星系的形成

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May 21, 2022

星系的形成及其随后的演化是当今许多相互竞争的假设的主题,这些假设试图将夜空中已知的星系形态类型结合成连贯的“情景”,同时考虑到它们的所有多样性。与这个问题密切相关的主题包括:恒星形成、大爆炸情景和宇宙的大尺度结构(例如星系团)。

星系的类型

主条目:星系(星系类型) 最流行的分类由 Edwin Hubble 编制,提供了有关星系类型之间相似性的有用信息。图左侧的椭圆星系是球形(E0)或椭圆形(E1-E7)恒星的集合体,它们不会以任何有组织的方式移动。这些类型的星系中恒星的动力学有时被比作气体分子的混沌运动。图的另一端是螺旋星系(常规:S 或棒状:SB),它们或多或少具有明显的螺旋结构。恒星或多或少均匀地分布在整个扁平圆盘中,并围绕银河系中心运行,就像行星围绕行星系统中的恒星运行一样。典型的旋臂是恒星形成活动增加的区域,因此比周围更亮。透镜状 (S0) 星系有一个圆盘,但没有显示出旋臂的存在,是过渡的某些形式。一个单独的类别由图中未包含的不规则星系 (Irr) 组成,并且不显示上述类别的典型对称性。此外,还有关于矮星系的说法:这里唯一的标准是大小,所以有椭圆星系、螺旋星系、矮星系等。星系的一个重要特征是它们所组成的恒星的年龄和星际的含量。气体。这些性质密切相关:因为恒星是由引力坍缩的富氢云形成的,拥有大量这种气体储量的星系也具有持续的恒星形成活动,或者至少具有这种潜力。另一方面,也有一些“老”星系,由于游离气体量少,目前还没有发生恒星形成,因此在其中观察到的主要是很久以前形成的恒星。因此,与螺旋星系和不规则星系相比,椭圆星系具有相对“古老”的恒星群(很容易推断出螺旋星系的“年轻”,因为旋臂被定义为目前形成大量恒星的区域)。其中,由于未结合的气体量很少,今天没有发生恒星形成过程,这意味着在其中观察到的主要是很久以前形成的恒星。因此,与螺旋星系和不规则星系相比,椭圆星系具有相对“古老”的恒星群(很容易推断出螺旋星系的“年轻”,因为旋臂被定义为目前形成大量恒星的区域)。其中,由于少量未结合的气体,今天没有发生恒星形成过程,这意味着在其中观察到的主要是很久以前形成的恒星。因此,与螺旋星系和不规则星系相比,椭圆星系具有相对“古老”的恒星群(很容易推断出螺旋星系的“年轻”,因为旋臂被定义为目前形成大量恒星的区域)。

星系的形成和演化

星系的历史始于充满宇宙的物质开始集中到局部密度:在最大尺度上它们是星系的超星系团,在最小尺度上它们本身就是星系。第一代星系的形成可能发生在相对较早的太空时代;观测到的最古老的星系距离我们超过 100 亿光年,相当于宇宙只有几十亿年的时期。银河系诞生的环境很可能对银河系的形态有重大影响。在这种情况下,值得回顾一下椭圆星系和螺旋星系之间的根本区别:虽然前者的特征是恒星的随机分布,但后者是高度有序的系统,因此容易受到干扰。美国天体物理学家 A. 德雷斯勒在 1980 年发表了一篇论文,发现了空间中星系的密度(空间与星系的“拥挤”)与其形态-密度关系之间的有趣关系。他们发现椭圆星系和透镜状星系是高密度区域的主要类型,几乎没有螺旋星系存在。另一方面,绝大多数螺旋星系都位于宇宙的低密度区域。我们的本地组可以作为一个例子。如果假设星系之间的相互作用破坏了它们的结构并将恒星撞出轨道,则可以解释这种效应:例如,这种效应可能是从螺旋形形成一个椭圆星系。这个过程相对较快地将所有可用的氢转化为恒星:恒星和气体质量的变化导致银河环境不平衡,从而促进了恒星的形成。另一方面,在低“拥挤”区域,星系可以自由地形成圆盘状,从而将可用的气体资源稳定地转化为下一代恒星。数值计算机模拟支持这样一种观点,即最初均匀的气体云暴露在重力下可以形成圆盘星系(类似的模拟预测行星系统的自发形成)。其他模拟也能够重现螺旋结构在重力扰动的影响下的解体,例如 在另一个星系附近行走。不难想象,不规则星系是结构被扭曲的星系的一个例子——也许这些物体的进一步命运是转变为椭圆星系?简而言之(并且简化了!),所描述的模型如下: 1. 椭圆星系形成在高密度区域,在那里没有机会不受干扰地发展。在它们的形成过程中,由于银河气体的一次性不平衡,大量的恒星形成,然后围绕一个共同的重心混乱地运行。2. 透镜状星系和螺旋星系形成,其中重力坍缩的气体云可以自由地形成一个稳定的圆盘。也许随着时间的推移,螺旋结构会从透镜状星系的“光滑”圆盘中自行生成,也许必须满足其他一些特定要求才能形成它。3. 不规则星系是一个过渡阶段:它们是由于另一个天体物理物体的引力相互作用破坏了圆盘星系的结构而产生的。

问题和疑问

科学史告诉我们,为一种现象开发一个简单而优雅的场景通常意味着低估了世界的复杂性。值得记住的是,上述简化方案还应包括矮星系,以及外层空间的其他次要组成部分,例如球状星团,它们是由数千或数百万颗围绕星系运行的恒星组成的微小、极其密集的星团。此外,所描述的星系类型的不同变体(例如,带有或不带有棒状的螺旋星系、椭圆“盒子”或“球形”星系)以及它们内部可见的不同结构(例如,螺旋星系的中心凸起或其星系晕)需要在本文中进行解释。给定的框架、模型。当然,所有上述问题都是众多研究工作的主题,然而,将这种方式获得的结果表述为上面给出的那种简单、明确的模型是不可行的:更仔细的分析揭示了越来越多的问题。星系形成的个体历史和环境可能会有很大差异,允许特定形态类型的成员在不同条件下形成。因此,人们怀疑,例如,两个彼此接近的星系的潮汐相互作用可能会从它们身上分离出大量气体,足以形成一个新的独立星系,可能是一个矮星系。众所周知,大多数星系都有丰富而复杂的恒星种群形成历史:看似“死亡”(无气体)的星系可能会突然闪现恒星形成活动。从周围吸引适量的物质,例如从附近的矮星系“偷走”它。众多场景难以想象。还值得强调暗物质问题的重要性,毕竟暗物质构成了星系质量的大部分,因此必须在它们的演化中发挥重要作用。最常见的假设是暗物质的空间分布对应于辐射物质的分布,但在这种情况下很难谨慎夸大:星系的组成部分对其发展具有引力决定性影响是一个阻碍事实从未被直接观察到。还值得强调暗物质问题的重要性,毕竟暗物质构成了星系质量的大部分,因此必须在它们的演化中发挥重要作用。最常见的假设是暗物质的空间分布与辐射物质的分布相对应,但在这种情况下很难谨慎夸大:对星系的发展产生决定性影响的星系成分已经成为一个阻碍事实。从未被直接观察到。还值得强调暗物质问题的重要性,毕竟暗物质构成了星系质量的大部分,因此必须在它们的演化中发挥重要作用。最常见的假设是暗物质的空间分布对应于辐射物质的分布,但在这种情况下很难谨慎夸大:星系的组成部分对其发展具有引力决定性影响是一个阻碍事实从未被直接观察到。

外部链接

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