星系的形成和演化

星系的形成和演化之研究涉及从均质开始形成同质与异质宇宙的过程，第一个星系的形成，星系随时间变化的方式，以及在附近的星系中观察到的各种结构和过程。根据结构形成理论，星系的形成假设是由于大爆炸之后的微小量子涨落的结果。观测到的现象基本上与最简单的ΛCDM模型一致，也就是说，星系的群聚和合并使星系的质量积累，决定了它们的形状和结构。

## 星系的一般观测特性

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因为无法在外太空进行实验，"测试"星系演化理论和模型的唯一方法就是将其与观测的结果进行比较。对星系如何形成和演化的解释，必须能够预测观测到的星系性质和类型。

爱德温·哈伯创造了被称为哈伯音叉图的第一个星系分类法。他将星系划分为椭圆、正常的螺旋、棒旋（如银河）和不规则。这些不同类型的星系表现出以下特性，这些特性可以用当前的星系演化理论来解释：

- 星系的许多性质（包括星系颜色-星等图）表明，基本上有两种类型的星系。这些星系群分为蓝色的恒星形成螺旋星系，和红色的非恒星形成的椭圆星系。
- 螺旋星系非常薄、密度大、旋转速度较快，而椭圆星系中的恒星有随机定向的轨道。
- 大多数巨大的星系中心都有一个超大质量黑洞，质量的范围从数百万到数十亿倍于我们太阳的质量。黑洞的质量与宿主星系的凸起或核球的质量有关。
- 金属量与星系的绝对星等（光度）正相关。

哈伯错误的认为音叉图描述了星系演化的序列，是从螺旋星系经由透镜星系再到螺旋星系。但事实并非如此，相对的，音叉图显示了从简单到复杂的演变过程，并没有时间的内涵。天文学家现在认为，星系的盘状结构是首先形成的，然后通过星系合并演化成椭圆星系。

现时的模型还预测，星系中的大部分质量是由暗物质组成的。这是一种不能直接观测到的物质，除了引力之外，可能不会经由任何其它管道相互作用。这种预测之所以产生，是因为除非它们所拥有的质量远超过可以直接观察到的质量，否则星系不可能像它们那样形成，或者像我们所看到的那样旋转。

## 盘状星系的形成

星系演化的最早阶段是形成。当一个星系形成时，它是盘状的。由于盘上有螺旋的"臂"结构，所以称为螺旋星系。关于恒星的盘状分布是如何从云状物质发展而成，有不同的理论：然而，现时没有一个能准确预测观测的结果。

### 由上而下理论

奥林·艾根、唐纳德·林登贝尔和艾伦·桑德奇在1962年提出了一个理论，认为盘状星系是通过一个巨大的气体云整体坍塌形成的。早期宇宙中的物质分布是由暗物质组成的团块，这些团块因引力而相互作用，相互施加潮汐力矩，从而产生一定的角动量。当重子物质冷却时，它散失了一些能量而向中心收缩。在角动量守恒的情况下，向中心靠近的物质加速了它的自转。然后，就像一个旋转中的披萨面球团，物质形成一个紧密的圆盘。一旦圆盘冷却，气体在引力上就不稳定了，所以它不再能保持单一的均匀性。它开始破裂，而这些较小的气体团就形成恒星。由于暗物质只在引力下相互作用，所以不会消散而依然分布在圆盘外，成为暗晕。观测的结果显示，仍有恒星位于盘外，而这不太符合"披萨面团"模型。这最初是由伦纳德·塞尔和罗伯特·齐恩(Robert Zinn)提出的，星系是由较小的祖先合并而成。这一理论由上而下形成的情景，它相当简单，但已不再被广泛接受。

### 由下而上理论

最近的理论包括暗物质晕在由下而上的聚集。有人提出，物质从这些小团(质量相当于球状星团)开始，然后很多这些小团的合并形成星系；而不是巨大的气体云坍塌形成星系，然后在星系中分裂成更小的云团，然后受到引力吸引形成星系团。这仍然导致重子物质成圆盘状分布，与由上而下理论相同的原因，暗物质形成星系晕。使用这种过程的模型预测小星系的数量比大星系多，这与观测结果相符。

天文学家现在还不知道是什么过程阻止了收缩。事实上，盘状星系形成的理论对其产生旋转速度和大小这方面并不成功。有人认为，来自新形成的明亮恒星或活跃星系核的辐射可以减缓形成盘的收缩。也有人认为暗物质晕可以拉动星系，从而阻止星系盘收缩。

ΛCDM模型是解释大爆炸之后宇宙形成的宇宙学模型。它是一个相对简单的模型，可以预测宇宙中观测到的许多性质，包括不同星系类型的相对频率；然而，它低估了宇宙中薄盘星系的数量。原因是这些星系形成的模型预测了大量的合并。如果盘状星系与另一个质量相当的星系(至少占其质量的15%)合并，很可能会破坏盘状星系(见下一节)。对天文学家而言，这虽然仍是一个需要解决的问题，但这不一定意味着ΛCDM模型完全错误，而是需要进一步的完善，才能准确再现宇宙中星系的数量。

## 星系合并与椭圆星系的形成

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椭圆星系(例如IC 1101)是迄今所知最大的星系之一。在这些星系内的恒星轨道是随机定向的，也就是说它们不像盘状星系那样转。椭圆星系的一个显著特征就是与螺旋星系不同，恒星的速度无助于星系的扁平化。椭圆星系的中心有超大质量黑洞，而这些黑洞的质量与星系的质量相关。

椭圆星系的演化有两个主要的阶段。第一个阶段是由于超大质量黑洞通过吸积冷却气体而长大，第二个阶段是黑洞通过抑制气体冷却而稳定，从而使椭圆星系处于稳定状态。黑洞的质量也与一种称为σ，即恒星在其轨道上的速度离散性质有关。这种关系是在2000年发现的，称为质量-速度离散关系。仅管有些圆盘星系类似于椭圆星系，但椭圆星系大多缺少圆盘。椭圆星系更可能出现在宇宙中拥挤的区域，例如星系团。

天文学家现在将椭圆星系视为宇宙中最进化的系统之一。人们普遍认为，椭圆星系演化的主要驱动力是较小星系的合并。宇宙中的许多星系在引力作用下与其它星系相连，这意味着它们永远无法逃脱相互的引力。如果星系的大小相近，那么合成的星系将与两个祖星系都不相似，取而代之的会是椭圆星系。星系合并有很多种类型，不一定会导致椭圆星系，但会导致结构变化。例如，发生在银河系与麦哲伦云之间的微小合并事件。

大星系之间的合并被认为是剧烈的，两个星系之间气体摩擦的相互作用可以引起引力的激波，它们能够在新的椭圆星系中形成新的恒星。通过对不同星系碰撞影像的排序，可以观察到两个螺旋星系合并成一个椭圆星系的时间轴。

在本星系群中，银河系和仙女座星系受到引力束缚，现时正以高速相互接近。模拟显示，银河系和仙女座星系正处于碰撞过程中，预计将在不到50亿年的时间内发生碰撞。在这次碰撞中，推测太阳和太阳系的其它部分将从当前环绕银河系的路径中弹出。碰撞后的残余物可能是一个巨大的椭圆星系。

## 星系猝灭

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一个成功的星系演化理论必须能够解释观测所见（如右图）：在星系颜色-星等图上存在的两种不同的星系群。在这张图上，大多数星系倾向于分成两种不同的状态：“红序列”和“蓝云”。红序星系是几乎没有气体和尘埃，而没有恒星形成的椭圆星系；而蓝云星系往往充满尘埃，是恒星持续形成的螺旋星系。

如前几节所述，星系倾向于通过合并，从螺旋结构演化成椭圆结构。然而，现时的星系合并速度并不能解释所有的星系是如何从"蓝色云"移动到"红序列"，它也不能解释星系中的恒星形成是如何停止。因此，星系演化的理论必须能够解释星系中的恒星形成是如何停止的。这种现象被称为星系“猝灭”。

恒星形成是由冷气体产生的(另见肯尼克特-施密特定律)，因此当一个星系没有足够的冷气体时，恒星的形成就会熄火。然而，人们认为这个熄火发生得相当快(在10亿年内)，远比一个星系耗尽其所储存的冷气体所需的时间要短得多，所以称为猝灭。星系演化模型通过假设有其它的物理机制来解释这一点，这些物理机制消除或截断了星系中冷气体的供应。这些机制大致可分为两类：(1) 封锁冷气体进入星系或封锁它产生恒星的预防性回响机制；和(2) 抛射回响机制，将气体排出，使其不能形成。

一种理论上称为"扼杀"的预防机制封锁冷气体进入星系。扼杀可能是附近的低质量星系中猝灭恒星形成的主要机制。扼杀的确切物理解释仍然是未知的，但它可能与星系和其他星系之间的相互作用有关。当一个星系落入星系团时，与其它星系的引力相互作用会封锁它不能吸积更多的气体，从而扼杀它。对于具有大质量暗物质晕的星系，另一种称为"维里冲击加热"的预防机制也可能封锁气体变冷，而加热到不足以形成恒星。

从星系中排出冷气体的喷射过程，可能解释了更多大质量星系是如何猝灭的。一种抛射机制是由星系中心的超大质量黑洞引起的。模拟显示，气体在银河系中心的黑洞周围吸积产生高能喷流；释放出来的能量可以排出足够的冷气体来封锁恒星的形成。

我们自己的银河系和附近的仙女座星系，现时似乎正在经历恒星形成的蓝色星系转换成红色星系的猝灭过程。

## 图集

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- NGC 3610以明亮圆盘的形式显示了一些结构，暗示它是在不久前才形成的。

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- NGC 891是个很薄的盘状星系。

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- 这张M101的照片，是一个典型的螺旋星系正面。

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- 螺旋星系ESO 510-G13的扭曲是与另一个星系相撞的结果。当另一个星系被完全吸收后，扭曲就会消失。此一过程通常需要数百万甚至数十亿年的时间。

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## 外部链接

- NOAO gallery of galaxy images
- Image of Andromeda galaxy (M31)
- Javascript passive evolution calculator for early type (elliptical) galaxies
- Video on the evolution of galaxies by Canadian astrophysicist Doctor P