不同星系的形成

不同星系的形成 摘要：1. 漩涡星系的形成：星系盘粘滞和塌缩；旋臂密度波模型、随机模型、替代模型的结合；核球各向异性的保留。2. 漩涡星系和椭圆星系的内在联系漩涡星系核球、星系晕与椭圆星系的相似，及以此推断星系形成的先后与联系。3. 椭圆星系的角动量问题初始角动量的去向：在物质碰撞间传递，星系相食。关键词：漩涡星系、椭圆星系、形成、联系、角动量引言：从地球，到太阳系，到银河系，再到数不胜数的河外星系，人类的眼界不断放大。将宇宙看作一个有机体，以亿万年的尺度研究它如何演化，于是宇宙不再不可探知。以平等的态度对待星系，抽象于自己短暂的生命之外，用逻辑推测、探究它们是怎么形成的，人类便是这样认识宇宙的。正文：1brief introduction 星系：由大量恒星，星团，星云，星际物质组成的天体系统。星系的哈勃分类：椭圆星系，漩涡星系，不规则星系。 椭圆星系：形如椭圆，没有或仅有少量气体和尘埃，没有HII区1，辐射大部分来自红巨星，缺乏热的亮恒星，颜色一般偏红，没有主导的绕轴自转，成员星在各自的轨道上绕中心转动。约占所有星系的60% 漩涡星系：有星系盘和核球结构。星系盘含大量年轻的热星而呈蓝色，核球密集老年恒星而偏红。星系盘有漩涡结构，从核球向外有两个或多个旋臂延展。旋臂由气体，尘埃和热的亮恒星组成。约占总星系的20% （摘自普通天文学） 2.漩涡星系的形成：星系盘、悬臂、核球星系始于几十亿年前原始电子云的引力塌缩。1.星系盘的形成：星系是始于几十亿年前的原初气体云。一团气体云如果要形成一个漩涡星系，一般得满足两个条件：1. 密度比较小2. 具有比较大的初始角动量。因为恒星的初始形成率是取决于物质的平均密度的，如果这团电子云密度较小，就无法在早期形成大量恒星，星系中的物质在较长时间里会依旧以气体和尘埃的形式存在。这些气体和尘埃一方面带着电子云的初始角动量，一方面也带着自己各向异性的活动。但与恒星相比，他们要密集得多，于是在每次经过中心平面时，气体原子、离子间就会发生碰撞，加热，然后辐射出能量。渐渐地就消除了除共有旋转之外的运动。（如同一个巨大的吸积盘中发生的粘滞作用）又因为守恒的初始角动量，星系在快速旋转。出于我们所熟知的离心作用，物质在不断碰撞中将角动量不断向外传递（有时自身也被向外抛出），渐渐地，星系外围就呈现薄盘状，这就是我们所说的星盘。一个典型星系星盘的厚度大约只有其直径的1/10到1/50，而且向外迅速变薄。（但星系盘的厚度按不同的星体分是不同的，如果按气体的密度来计算，则并非边缘最薄）1然而，虽然薄的星系盘的出现是气体尘埃间粘滞运动后的一种趋向，但动力学研究却表明这样薄的盘很难稳定和持久。（这很好理解，薄盘中物质受力几乎都在一个平面内，抗扰动能力就会很弱）于是天文学家又推算出一个质量和延伸度都很大的星系晕来维持星盘的稳定。在新建立的模型中，星系晕主要以暗物质的形式存在。2.旋臂的形成：最初，人类很自然地认为旋臂是由物质臂组成，但这个观点受到了两个巨大的考验：1.是什么使物质聚集在旋臂内（26微高斯的旋臂磁场排除了大尺度磁场的猜想）;2.在星系的较差旋转中，物质臂会越绕越紧或越绕越松，如何保持稳定的旋臂;2 于是很自然的，在物质臂遇到难题的时候，密度波的假说就产生了。 密度波理论认为：星系盘有螺旋式的引力势波谷，当气体和恒星进入势波谷后，速度减慢，物质聚集；而一旦穿出，速度又恢复正常，物质松散。于是出现了物质密度的波动，在物质堆积处呈现旋臂。 林家翘和麻省理工大学学生曾证明：初始分布中的不规则性可以稳定，并逐渐形成一个两臂的、比恒星自身旋转慢得多的漩涡密度波前的形状。通过缓慢演化的密度波前来代替物质臂。3 根据密度波理论，旋臂外气体云相对旋臂的速度超过声速，在进入旋臂时，会受阻压缩，在前沿形成激波。激波促使被压缩的分子云坍塌，形成巨大的分子云复合体，产生恒星和HII区。而且压缩有助产生尘埃，所以激波后面有尘埃窄带。4 这些都和现实观测符合得很好。然而除了规则连续的的双旋臂外，另一些旋臂则存在分支分叉，尤其是呈絮状的漩涡星系，旋臂模糊断续，不适合用密度波来解释。于是又出现了“随机理论”和“替代理论”。随机理论认为，旋臂中的恒星在不断演化，于是漩涡部分持续产生和死亡，就没有连续的旋臂了。替代理论则考虑了外界扰动，认为可能是邻近的星系通过潮汐作用使其产生旋臂。对此，我觉得，现在同样被称为旋臂的现象，很可能是由物质臂和密度波臂叠加而成的（就像最初观测到的星云实际上有些是银河系内气体云，有些是系外星系）断续之处与旋臂的分支与分叉，可能是正演化的物质臂或受到外界扰动；而规则美丽的双旋臂则可能是密度波形成的。而且既然书上说现在已经观测到，邻近星系引力扰动确实可以产生旋臂，那证明并不是所有旋臂都来自密度波，而且它必然也会遇到之前物质臂的第二个难题。然而现在并未观测到旋转多圈的旋臂，也就是说同时需要“随机理论”来解释。所以这三个理论是需要互相辅助的。3.核球的形成：较新的理论认为核球是漩涡星系中最先形成的部分。（经典理论则认为先形成的是星系晕）在原初气体云的中心部分，物质密度较大，于是较早地形成了较多的恒星。与气体离子不同，恒星的大小比起恒星间的距离来说几乎微不足道，这使他们很难发生碰撞，也就不会因碰撞加热，能量难以耗散。因此没有塌缩成盘，还保持着椭球状的立体图形。在核球中，各颗恒星都保持着自己各向异性的立体轨道，维持着相对稳定。3. 椭圆星系和漩涡星系内在的联系1.漩涡星系的核球形成就似一个椭圆星系。就像之前提到的核球总是出现在星系的中央一样，椭圆星系也总是出现在星系密集的地方富星系团。而且因为它的恒星形成较早，所以现今观测到的椭圆星系，辐射大部分来自红巨星，而且恒星具有贫金属性。2.漩涡星系的星晕也似一个古老的，已死亡的椭圆星系。星系晕是笼罩漩涡星系的由老年恒星和球状星团组成的巨大的球形区域。根据之前提到的星族概念，晕星族中的成员星轨道椭圆，分布均匀，成球形，成员星典型年龄为1010年，贫金属。5这和对椭圆星系的描述符合得惊人得好。也就是说，漩涡星系会不会是在已演化、死亡了的椭圆星系残骸上重新生成的第二代星系？按照这个逻辑推导，在宇宙形成之初，物质密度较大的规则的富星系团猛烈的活动暴中产生了大量初始的椭圆星系，这些星系中恒星质量相对小的就演化成了如今的古老的椭圆星系，而恒星质量大的星系，演化较快。恒星死亡，抛出物质、气体，在抛射物质密度较大地原星系中心处，重新形成下一代的核球，开始下一代星系的演化，由于此时物质较最初要稀薄，于是形成的是漩涡星系。这就可以解释为什么星系晕较古老，而且主要组成是暗物质（可能是质量小亮度低的恒星，因为演化慢而保留下来，也可能是已死亡的恒星）。而且符合新建立的模型中，星系晕质量比星系盘、核球都大，而且大小可以包裹整个漩涡星系。然后按照这个逻辑再推一步，现在椭圆星系的数量远远大于漩涡星系的数量是否和宇宙年龄有关？（年龄再大些是否漩涡星系就会更多？）在亿万年后的将来，这两种星系的比例又会出现怎样的变化？这是不是对我们研究宇宙的年龄和宇宙的演化也能有帮助？然而，在查阅了资料以后，我发现这种猜测还是和观测有所矛盾。以银河系为例，银晕中的恒星并不是完全无金属；核球中有比晕系星更老的恒星；球状星团不都是同年龄的，外银晕似乎有些较年轻的星团。但限于资料匮乏，我不清楚这种不符合的情况是不是在大部分星系中都存在。假如如今仅仅是在几个星系中发现这些现象，则可能是由于星系相互碰撞或近相遇产生的。（一项研究表明，14%的星系都曾都曾有以前碰撞或近相遇所致形状变化。）更何况，星系晕范围较大，星体轨道较开阔，更容易与其它星系发生相互作用。比如外晕的较年轻的星团可能是俘获的，核球中更年老的恒星也可能是吞噬得来。而近年的新观点，认为银河系始于气体云收缩成核球，由先一代大质量恒星提供略含金属的气体云，而后积聚银晕,也非常有道理。唯一不解的是：核球喷射出的物质，在达到银晕这么大地范围后应该密度会较小，然后难道不应该粘滞什么的，走形成星系盘的路线。4.椭圆星系的角动量问题： 令人惊异的是椭圆星系既然没有主导的绕轴自转，那它原初气体云的角动量到了什么地方？星系与星际边缘一书的解释是椭圆星系本身就是由角动量较小的气体云塌缩而成的。假设给同样的气体云加上较大的角动量，那么它就会演化成漩涡星系。但这种解释好像没涉及到为什么角动量较小的气体云正好又密度较大，使它能较早地形成恒星。我觉得，这也许跟它处在富星系团中间有关。因为附近星系、星际物质较多，角动量的传递也比较频繁，长期相互作用的结果使角动量抵消。于是，椭圆星系就没有明显的绕轴自转。对这个问题，我也咨询过顾秋生老师。顾老师的解答大致分为两点：1. 虽然椭圆星系的恒星在做各向交叉运动，但并不是各向的角动量都正好总体抵消。也就是说，在总体的无序中，也包含着某个方向的一定的角动量；2. 椭圆星系也可能是由漩涡星系碰撞而成。 对于这第一点，其实很好理解。但我无意间看了对银河系银核的介绍，即在离银心几个秒差距离的区域内有银河系最密集的恒星群和高速旋转的电离气体。这被怀疑是中心存在黑洞引起的6，而95年有美国的科学家认为这些黑洞的形成与星系中心的呈球状分布的古老恒星集团有关。而椭圆星系中是充满这样的集团的，所以我在想，是否椭圆星系核心处也存在类似的结构，保存了一部分角动量？ 而对于顾老师说的第二点，在查阅资料后我是这么理解的：椭圆星系分为两种，自然形成的椭圆星系和巨椭圆星系。两个漩涡星系互相靠近，巨大的引力使星系中大量气体云向内塌缩碰撞，形成新的恒星。还有一部分气体、尘埃和外围恒星则在巨大的重力扰动下被从星系两侧拉出。两个星系发生动力摩擦，最终小的星系核螺旋进入大星系的中央，形成一个新的大型椭圆星系。而喷出的气流和尘埃则在新生成的巨大椭圆星系周围舞动，形成新的球状星团，甚至矮星系，成为椭圆星系的星系晕。据说在富星系团中心，大星系可能吞食很多小星系成为巨椭圆星系。在不断吞食中，各个方向角动量叠加，于是造成星系各项速度的随机。结语： 如果把不规则星系看作是还在扰动中未定型的状态，那么星系就基本可以分为漩涡星系和椭圆星系这两种稳定状态。为什么在亿万年的尺度中，在如此广大的宇宙中却大体稳定于这样两种状态？是什么样的动力学原理？这两种星系又存在着怎样的转化？有什么联系，有什么异同，又存在着怎样的相互扰动？星系间的问题还存在着很多可以研究。注1：HII区：氢原子大部分已电离的区域。比如行星状星云及发射星云都是HII区。高温恒星发射大量紫外光可以使附近氢原子电离。 引用：1. 星系与星际边缘（美）威廉.H.沃勒 保罗.W.霍奇 著 师且兴 译 外语教学与研究出版社 2.普通天文学胡中为编著 南京大学出版社2003年11月第1版 3.星系与星际边缘（美）威廉.H.沃勒 保罗.W.霍奇 著 师且兴 译 外语