星系尾部的气体为什么还能回来

星系遇上了一阵看不见的风

想象你坐在一座螺旋星系旁边，陪它穿过星系团。眼前是明亮的恒星盘，盘外则充满极稀薄的热气体。每一小块空间里的物质都很少，星系走过的路却很长；经过漫长时间，这些稀薄气体也能持续推动盘里的气体。

换到星系自己的视角，周围气体便像迎面吹来的风。盘中的弥散气体铺得很开，来流能向它传递动量。恒星则是相隔很远的紧凑天体，同样的直接风压对恒星盘与气体盘的作用很不一样。两者仍然一起受到引力支配。

这种来流每单位面积、每单位时间送来的动量，称为冲压。环境越密、相对运动越快，推力的标尺越大。星系从稀薄外侧进入较密的团心，再走向另一侧时，经历的是一阵逐渐增强又减弱的风。

把球向上抛，球可以离开手、升得很高，最后仍落回原处。高度告诉我们球到了哪里，速度则关系到它还能爬多高。星系上方的气体也有类似区别。

星系盘的边缘并不是引力突然结束的地方。恒星、核球和更广的暗物质晕共同产生引力。气体越过我们划定的盘域，只说明它换了位置；若它的动能仍不足以摆脱整座星系，它就还受束缚。

气体比小球多了一层变化：风可能继续推它、向它做功。此刻受束缚的一份气体，之后还能得到更多能量。先问它“此刻是否受束缚”，再跟着它看风压减弱以后的运动。

把每单位质量的动能与引力势能加起来，得到比机械能。这里把无穷远的引力势定为零；按此刻位置和速度计算，比机械能为负的气体仍受束缚。图中把离盘的气体和比机械能为正的气体分别计数。

在自有受限计算中，气体在给定的恒星盘、核球和暗晕引力中运动。时钟以最近接团心为零点。第一幅切片在此前约二百三十四万年，剩余气体约26.6%已离开盘域，却没有气体的比机械能为正。盘域是半径十六千秒差距以内、距盘面上下各一千秒差距的圆柱体。

最近接团心之后一亿五千万年，离盘比例仍约26.6%，比机械能为正的比例则为6.25%；在最近接之后八亿年，两项读数约23.4%与9.38%。这些数值属于自有合成模型，却让两种测量的差别变得具体。

尾巴延伸多远，提供位置的信息；机械能判断还需要速度。单张照片通常给不全这些条件。后续风还可能向气体做功，因此这里判断的是每个指定时刻的束缚状态。

较弱的穿越中，一部分气体只被抬高到盘面附近。风压退去后，引力让它减速、转向，重新进入盘域。我们在盘内统计的造星燃料，也会随着气体回来而增加。

回落不要求气体沿着原来的图形倒着走。它一边绕星系运动，一边上下起伏，同一个气体片层可以不止一次穿过盘域边界。若只给某张照片里的尾部统一贴上“永久丢失”的标签，这段运动就消失了。

这里给每个片层施加同一股在星系中心取样的来流。真实尾部还会混合、冷却，也会遇到不断变化的局地环境。先在较简单的计算里分开追踪位置与束缚，就能理解一条醒目的长尾为什么未必代表同样多的永久损失。