2022年8月27日，“科普中國-我是科學家”第38期“宇宙漫步指南”演講現場，中國科學院國家天文臺研究員戴昱帶來演講：《星系也會“吃”東西，有的吃了還“吐”》。
戴昱演講影片：
window。DATA。videoArr。push（{“title”：“星系也會“吃”東西，有的吃了還“吐”| 戴昱 我是科學家38期”，“vid”：“r33619ynluj”，“img”：“http：//inews。gtimg。com/newsapp_ls/0/15395151027_640480/0”，“desc”：“”}）
大家好，我是國家天文臺的研究員戴昱。
我是做天文觀測的。很多人聽到我的職業就會問我：戴昱你是不是特別浪漫？經常週末跑到野外去，抱著心愛的望遠鏡、衝著天空一望就是一宿？更有甚者還會問，你是不是晚上會抱著寶劍去天文臺，跟諸葛亮一樣借東風？或者，夜觀天象，指點明天的天氣？
當然不是。真正的天文望遠鏡觀測，大多數時候就是坐在臺子前，對著一堆電腦，它們有除錯望遠鏡朝哪的，有直接顯示星空的。有些大型望遠鏡，還需要很多人一起協同觀測。這些跟浪漫是一點都不搭邊。
而這些才是我們真正的日常。
但是，我能想到最浪漫的事情，是在通往望遠鏡的路上。地球上最好的幾個天文臺，周圍有非常好的風景。比如夏威夷的Mauna Kea，周圍有火山岩堆起來像馬蹄一樣的路；智利的ALMA，北部觀測條件非常好，季節合適的話，路上可以看到鹽湖，鹽湖上甚至可以看到火烈鳥；還有我們國家的“天眼”，周圍非常的青翠；青海的冷湖天文臺，也是一個觀察條件非常好，風景非常優美的地方。
那天文學研究的到底是什麼呢？以前中國的小朋友有一本開蒙用的書《千字文》，一上來，八個字撲面而來：“天地玄黃，宇宙洪荒”。宇宙兩個字分開來，“宇”代表的是空間，“宙”代表的是時間，天文學就是研究空間和時間的一個學科。
《千字文》接下來八個字更有意思：“日月盈仄，辰宿列張”。講得是日月盈虧，還有天穹上的天體分佈。天體有很多的型別，最小的是衛星，比如月亮，衛星繞著轉是行星，比如地球，地球再往上是恆星，比如太陽，很多恆星的集合就是我們今天的主題——星系。所有在星系引力場裡的恆星、塵埃、氣體，包括暗物質、暗能量，都屬於這個星系。
我們身處的銀河系就是星系，裡面有千億顆恆星，我們的太陽並不在銀河系的中心，而是距離中心有兩萬多光年。這是什麼概念？一光年是光在一年裡面傳播的距離，大概9萬億公里，或者是6多萬倍地球到太陽的距離，所以天文學研究，是真正穿越時空的旅行。
下面這張圖裡的M33和M31都是星系，其中M31是仙女座星系，M33是人類肉眼能看到最遠的星系，大概離地球300萬光年。NGC752雖然長得很像星系，但其實是疏散星團。
仙女座星系M31 | Astrosurf
那麼怎麼區分到底是星系還是疏散星團呢？這就涉及到一個紅移的概念，有紅移的基本都是星系。
先來解釋一下紅移，大家聽過救護車從身邊開過嗎？它的喇叭從遠到近，又從近到遠，聲音的頻率會發生很大變化。靠近時聲音很急促，遠離時聲音被拉長，這種頻率的變化就分別對應著天文學中的藍移或者紅移。一百年前，哈勃發現了宇宙是持續膨脹的，也就是說，我們和星系之間的距離不是固定不變的，有些星系在遠離，有一些則在靠近，遠離我們的星系就有紅移，反之靠近我們的就是藍移。
我主要關心的領域是
星系的形成和演化
。
星系是怎麼產生的呢？這要追溯到137億年前宇宙誕生的時候：大爆炸發生後，宇宙經歷了超光速的暴漲，密度的擾動會造成我們現在看到的微波背景輻射，經歷了一段時間的沉澱，擾動到一個密度比較高的值後，第一批恆星就慢慢形成了，慢慢地恆星又形成了星系。
在我看來，宇宙的演化過程跟《莊子》裡有一段話說得很相似。
“南海之帝為倏，北海之帝為忽，中央之帝為渾沌。倏忽日鑿一竅，七日而渾沌死。”
就是說，在“倏忽”，也就是時間的作用下，宇宙渾沌的狀態結束了，慢慢地整個宇宙變成了有七竅、有結構的一個狀態，就是我們現在看到的宇宙。
大家知道我們現在發現最早的星系是多早以前嗎？135億年前，這是2022年7月剛被打破的記錄，是韋布望遠鏡的第一批結果。韋布才剛剛執行不久，在接下來的幾年甚至幾個月以內，這個記錄很有可能還會被再一次打破。
我們還發現有一個非常有趣的類比。下面這兩張圖左邊是中國的地圖，展示的是城市晚上的燈光，右邊是觀測到的宇宙大尺度結構。如果把城市和星系放大來看，會發現它們之間很相似，都有明顯的聚居行為（星系團和城市群）。而且，兩者之間不僅是結構上的相似，形成原因也有相似性——都是因為人口密度或者恆星密度達到一個極限值後，就出現了城市或者星系。
城市燈光 | NASA/Max Planck Institute
關於星系與人類社會，我的好友天文學家王濤博士有一段非常精彩的論述：“人們向大中城市的聚居行為，很大程度上可以用類似引力的特性描述，如城市吸引力與大小成正比，與距離呈反比。”
還有一個有趣的類比：當恆星的密度在一個星系裡越高，這個星系生長的速度就會變慢，這跟人口密度高的地方生育率下降是類似的。
這些類比很有趣，但需要澄清一點：它們絕對不是科學論證。但是，歸根究底為什麼會有這種相似性呢？因為不管是天文學還是社會學，都是透過研究複雜系統，來描述研究物件行為方式的科學。所以有時候，科學家會透過類比，尋找不同的學科的聯絡，有時會得到不少研究靈感。
繼續說回星系。我最關心的是星系的演化，也就是它的成長。它怎麼長大呢？其實，跟人類很像，
星系的成長需要“吃”東西
，而且星系的“吃”還分兩種。
第一種方式是相對緩慢的，從周圍環境中吸取物質，然後慢慢消化，變成了恆星。那麼，如何衡量一個星系“吃”的多少？一般用恆星質量來衡量，恆星產生得越多，質量增加得就越多，也就是“吃”得越多。
第二種方式的“吃”發生在星系的中心，也就是黑洞。現在幾乎所有理論和觀測都認為，大質量星系中心存在密度很高的核球，核球的中心是超大質量黑洞，這樣才能把整個星系透過引力束縛在一起。經過接近10年的觀測，天文學家發現在銀河系的中心，人馬座α裡，所有的恆星都圍繞著一個點在運動，這個點就是它質量的中心，也就是銀河中心的超大質量黑洞。為什麼說它是超大質量呢？因為它大約有400萬個太陽那麼重。這個發現在2020年獲得了諾貝爾物理學獎。
黑洞在不停地吃東西，而且它吃的東西會在黑洞周圍形成一個吸積盤，相當於物質在黑洞周圍排著隊，等待被吃掉。
但是在排隊等待的過程中，有很大一部分物質的質量直接被轉換成能量了
，著名的質能轉換公式E=MC2就是在描述這個過程。
當質量都變成了能量，這些能量會發出巨大的光芒，讓這個黑洞看上去非常亮，以至於整個星系的光芒都被黑洞所遮掩了，所以在我們眼中看起來就像是一個明亮的恆星，但實際上它是星系，這種星系叫類星體。
類星體中心的塵埃環與吸積盤 | STSCI & NASA
類星體因為“吃”東西的速度非常快，所以不能很好地吸收，經常會“吐”。這裡的“吐”指的是
物質在還沒有進入黑洞前就被推出去了
。根據被推出去速度的快慢，分為高速的噴流，以及慢速的外向流。噴流的速度非常快，一開始甚至接近光速，所以噴流的尺度可以到達星系大小的幾倍、幾十倍，甚至幾千倍。而外向流噴出來的物質速度不大，就會在黑洞周圍，形成像小泡泡一樣的形狀。
星系形成的途徑，除了“吃”，還有一種就是
星系併合
：兩個星系很靠近時，會受引力吸引，彼此在引力作用下，慢慢地經過幾個回合，併合成一個星系，這是一種非常高效的生長方式。
透過觀測，我們發現宇宙中很多星系並不是孤立的。在它周圍可能就有一個夥伴，或者它可能正在進行併合。比如下面的NGC2623，就是一個非常有名的併合星系，可以看到它的形狀像兩朵玫瑰花的花心觸到一起。花心正發生著劇烈的“吃”，所以很多恆星產生了，圖中藍色的小點都是新的恆星。但是，它的花徑又被甩出去了，這是星系在“吐”，形成了兩個潮汐尾。即使被“吐”出來，潮汐尾上也還在進行著“吃”的過程，有很多藍色的小點，也就是新的恆星在誕生。
併合星系NGC2623 | NASA/Chandra/HST/CFHT/Spitzer
下面這張圖是斯蒂芬五重奏，是由5個星系組成的集團，其中4個正在進行四人舞。在這個過程中，它們也在不斷地“吃”和“吐”。
斯蒂芬五重奏 | NASA/JWST
根據預測，我們的銀河系和仙女系在未來也可能會併合。不過不用擔心，那將是40億年後的事了。即使真發生了，併合對太陽系和地球的影響也是微乎其微的。這是因為恆星和恆星的距離在星系中非常大，比如，離地球最近的恆星比鄰星，距離我們約4光年。我們可以把兩個星系，想象成兩個方隊的小朋友，每個小朋友都佔據了半個操場，如果他們閉上眼朝著對方衝過去，碰到彼此的機率是非常低的，也就是說，在星系併合時，恆星直接毀滅的機率也很低。
相比於人類的時間尺度，天文學研究的尺度非常大，很多天文學家預測會發生的事，等真正發生時，人類可能都不存在了。
那為什麼還要研究天文學？2500年前，戰國時代孔子曾經說過一句話，可以回答這個問題。他說：“朝聞道夕死可矣”。好奇心是推動人類進步的原動力之一，即使人類的壽命有限，無法和宇宙廣袤的空間、綿長的時間相提並論，但人類的好奇心和思想可以。
孔子的肉體早已不在了，但他的這句話“朝聞道夕死可矣”，在2500年後還被人類傳誦，而這就是思想和好奇心的力量。
謝謝大家！
監製&策劃：吳歐
作者：戴昱
編輯：小販兒
