我们每天出门都会查查天气。“天气”一词一般泛指地球大气层内的各种物理状态以及随之相关的现象，包括温度、湿度、风速、风向以及气压等等。就如地球大气层中的风霜雨雪一样，宇宙中大大小小的星系（包括我们的银河系）每时每刻也都在上演着各种奇妙的“天气”现象。
不知你是否想过：星系里的“天气”是什么样的？星系里刮风下雨对我们日常生活有影响吗？天文学家又是怎样研究星系“天气”的？本期赛先生天文，将详细解答这些问题，为你带来一场独家的星系“天气”报道。
就如地球被一层厚厚的大气包裹着一样，我们平时看到的科学图片中的星系（常为光学波段），外围也有一团巨大但是很暗的气体结构，称作星系周介质晕（Circumgalactic Medium）。
我们这里姑且称之为星系的“大气”。与地球大气不同的是，星系大气非常厚，其体积可与星系的暗物质晕相当。拿我们的邻居仙女座星系（M31）举个例子：如果把 M31 的星系盘想象成一枚硬币，那么它的星系周介质（星系大气）就会如同一个篮球一般大。
在这个巨大的星系大气里，各种奇妙的“天气”现象轮番上演。我们时而会看到高速的气体外向流，如火山喷发般从星系盘中心喷涌而出。这些气体外向流的速度可达几百至几千米每秒，温度在百万摄氏度左右，足以融化地球上的任何物质。这些气体外向流或由恒星形成活动产生的星风推动，或由星系盘中心的黑洞吸积反馈产生。
同时，我们也会看到气体内向流或者回流从星系大气中析出，或急或缓，在引力的作用下以几十至几百米每秒的速度流向星系盘。这些气体的温度一般在几千度至十万摄氏度之间。就如雨水润泽万物一般，这些气体内向流为星系盘输入了大量的物质，为下一代的恒星形成活动提供了充足的养料。
其实，星系里的“天气”现象在各种大大小小的星系中颇为常见。除此之外，我们的银河系还常年处在“多云”的状态，我们称这些“云”为高速气体云。它们漂浮在离银盘约 3 万光年左右的高度，由较低温（约几千至一万摄氏度）的中性氢原子构成，总质量约为七千万太阳质量（不含麦哲伦云系统），占银河系银盘质量的千分之二左右。
尽管星系大气也有着如地球上风霜雨雪般的“天气”现象，其化学成分却与地球大气完全不同。在地球大气中我们平均能测到百分之二十一左右的氧气以及百分之七十八左右的氮气。剩下的百分之一左右由水蒸气，二氧化碳等构成。这些气体都处在分子状态。
与之相反，星系大气中的气体处在原子或者离子状态。如上文提到的，星系大气中的气体（内向流或外向流）温度在几千度至百万度之间。在这样的高温下，分子气体结构无法存在。即使是地球上坚硬无比的金属，放在星系大气的高温中都会立刻升华为金属气体，以原子态或者等离子体态存在。
我们把这个重子物质在星系与星系大气之间循环往复的过程称为“宇宙重子物质循环”。这个过程对星系的形成与演化极其重要。美国国家科学院国家研究委员会最近一次的“天文学和天体物理学十年调查 (Astro2020 Decadal Survey)”将星系大气以及宇宙重子物质循环列为未来十年的研究重点之一。
因此，我们需要动用特殊的手段来观测星系大气，例如利用 X-射线望远镜可以收集星系大气发出的高能光子（如正在争取立项中的宇宙热重子探寻计划 HUBS），以及在大型光学望远镜上安装集成视场摄谱仪（如 VLT/MUSE）进行长时间积分。这里笔者简单介绍两种常用的观测银河系及邻近星系的星系周介质（星系大气）的方法：
1. 射电望远镜
由于这一条谱线落在电磁波谱上的射电波段，我们可以用各类射电望远镜（比如中国“天眼”FAST）对高速气体云进行观测。笔者的研究工作之一便是利用射电望远镜对这些高速气体云的形成与演化进行观测研究。
2. 哈勃空间望远镜
通过对损失的流量的研究，我们可以对星系大气中“云”的质量、速度以及化学成分进行量化估计。笔者的多项研究便是结合“遮挡”效应利用哈勃空间望远镜对银河系以及邻近星系的星系周介质进行观测研究。继哈勃之后，美国国家科学院国家研究委员会在“天文学和天体物理学十年调查”中强力推荐筹建的下一代红外-光学-紫外望远镜也将为星系大气的研究带来全新的视角。
星系大气里的“天气”就如同地球上的风霜雨雪一样常见。不同的是，风霜雨雪转眼间就会消散，而星系大气中的“天气”则会持续几千万年或更久。这些现象既反映了星系的过去，也预示着星系的未来。
由于观测条件苛刻，对星系大气的研究不断促进着科学技术的发展以及望远镜仪器设备的更新。随着新一代射电、光学、紫外以及高能望远镜设备的筹备及建造，笔者期待着下一个十年、二十年……我们对星系大气的研究将迎来质的飞越。