怎样才能理解暗物质,理解星系进而理解宇宙?

发布网友发布时间：2022-05-04 21:06

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热心网友时间：2022-06-25 21:40

我们在学习或者理解某种知识的时候，一般都是以小观大，从局部推敲，这个道理不论从微观世界到宏观世界都是通用的。如果我们想了解宇宙是如何演化的，我们就必须了解构成它的大型结构是如何形成和演化的。这就是天文学家研究星系形成的原因，因为星系是由恒星、行星、气体、尘埃和暗物质组成的巨大结构，理解它们的形成对理解宇宙本身至关重要。

星系

据我们所学的知识，宇宙大约有138亿年的历史。起初，它只是一个由电子和质子组成的无特征的热等离子体，在各个方向上都是均匀的。而科学家面临的问题就是解释所有这些没有特征的物质是如何结合成星系的。

早期的宇宙是一个未分化的等离子体，对正常物质来说太热了，无法结合形成像星系一样的结构。而像我们银河系这样的大星系是在很长一段时间内物质冷却下来形成的。这种形成模式被称为“热模式”。热模式可以解释天文学家在早期宇宙中发现的大多数凌乱混乱的星系的形成模式，最终发现它们大都是通过合并形成的。

既然有热模式，那么必然有与之对应的“冷模式”。这个理论认为，在宇宙冷却之前，冷气体在较短的时间尺度上被引入一个新形成的星系。这类星系可以从早期混乱、湍流的气体云中形成，或者说科学家发现的一个星系：沃尔夫星系。

2017年，天文学家利用ALMA（Atacama大型毫米/亚毫米阵列）发现了一个古老的星系：沃尔夫星系。这个巨大的旋转圆盘星系诞生于宇宙只有15亿年的时候。根据对星系形成和演化的最普遍理解，它不应该存在。它属于宇宙早期的星系之一，这类星系最早出现在宇宙大爆炸后15亿年。

但是不管如何，这是天文学家所见过的最古老的旋转圆盘星系。在大爆炸后仅仅15亿年，沃尔夫星系就增长到700亿太阳质量，约为银河系的一半。虽然有一些理论证据表明这种星系可能在宇宙的早期就存在，但这是第一个直接的观测证据。那么这些星系的冷模式是如何运行的呢？

科学家认为，在早期星系的外部，有一些气体已经冷却，它并没有受到星系内部气体所受到的压缩、冲击波和加热的影响。冷气体沿着暗物质的细丝流动，进入正在形成的星系。这种情况意味着旋转盘星系的形成要比“碰撞和冷却”情况早得多。那么其他星系是否适用于冷模式呢？

为此，科学家利用ALMA发现了六个候选星系。来自这些星系的光必须经过大约100亿年才能到达我们这里。他们的观测显示，其中沃尔夫星系的质量约为700亿个太阳，大约有15亿年的历史。但是沃尔夫星系并不仅仅是一种类型的代表，除了星系，我们还需要了解其他结构。

为了理解这个发现的意义，让我们来看看暗物质，以及它在宇宙中起到的作用。

暗物质

暗物质是宇宙结构的支柱。它就像一个蜘蛛网络，呈细丝和节点的形状，暗物质较多，空洞较少。我们看不见它，它占宇宙质量的85%。另外15%包括规则物质，如星系、恒星、行星和我们自己。

暗物质的结构非常庞大，而在一些较小的尺度上，暗物质可以形成一种称为光晕的团块状结构。其中一些规则物质可以被引力吸引到暗物质中，并围绕这些光晕形成星系。但星系是由恒星构成的，要想实现这些，宇宙必须冷却到足以形成恒星的程度，也就是绝对零度以上10度。

问题是，我们能看到的早期星系大多不是旋转的圆盘。它们杂乱无章，因为它们是通过与其他星系的合并而成长起来的。我们在宇宙早期发现的大多数星系看起来时残骸，因为它们大都经历了剧烈的合并。这些热合并使得很难形成像我们在当前宇宙中观察到的那样有序、冷的旋转圆盘。这是因为这些合并产生了各种冲击波，压缩和加热气体，导致其无序。而且，所有这些凌乱的气体都需要几十亿年才能冷却下来，并呈现出有序、旋转的圆盘状。

然而这些星系的形成仍然是一个未知数，对于星系的了解，我们仍然只是冰山一角，想要窥视到宇宙，更是一个浩大工程！