星系的诞生与演变过程

作者：三青时间：2023-05-05 阅读数：人阅读

问：我是一个8岁的学生，想要了解星系的生命周期。一个星系的开始和消亡是怎样的呢，还是它们只是不断演化，不断和其它星系融合呢？

答：你的问题非常好。虽然现在关于星系的形成和演化的细节还有很大的争议，但是有一套被广泛接受的理论解释星系是如何形成的理论的。

宇宙在诞生之初，少量的物质先塌缩和合并在一起，先形成小型的星系，逐渐形成星系团这样越来越巨大的结构。假设宇宙中暗物质是非相对性的，物理学上有对应的理论解释这个过程。我们把这种暗物质粒子称为“冷暗物质”的，所以很多天文学家把这个理论叫做“冷暗物质模型”。

在冷暗物质理论中，暗物质晕通过重力互相联结，从宇宙膨胀的整体中脱离开来，不再随着宇宙膨胀。暗物质晕逐渐吸引更多的物质聚集起来，最终形成星系。所以在某种意义上，暗物质晕一旦形成，产生的重力就会吸引普通物质（重子物质）向其中心移动。移动过程中，重子物质的角动量保持不变，因此越接近暗物质晕的中心，重子物质旋转得越快。暗物质晕当中的重子物质在这个过程中形成了一个可以演化出恒星的盘，类似我们看到的旋涡星系一样。

星系之间的碰撞使上述的“被动”演化的情况变得复杂——最近有数值模拟结果表明，碰撞的过程会影响星系的样子（形态）。一般来说，星系的形态似乎由它在演化过程中所经历的碰撞类型决定：多数的星系合并发生在两个质量相近的星系之间，这种情况下会形成椭圆星系；少数的星系合并发生在两个质量差异较大的星系之间，这样的合并过程不会对星系的演化造成影响，星系会继续演化成为一个扁平的盘。换言之，椭圆星系都正在经历合并，而很薄的圆盘星系很可能长时间内没有经历过星系合并，其他形态的星系则介于两者之间。并不是所有对星系的观测结果都支持这个星系合并演化的观点，然而大部分的观测都大致符合这个规律。因此，星系的“生命”由恒星形成和可能发生的碰撞等一系列事件组成，这取决于它所处的环境和最初形成星系盘的重子物质的性质。至于星系生命的“终结”，定义起来就有点复杂。

假设星系间在一定时间内互相之间不发生碰撞，那么星系的演化就受星系盘中恒星的形成过程控制了。虽然星系中恒星的形成过程是循环发生的——气体形成恒星，恒星死亡，其中大部分的气体又变回星际物质。在每一个恒星形成-消亡周期中，都有一部分气体残留在小质量的恒星残体中，这样最终将没有足够的活跃气体来形成新的恒星。当残留的星际物质变得暗淡，星系也逐渐不再发出任何光芒了。星系的暗物质盘是一直存在的，所以如果通过暗物质盘的形成来定义星系的诞生，由于暗物质盘在恒星形成过程停止之后仍然存在，那么没有任何一个星系会出现这种意义上的“死亡”。

当然，在现实中，我们知道大多数星系都以群系和星系团的形式存在，因此会发生许多碰撞。当两个星系相撞时，它们的暗物质晕会合并成更大一点的暗物质晕。这时，我们可以认为大质量星系和小质量星系的合并是小质量星系的“死亡”以及大质量星系的增长，对于质量相近的两个星系的合并，则可以视为两个星系消亡“重生”成为一个更大的星系。

如果有足够的时间，所有的星系会不会都碰撞到一起，从而合并成一个暗物质晕？这实际上取决于宇宙膨胀的速度。我们认为宇宙目前的膨胀速度是随着时间的推移而加速的，那么不同的星系群和星系团将永远不会相互融合。因此，在未来，某一群或某一星系团的成员可能会合并成一个可怕的“超级星系”，但超级星系之间不会相互碰撞。它们的暗物质晕将永远存在(假设暗物质不与任何东西相互作用)，从而使它们比宇宙中的所有其他物体上都更不朽。