宇宙中那么美的星系,究竟是什么因素才出现的?
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发布时间：2022-04-27 09:23
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时间：2023-09-18 16:22
世界各地的科学课教室墙上，可能都会挂有我们自己银河系的图片。你也许听说过银河。但是你大概并不知道按实际比例，这些海报图片比银河系本身的主要组成部分要厚不少。
这张由美国宇航局（NASA）哈勃太空望远镜拍摄的图像展示了一个距地球4400万光年椭圆星系中恒星的诞生。图源：美国宇航局（NASA）和哈勃传承计划团队（The hubble Heritage Team）
没错，就像一个煎鸡蛋，银河系由一个中心的核球和围绕着它的稀薄的扁盘组成。当我们说“扁盘稀薄”的时候，指的是令人难以想象般的稀薄。正如物理学家、福布斯通讯记者Jillian Scudder指出，银河系的“扁盘”的宽度有大约100,000光年，但是它的厚度却只有0.6光年，这意味着按比例来看，一张打印纸上的银河系实际比这张打印纸要薄上30倍。
天文学家估计，在可观测的宇宙范围中存在着大约2000亿个星系，但我们在科幻电影中看到的大多数星系都拥有银河系一般的形状，这其实是一个很典型的以自我为中心而产生偏见的例子。虽然不少星系的确犹如银河系一样，但是更多的是星系拥有不同的形状和状态。
星系的形状是怎么来的
在深入探讨之前，我们先简单讨论一下所有星系的共通之处。星系是一个由引力维系的复杂系统；它由气体、星际尘埃以及千百亿颗恒星组成，这些恒星通常又有自己的行星和小行星带。
尽管拥有众多相似之处，但每一个星系也是独一无二的。它们的形状恰好就展现了它们的历史。于是科学家通过形状这一特征给星系分成了几个大类。银河系即是所谓的旋涡星系，它们看起来像是一个中间略微凸起的宽大扁平圆盘。
这种形状是自转速度、时间和引力的产物。为了更深入了解，我们联系了天体物理学家、加利福尼亚大学-圣克鲁兹分校教授、研究星系进化的权威专家——Raja GuhaThakurta博士。这可以算是一个充满争议的研究领域。
GuhaThakurta表示，“这些星系形状的具体形成原理其实还并未完全为我们所知，也没有一个准确的定论”。但是大家都认同的是，大多数旋涡星系诞生于一团团旋转的气体和尘埃。而这些气体和尘埃组成的星云的自转速度尤为重要，据 GuhaThakurta所言，快速自旋的云团才更有可能成为旋涡星系。
引力会将这些旋转的、不成形状的星体聚拢成一个扁平的平面。经过一段时间，这些星云就会在引力的作用和由于摩擦而失去能量的原因下而收缩。同时根据角动量守恒的定律，当一个旋转的物体收缩时，它旋转的速度更快。一个很简单的现实例子：你其实在溜冰场里就可以看到，经验丰富的滑冰者知道收拢手臂可以使他们旋转得更快。
所以，就像一块阿三手中旋转的飞饼一样，一团团不可名状的气体和尘埃组成的星云高速旋转最终造就了一个个旋涡星系。与此同时，同样的物理原理也影响着这些星系边缘形成一条条“旋臂”。
“旋臂的类型基本上与自转速度息息相关的”GuhaThakurta说道。快速旋转的星系会拥有一条条又细、排列又紧密的旋臂。相对而言，旋转较慢的星系获得的是更长、间距更大的旋臂。为了理解其成因，GuhaThakurta建议我们可以做一些家庭小实验。“想象你在搅拌咖啡，当你在非旋转中心位置放一点奶油进去后，你会发现奶油会形成一个漩涡”，他说。然后用勺子继续搅拌咖啡，当你的搅动速度越快，这个奶油漩涡的旋臂就会变得越细越密。
图解：NGC 4302n星系（图左）和NGC 4298星系（图右）都是类银河系旋涡星系的例子。它们在图中展现出不同状态是因为它们所处位置相对于我们的观察角度各不相同。该图像由哈勃太空望远镜于1990年4月24日拍摄。图源：美国宇航局（NASA）和哈勃传承计划团队（The hubble Heritage Team）
核球的秘密
好了，是时候让我们快速回顾一下了。到现在，我们已经讨论了漩涡星系的发展和它们的自转速度是如何影响它们的旋臂的。但是那些之前提到的核球又是怎么回事呢？在旋涡星系的中心，你会发现一堆十分古老的恒星正围着一个中心点公转，这就是核球。不同于在扁盘上平面、规则运动的恒星，组成核球的恒星们就像蜜蜂一样围着蜂巢乱窜。天文学家仍然在试图理解这些核球是如何形成的。一些人猜测它们先于旋涡星系的其它部分形成，而另外一些人又觉得应该是反着来才对。
现在，想象一个只有核球的星系，它没有扁盘，看起来可能像一个巨型圆球或是一个巨大的橄榄球。而在核球内，所有的恒星围绕着一个中心点向各个方向公转。恭喜你，你刚刚脑补了一个椭圆星系。GuhaThakurta说椭圆星系是由两个质量相当的旋涡星系并合而成。（当然他也补充说明，这不是形成椭圆星系的唯一方法。）
不巧，我们的银河系很快也会经历这么一次并合。专家估计它将最终与邻近的仙女座星系碰撞，最终会导致两个星系并合为一个新的椭圆星系。整个过程预计将于30亿年后开始，最后结束于开始的40亿年后。显然，我们都无法亲眼目睹这件事。不过科学家仍然给这个未来的椭圆星系取了名字：他们叫它“银河仙女星系”（Milkomeda）。大家都喜欢这个很棒的组合词，不是么？
值得注意的是，有些星系既不是旋涡星系也不是椭圆星系，这些不规则的星系没有核球，而且通常形态各异。再者，科学家已经观测到了一些处于并合过程中的星系。也许有一天他们会成为一个十分规则的椭圆形，但是现在他们看起来只是一团扭曲的、不成形状的星体。当然据记载，也有一些庞大的旋涡星系将过于靠近的较小星系吞噬，受害者只能被一步步的蚕食，就像被汉尼拔·莱克特就着蚕豆和红酒吃了一样。
