从“上下四方曰宇，古往今来曰宙”，到“日月盈昃，辰宿列张”，人类对于浩瀚宇宙的好奇从未停止。在无垠的宇宙中，星系是最宏大的天体之一。就像人类存在于社会之中，需要和周边的群体发生交际活动一样，星系亦不是一座孤岛，它们会与周边环境进行物质交换，经历“成长”、“成熟”和“衰老”等生命过程。

星系级外流作为物质交换的主导过程之一，深刻的影响着星系的一生。同时，星系级外流也是宇宙中非常壮观的运动结构，如图1中紫红色的双锥型所示。若将星系比作一只鹏鸟，那么外流就如同它巨大的翅膀一般，怒而飞，其翼若垂天之云。本期，就让我们一起探索星系级外流的产生、特征、以及其对星系演化的影响。

图1：M82的星系级外流，紫红色表示电离气体辐射，示踪星系级外流，白色示踪星系盘。图片来自Veilleux, Cecil & Bland-Hawthorn (2005)。

星系级外流的产生

星系级外流从星系中心喷发，通常由气体、尘埃等组成，其速度可以达到数百到数千千米每秒。外流的规模非常庞大，覆盖整个星系，甚至可以扩展到星系周围的星系际介质中。天文学家们研究星系级外流的起源，发现它可以由多种天文现象驱动，例如恒星的形成、超新星爆炸、以及超大质量黑洞的活动。这些过程释放的能量产生强大的激波和辐射压力，将周围的气体和尘埃向外推送，从而形成外流。   

恒星形成是星系“成长”的核心过程。当冷气体在星系内部坍缩形成恒星时，会释放大量能量（图2左i）。如果在某一区域内，大量的恒星在短时间内快速形成，产生了天文学中所谓的星暴活动（starburst），这种局部的剧烈活动就可以导致大尺度的外流。在星暴区域，新生恒星的大量紫外辐射会电离周围的气体，形成电离气体云。这些气体云在强烈辐射压力的驱动下，会以很高的速度向外喷发（图2左ii）。同时，年轻恒星的猛烈激波也会加剧这一过程，将更多的物质推向星系之外（图2左iii）。

当一颗大质量恒星耗尽其核燃料时，它会以超新星爆炸的形式“结束生命”。这种爆炸是宇宙中最剧烈的事件之一，能够瞬间释放出能量（图2右）。超新星爆炸产生的激波可以将周围的气体压缩并加速，形成高速外流。在一个星暴区域，大量的恒星同时形成，并在短时间内接连爆炸，这会产生极为强烈的外流。这种由超新星爆炸驱动的外流，通常能够携带大量的金属元素（如氧、铁等），并将它们散布到星系的外围，甚至是星系际介质中。

图2：左图为M82的多波段合成图像，蓝色表示X射线观测、红色表示红外观测、黄绿色表示电离氢观测。区域(i)，不同位置处恒星的形成产生气泡（bubbles），彼此交叠产生超级气泡（super-bubble）；区域(ii)，超级气泡不断向外扩张，从星系盘上剥离气体，进而形成大尺度的星系级外流；区域(iii)，星系级外流速度足够快时，夹带的气体将最终逃离星系的引力势阱。右图展示了大质量年轻恒星的反馈（或超新星爆炸）导致的X射线热气泡、及冷气体空腔的形成。白色表示星光、红色表示红外观测、橙色表示电离氢、蓝色表示X射线观测。图片来自Collins et al. (2022)。 

当今星系形成与演化理论认为，星系中心活跃的超大质量黑洞所释放的巨大能量会有效调节星系演化，阻止星系生长得过于庞大。星系中心的超大质量黑洞及其周围的活动区域被称为活动星系核。中心黑洞吸积周边物质时，形成旋转的吸积盘并触发黑洞活动，将大量的气体电离、喷射出来，形成高速外流（图3）。黑洞活动驱动的外流不仅速度极快，而且能量极高，通常可以影响整个星系中的气体分布。

图3：超大质量黑洞吸积周边物质，形成旋转的吸积盘并将大量的气体电离、喷射出来，形成高速外流。图片来自NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva。

星系级外流的特征

高速度：星系级外流的速度通常可以达到数百到数千千米每秒。这样的高速度意味着相当一部分的外流能够克服星系的引力束缚，逃离星系并进入星系际空间。这对星系的演化有着深远的影响，因为气体外流会直接减少星系内部用于恒星形成的原料。

大尺度：星系级外流并非局限于星系中心很小的区域，相反它可以覆盖整个星系，甚至可以扩展到星系的外围。天文学家通过观测发现，外流的规模可以达到数万光年，远远超出星系的盘或核心区域。

星系级外流的影响

金属分布：星系级外流可以夹带星际介质中的金属元素进入星系际空间。这些元素是恒星内部核反应的产物，承载着星系内的恒星演化的历史。通过外流实现了这些元素在宇宙中的重新分布，且会随着下一轮的气体获取过程重新进入星际介质。

恒星形成：目前，针对星系级外流会增强还是抑制星系中的恒星形成，天文学家们仍未达成共识。一方面，外流在传播过程中，可能会挤压路径上的冷气体，进而触发其坍缩形成恒星。另一方面，外流可以移除星系内部的气体，从而减少恒星形成的原料，起到抑制的作用。也有天文学家指出星系级外流对恒星形成活动的反馈依赖于星系内部的气体环境，甚至在同一个星系内部的不同位置处，可以同时存在增强和抑制作用。   

写在结尾

正如《神奇动物在哪里》的电影结尾，巨大的凤凰挥动翅膀、施展魔法，带走了人们的记忆。星系级外流作为星系的翅膀，在挥动的过程中，也携带着星系演化的记忆。通过星系级外流的性质，去追溯星系的“人生故事”，一直是天文学研究的热点问题。

浩瀚的宇宙长河，其壮丽、神秘，从不逊色于魔法世界的任何一道咒语。然而，天文学家们在揭示宇宙奥秘的过程中，面临着诸多理论和技术上的困境。即便如此，他们从未停下探索的脚步，在宇宙的“黑暗森林”中不断开拓着人类认知的版图，演绎着那句“不要温和地走进那个良夜”。

参考文献

[1]“Galactic wind”, Veilleux, S., Cecil, G. & Bland-Hawthorn, J., 2005, ARA&A, 43, 769.

[2]“Cool outflows in galaxies and their implications”, Veilleux, S., Maiolino, R., Bolatto, A., et al. 2020, ARA&A, 28, 2.

[3]“Observational constraints on stellar feedback in dwarf galaxies”, Collins, M., Read, J., 2022, NatAs, 6, 647.