星系是如何形成的?

2021-01-09 鍾銘聊科學

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

模型思想

如果我們要細究各個學科的起源,就會發現科學領域的各個細分學科大多都要追溯到古希臘時代,比如:物理學,博物學等等。但是有這麼一個學科,是每個古代文明都會有的,甚至都做得相當的出色,這就是天文學。天文學可以說是伴隨著人類文明的發展而發展,天文學的幾次革命都引發了科學革命。但是在物理、化學、生物等學科眼裡,天文學又是最不科學化的,如果按照其他學科的標準,天文學的許多理論都是無法成立。

這是因為科學的基本要素是足夠多的數據支撐,以及實驗觀測可復現。這兩個要素都是天文學的致命缺點,這是因為天文學能夠觀測到的信息量極其少,更不能要求觀測到現象是可復現的。所以,天文學演化出了自身的一套研究規範,這就是模型思想。

所謂模型思想,指的就是通過建立理論模型來和新的觀測現象進行擬合,同時新的天文學理論也需要和這個模型進行適配。這套規範是從古至今一直保留下來的。最早的宇宙模型是地心說模型,它和哥白尼的日心說都屬於宇宙模型。

與它們一脈相承的是標準宇宙模型,從日心說到標準宇宙模型也經歷了幾次大的變化,先是牛頓世界觀下的宇宙模型,是無限大的宇宙模型,然後是愛因斯坦的靜態宇宙模型,再然後是大爆炸模型,大爆炸模型自身就發生過多次迭代。

如今是在大爆炸模型基礎之上建立起來的ΛCDM模型,其中Λ代表宇宙正在加速膨脹,指向了暗能量,CDM則是指暗物質。

除了宇宙模型,我們還有標準太陽模型等等。天文學家正是通過這些模型,建立現代天文學的大廈。但是在這座大廈當中,有一個地基一直不算太安穩,甚至是經歷過重建的過程,這個模型就是星系模型。說白了就是,星繫到底是如何起源和演化的?

ELS模型

其實,科學家一直想要建立一個屬於星系的模型。但是這個問題一直無法攻克,問題就卡在了星系的形成上。當然,這裡的星系是指類似於銀河系這樣的星系。

其實不只是星系的形成。恆星系的形成一直以來,也是一個難題。如今關於恆星系的形成和演化比較主流的是星雲假說。這個假說的大致內容是這樣的,在45億年前,太陽系附近有一片長達2光年的星雲,後來可能是因為超新星爆炸導致引力平衡被打破。於是,在引力的作用下,逐漸形成了太陽,在形成太陽的過程,還殘留了一些物質,這些物質形成了太陽系剩餘的天體。

受到這個假說的啟發,就有三位在天文學家提出ELS模型。這個ELS模型在描述星系的起源問題和星雲假說極為類似,你可以粗暴地理解成,把一片星雲換成了一片更大的星雲,然後星雲碎裂成小星雲,各片小星雲再形成恆星系,最後就是一個由若干小的恆星系構成的星系了。

ELS模型看似很完美,實則蘊含著致命的缺點。首先,我們先來觀測一下太陽系的情況,如果我們仔細研究一下太陽系物質密度,就會發現,木星附近的位置是物質密度最大的。僅僅木星一顆行星的質量,就是太陽下除太陽之外所有天體質量總和的2倍。

之所以會這樣,是因為太陽形成後,會開始刮太陽風,這樣就會把物質吹向遠方,這就形成了從太陽到木星位置,物質密度逐漸上升,從木星到太陽系邊緣,物質密度逐漸下降。畢竟太遠了,也吹不到了。

但是,銀河系和太陽系就不一樣,銀河系是越靠近中心,物質密度越大,要知道銀河系中心實際上也有輻射風,按照ELS模型,銀河系中心的物質密度應該很小才對。這就和實際的觀測是相互矛盾的。那到底是什麼造成了這個矛盾呢?

其實根本原因在於星系實際上是一個開放的系統,而恆星系是一個類似於封閉的系統。這是因為,恆星系都相距甚遠,就拿太陽系來說,距離太陽系最近的星系是比鄰星系,它們距離我們大概有4光年以上。所以,兩個系統根本不會發生任何的幹擾。

星系合併

星系和恆星系並不同,通過實際上的觀測,科學家發現,星系之間會發生合併。就拿我們所在的銀河系來說。銀河系所在的是本星系群,在本星系群中有幾十個類似於銀河系這樣的星系,其中最大的一個叫做仙女座星系,第二大的就是銀河系。

銀河系周圍有很多的衛星星系,比如:人馬座。它就一直在繞著銀河系運動,但是每繞一圈,都會有一部分被銀河系所吞噬。人馬座其實並不是孤例,銀河系的衛星星系中還有一個叫做麥哲倫雲星系,它在未來也會遭受和人馬座一樣的結局。

這些其實都屬於本星系群中小打小鬧的事,本星系群在大概40億年後,會迎來一件大事,也就是第一大的仙女座星系和第二大的銀河系會發生合併。按照普朗克衛星目前的觀測結果來看,銀河系和仙女座星系在引力的作用下正在彼此靠近對方,在未來大概率會是一個側撞。在碰撞完之後,兩個星系會在引力的作用下形成一個大星系。但這還沒有結束,科學家預計在1000億年後,本星系群中的幾十個星系會最終合併成一個星系。

當然,這並不僅僅發生在本星系群當中,科學家在實際觀測中就看到了很多很多類似的情況,比如,哈勃望遠鏡就拍到過星系吞併的圖像。

SZ模型

我們再回來看如今的宇宙中的各種星系,有的遠比銀河系要小,比如:銀河系的衛星星系;有的遠比銀河系大得多,比如:IC1101差不多就有本星系群那麼大。同樣都是星系,差距卻可以如此巨大。

說到底就是一點點合併出來。這就有像貪吃蛇的遊戲,越吃越大。

因此,就有科學家提出了一個星系模型,被稱為SZ模型。這個模型描述的是星系並非封閉系統,而是開放的系統,它們要麼被其他星系「吃掉」,要麼把其他星系「吃掉」。當時,這個模型還有沒有能夠解決一個問題,那就是星系是如何起源的。

星系起源

如今,我們知道銀河系是宇宙誕生後不久就出現的,大概有136億歲左右。按照SZ模型,銀河系最開始一定不是如今的模樣,而是「吃」成了如今這樣。甚至,有可能太陽系也大概率是被銀河系「吃」進來的。但是,最初的那個銀河繫到底是如何形成的呢?

按照如今的理論,科學家猜測,銀河系的形成和暗物質有關。這是因為銀河系中的物質所提供的引力不足以束縛住銀河系中的各個天體。之所以現在能夠束縛住,是因為銀河系中存在著暗物質,它們提供了額外的引力,而且這個引力遠比銀河系中的物質提供的引力要大。也就是說,如果銀河系中沒有暗物質,銀河系就會分崩離析。

但問題又來了,暗物質到底是什麼?它真的是星系起源的原因麼?但為什麼在實際觀測中有些小星系就沒有暗物質?這些問題也是目前天文學家研究的前沿問題,目前沒有一個可靠的答案。所以,我們只能期待一下了。

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    這一發現為理解宇宙中最大星系如何形成提供了新思路研究人員表示,這一發現為理解宇宙中最大星系如何形成提供了新思路。科學家認為,宇宙中大多數大星系(擁有數千億顆恆星的星系)中央都有一個超大質量黑洞,這些黑洞的質量為太陽質量的數億倍,但由於「外形」獨特,NGC 6240有點與眾不同。該星系距地球約3億光年,星系中的黑洞彼此相鄰。
  • 星系團的形成中的集體偏離效應
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