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根據目前最廣為接受的宇宙學模型，第一個星系是在130億到140億年前開始形成的，在接下來的10億年間，我們現在所能觀測到的宇宙結構才首次出現。這其中有包括星系團、超星系團和暗物質主導下的絲狀結構，也有球狀星系團、星系隆起以及超大品質黑洞（SMBHs）等。

宇宙間的星系充滿著神祕的色彩，其演化方式也常常引發不同的思考。那麼，星系是一個孤立的個體嗎？它能與周圍環境發生物質或能量交換嗎？什麼是銀河系的品質流入和流出？

恆星反饋

要想深入了解星系的演化過程，恆星反饋（stellar feedback）是一個繞不開的話題。與具有生命的有機體一樣，銀河系也在不斷地進化中，星系演化程序中不斷地進行吸積、噴射物質。

星系中恆星形成的關鍵在於物質的可用性，所以了解星系物質的增加和減少速度對於理解星系如何隨時間演化是至關重要的。在“星系噴射”的模型中，星系中最大型的一類恆星會產生恆星風，繼而將物質吹出星系盤，由此造成了物質的流出；另一方面，當恆星接近壽命尾聲之時將變成超新星，它們同樣會把大部分物質拋射出星系。而隨著時間的推移，這些物質又會迴流入星系中，為下一個新恆星的形成提供必要的物質基礎。

星系吸積

上述這一過程即為恆星反饋（stellar feedback），其作用是將星際氣體物質丟擲銀河系。也就是說，銀河系並不是一個孤立的物質體，而是一個因重力和恆星反饋而不斷增加或減少物質的開放空間。

為了了解這一過程的具體機制，歐洲航天局的天文學家Dr. Andrew J. Fox對氣體從宇宙高速雲團（HVC）進出銀河系的速度進行了分析，進而計算出了銀河系中物質流入和流出的具體速率。

恆星形成與超大品質黑洞的大小密切相關

有研究表明，恆星的形成可能與星系中心超大品質黑洞（SMBH）的大小密切相關。SMBHs釋放出的大量能量可以加熱星系中心周圍的星際氣體和塵埃，這一現象阻止了後者大量聚集，並經引力坍縮來形成新的恆星。所以說，SMBHs的品質越大，釋放出來的能量可能越多，如此一來恆星的形成可能也會變越慢許多。

恆星形成區域與地球所處位置關係

同樣地，物質流入和流出星系的速度是決定恆星形成速度的關鍵。為了計算銀河系物質交換的實際速率，Dr. Andrew J. Fox及其團隊深入挖掘了由NASA和ESA儲存的哈勃太空望遠鏡資料檔案。這些資料利用宇宙起源光譜儀（COS）對類星體進行了細緻的刻畫，其靈敏度甚至可以用來分析遙遠天體釋放出的紫外線。通過這種方法，科學家發現了270個有價值的類星體。利用這些觀測資料，研究人員製作了一個銀河系星際間快速移動氣體雲目錄，這些氣體雲被稱為高速雲團（HVCs）。接著，通過多普勒頻移將這些宇宙高速雲團拆分為流入型和流出型雲團。

費米氣泡

最近的一項研究表明，大約在70億年前銀河系經歷了一個較長的休眠期，在此期間幾乎沒有新的恆星形成，這個過程大約持續了20億年。科學家認為，由於進入銀河系的氣體暫時停止了流動，因而這是激波導致星際氣體雲變熱的結果。而隨著時間的推移，氣體開始冷卻並再次流入，引發了第二輪恆星的爆發。

依據上式，在比較了流入和流出氣體的速率之後，Dr. Andrew J. Fox發現相比流出，流入星系的氣體量會更多。而這個對銀河系中未來恆星的形成來說無疑是個好訊息，因為大量的氣體是轉化為恆星和行星的必要基礎。不過科學家指出：宇宙高速雲團的壽命只有1億年左右，所以這種物質的淨流入不可能無期限地持續下去。但與此同時，所有人都忽略了存在於宇宙中已知的、無法追蹤流入流出速率的HVCs結構——如費米氣泡。

這項研究還支援了“冷流吸積”的新理論——當暈內氣體發射X射線時溫度迅速降低，從而形成吸積氣體流。該理論最初是由耶路撒冷-希伯來大學（Hebrew University of Jerusalem）拉卡物理研究所（Racah Institute of Physics）的Avishai Dekel教授提出的，目的是解釋星系在形成過程中如何從周圍空間吸積氣體。這一結果表明，像銀河系這樣的星系並不是在一個穩定的狀態下進化的；相反，星系的品質會斷斷續續地增加或減少。

藝術家眼中的星系

總的來說，這是一個繁榮和蕭條並存的迴圈體：當氣體流入時會形成更多的恆星，但是當氣體過多，就會觸發星爆。其強度之大可以把剩餘的所有氣體都吹走，從而阻斷了恆星的繼續形成。因此，物質流入和流出之間的平衡決定了恆星形成的穩定性。

地球也會失去品質？

另一個有趣的結論就是上述有關銀河系的模型也太陽適用於恆星系統。例如，隨著時間的推移，我們的太陽系也會受到物質流入和流出的影響。天體物理學家Brian Koberlein在2015年曾提出一個觀點：

“事實上，根據我們對流星軌跡的衛星觀測記錄表明，每天約有100-300噸的星際物質不斷撞擊地球。這一數字乘以365即每年有3-10萬噸物質。雖然這可能看起來很多，但其實100萬年後累積的總品質還不到地球總品質的1/1,000,000,000。”

星際物質撞擊地球模擬示意圖

與此同時，地球也會通過一系列的過程失去品質：

其一是地殼物質的放射性衰變，這一過程導致能量和亞原子粒子（α、β和γ射線）源源不斷地離開地球；其二是大氣耗散，比如氫氣和氦氣這樣的輕氣體會持續流失並進入到太空中。這兩種情況進行的速度約為每年11萬噸。

綜合而言，地球大約正以每年10000-50000噸的速度變輕。

地球-宇宙品質交換

太陽的情況也與地球類似。一方面，星際氣體和塵埃一直在流動；另一方面，佔太陽系品質99.86%的太陽也在隨時間而流失品質。根據美國國家航天局信使號探測器收集得到的資料，NASA和MIT（麻省理工學院）的研究人員得出結論：即使太陽在膨脹，但由於太陽風和恆星內部過程，太陽正在以每年1.3245×10^15噸的速度變輕。

這是一個相當驚人的數字，但考慮到太陽的品質約為1.9885×10^27噸，所以它可能還不會很快消失。但根據萬有引力公式，隨著太陽品質的減輕，地球和其他行星所受的引力作用就會減弱，甚至脫離太陽的束縛。不過，也許到那個時候太陽已經走到生命的盡頭，最終會大大膨脹以吞噬水星、金星乃至地球。

無論我們談論的是行星、恆星還是星系，這些宇宙中最古老、最龐大的物體也會像生物一樣經歷出生、發育和死亡。生命的迴圈在繁複的宇宙尺度上開展，令人鼓舞。而宇宙的奧祕，就這樣在我們眼中慢慢顯現。

作者/朱張航宇

責編/朱張航宇

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

參考文獻：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