宇宙星系里也能刮风下雨？导读:我们每天出门都会查查天

导读:
我们每天出门都会查查天气。 “天气”一词一般泛指地球大气层内的各种物理状态以及随之相关的现象，包括温度、湿度、风速、风向以及气压等等。就如地球大气层中的风霜雨雪一样，宇宙中大大小小的星系（包括我们的银河系）每时每刻也都在上演着各种奇妙的“天气”现象。
不知你是否想过：星系里的“天气”是什么样的？星系里刮风下雨对我们日常生活有影响吗？天文学家又是怎样研究星系“天气”的？
撰文|郑永（加州大学伯克利分校）
责编|韩越扬、吕浩然
星系“天气”一览
就如地球被一层厚厚的大气包裹着一样，我们平时看到的科学图片中的星系（常为光学波段），外围也有一团巨大但是很暗的气体结构，称作星系周介质晕（CircumgalacticMedium）。我们这里姑且称之为星系的“大气” 。与地球大气不同的是，星系大气非常厚，其体积可与星系的暗物质晕相当。拿我们的邻居仙女座星系（M31）举个例子（图一右):如果把M31的星系盘想象成一枚硬币，那么它的星系周介质（星系大气）就会如同一个篮球一般大。

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图一：星系的星系周介质晕（星系大气）比星系盘本身大很多。图片来源:郑永
在这个巨大的星系大气里，各种奇妙的“天气”现象轮番上演（图二）。我们时而会看到高速的气体外向流，如火山喷发般从星系盘中心喷涌而出。这些气体外向流的速度可达几百至几千米每秒，温度在百万摄氏度左右，足以融化地球上的任何物质。这些气体外向流或由恒星形成活动产生的星风推动，或由星系盘中心的黑洞吸积反馈产生。
同时，我们也会看到气体内向流或者回流从星系大气中析出，或急或缓，在引力的作用下以几十至几百米每秒的速度流向星系盘。这些气体的温度一般在几千度至十万摄氏度之间。就如雨水润泽万物一般，这些气体内向流为星系盘输入了大量的物质，为下一代的恒星形成活动提供了充足的养料。

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图二：星系周介质示意图。星系周介质中的各种动力学活动可与地球上的多种现象做类比。图片来源：参考文献[1]
其实，星系里的“天气”现象在各种大大小小的星系中颇为常见。除此之外，我们的银河系还常年处在“多云”的状态，我们称这些“云”为高速气体云（图三）。它们漂浮在离银盘约3万光年左右的高度，由较低温（约几千至一万摄氏度）的中性氢原子构成，总质量约为七千万太阳质量（不含麦哲伦云系统），占银河系银盘质量的千分之二左右。
就如我们日常看到天上飘的云一般，高速气体云也会呈现出各式各样的形态。有的高速气体云成团出现，在星系大气中高速运行的时候会慢慢地分解；有的高速气体云则成长条状或丝状，或与当地的磁场或者冷凝过程相关。这些高速气体云的物理形态直接反映了其所在星系“天气”环境的物理过程（如热不稳定性、开尔文-亥姆霍兹不稳定性、以及瑞利－泰勒不穩定性等）。

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图三：在银道坐标系下的银河系高速气体云分布。颜色代表了高速气体云与我们太阳系（本地静止坐标系）的相对速度。正值（黄色及橘红色）代表离我们远去，负值（绿色及蓝色）代表向我们运动而来。就如我们日常看到的云一般，银河系“大气”中的高速气体云也呈现着各式各样的形态。图片来源：参考文献[2]