科学家超越时间和空间追踪气体，以更好地了解星系是如何诞生和消亡的
天文学家对宇宙的了解多源于他们所见。因此，他们的观点一直是偏向于明亮的恒星和星系的。但是，宇宙中多数常规物质是以昏暗的气体形式存在的。被称为星际介质的气体会填充于星系之间；环星系介质气体更是紧密围绕着星系。这两处的气体不仅控制着星系的诞生，生存和消亡，还保存着详细的宇宙历史。直到最近，才有天文学家能发现它。
宇宙一旦诞生，就会被气体填充，其中大部分是氢气。随着时间的流逝，地心引力将气体拉入云层，这些云层变成了星系，恒星在云层中被点燃。恒星通过气体的热核燃烧而发光；在爆炸中消亡的恒星中，部分气体又重新被吹出星系。在星际空间外，气体冷却并变稠，直到重力重新将其拉回星系形成新的恒星。此过程重复发生：重力将气体凝结成星系和恒星，恒星爆炸并把气体踢出去，重力使气体循环回去并形成新的恒星。
随着时间的推移，任何给定的星系都会逐渐耗尽循环气体。没有了气体，就不能形成新的恒星；待老恒星的生命终结了，最终星系也会消亡。星系位于一个气体浴中，气体是它们诞生的媒介，也是它们的燃料动力。星系吸入和吐出气体，其中的恒星才能持续燃烧直到气体耗尽。
这是理论。问题在于天文学家的仪器装备几乎无法探测到任何气体的迹象去验证上述理论，更不用说绘制气体来龙去脉的谱图了。但现在利用更加精密的装备和追踪调查，天文学家们已经获得了更多信息。可以确信的是星系间介质中蕴藏着丰富的气体，它们填充于宇宙间，并播下星系的种子。但关于环星系介质的证据仍存疑问，它显示星系通过循环吸入和吐出气体而生存。且天文学家只有初步证据支持关于星系如何耗尽气体、停止形成恒星和消亡的论点。
联系气体和星系
尽管星系和气体有着内在的联系，但问题在于研究各个体系的天文学家之间的沟通是有限的。从历史上看，研究星系的天文学家与研究气体的天文学家相对独立，而研究气体则更加困难。研究气体的加州理工学院的Charles Steidel说，科学会议的安排者会“将我们的报告放在最后一天，这时研究星系的科学家们都已经回家了，我们根本无法与他们讨论宇宙中余下的部分。”
1989年，Steidel使用了一种技术（由他在加州理工学院的导师Wallace Sargent开创），该技术可以在一定的距离观测到气体而观测不到星系。与先前其他人发现一致，他收集了足够的证据证明在星系中、星系间介质中存在气体。他还证实在那些原本不可见的星系附近的气体云层曾经存在于星系内部的迹象，进一步将星系之间的气体与星系本身联系起来。当他写博士论文时，他小心翼翼地把“星系介质”和“星系”都放在标题中。“一旦我获得了学位，”他说，”我的目标是将星系与气体联系起来。
2013年，当Steidel的学生Gwen Rudie在加州帕萨迪纳的卡内基天文台(Carnegie Observatories)写自己的博士论文时，观察技术已经有了很大的提升，在与Steidel观测的气体云层相同的距离上，她能够发现以前看不见的星系。这些星系还很年轻，恒星剧烈形成，气体被快速消耗。她发现这些星系周围的气体，在环绕星系的介质中，密度是星系间介质中气体密度的上千倍；和其他人一样，她也发现了气体喷发出星系的现象。
到现在为止，气体和星系是密不可分的，现在对星系的研究通常包括星系周围和星系之间的气体，星系是由这些气体产生，并且气体是星系赖以生存的物质。
星系间介质：由气体组成星系
星系发光，但气体几乎不能发光。当气体位于明亮体（最突出的是类星体，它是极其遥远和极其明亮的星系的核心）前面并吸收它的光时，气体变得可见。天文学家分析到达地球的光线时，这些气体在类星体光的光谱中呈现出暗线。暗吸收线的谱图包含着惊人的信息量，包括气体的距离（即年龄）：与当时的普通星系相比，它在更远的地方可见，因此有时也可见得更早。由于光谱还揭示了气体的化学成分、密度、温度和与地球的相对运动，因此在过去50年中，类星体吸收线研究一直是研究宇宙气体的最佳方式之一。
当时在科罗拉多大学博尔德分校的Charles Danforth说：在类星体的光谱中，最引人注目的是成群的遥远暗吸收线可以追溯到早期宇宙，并紧紧地挤在一起，以至于它们看着，“就像树干一样，嘣，嘣，嘣。”这些树枝被称为莱曼阿尔法森林（Lyman alpha forest）——吸收光线的气体是处于一种叫做莱曼阿尔法的状态之间的特定转变中的氢——表现出一个充满轻飘飘的氢气云层的年轻宇宙。
华盛顿大学的Mathew McQuinn在《2016年天文学和天体物理学年度评论》中写道，到20世纪90年代中期，天文学家们已经开始将莱曼阿尔法森林理解为最早的星系之间的气体——星系间介质。星系间介质从早期就已经存在了：莱曼阿尔法森林开始于宇宙大约10亿岁时。在模拟中，McQuinn说，“向前运行莱曼阿尔法森林”，“它看起来像今天的星系间介质”。
年轻宇宙的星系间介质占其常规星系的98%：“人们通常认为宇宙是发光的宇宙”，位于巴尔的摩（Baltimore）的太空望远镜科学研究所（STSCI）的Molly Peeples说。但的类星体吸收线研究表明，在恒星和星系外气体中是“最多的宇宙原子”。
然而，即使在年轻的宇宙中，气体也不均匀。多数温度低至100到1000开尔文之间。但是星系间介质的分散区域温度高达达到2万开尔文以上——这是恒星开启和星系形成的证据。
星系间介质也并非纯氢：它含有少量的重于氢的元素，这些元素是在恒星爆炸和消亡时产生的。科罗拉多州博尔德大学的Michael Shull说，星系间介质是“成块的”，重力将稍稠密的气体拉入更稠密的地方。
加州大学里弗赛德分校的Anson D’Aloisio说，尽管存在热气体，但星系间介质总体上是冷的，“因为宇宙正在膨胀”。随着时间的推移，平均而言，气体也变薄了。加州大学圣克鲁斯分校的Jason Prochaska说，“当你走向今天时，你可以通过肉眼看到光谱，你可以看到森林变薄了。”
Prochaska说，这种古老的、块状的、低温的、稀少星系间介质：“是一种普遍为人所熟知的实体”，为气体的形成时间和来源星系描绘了令人信服的画卷。
天文学家和观察家Jessica Werk描述了星系从早期宇宙中的气体到现在的演化过程，重点阐述了气体在推动星系生命周期中的作用。由加州理工学院的菲利普·霍普金斯提供的FIRE项目的模拟显示气体和星系的“时间”。
环星系介质：调节星系的生命
在类星体光谱数据中，莱曼阿尔法森林的氢云是最稀薄的，在化学组成上是最纯净的。科学家还发现其他云层密度更大，并分散有被天文学家称之为金属的重元素，如碳、氧、硅、铁和镁。天文学家推断，由于这些金属只由恒星制造，而且所有恒星都在星系中，因此这些富含金属、密度更高的云层一定与星系有某种联系。他们把云的类型划分为一个小型动物园:密度教大、金属性更强的云被称为莱曼极限系统，而密度最大、金属性最高的云被称为阻尼莱曼阿尔法系统。这些系统看起来就像一个不断发展的过程——莱曼阿尔法森林通过莱曼极限到阻尼莱曼阿尔法系统——气体更接近和更紧密地与星系相联系。
要证实这些想法，必须等待更灵敏的仪器。最开始，至少在10年前，人们仍然使用类星体的吸收线开始细致而系统的研究，。研究人员毫无疑问地发现，在成熟的宇宙中，如果莱曼森林气体是星系际介质，莱曼极限和阻尼莱曼系统就是环绕星系介质。
有一项调查，凯克重子结构测量(Keck Baryonic Structure survey, KBSS)是由Steidel公司将气体与星系联系起来的想法发展而来的。KBSS团队选择了15个最亮的类星体，并在它们的吸收线中发现了5000个星系的证据。在这些星系中，研究团队寻找了1000亿到110亿年前星系周围的气体。宇宙开始后的几十亿年，恒星正在疯狂地形成——天文学家称之为“宇宙正午”。
另一项大型调查，使用哈勃太空望远镜上的宇宙起源光谱仪（COS），称为COS-Halos。COS-Halos本质上是附近星系的KBSS;它开始于44个局部星系——既有活跃的仍在形成恒星的星系，也有静止的星系——它们周围的气体被类星体的视线穿透。
这些调查综合描述了星系周围介质的密度、温度和金属丰度。星系际气体的密度是星系际气体的1000倍，温度范围从比星系间介质冷到热得多，从1万到100万开尔文不等。离主星系越近，气体的金属化程度越高。
关于星系间介质的终点和环星系介质的起点，人们没有一致的看法。“这只是命名法。” Peeple说。 她的同事、同样来自STScI的Jason Tumlinson对此表示赞同:“关于边界的争论都是人为的。大自然已经跨越了你所能设定的任何边界。曾经在星系间介质中，它将处于环星系介质中，而在环星系介质中，它将会回到星系间介质中。
也就是说，尽管星系间和星系外介质中的气体随着时间和距离的变化而变化，但它们仍然是相同的气体。在这两者之间流动，以某种方式，维持着星系的生命。普罗查斯卡说:“我们不了解的是，在天体物理学中，星系间介质是如何为星系周围介质和星系提供燃料的。”
这种燃料循环的一种可能情况，叫做星系循环，很简单：气体落入星系，为恒星提供燃料，然后被吹出，再回到星系，为更多的恒星提供燃料。收集支持这一设想的证据是困难的，而且至今没有结果。流入星系的气体很难被观测到——它们以狭窄的河流的形式进入星系——尽管一些观察者认为他们已经观测到了。
但是，加州大学圣巴巴拉分校的Crystal Martin说，“流入的信号经常与来自星系本身的信号重叠”，也就是说，在星系的背景下很难看到流入的信号。
另一方面，观测者通常能探测到大量重金属气体外流出星系。Rudie说：“从本质上讲，我们在正在形成的星系上采集的每个光谱都有证实风是正从星系中被驱逐出去。”
没有人知道是什么原因驱动着这些外流——可能是超新星爆炸，或者是黑洞周围混乱中喷出的巨大喷流，或者来自炽热恒星的风。也没有人知道这种气体是否在星系和环星系介质之间局部循环，或者它是否与星系间介质更广泛地循环;这两种情况都存在证据。
有确凿的证据表明，在某一时刻，一个星系耗尽燃料并消亡——这一过程被称为“淬火”。“近20年来，天文学家们已经知道，当斯隆数字巡天计划(Sloan Digital Sky Survey)将星系分为两大类时，含有大量气体且正在形成恒星的星系是蓝色的，而含有少量气体且恒星正在消亡的星系是红色的。”大多数星系不是蓝色就是红色，中间几乎什么也没有。
如果星系要么存在要么消亡，或如果它们因耗尽气体来制造新的恒星而消亡，这意味着无论星系如何消亡，它们都很快耗尽了气体。这是如何发生的还不清楚。事实证明，要找到循环利用的证据是困难的，而要找到猝灭机制的证据则迄今为止是不可能的。应该能在环绕星系介质中寻找到这些证据，但事实上，观测结果只会让问题变得更加棘手。
COS-Halos在红色的、已经消亡的星系周围发现了气体，它们被引力束缚在星系周围，温度在1万到10万开尔文之间——这些气体应该足够冷，可以落入星系中。但它没有。科学家提出，某种东西会以某种方式限制了下降的气体，或者别的东西加热它，所以它太活跃了，不能掉进去。
不管答案是什么，它都会在环星系介质中找到。华盛顿大学的JessicaWerk和COS-Halos研究团队正在联合进行一项调查，该调查将使观测到的红色星系数量增加10倍。“很多问题”，她说，“都归结于阻止恒星形成的星系发生了什么，以及它在星系外介质中是如何发挥作用的。”
重建星系的诞生
到目前为止，观察者们的发现并不能解释星系是如何诞生、生存和死亡的。故事应源于，而在天文学中，理论通常以计算机模拟的形式出现。理论学家们将引力、流体力学、发光的普通恒星和不发光的黑暗恒星放在一起，让模拟重现星系的演化过程。然后他们将模拟的星系与真实的星系进行比较:形状、恒星形成的速率、假设的淬火方法、物质的速率、有害物质的证据、温度、密度和金属丰度。目前，模拟运行在大星系际和小星系际两个尺度上；没有一个模拟可以囊括两者。
这些模拟有助于天文学家解释他们目前的观测结果，或提出新的观测结果。例如，在理论物理学家Molly Peeples的模拟中，金属出人意料地出现在远超出环星系介质的地方，所以观察者Charles Danforth更加确信他在星系间观察到了金属。
在模拟中，“吸入低温气体是明确无疑的”， Crystal Martin说，但是对像她这样的观察者来说并不明显。因此，她的团队专门在环星系介质中寻找低温低压气体，这些气体移动足够慢，有足够的阻力，应该会螺旋进入星系。大多数模拟都显示，在从暖到热的温度下，星系间介质中含有大量的气体，称为WHIM，还没有观察者看到令人信服的证据。“我喜欢模拟器，它们是最好的”，Werk说，“但我不确定它们模拟的宇宙是否真实。”
不管真假，这些模拟(其中有几个是由不同的团队完成的)是对气体如何形成星系的最清晰的可视化描述，它们是如此的华丽。以下是模拟的全部场景:开始于一个2亿年前的宇宙，那时还没有星系和恒星。气体已经冷却，但仍然很热，大约10万开尔文左右;它看起来像一团不均匀的雾，有的地方变清了，有的地方变浓了。最终，在最厚的地方，恒星就形成了。
当宇宙达到5亿年时，由于引力的作用，冷却、冷凝的气体自身就会形成片状;然后被缩小成斑点状的细丝。间隙变大，变暗。在大约10亿年左右，这些细丝与其他细丝相交，形成一个网络。在15亿年的时候，气体沿着细丝向下流动，在一些节点处形成水坑，形成巨大的、白热的星系，在濒死恒星的冲击波和爆炸的作用下被加热到1000万到1亿开尔文。
到20亿年前，星系中心的超大质量黑洞和更多的爆炸恒星向星系间介质发出冲击。在35亿年的时间里，在扩展的激波锋面内是星系的直线结。星系将星系间气体收集到它们自己的环星系介质中，并通过超新星爆炸溅入金属使其成分丰富。
到70亿年的时候，星系间介质明显变薄了:它在所有气体中的比例从95%下降到80%。在100亿年的时间里，星系和环绕星系介质更加金属化，细丝更加粗壮，温度仍然很高，而间隙则更大，颜色更黑，温度更低。
现在，在宇宙开始的138亿年之后，只有60%的气体留在星系间的介质中;其余的在环星系介质和星系中。星系围绕着空隙看起来像一个点燃了州际公路和城市的暗黑帝国。
恒星把金属抛得到处都是，无论是在星系外的介质中还是在星系内，都准备好了重新加工形成其他恒星。新的恒星与尘埃一起从金属气体中合并而成。在它们周围形成原生行星盘，这些盘四处凝聚成行星，其中之一就是我们。“你体内的每一个原子”，Werk说，“都在星系间和星系外的介质中循环。所以这段历程是一个故事”，她说，不仅是关于星系，也是“关于我们的宇宙起源”。