宇宙星系里也能刮风下雨？( 二 ) 导读:我们每天出门都会查查天

星系大气里有什么？
尽管星系大气也有着如地球上风霜雨雪般的“天气”现象，其化学成分却与地球大气完全不同（图四）。在地球大气中我们平均能测到百分之二十一左右的氧气以及百分之七十八左右的氮气。剩下的百分之一左右由水蒸气，二氧化碳等构成。这些气体都处在分子状态。
与之相反，星系大气中的气体处在原子或者离子状态。如上文提到的，星系大气中的气体（内向流或外向流）温度在几千度至百万度之间。在这样的高温下，分子气体结构无法存在。即使是地球上坚硬无比的金属，放在星系大气的高温中都会立刻升华为金属气体，以原子态或者等离子体态存在。

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图四：地球大气与星系大气化学成分对比。地球大气中的气体多以分子态存在，而星系大气中的物质多以原子或者等离子体态存在，图片来源：郑永
如图四右所示，氢是星系大气中最常见的元素，约占总重子物质成分的百分之七十三。其次是氦，占四分之一。剩下的元素，如碳、氮、氧、镁等，成分都极其微量。天文学家把所有的这些元素都统称为“重子物质(baryons)” 。我们上文（图二）提到的气体外向流将这些重子物质从星系盘转移到星系大气，而气体内向流则将这些元素从星系大气中回收，重新输送到星系盘为下一代的恒星形成活动提供养料。
我们把这个重子物质在星系与星系大气之间循环往复的过程称为“宇宙重子物质循环” 。这个过程对星系的形成与演化极其重要。美国国家科学院国家研究委员会最近一次的“天文学和天体物理学十年调查(Astro2020DecadalSurvey)”将星系大气以及宇宙重子物质循环列为未来十年的研究重点之一。
天文学家是怎样研究星系“天气”的？
不知你有没有发现，假如深夜身处在晚上没有月光或者城市灯光的郊外，其实我们很难看清天上的云朵。这是因为天上的云自己本身并不发光，需要反射、折射或遮挡已有光源才能变得肉眼可见。星系大气也是类似的情况。由于星系大气极其稀薄，其密度远远低于地球上最好的真空装置（平均每平方厘米0.00001至0.1个电离粒子），我们很难用常有的光学望远镜观测星系大气。这也是为什么我们平时看到的星系图片都只有星系盘本身。
因此，我们需要动用特殊的手段来观测星系大气，例如利用X-射线望远镜可以收集星系大气发出的高能光子（如正在争取立项中的宇宙热重子探寻计划HUBS），以及在大型光学望远镜上安装集成视场摄谱仪（如VLT/MUSE）进行长时间积分。这里笔者简单介绍两种常用的观测银河系及邻近星系的星系周介质（星系大气）的方法：
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射电望远镜
如上文提到的，我们的银河系常年处于“多云”状态，而且这些高速气体云能在银河系“大气”里飘上几千万年都不会消散。因为星系大气的主要成分是氢（图四右），而高速气体云的氢主要处于中性状态，我们便可以利用中性氢原子超精细结构跃迁产生的21厘米谱线对高速气体云进行观测。
由于这一条谱线落在电磁波谱上的射电波段，我们可以用各类射电望远镜（比如中国“天眼”FAST）对高速气体云进行观测（图五）。笔者的研究工作之一便是利用射电望远镜对这些高速气体云的形成与演化进行观测研究。

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图五：左图为利用阿雷西博天文台观测的银河系中性氢，图中的颜色显示了速度信息，而非气体的真实颜色。我们可以看到大量呈丝状、条状的气体形态（图片来源：JoshPeek）。右图为中国“天眼”FAST（图片来源：维基百科）。得益于FAST极高的灵敏度以及比阿雷西博天文台更好的空间分辨率以及全天覆盖率，我们对银河系高速气体云的研究也将更上一个层次。