2022年8月27日，“科普中国-我是科学家”第38期“宇宙漫步指南”演讲现场，中国科学院国家天文台研究员戴昱带来演讲：《星系也会“吃”东西，有的吃了还“吐”》。
大家好，我是国家天文台的研究员戴昱。
我是做天文观测的。很多人听到我的职业就会问我：戴昱你是不是特别浪漫？经常周末跑到野外去，抱着心爱的望远镜、冲着天空一望就是一宿？更有甚者还会问，你是不是晚上会抱着宝剑去天文台，跟诸葛亮一样借东风？或者，夜观天象，指点明天的天气？
当然不是。真正的天文望远镜观测，大多数时候就是坐在台子前，对着一堆电脑，它们有调试望远镜朝哪的，有直接显示星空的。有些大型望远镜，还需要很多人一起协同观测。这些跟浪漫是一点都不搭边。
而这些才是我们真正的日常。
但是，我能想到最浪漫的事情，是在通往望远镜的路上。地球上最好的几个天文台，周围有非常好的风景。比如夏威夷的Mauna Kea，周围有火山岩堆起来像马蹄一样的路；智利的ALMA，北部观测条件非常好，季节合适的话，路上可以看到盐湖，盐湖上甚至可以看到火烈鸟；还有我们国家的“天眼”，周围非常的青翠；青海的冷湖天文台，也是一个观察条件非常好，风景非常优美的地方。
那天文学研究的到底是什么呢？以前中国的小朋友有一本开蒙用的书《千字文》，一上来，八个字扑面而来：“天地玄黄，宇宙洪荒”。宇宙两个字分开来，“宇”代表的是空间，“宙”代表的是时间，天文学就是研究空间和时间的一个学科。
《千字文》接下来八个字更有意思：“日月盈仄，辰宿列张”。讲得是日月盈亏，还有天穹上的天体分布。天体有很多的类型，最小的是卫星，比如月亮，卫星绕着转是行星，比如地球，地球再往上是恒星，比如太阳，很多恒星的集合就是我们今天的主题——星系。所有在星系引力场里的恒星、尘埃、气体，包括暗物质、暗能量，都属于这个星系。
我们身处的银河系就是星系，里面有千亿颗恒星，我们的太阳并不在银河系的中心，而是距离中心有两万多光年。这是什么概念？一光年是光在一年里面传播的距离，大概9万亿公里，或者是6多万倍地球到太阳的距离，所以天文学研究，是真正穿越时空的旅行。
下面这张图里的M33和M31都是星系，其中M31是仙女座星系，M33是人类肉眼能看到最远的星系，大概离地球300万光年。NGC752虽然长得很像星系，但其实是疏散星团。
仙女座星系M31 | Astrosurf
那么怎么区分到底是星系还是疏散星团呢？这就涉及到一个红移的概念，有红移的基本都是星系。
先来解释一下红移，大家听过救护车从身边开过吗？它的喇叭从远到近，又从近到远，声音的频率会发生很大变化。靠近时声音很急促，远离时声音被拉长，这种频率的变化就分别对应着天文学中的蓝移或者红移。一百年前，哈勃发现了宇宙是持续膨胀的，也就是说，我们和星系之间的距离不是固定不变的，有些星系在远离，有一些则在靠近，远离我们的星系就有红移，反之靠近我们的就是蓝移。
我主要关心的领域是星系的形成和演化。
星系是怎么产生的呢？这要追溯到137亿年前宇宙诞生的时候：大爆炸发生后，宇宙经历了超光速的暴涨，密度的扰动会造成我们现在看到的微波背景辐射，经历了一段时间的沉淀，扰动到一个密度比较高的值后，第一批恒星就慢慢形成了，慢慢地恒星又形成了星系。
在我看来，宇宙的演化过程跟《庄子》里有一段话说得很相似。
“南海之帝为倏，北海之帝为忽，中央之帝为浑沌。倏忽日凿一窍，七日而浑沌死。”
就是说，在“倏忽”，也就是时间的作用下，宇宙浑沌的状态结束了，慢慢地整个宇宙变成了有七窍、有结构的一个状态，就是我们现在看到的宇宙。
大家知道我们现在发现最早的星系是多早以前吗？135亿年前，这是2022年7月刚被打破的记录，是韦布望远镜的第一批结果。韦布才刚刚运行不久，在接下来的几年甚至几个月以内，这个记录很有可能还会被再一次打破。
我们还发现有一个非常有趣的类比。下面这两张图左边是中国的地图，展示的是城市晚上的灯光，右边是观测到的宇宙大尺度结构。如果把城市和星系放大来看，会发现它们之间很相似，都有明显的聚居行为（星系团和城市群）。而且，两者之间不仅是结构上的相似，形成原因也有相似性——都是因为人口密度或者恒星密度达到一个极限值后，就出现了城市或者星系。
城市灯光 | NASA/Max Planck Institute
关于星系与人类社会，我的好友天文学家王涛博士有一段非常精彩的论述：“人们向大中城市的聚居行为，很大程度上可以用类似引力的特性描述，如城市吸引力与大小成正比，与距离呈反比。”
还有一个有趣的类比：当恒星的密度在一个星系里越高，这个星系生长的速度就会变慢，这跟人口密度高的地方生育率下降是类似的。
这些类比很有趣，但需要澄清一点：它们绝对不是科学论证。但是，归根究底为什么会有这种相似性呢？因为不管是天文学还是社会学，都是通过研究复杂系统，来描述研究对象行为方式的科学。所以有时候，科学家会通过类比，寻找不同的学科的联系，有时会得到不少研究灵感。
继续说回星系。我最关心的是星系的演化，也就是它的成长。它怎么长大呢？其实，跟人类很像，星系的成长需要“吃”东西，而且星系的“吃”还分两种。
第一种方式是相对缓慢的，从周围环境中吸取物质，然后慢慢消化，变成了恒星。那么，如何衡量一个星系“吃”的多少？一般用恒星质量来衡量，恒星产生得越多，质量增加得就越多，也就是“吃”得越多。
第二种方式的“吃”发生在星系的中心，也就是黑洞。现在几乎所有理论和观测都认为，大质量星系中心存在密度很高的核球，核球的中心是超大质量黑洞，这样才能把整个星系通过引力束缚在一起。经过接近10年的观测，天文学家发现在银河系的中心，人马座α里，所有的恒星都围绕着一个点在运动，这个点就是它质量的中心，也就是银河中心的超大质量黑洞。为什么说它是超大质量呢？因为它大约有400万个太阳那么重。这个发现在2020年获得了诺贝尔物理学奖。
黑洞在不停地吃东西，而且它吃的东西会在黑洞周围形成一个吸积盘，相当于物质在黑洞周围排着队，等待被吃掉。但是在排队等待的过程中，有很大一部分物质的质量直接被转换成能量了，著名的质能转换公式E=MC2就是在描述这个过程。
当质量都变成了能量，这些能量会发出巨大的光芒，让这个黑洞看上去非常亮，以至于整个星系的光芒都被黑洞所遮掩了，所以在我们眼中看起来就像是一个明亮的恒星，但实际上它是星系，这种星系叫类星体。
类星体中心的尘埃环与吸积盘 | STSCI & NASA
类星体因为“吃”东西的速度非常快，所以不能很好地吸收，经常会“吐”。这里的“吐”指的是物质在还没有进入黑洞前就被推出去了。根据被推出去速度的快慢，分为高速的喷流，以及慢速的外向流。喷流的速度非常快，一开始甚至接近光速，所以喷流的尺度可以到达星系大小的几倍、几十倍，甚至几千倍。而外向流喷出来的物质速度不大，就会在黑洞周围，形成像小泡泡一样的形状。
星系形成的途径，除了“吃”，还有一种就是星系并合：两个星系很靠近时，会受引力吸引，彼此在引力作用下，慢慢地经过几个回合，并合成一个星系，这是一种非常高效的生长方式。
通过观测，我们发现宇宙中很多星系并不是孤立的。在它周围可能就有一个伙伴，或者它可能正在进行并合。比如下面的NGC2623，就是一个非常有名的并合星系，可以看到它的形状像两朵玫瑰花的花心触到一起。花心正发生着剧烈的“吃”，所以很多恒星产生了，图中蓝色的小点都是新的恒星。但是，它的花径又被甩出去了，这是星系在“吐”，形成了两个潮汐尾。即使被“吐”出来，潮汐尾上也还在进行着“吃”的过程，有很多蓝色的小点，也就是新的恒星在诞生。
并合星系NGC2623 | NASA/Chandra/HST/CFHT/Spitzer
下面这张图是斯蒂芬五重奏，是由5个星系组成的集团，其中4个正在进行四人舞。在这个过程中，它们也在不断地“吃”和“吐”。
斯蒂芬五重奏 | NASA/JWST
根据预测，我们的银河系和仙女系在未来也可能会并合。不过不用担心，那将是40亿年后的事了。即使真发生了，并合对太阳系和地球的影响也是微乎其微的。这是因为恒星和恒星的距离在星系中非常大，比如，离地球最近的恒星比邻星，距离我们约4光年。我们可以把两个星系，想象成两个方队的小朋友，每个小朋友都占据了半个操场，如果他们闭上眼朝着对方冲过去，碰到彼此的概率是非常低的，也就是说，在星系并合时，恒星直接毁灭的概率也很低。
相比于人类的时间尺度，天文学研究的尺度非常大，很多天文学家预测会发生的事，等真正发生时，人类可能都不存在了。
那为什么还要研究天文学？2500年前，战国时代孔子曾经说过一句话，可以回答这个问题。他说：“朝闻道夕死可矣”。好奇心是推动人类进步的原动力之一，即使人类的寿命有限，无法和宇宙广袤的空间、绵长的时间相提并论，但人类的好奇心和思想可以。
孔子的肉体早已不在了，但他的这句话“朝闻道夕死可矣”，在2500年后还被人类传诵，而这就是思想和好奇心的力量。
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