[비즈한국] “我們皆來自星辰。”卡爾·薩根（Carl Sagan）的這句話廣為人知。當我們追溯構成人體的化學成分起源時，最終都會指向數十億年前在宇宙中短暫存在後便消失的無數恆星與超新星。從科學角度來看，我們確實可以說是由星辰殘留的物質塑造而成的生命。
雖然這是一個頗為知名的天文敘事，但令人意外的是，我們至今仍未完全理解這句話的深層含義。如果人體內的成分源於恆星，那麼它們究竟來自多麼遙遠的星體？對於今天生活在太陽系地球上的我們而言，那些將珍貴的生命材料傳遞給我們後便消失的恆星，究竟存在於何處？
人們很容易認為，我們直系祖先般的超新星一定就生活在太陽系現址附近。無論宇宙的時間尺度有多麼漫長，恆星所蘊含的物質擴散終究是有極限的。雖然卡爾·薩根那句浪漫的話語講述了我們與星辰的聯絡，但我們原本以為自己的所有故事都侷限在幾十或幾百光年的範圍內。
然而，根據近期的連串發現，我們或許是由遊歷過廣闊宇宙的碎片匯聚而成的存在。這是因為構成我們身體的化學成分，不僅可能來自太陽系，還可能在銀河系之外的遙遠宇宙中兜兜轉轉後才流轉至此。令人遺憾的是，我們至今仍未自由地踏出地球，更不用說銀河系，但構成我們身體的碎片卻曾在數十億年前遊歷過遠比我們自身龐大得多的宇宙。
1963年，荷蘭萊頓大學天文學博士生蓋爾·史密斯（Gail Smith）發現了一團浮在銀河系旁邊的詭異氣體雲。它看起來絕非普通的星雲，而是一團似乎正向著某個方向疾馳的細長氣體雲。為了紀念發現者，人們將其命名為“史密斯雲（Smith’s cloud）”。隨後的射電觀測表明，這團雲正以每小時112萬公里的極快速度繞著銀河系旋轉。它屬於一種高速雲（HVC，High Velocity Cloud），正以極快的速度在銀河系的光暈（Halo）中穿梭。
史密斯雲長達1.1萬光年，寬2.5萬光年。如果我們能用肉眼在夜空中看到完整的史密斯雲，那將會是銀河系旁邊一個寬度達到滿月30倍的巨大氣體雲。天文學家起初推測，這團在銀河系光暈中飛速執行的雲，是最初從銀河系外流入的。他們認為，這可能是100億年前銀河系誕生時未能被吸納進去的氣體，或是因為缺乏足夠的材料而未能孕育出恆星，最終才被銀河系的引力捕捉並牽引過來。
如果這一推測屬實，那麼這團氣體雲應從未經歷過超新星爆發，理應處於非常純淨的狀態，幾乎不含重元素，只含有氫和氦。
為了驗證這一點，天文學家利用哈勃太空望遠鏡進行了有趣的觀測。在史密斯雲後方數十億光年的遙遠背景宇宙中，恰好有三個重疊在一起的星系。這些星系中心蘊含著強大的黑洞，會放射出強烈的紫外線。這種中心擁有活躍且猛烈黑洞的星系被稱為活躍星系。從遙遠背景活躍星系放射出的紫外線在穿過近處的史密斯雲時，部分成分被雲中的化學物質吸收。由於每種化學成分都會選擇吸收特定波長的光，因此只需觀察哪些波長的光被吸收，就能得知史密斯雲的化學組成。
然而，令人驚訝的事實被揭開了。史密斯雲並非預測中那樣僅由氫和氦組成（即宇宙大爆炸後純淨的狀態），它實際上帶有相當多的“塵埃”。特別是哈勃望遠鏡在紫外線區域清晰地確認了硫元素的痕跡。硫是一種重元素，只有質量達到太陽級別的恆星才能產生。這意味著史密斯雲並非從未孕育過恆星的“失敗星系”，也不是剛剛流入的純淨氣體雲。
在史密斯雲中明確檢測到的包括硫在內的重元素，實際上指向了史密斯雲本身就是從銀河系脫離出去的碎片這一事實。在很久以前銀河系內部反覆發生的恆星誕生與死亡中，帶有生命印記的氣體雲碎片因受力競爭被排擠到了銀河系之外。但現在，它正受到銀河系引力的牽引，正在返回故鄉的途中。大約3000萬年後，史密斯雲將墜入銀河系，在那次撞擊帶來的壓縮下，雲團中將再次像煙花一樣迸發出新恆星誕生的火花。
銀河系內部久遠以前頻繁發生的超新星爆發，可能就是導致這種氣體雲向外噴射的原因。強大的超新星爆發衝擊波將銀河系的一塊“血肉”剝離出去，而現在它結束了漫長的旅行，即將回歸。這種曾被推向銀河盤面之外的氣體雲再次迴流盤面的現象，被稱為銀河版的“噴泉”，即“銀河噴泉（Galactic fountain）”。銀河系內外完成了一個巨大的迴圈系統，如同成千上萬光年尺度上連線著的輸送帶。
近期，透過利用哈勃太空望遠鏡進行的類似補充研究證明，這種銀河尺度的迴圈系統不僅存在於銀河系，在無數類似的星系中也頻繁發生。天文學家以9個遙遠的類星體為背景，觀測了其前方正在活躍孕育恆星的11個星系。同樣地，比較了來自背景類星體的光在穿過近處星系周圍的光暈時，留下了什麼樣的化學成分痕跡。結果證實，在所有星系中，含有碳和氧的氣體物質都廣泛分佈在銀河盤面之外的遙遠區域。甚至在距離星系外圍遠達41萬光年的區域也探測到了碳和氧的蹤跡。
這些星系都將自身孕育的超新星留下的珍貴化學產物（生命材料）擴散到了銀河系之外、星系與星系之間的空曠地帶。其中一部分再次被星系的引力捕捉，經過數十億年的歲月後回到了最初的故鄉。正因如此，星系周圍數十萬光年的廣闊區域內，才瀰漫著含有較高濃度重元素的氣體雲光暈。星系際介質（Circumgalactic Medium, CGM）的存在，透過實際觀測得到了更明確的證實。
此次觀測確認的CGM的存在，讓我們與更遙遠的宇宙建立了聯絡。碳和氧是構成地球生命最基本的材料。如果我們精確追蹤其中的一個原子在過去138億年間經歷的旅程，或許會發現它曾遠遊至銀河系與仙女座星系之間的荒蕪空地，然後又回到了這裡。我們瞬間便超越了地球、太陽系，甚至銀河系，成為了環繞這整個星系的那巨大氣體光暈中的一員。
如果我們能夠感知那無數碳原子和氧原子的旅程，那將是一場難以估量的宏大迴圈。正如我們吸氣與呼氣一樣，銀河系也在呼吸。從生物學角度來看，銀河系或許會被視為沒有生命的、充滿恆星與行星的死寂世界。但從更宏觀的視角來看，銀河系也是一個巨大的生態系統，是一個活著的、會呼吸的世界。天文學告訴我們，我們只是銀河系無意間撥出的一口氣中，偶然綻放的生命。
參考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ad9c69
作者池雄培（Ji Woong-bae）是誰？熱愛貓咪與宇宙。兒時在看過《銀河鐵道999》後，立志讓更多人瞭解宇宙之美。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙論研究室，研究透過星系相互作用進行的演化，同時進行講座與寫作等多種科學傳播活動。著有《썸 타는 천문대》（曖昧天文臺）、《하루 종일 우주 생각》（整天思考宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科學）等書籍。