银河系中的高速云
本站上一篇介绍中性氢巡天的文章提到了银河系中存在运动速度相对星系整体自转背景极高的一类高速云。它们散布在银晕区域，而且并无恒星对应体。如果要深入了解银河系的动力学演化史，高速云算得上是一个绕不过的坎——这首先是因为明显的速度偏差意味着各种相互作用的存在，而高速云自身也占据了星系中不可见重子物质的相当一部分（总数可能达到了太阳质量的108倍，相当于银河系整体质量的万分之一，中性氢总质量的十分之一），可以影响恒星形成的过程。
人们对高速云的认识始于上世纪50年代偏离银盘的气体团块的发现。这些团块明显偏离了气体密度随着与银盘距离的增加而减小的简单规律，让天文学家开始重新审视星系结构理论——简·奥尔特提出，如果让高温气体银冕支撑致密的高速气体云，就可以达到稳定状态。受此观点的启发，在新型接收机的帮助下，第一批高速云在1963年浮出了水面，它们的突出特点是速度快、银纬较高、结构呈线形、拥有明显的云核，且速度场不具备大尺度结构。
高速云在天空中的分布。图片提供：B. Wakker (U. Wisconsin-Madison) et al., NASA
经典意义上的高速云都是在21厘米氢线频率附近发现的，它们的成分自然以中性氢为主，伴以边缘地带可能的电离区，堪称银晕中最致密的气体结构（但尽管如此，还是远远不足以形成恒星）。这些云团还会发出可见光、紫外乃至高能辐射（实际上，确定高速云距离以及化学组分最有效的手段也就是光学观测）。与银河系的本地静止标准相比，高速云的速度需要达到每秒70千米或更高，不及此的被称作中速云。高速云与太阳的典型距离是数千秒差距，
但值得说明的是，高速云与中速云（典型速度每秒50千米）可能并无本质区别。一来单个云团内部的速度并不均一，某些中速云的部分区域速度可能达到高速云的水平；二来对速度每秒50千米进行动力学解释的难度在银河系的各个区域并不相同，在某处50千米的额外速度可能比另一处上百千米更难理解；三来本地静止标准的定义本身就不是那么的严格。所以虽然而且针对中速云的详尽研究较高速云为少，这种速度差异却不一定存在明确的界限，高速云背后的物理过程对中速云也很可能是适用的。
最著名的高速云恐怕要数史密斯云（Smith’s Cloud）。这个以发现者姓氏得名的巨型彗状云团长度超过10000光年，宽2500光年，质量达到了太阳的百万倍之巨，在天空中横贯相当于20个满月的宽度，运动速度接近每秒300千米。除此之外，北天的复合体A、C以及南天的麦哲伦流和导臂（Leading Arm）都是高速云富集的天区。
史密斯云的射电影像，该云团位于天鹰座，叠加在银河背景之上。右下方的圆点表示满月的宽度。该云团尺度虽大，在可见光下却难以觅见踪影。图片提供：Saxton/Lockman/NRAO/AUI/NSF/Mellinger
一直以来，高速云都是河内中性氢巡天的重点关注目标之一，现在已有数以百计的高速云被发现。无论从云团尺度还是速度上看，高速云在天空中的分布都相当不均匀，有的地方以明亮的大型复合体为主，其他区域则遍布小型云团。就单个高速云来看，其内部的结构也是相当丰富，充斥着各式尖锐的边缘、激波面、不规则的速度分布、团块，更精细的小尺度特征一直延伸到了现有射电干涉仪分辨率的极限。
天空中各个区域高速云的位置和速度分布。图片来源：Wakker & van Woerden (1997)
高速云的起源至今仍是个谜。云团的速度分正负，负速度通常代表物质落向银盘，反之则是远离银盘而去（虽然由于银河系较差自转的存在，这一规律未必处处适用），在理论上前者要容易理解得多。奥尔特最早的推断称，高速云是星系形成过程的残余，它们位于星系边缘，受星系引力影响较弱，在长时间的运动之后以高速进入银盘，变成了如今所见的云团。另一种流行观点则认为，高速云是银道喷流（Galactic Fountain，也就是受超新星等过程驱动而向银盘之外抛散的物质泡）喷出物回落的结果。其他可能性还包括银河系对伴星系的吸积、暗物质集中区吸引星际/星系际介质等。至于正速度云就有些麻烦了，银道喷流的外流过程尚属可能（不过仍旧难以应付高速云全天分布的不均匀性），但吸积外来物质可以完全被排除掉了。
这些不同的高速云形成过程会对云团的性质作出不同的预言。奥尔特的模型适于解释组分原始、缺乏重元素的氢云，而银道喷流则意味着云团中的金属比例接近星系盘中的典型值。如果高速云系河外来客，那么它们的化学组分应该与河内迥异。另外距离也是分析高速云起源的一个因素，外来的云团自然会比河内起源来得更远。当然，这类天体的实际成因可能会比较复杂，各种可能性兼而有之。
银道喷流的示意图，银盘上的超新星爆发着驱动物质向外抛去，最终在重力的作用下再度回落。图片提供：ESA
以史密斯云为例，根据其运动轨迹判断，它在数百万年前曾与银盘相撞过一次，并将于数千万年后再度撞击这里。考虑云团几乎与矮星系相当的体量以及相对银盘每秒超过70千米的速度，一度有人怀疑，它需要埋嵌在足够大的暗物质晕中才能在数百万年前的那次相互作用中幸存下来，因此其实质上就是是一个缺乏恒星成分的暗星系，或者说是“失败”的星系。但紫外吸收谱观测表明，史密斯云的金属丰度相当于太阳的一半，与银盘外侧一致。如此巨大的重元素数量说明，云中的成分必然得到了多代恒星的增丰，不大会是纯净而原始的失败星系，更像是源自河内的。而像麦哲伦流中的高速云，则很可能是银河系同大小麦哲伦云发生相互作用的产物。
高速云显然不会是银河系的专利，比如人们也在仙女星系（M31）附近找到了一些类似的结构。研究河外高速云的优点在于，由此可以在很大程度上克服河内云团距离测定困难的不足。只要直接观察各目标相对其所在星系中心的位置，从而为云团的起源提供线索。在M31附近，有的高速云孤立分布，貌似暗物质主导的原始物质集中区；有的靠近伴星系NGC 205，据信应起源于两个星系之间的相互作用；还有十余个云团聚集在一起，在位置上与一道巨型星流吻合，也理应是潮汐作用的产物。在成分方面，除了中性氢，高速分子云也有发现。
仙女星系周围已知高速云的位置。
除了起源，高速云的未来命运又是怎样的？它们能维系多久，汇入银盘的时标又有多长？在为新一代恒星形成带来可能的原料之余，这些云团还对星系生态有何影响？这都是仍待解决的未决疑问。如果今后能够回答这些问题，相信人们对银河系的认识也会更上层楼。
