星系是什么？

作者：三青时间：2023-05-05 阅读数：人阅读

谢邀，被

@刘博洋

师兄要求帖作业，于是我来填坑了

另邀

@海盗河马

来批作业~~

稍在后面更新了一下

星系是什么？

回答问题之前，我们要说，在这里提出这个问题之后，那么xx星系只能是一个名字，但是至于他是否符合星系的判据，就需要讨论了。

现在回答这个问题，

首先，我们要先看看目前一些星系的定义都有哪些，比如如下几个定义：

A galaxy is a massive, gravitationally bound system that

consists of stars and stellar remnants, an inter- stellar medium of gas and

dust, and an important but poorly understood component tentatively dubbed dark

matter. (Galaxy).

Any of the numerous

large groups of stars and other

matter that exist in space as independent systems. (Home : Oxford English Dictionary)

A galaxy is a gravitationally bound entity

, typically

consisting of dark matter, gas, dust and stars.

(COSMOS - The SAO Encyclopedia of Astronomy ).

A galaxy is a gravitationally bound collection of stars

whose properties cannot be explained by a combination of baryons and Newton’s

laws of gravity. (http://arxiv.org/abs/1203.2608)

其次，从这些定义中，我们不难发现，大部分对于星系的定义中，都有“包含暗物质”以及“自引力束缚”这种描述。从这个角度和以上几个定义出发，我们开始对星系进行讨论。其中，几种典型天体是否属于星系很有争议，比如UCDs（ultra compact

dwarfs），TD（tidal dwarf），GCs（global clusters），dSphs（dwarf Spheroidal

galaxies）等等，我们将对其进行重点讨论。

第一，两个天体的弛豫时间要大于一个哈勃时间。证据表明，暗物质只出现在两体弛豫时间大于一个哈勃时间的系统中。另，当一个恒星系统处于一个稳定的动力学稳定的状态下，其轨道应当取决于系统的平均引力而不是某写单独的天体。我们可以计算得到两体的弛豫时间为百万年这一量级(Binney & Tremaine 1987; Kroupa 1998) 。但是根据这种定义，UCDs 和 TDs 是无法归类为星系的。

第二，Half-light半径大于等于100pc，也就是说有效半径大于等于100pc。我们知道，UCDs通常不大于40pc，而Ultra faint dwarf spheroidals的大小不小于100pc（也有小于50pc的，即extreme ultra faint dwarf），从这个定义来看，根据分类，很少有有尺度在半径40到100pc之间天体系统。只是随着我们发现一些类似UCDs的天体在100pc左右，这一空白区域被弥补。另，对于globular clusters的尺度通常也小于100pc。因此UCDs和globular clusters不是星系。

第三，类似第二点，我们可以用质量进行判别（质量与半径有函数关系），一百万个太阳质量是一个特殊的质量。小于这个特征质量的天体系统通常表现出星团的特征，并可以很好地用牛顿动力学描述，反之则不具备这一性质。

第四，（在第三点这一特征质量至上）有复杂的星族。这一定义与大多数星团中只有单一星族这一性质对立，但是还是有一些观测证据表明，很多银河系的大质量球状星团含有多个星族（Piotto 2009）。如果我们把这一判据作为星系判据之一，那么UCDs也可以为星系。

第五，有非重子的暗物质（很重要的一点，和第一点有一定重复，但是这里更强到暗物质）。当然，这一点的前提是我们承认星系在暗物质晕中形成这一理论（White & Rees 1978），虽然我个人不太喜欢这一点，因为略带有循环论证。比如 Gilmore et al. （2007）利用暗物质分类星系。其实这样做有一点问题在于这一定制对于一些矮星系是不好的，通常表现在速度弥散着一方面的测量上。尽管对dSphs的观测表明，它有较高的暗物质质量分数，但是dEs（dwarf elliptical galaxies）在有效半径内暗物质质量分数却很低。除此，TDs这种在星系合并，在潮汐力作用下从星系盘撕裂出来的系统，暗物质并不多(Barnes & Hernquist 1992; Gentile et al. 2007)。也就是说，如果dSphs由TDs起源的话，那么dSphs同样不会有太多暗物质成分。然而，有说法表示GCs的形成却是在很小得暗物质晕中形成的(Bromm & Clarke 2002; Mashchenko & Sills 2005;

Saitoh et al. 2006; Griffen et al. 2010)，这一点也冲击着对于矮星系的分类。因此，对于这个第五点，TDs，UCDs，dSphs，dEs都不可以归为星系。

第六，作为从恒星系统的宿主系统（Hosting a satellite stellar system）。我们知道的所有的大型的星系都有GCs，但是一些矮星系是没有的，如果根据是否有GCs作为一个判据，那么UCDs和其他一些矮星系都不是星系。

综合上面几点，我们大致可以得到以下结论：

（1）UCDs，GCs可以不归类为星系；

（2）dSphs，dEs，TDs等争议很大，特别是dSphs和TDs，更倾向于不是星系。

其实，我们在上述定义中重点关注了暗物质，但是如果抛开暗物质我们如何定义星系呢？前文给的 Willman & Strader (2012)

(http://arxiv.org/abs/1203.2608 )就是不基于暗物质的定义，这篇文章中主要对于某个恒星系统的一系列性质进行讨论：恒星动力学、金属元素的传播（即[Fe/H] spread文中以铁为代表，但是还是要强调天文的金属元素指的是He以后的所有元素）、天体系统的广度、星族的讨论。主要讨论的天体还是UCDs，ultra fiant dwarfs，TDs，GCs等。最终对于这个定义GCs，UCDs，TDs不能被定义为星系。这篇文章就不细说了。

给个总结，就个人而言，更倾向于再给星系定义时包含以下概念：

（1）稳定的自引力束缚系统

（2）包含一定质量非重子的暗物质

（3）质量和有效半径达到一定量级（如一百万太阳质量，100pc）

（4）有复杂的星族和伴随星系的恒星系统

最后给出主要参考的文章的arxiv：

http://arxiv.org/abs/1101.3309

http://arxiv.org/abs/0712.2818

http://arxiv.org/abs/1203.2608

http://arxiv.org/abs/9806206

http://arxiv.org/abs/0703308

http://arxiv.org/abs/0807.2798