星系星體怎麼來的（星系是如何長大的）

2023-04-14 04:15:31 1

原文 | Indranil Banik, Jan Pflamm-altenburg, Moritz Haslbauer, Pavel Kroupa, Srikanth Togere Nagesh

翻譯 | Linvo

天文學家發現宇宙中存在兩種主要的不同類型的星系：橢圓星系和螺旋星系。橢圓星系是死亡的星系，充滿了非常古老的紅色恆星，它們在無序的軌道上圍繞星系中心運動，使它們的形狀看起來像鬆軟的足球。另一方面，活躍的螺旋星系既有老恆星，也有許多新形成的恆星。它們看起來就像美麗的旋渦，因為它們的恆星和氣體在一個薄的旋轉圓盤的共同中心上沿著近乎圓形的路徑運動。這些螺旋星系從中心延伸到3萬光年或更長的距離，而橢圓星系的典型半徑為1萬光年。當計算所有比100億個太陽重的星系時，只有3%的星系已經死亡，而今天絕大多數的星系都是充滿年輕恆星的螺旋星系。我們的銀河系是一個像這樣的旋渦星系，而我們的太陽距離它的中心大約有兩萬四千光年。

我們的銀河系有大約500億顆恆星，並不斷地形成更多的恆星。每年大約有4個恆星誕生，這種現象已經持續了120億年。但也有起伏，有時銀河系會產生更多的恆星，有時會產生更少的恆星，這取決於附近的星系是否靠近。離我們最近的大星系是仙女座星系，它離我們大約220萬光年，正在向我們靠近，它包含更多的恆星，但在其他方面非常相似。

恆星是由這些星系包含的氣體形成的，但如果我們計算所有這些氣體，可以估計像我們這樣的星系將在30億年內將耗盡氣體。我們的太陽已經有50億年的歷史了，所以，自從太陽和地球形成以來，銀河系應該已經完全耗盡了氣體。然而，天文學家看到的恆星形成的氣體雲只有300光年遠，這表明銀河系今天正在形成恆星，就好像它沒有消耗自己的氣體一樣。當考慮到這一令人著迷的情況時，天文學家有必要發展一種理論來理解氣體是如何被補充的，並解決這個深奧的宇宙學問題。

今天的天文學家和物理學家相信，大約138億年前發生過一次大爆炸，它產生了所有的物質，並催化了宇宙的不斷膨脹。隨著氣體在大爆炸後冷卻，第一個星系凝聚，從而與其他星系合併，形成我們今天看到的大星系。根據這一理論，在一個典型的星系中，新恆星誕生的速率應該在大約80億年前達到最大值。恆星的產生應該隨著時間的推移而逐漸減少，因為星系中的氣體被消耗掉了，因為來自周圍環境的新氣體的供應枯竭了，而且新合併的星系在日益稀釋的宇宙中變得越來越稀少。除此之外，暗能量，一種基本不為人知的能量形式，似乎正在以更快的速度撕裂宇宙。所以，理論上星系應該停止成長。

宇宙大爆炸模型

來自波恩大學和布拉格查爾斯大學的一組天文學家現在有了一個奇怪的發現：他們選取了幾百個在3000萬光年以內的近距離觀測到的星系，並驗證了上述理論。在這一小塊宇宙中發現的星系的行為，與前面提到的理論非常不同，因為它們沒有改變新恆星誕生的速率。例如，今天的一個大星系，每年產生10顆恆星，當它在120億年前誕生時，每年也產生10顆恆星。如今，一個較小的星系可能每十年才產生一顆恆星，這一速率自它誕生以來就沒有改變過。

這一令人震驚的發現推翻了之前假定的理論，因為這意味著當一個星系在其形成第一個星團而誕生時，它當時接收到的氣體和它今天接收到的氣體可能合而為一，大致相同。沒有跡象表明這些星系遵循上述理論。如果有什麼區別的話，望遠鏡的觀測似乎表明了一種微弱的趨勢，根據這種趨勢，如果有什麼區別的話，那就是星系中新恆星的誕生速度略有增加。

正在星雲中誕生的恆星

這就揭示了一個新的謎團：星系是如何繼續成長的？一個星系生存的環境如何使這些氣體以準確的速度供給星系，從而使星系中誕生的恆星的數量在它120億年的整個生命周期中仍然保持不變的呢？天文學家和物理學家都不知道這個問題的答案。事實上，由於這個問題是一個全新的問題，為了回答這個問題，我們需要做很多原創的思考和研究。一些天文學家將藉助上面的理論試圖回答這個問題，但它並不清楚如何工作，因為相同的理論需要對附近的星系給出不同的結果，而理論中沒有任何東西可以做到這一點。另一些人可能會嘗試發展全新的理論，來研究周圍的空間是如何向其星系輸送氣體的。這一研究的結果仍然很開放，但可以肯定的是，我們的一些物理理論可能會從根本上改變。

原文：

https://blog.oup.com/2020/09/the-enduring-mystery-of-how-galaxies-grow-up/