（如Oort所设想），也可能来自星系际空间深处，甚至可能来自一个被银河系吞掉的小矮星系。

来源的多样性

用上述结果来衡量关于复合云A及复合云C起源的各种假说，结果3个假说被淘汰出局。喷泉假说认为这些复合云起源于银盘，且其化学成份应与太阳相仿，但实际情况并非如此。麦哲伦气流假说所预测的重元素含量也与观测值不合。暗物质假说同样站不住脚，因为这两个HVC并非栖身于星系际空间中。然而，事实证明这3个假说也并非一无是处，只是我们必须花点气力去寻找它们各自适用的场合。

长期以来，IVC—直处于HVC的阴影之下，后者因其更加引人注目、更加神秘莫测而占尽风头。现在已有几个研究小组测定了IVC的成分，其结果表明它的成份与银盘中气体的成份相吻合。此外，IVC位于银面上方约4千光年的地方，正好是星系喷泉起作用的位置。这两个事实表明，IVC——而非HVC——构成了星系喷泉的返回气流。

天文学家在IVC中探测到氢分子，此结果进一步证实了上述看法。在空间中形成这些分子需要有星际尘粒，而只有当环境气体的化学成份经过富集以后，星际尘粒才会达到足够高的丰度。我们在复合云C中没有发现氢分子，这一观测结果也同上述设想合得起来。因而，IVC是来自银河系内部的二手气体，则HVC则主要是来自银河系以外的新鲜气体。

至于麦哲伦气流假说，天文学家发现至少有IVC是从该气流抛出来的。威斯康星大学的Limin Lu及其合作者在1988年发现，此HVC的成份与小麦哲伦云的成份相似。这个HVC位于麦哲伦气流的超前臂中，这就意味着把它从小麦哲伦云中拉出来的那股力也是使它加速的力量。摩擦力不可能有这样的神通，只有潮汐力能起到这样的作用。Lu的发现最终使麦哲伦气流的起源问题迎刃而解。

然而摩擦力仍然可能有其重要性。FUSE卫星发现了与麦哲伦气流有关的高度电离的氧，这表明麦哲伦气流也被炽热气体所包围。由此可以判定，银冕向外伸展的范围必定比Spitzer当初所设想的要广阔得多一一可能达十万光年，而不只是几千光年。这样的银冕其密度不足以把气体从大小麦哲伦云中拉出来，然而一旦这些气体被潮汐力拉出来，它与银冕的摩擦就会使它减速，慢慢地落入银河系，使银河系发展壮大。

类似地，暗物质假说虽然不能解释复合云A和C，却可能同一项更广泛的方案对得上号。Bliz当初提出，星系际HVC的质量为1000万到1亿个太阳质量。但是在类似于本星系群的近邻星系群中，天文学家从未发现有此类云团存在，尽管现今观测技术的灵敏度已经完全足以探测出这些气体云。此外，这一假说还预测HVC发出的可见光太微弱，因此无法探测到，然而实际上只要天文学家想寻找可见光，十有八九都可找到。最后，理论分析证明，如果HVC远离银河系，那么它必定要么是完全电离的，要么其质量异乎寻常之大，但这两种可能性都同观测结果背道而驰。因此，看来HVC不是Blitz等人所预测的暗物质气体云。

德温格卢天文台的Robert Braun和莱顿天文台的Butler Burton以及Vincent de Heij提出，银河系与仙女座星系周围有数百个较小的气体云，这些云团的主要成份为暗物质和电离气体，另有极少量的中性氢。它们的质量至多为1000万个太阳质量，而且绝大多数这类云团都呆在距主星系50万光年的范围内，而不是在整个本星系群中到处游逛。

虽然中性的HVC看来不会分散到整个本星系群中，但其他类型高速气体的情况可能就不同了。有一个HVC中的髙度电离气体就在银河系外很远的地方。FUSE卫星还发现了一些单独存在的高速且高度电离的氢，没有任何中性气体伴随。普林斯顿大学的Todd M. Tripp及其合作者也在宇宙的其他区域发现了类似的炽热气体云。这些炽热气体可能形成一股穿过星系际空间的细长气体流。研究人员在对宇宙的大尺度演化进行模拟时，观察到此类细长气体流出现于模拟中[参见美国原刊2002年10月号Evan Scanna-pieco. Patrick petitjean与Tom Broadhurst所著《The Emptiest places》一文]，而且这些气体流中的物质总量可能比所有星系物质总和还多，从而形成一个庞大的物质储存库，银河系可以源源不断地从中获得物质以制造新的恒星。

银河系周围的HVC提醒我们，人类生活在一个仍在形成与演化的星系中。最初银河系周围有许多较小的卫星星系以及大量遗留气体。几十亿年过去之后，银河系吞掉了其中绝大多数卫星星系。同时银河系可能也吸收了周围星系际空间中的许多原始气体（可能还有大量原始气体仍待在星系际空间）。现在气体仍然以HVC的形式进入银河系中，而与此同时含有较多重元素的气体则被银河系排放到银晕内，甚至可能进入星系际空间。

今后10亿年内，更多的卫星星系将与银河系合并，天文学家目前在银晕内发现的恒星流更加壮大。银河系的运动轨迹将使它最终与仙女座星云相撞。我们无法知道银河系或其后继者在遥远的将来会呈现什么模样，但我们知道它的形成过程现在尚未结束。         

  [李斌/译    曾少立/校]