為什麼宇宙中的星系都是圓餅狀的呢？

我們生活在3D空間，為什麼太陽系，銀河系，類星體等天體，都有扁平的形態？各個天體圍繞這些系統中心旋轉的公轉軌道，都幾乎落在同一個平面，這也太巧了吧？為什麼不是八大行星，一人一個軌道面？像老中央臺臺標一樣？

實際上，形成這種現象的原因恰恰是由於我們處在3D空間之內。3D空間內的旋轉只能圍繞一個旋轉軸，這個旋轉軸有一個法平面。對於我們地球來講，這個法平面就是赤道面，所以你看到，雖然地球不是扁平的，然而旋轉的動作是一樣的，渾圓的地球上面每一個點是不等價的，所以經度線和緯度線幾何形態不同。

什麼樣的餅？

想烙一張點綴滿星星的餅，光有角動量守恆是肯定不夠的。後面稍微分幾個角度廢話幾句。簡單的摘要就是：現在宇宙裡有一半的恆星質量在這些「餅」狀星系裡。

「餅」的形成和其居住暗物質暈最初的角動量以及後續的演化密不可分。在這個過程裡，雖然「角動量守恆」在最初扮演了不可或缺的角色，但我們能看到這麼多大小各異的餅，是複雜的暗物質暈演化歷史，以及星系內部恆星生生死死共同微妙平衡的結果。

恆星可以有盤，各種氣體，塵埃也可以有盤，只要是規則旋轉運動佔主導的，都可以叫盤。和餅一樣，星系的盤有各種薄厚大小。確實有很多星系側面看薄的就是跟一張春餅一樣。

但更多的情況下，星系內部也會有沒有明顯旋轉，內部恆星運動雜亂無章的橢球結構的。我們銀河系中心的核球和外部的恆星暈都是這樣的結構。這兩個之間並不是方圓之別，星系內部的結構和運動學幾乎就是連續分布的，也有很多星系看上去是圓墩墩的一坨，但是內部也有很顯著的旋轉的。

都是餅嗎？

我們的銀河系的確是一張「大餅」，附近的仙女大星系也是「餅」，愛好者熟知的很多梅西耶天體裡的星系也是「餅」。但其實宇宙中質量比銀河大得多和小得多的星系很多都不是餅狀的，而是由橢球結構主導的。

如果按照質量來算，粗略估計，低紅移宇宙中的星系裡，一半的質量是「餅」，一半的質量是橢球。如果按照數量算，因為質量越小的星係數量越多，橢球星系應該還是佔主導的。很好玩的是，恰恰是在我們銀河系這個質量段上，星系才是主要呈現出「餅」狀形態的。這裡面是有很有趣的物理信息的，只不過我們暫時還沒有完全搞清楚。

另外，今天是「餅」，昨天未必是，將來也很可能不是。盤星系碰撞是直接產生大質量橢球星系的原因，銀河系和仙女大星系碰撞後，很可能兩個星系都會失去恆星盤結構，也有可能會通過複雜的動力學演化變成一張更厚的餅。隨著對高紅移星系觀測得更加細緻，天文學家發現早期宇宙的星系簡直面目全非，100億年前幾乎在宇宙中找不到非常規則的「餅」，而大部分星系可能是一種介於「餅」和「麻團」之間的狀態。這也是非常有意思的觀測線索。

為什麼光念出「角動量守恆」的咒語是不夠的

宇宙裡面有各種尺度的盤，各種花樣的「餅」。原恆星盤，黑洞周圍的吸積盤，等等。脫離了質量和空間尺度，具體的物理情景，看見盤就喊「角動量守恆」。並不能幫你理解他們的產生和演化。

首先，對於包括盤星系在內的通過重力坍縮形成的結構中，角動量守恆的作用是不可或缺的。一團有一定淨角動量的氣體在自引力作用下坍縮，隨著尺度變小，旋轉速度會增加，而後續的坍縮就會出現方向上的選擇性：在和自轉軸垂直的方向上，可以簡單看成「離心力」

如前面提到的，這些問題還都沒有被很好的回答。當早期天文學家們終於可以開始通過數值模擬研究星系在暗物質暈裡的演化的時候，他們揪心的發現，僅僅靠上面提到的經典模型並不能烙好一張宇宙大餅：形成的星系看上去比真實的盤星系胖了太多，並且，包含了太多的低角動量恆星和氣體 。

深入研究後，天文學家們發現這是因為早期宇宙裡氣體比例高，重子物質通過輻射冷卻損失能量太快 。既然太冷了就要熱一熱嘛，天文學家們在過去20年時間裡，在新觀測的指導下，終於大概知道了如何掌握合適的「火候」來保持盤星系的結構。而這種「加熱」機制，很可能來自於死亡恆星通過超新星爆發等過程向周圍環境裡注入合適的能量。這也是為什麼像FIRE這樣力圖解釋足夠真實的盤星系的形成的模擬，都把重點放在了恆星反饋過程中。

總結

而即便有了這些進展，我們對宇宙「大餅」的理解還是一知半解的。尤為神奇的是，像銀河系這樣的大質量盤星系的穩定存在，似乎是得益與暗物質暈在相當長的一段時間內沒有經歷顯著的「撞車」事件，並且在星系的氣體吸積和恆星反饋之間所建立的某種微妙的平衡。

所以，以後你凝視銀河的時候，一定要感謝一下宇宙這位大廚。不論是「圓餅」還是「麻團」，都是她用一道道不同的工序和拿捏得恰到好處的火候，在暗物質暈構成的「烤箱」裡，用130億年的時間才精心準備出的動人作品。作為小小人類，我們能有幸旁觀已經不知道是幾個動力學時標裡修來的福分了。

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