11.星系的起源

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THE ORIGIN OF GALAXIES

根据标准模型，数十亿年前，一些小小的量子涨落或许只存在于物质密度略低的地方，它们可能刚好就在我们现在所在之处，让我们的星系在这附近开始坍缩。

——塞斯·劳埃德

（SETH LLOYD）

自然是一切真知的源泉。它有自己的逻辑、自己的法则，没有无原因的结果，也没有不必要的发明。

——莱奥纳多·达·芬奇

（LEONARDO DA VINCI）

本章研究目标

本章内容将涵盖：

· 星系的形成

· 星系中的星族

· 不同类型的星系的起源

· 星系随宇宙时间的演变

星系是宇宙的基本成分。它们有不同的形式和形状，并由于它们之间的空间膨胀而相互远离。一个星系的定义是由引力聚集在一起的数亿颗恒星的集团。它们是复杂的系统，包括不同类型（星族）的恒星、气体和尘埃，其中恒星的质量、年龄和化学富集的历史各有不同。在星系中的恒星的特性和气体与尘埃的比例决定了星系的类型。可观察宇宙中存在着大约1011个星系，平均每个星系包括1011颗恒星。在检测宇宙现有的模型时，人们常用星系作为质量粒子。

19世纪初，“螺旋星云”被发现，它们是夜空中看上去像云一样的明亮系统。这在天文学家之中引发了一次有关星云本质的漫长论战，其焦点是: 它们是位于我们的银河系之内，还是在我们的星系之外的外界天体？这就是哈洛·沙普利（Harlow Shapley，1885—1972年）和希伯·D.柯蒂斯（Heber D. Curtis，1872—1942年）两位天文学家之间的“大辩论”的主题。沙普利认为，我们的银河系就是“宇宙”，而螺旋星云就是“宇宙”中的气体云。他测量了银河系中恒星的距离，认为太阳远离星系的中心，也就是远离他认为的宇宙的中心。柯蒂斯则认为，宇宙包括许多星系，我们的银河系只是其中之一，但他把太阳置于星系的中心。到了1919年，埃德温·哈勃最终让这一争论尘埃落定。哈勃用当时最新式的望远镜与仪器拍摄了其中一个系统的可分辨的照片，即仙女座星云（Andromeda nebula），并在其中确认了昏暗的恒星。随后，大约在1923年，人们确认，在夜空中可见的星云其实是宇宙中不同的岛屿。这一发现改变了人类对于宇宙的认识。人们不再将我们的星系视为整个宇宙，而只是亿万个这样的系统中的一个。今天，星系在宇宙中的形成与演变，以及它们与周围环境相互作用的历史，是科学研究中最激动人心的领域之一。天文学家们利用星系测量并估计宇宙的年龄及其演变，而星系中的恒星之间的介质（星际介质）则决定了与生命的起源和发展直接相关的元素富集。

本章将研究星系的起源及其不同分类。我们将讨论星系中恒星的形成行为。同时，我们也会讨论作为时光机的宇宙的概念，并用它来研究星系的演变。我们将在本章呈献在可见与红外波段拍摄的宇宙最深处的图像，并确定可观察宇宙边缘上的星系。

星系的形成

宇宙背景辐射的可观测分布图揭示了大爆炸发生大约38万年之后的情景（图8.1），当时正是物质与辐射脱耦的时候，代表着在原本均匀一致的质量分布上出现物质块的温度涨落。这些区域内的过量密度由于暗物质的引力逐渐成长，吸引了更多质量体。物质的这种力使自身向内坍缩变为结构，它与宇宙膨胀造成的向外力展开了竞争。在某个时间点上，引力的吸引力超过了空间的膨胀，这些物质块开始坍缩（图11.1）。这导致了大爆炸后大约10亿年的原星系系统的形成。这些系统是由氢与氦组成的，并在它们坍缩的物理过程中冷却。由于这些系统中心的极高密度，核聚变反应（即将轻元素的原子核结合在一起产生较重的元素，同时释放大量能量的过程）发生了，产生了光，形成了第一代恒星。在这个阶段，气体云的稳定依赖于恒星产生的辐射的向外力与暗物质向内的引力之间的平衡（图11.1）。这些天体类似于庞大的第三星族恒星，可以通过低丰度的重元素（贫金属）以及紫外波段的高能明亮光度加以识别。这些恒星开始通过轻元素的聚合生产重元素。因为第一代恒星的质量很大，它们的寿命数量级只有几百万年，很快就爆炸成为超新星，将重元素散布到气体云中，让它们在其中富集（第13章）。这种爆炸产生了向外的力，减缓了坍缩的速度，使结构有时间在这些系统内形成。这也创造了冲击波，使云凝结，并开始了新的恒星生成行为，这次是从“金属富集”的物体开始的。最终产物取决于初始气体云的质量和它的自转速度（角动量），我们将在下面的几节中进行讨论。

图11.1 原星系通过初期气体云的收缩形成，这是恒星在它们的中心形成的开始。星系接着碰撞并合并，失落的气体成为星系际介质，形成了其他庞大的系统。一个星系的最后形状取决于两个初始参数：原始气体的角动量和密度

不同类型的星系的起源

星系可分为两大类：螺旋星系与椭圆星系。螺旋星系相对年轻，有圆盘，包含气体，是恒星形成活动的场所。椭圆星系年老一些，没有可辨认的结构（没有圆盘），包含的气体很少，没有正在形成的恒星。这两种类型的星系具有明显不同的形成历史，可以通过哈勃音叉图（Hubble fork）来说明（图11.2），在那里，它们是根据人们观察到的形态进行分类的。

图11.2 该图表明了不同类型的星系。这些星系具有非常不同的形成历史

插图出处：图11.2: Copyright © Antonio Ciccolella (CC BY-SA 3.0) at https://en.wikipedia.org/wiki/File:Hubble-Vaucouleurs.png.

图11.3 带有星系核球（其中包括年轻的与较老的恒星）、星系圆盘（恒星形成活动的场所）和星系晕（由较老的恒星组成）的仙女座星系（M31）图像

插图出处：图11.3a: Copyright © Adam Evans (CC by 2.0) at https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Andromeda_Galaxy_%28with_h-alpha%29.jpg.

在原星系阶段，形成这些星系的气体云具有类似的形状和组成成分（图11.1）。然而，由于初始气体云的自转速度（角动量）和密度不同，它们演变成了完全不同类型的星系。如果初始云的角动量很高（也就是说，它在自转），根据角动量守恒定律，它在收缩时就会转得更快，导致圆盘的形成，最终成为螺旋星系。如果初始云没有角动量，最后形成的星系就不会有圆盘，因此就产生了椭圆星系（图11.2）。

高密度的原星系云将在自身引力作用下更快地坍缩，将会更有效地辐射能量，因此将更快地冷却。随着系统失去热能，它将继续坍缩（但不是受到内部辐射力驱动），同时密度持续增加（因为体积减小而质量不变）。这就会在系统中的气体凝结时形成更有效的恒星生成活动。这些云不会有时间或者不会有足够的气体留下形成圆盘，因此造成的结果是生成椭圆星系（图11.2）。类似地，一个不那么致密的系统的恒星形成速率比较慢，坍缩速率也比较慢，剩余的气体比例较大，坍缩时间较长，所以可以形成圆盘，于是便形成了螺旋星系。随着宇宙时间的进程，星系发生碰撞与合并，形成了更大的星系，其中基本没有恒星生成活动了（图11.1）。当星系合并时，它们经常会失去气体，毁掉圆盘，改变形态。

星系由三种成分组成：中心的一个核球隆起，外围的一个圆盘，以及星系周围的一个晕（图11.3），星系的形状和性质正是由这几种成分的相对大小确定的。例如，螺旋星系具有突出的隆起和圆盘，而椭圆星系没有圆盘这一成分。另外还有没有表现出明显形态的星系，它们正在经历迅速的恒星生成活动。螺旋星系还在继续生成恒星，直到它们用尽自己的气体。到那时，它们将经历一个被动演变的阶段，其中的恒星将会演变、衰老。

星系中星族的起源

星系盘中富含气体，是正在发生恒星生成活动的场所（图11.3），它们的晕主要由老年恒星组成，而核球中既有年轻的恒星，又有年老的恒星。晕中没有尘埃和气体，这说明没有新的恒星正在形成，而最后的恒星大约形成于100亿年以前。随着一代又一代恒星形成、死亡，它们通过恒星核合成形成的重化学元素丰富了恒星之间的空间（第14章）。观察结果已经证明，与星系圆盘或者核球中的恒星相比，晕恒星中含有的重元素很少，说明这些恒星是很久以前形成的，当时星系中还没有金属富集。这表明星系中的恒星形成星族是有时间次序的。晕恒星比较古老，重元素贫乏，是第一批在星系中形成的恒星，而圆盘和核球恒星比较年轻，重金属富集，是后来由星系中的金属富集气体生成的。天文学家们称这些年轻的圆盘恒星为第一星族，而称年老的晕恒星为第二星族。

作为时光机的宇宙

来自遥远星系的光要经历几十亿年的时间才能到达我们的地球。因为光速是有限的，所以我们看到的星系是它们几十亿年前的形象，而不是今天的形象。这一点带来的后果是，当我们遥望星空时，我们实际上是在回顾远古。所以，如果我们发现了一个130亿光年以外的星系，我们看到的是它130亿年前的形象。考虑到宇宙的年龄是138亿岁，当我们看着这些星系时，我们看到的是宇宙8亿岁时的形象。所以，我们可以回顾第一代星系形成的时刻（图11.4）。

这一讨论刺激了天文学家们去寻找宇宙中最遥远的星系。于是，他们就可以研究宇宙诞生后不久（大约10亿年）的星系正在形成的状况，从而理解第一代星系的形成过程和本质。类似地，通过确认星系与我们之间的距离，天文学家们正在为宇宙生命的不同时刻照相。通过比较不同距离（也就是在不同的宇宙时间）上的星系，他们研究了星系在宇宙时间进程中的演变（图11.4）。

图11.4 从左至右，这些星系就如同它们在整个宇宙的历史中的状况，从左边的今天开始，直到上百亿年之前的右边。通过眺望宇宙中遥远的区域，我们可以回顾时间。所以，通过研究距离不同（也就是时代不同）的星系的性质，我们能够研究星系随着宇宙时间的演变

插图出处：图11.4:https://en.wikipedia.org/wiki/File:The_Hubble_Sequence_throughout_the_Universe%27s_history.jpg.

专题框11.1 哈勃极深场（HUDF），最深的宇宙图像

HUDF是人类迄今为止见到的宇宙最深处的图像，这是哈勃空间望远镜对一块3×3平方弧分的面积（大小大约相当于一枚硬币）进行了400小时观察的结果。图11.5显示了在可观察宇宙边缘的一些最遥远的星系的HUDF图像。通过更深入地观察宇宙、更遥远地回顾时间，我们能够观察恒星形成活动第一次爆发时期的更年轻的星系，看到它们在经历质量积累的第一个阶段的情况。

考虑到上述概念，要观察第一代星系，我们需要尽可能远地在空间窥视，一直到达再次电离时期——星系就是在那个时候形成的。在许多年间，这一探索导致天文学家们将很大一部分工作时间用于使用望远镜来获得宇宙深处的图像。这方面的一个例子是用哈勃空间望远镜拍下的哈勃极深场（Hubble Ultra Deep Field，简称HUDF），它是人们见到的宇宙最深处的可见光波长图像（专题框11.1）。天文学家们广泛使用HUDF来确定可观察宇宙边缘的星系。图11.5中的一些星系是当宇宙5亿岁（大约130亿年前）时形成的，而望远镜今天接收的光离开那些星系的时间远远早于我们的银河系和太阳系形成之时。

图11.5 HUDF是人类有史以来在可见光和红外波长区间拍下的宇宙最深处的图像，这是它的一个图像。这里的星系处于可观察宇宙的边缘，大约在120亿到130亿光年以外。人们在宇宙中发现了一些最遥远的星系（第一代星系形成于大约120亿年前），其中的几个例子以邮票的形式显示在图的右边

插图出处：图11.5: https://spacetelescope.org/images/heic0611a/.

总结与悬而未决的问题

星系刚开始形成时，是在物质最初的平滑分布上播下密度涨落的种子。然后，它们通过引力生长，形成质量较小的（矮）系统。天文学家们深入研究的课题之一是这些系统如何发展并形成了我们今天看到的庞大星系，以及这些星系的形状与形态是如何固定的。一旦初始气体云形成，它们便通过辐射这种物理过程冷却并坍缩，并根据它们各自的角动量或质量、密度的不同，分布形成螺旋星系或者椭圆星系（图11.1）。非零角动量能使初始气体云发展出圆盘，因此变成螺旋星系。这是角动量守恒定律造成的结果。质量相对较大的气体云将迅速坍缩，所以来不及发展圆盘（因为系统在坍缩时体积变小；要保持角动量守恒，它就需要更快地旋转才能发展圆盘），结果就形成了椭圆星系。较低的气体密度导致了较慢的收缩和较长的坍缩时间，这就为形成圆盘提供了足够的时间。对于高密度的气体云，恒星的形成更为有效，因为它能在更短的时间内把更多的气体转变成恒星的成分，因此很快就用完了气体。气体云相互碰撞、合并，形成了像我们的银河系这样的质量更大的星系。

通过与我们距离不同的地方确认星系，天文学家们逆时间观察，看到了第一代星系形成的时候。通过研究和比较与我们距离不同（也就是不同的宇宙时间）的星系的性质，他们接着研究了星系随宇宙时间的演变。星系的性质与类型是随着回顾时间变化的函数。更遥远的星系（即更年轻的系统）经常表现出合并和相互作用的迹象，说明星系的碰撞在我们今天看到的星系演变中扮演着首要角色。对在星系中的质量积累做出贡献的主要过程是恒星形成的行为。这也是星系内的星际介质富集和重元素生成的原因。宇宙中作为生命形成前提的恒星形成活动的主要阶段出现在大爆炸后约100亿年。

在星系研究中，最主要的悬而未决的问题包括：我们观察到的星系的不同性质（恒星形成、金属含量和质量）之间关系的起源是什么？这些关系随宇宙时间会怎样演变？星系怎样通过交换气体和尘埃与星系所在的环境相互作用？星系以多大的频率合并？决定星系形成和演变的最基本的参数是什么？人们最近发现，在每个星系的中心都有一个黑洞。然而我们不清楚黑洞是如何存在于它们的寄主星系中的，也不清楚它们在星系的演变、恒星的形成和反馈过程（即在星系中保留气体，然后在恒星形成过程中添加燃料）中扮演的角色。这些问题是人们使用最新的望远镜和仪器进行深入研究的课题。随着新望远镜的发射，天文学家们将能够更加深入地窥探宇宙，得到过去不可能得到的信息。许多新一代望远镜，例如詹姆斯韦伯空间望远镜（The James Webb Space Telescope，简称JWST）和极大望远镜（Extremely Large Telescope，简称ELT），它们要比我们当前拥有的最强大的望远镜强大8倍以上。这些观测工具将在可观察宇宙的边缘确认星系，从而使我们能够研究第一代星系的本质。

回顾复习问题

1. 描述导致人们接受“星系是在我们自己的银河系之外的实体”这一观点的所谓“大辩论”。

2. 天文学家们在说到原星系时指的是什么？解释它们的形成过程。

3. 解释星系中的恒星生成活动场所需要低温的原因。

4. 什么是影响星系形成的主要参数？为什么？

5. 我们今天观察到的星系形态的成因是什么？

6. 解释有关不同的星系类型的哈勃音叉图。

7. 同星族的星系的核球、圆盘和晕有何不同？

8. 解释星系中质量积累的过程。

9. 天文学家们如何研究星系随宇宙时间的演变？

10. 为什么天文学家们需要得到宇宙非常深处的图像来研究星系的形成和演变？

参考文献

Bennett, J., M. Donahue, N. Schneider, and M. Voit. 2007. The Cosmic Perspective. 4th ed. Boston: Pearson/ Addison-Wesley.

Chaisson, E., and S. McMillan. 2011. Astronomy Today. New York: Pearson.

Schneider, S.E., and T.T. Arny. 2015. Pathways to Astronomy. 4th ed. New York: McGraW-Hill.