星系形成和演化简介
Linas Juozėnas分享
知识方舟 · 宇宙 · 第03章
星系的形成与演化
星系为何呈现不同形态、如何发生变化，以及它们的历史如何揭示我们在宇宙中的位置。
暗物质、恒星和气体共同构成了星系发展的引力环境。
冷却、新鲜物质的补给和反馈过程，会影响恒星形成持续的区域，以及恒星形成减缓的区域。
内部结构和相互作用会重新分配物质，留下有关星系过去的线索。
一个星系是一段仍在展开的历史。
旋涡星系明亮的旋臂、椭圆星系平滑的光辉，以及不规则星系中散布的恒星形成区，看起来大不相同。每一种形态都为物质在数十亿年间如何聚集和变化提供了线索。
在上一章中，我们追踪了第一批恒星和宇宙结构的形成。在这里，我们要问的是：随着星系继续成长，发生了什么？它们的气体如何变成恒星，周围环境如何影响它们，以及它们的形态为何出现分化。
本章将我们能够看到的与必须推断的联系起来。一张照片可以揭示结构；对光线和运动的测量则有助于揭示质量、化学成分和活动。将这些线索结合起来，天文学家便能检验各种可能的历史，而不是仅凭外观判断一个星系。
理解星系的十种方式
从隐藏的基础开始，探索可见的结构，再追随可能的未来。
暗物质晕：星系的基础
除了我们看得见的恒星，还有什么维系着一个星系？
一个星系的星光只能揭示其部分质量。在标准宇宙学模型中，星系形成于暗物质晕之中：这些延展的物质聚集体可通过其引力效应被探测到。轨道速度和背景光线的弯曲，帮助天文学家研究这一原本不可见的成分。
晕为星系形成提供了引力环境，但聚集气体只是开始。气体必须散热，才能变得足够致密以形成恒星，而它的旋转则有助于塑造最终形成的系统。本文将看不见的质量与其中发光的星系联系起来。[1]
探索文章 01→哈勃星系分类
星系的形状能告诉我们什么——又能隐藏什么？
旋涡星系拥有带旋绕结构的旋臂；椭圆星系拥有平滑、圆形或拉长的光度分布。透镜状星系也称 S0 星系，拥有圆盘，但显著的旋臂结构很少。不规则星系无法整齐地归入这些规则形态。
哈勃著名的“音叉图”将椭圆星系、透镜状星系以及普通旋涡星系和棒旋星系组织起来；不规则星系则位于其主要分支之外。它对外观进行分类，却没有规定一段生命历程。传统术语“早型”和“晚型”描述的是类别，而不是星系的年龄。我们将在探索类似形状如何掩盖不同历史的过程中使用这套词汇。[2]
探索文章 02→碰撞与合并：推动星系成长的力量
两个星系相遇时，究竟是什么发生了碰撞？
单个恒星之间相距极其遥远，因此恒星之间的直接碰撞十分罕见。相反，引力会改变它们的轨道，拉出星流和潮汐尾。气体可能受到压缩或被驱向中心，有时会引发恒星形成爆发。结果取决于星系的气体储量、质量和相遇几何。[3]
并非每次近距离接触都会以合并告终。富星系团中常见的高速运动会使捕获变得困难，而群组中较慢的相遇则可能更有利。本文将追踪相互作用如何重新分配现有恒星，并在适当条件下助力形成新的恒星。[4]
探索文章 03→星系团与超星系团
身处群体之中，会如何改变一个星系？
星系团是一个受引力束缚的系统，其中包含星系、暗物质和大量高温气体。星系穿过这些气体时，可能会因冲压剥离——大致来说，就是迎面而来的风所产生的压力——而损失一部分自身的燃料。因此，它未来的恒星形成可能会发生变化。[5]
缩小视野后会发现，星系团还属于由群组和丝状结构组成的更大尺度图案。这些超星系团通常并不是作为完整系统相互束缚的，不过其中密度较高的部分可能是。我们将探讨：在宇宙网中共享同一片区域，与共享一个受引力束缚的未来，两者有何区别。[6]
探索文章 04→旋臂星系与棒旋星系
旋转的圆盘如何持续形成如此引人注目的图案？
旋臂勾勒出恒星和气体的图案，通常由年轻而明亮的恒星凸显出来。它们不是作为一个整体旋转的刚性辐条。有些模型将其描述为长寿命的密度波；另一些模型则认为旋臂会形成、缠绕并反复出现。与邻近星系的交会也可能帮助形成旋臂结构。[7]
棒状结构是横贯星系中心的细长恒星结构。棒状结构会与周围环境交换角动量，并能帮助气体向内移动，形成中心结构或支持恒星形成。这种输运并不能保证存在活跃黑洞：要让气体从星系盘到达黑洞，还需要进一步的过程。[8]
探索文章 05→椭圆星系：形成与特征
外观平滑的星系是否拥有简单的过去？
椭圆星系通常主要由较老的恒星组成，形成的新恒星相对较少。其平滑的外观掩盖了相当大的多样性：它们的质量范围很广，其中一些还表现出明显的有序旋转。缺乏大量寒冷且能形成恒星的气体，并不意味着完全没有气体。[9], [15]
并合可以重新排列恒星轨道并形成圆钝的星系系统，而后续的交会还可能向其外围增添恒星。可利用的气体量，以及气体是冷却、形成恒星还是受到加热，也会产生影响。我们将从恒星运动、化学组成和微弱的外围结构中寻找线索，而不是假定每个椭圆星系都经历了相同的演化路径。[1]
探索文章 06→不规则星系：混沌与星暴
不均匀的外观是否总意味着发生过剧烈事件？
不规则星系可能呈现零散的恒星形成区域、偏离中心的恒星集中区，或不对称的轮廓。有些曾受到邻近星系的扰动。在许多小型星系中，不均匀的恒星形成以及恒星爆炸的影响，也会造成斑驳的外观。
星暴是恒星形成异常剧烈的时期，并不是每个不规则星系的典型特征。对附近矮星系的巡天发现，在特定时刻只有少数星系会出现强烈星暴。本文将探讨壮观的星暴，以及那些较为平静、展现星系如何以相对较少的质量发展起来的系统。[10]
探索文章 07→演化路径：世俗演化与并合驱动
星系不发生重大碰撞也能发生转变吗？
世俗演化是指在许多次轨道运行中逐渐发生的重新排列。棒状结构和其他盘状结构可以重新分配角动量，使恒星和气体重新分布，并形成中心致密区。因此，星系可以通过自身的内部动力学发生显著变化。[8]
并合提供了另一条途径：它们会增加物质并改变恒星运动。这些过程可能在一个星系的历史中相互重叠；新鲜气体供应和反馈也会影响接下来发生的事情。我们将比较不同因素所占作用的证据，并探讨为什么形态变化与恒星形成停止是相关的问题，却并非完全相同的事件。[12]
探索文章 08→活动星系核与类星体
星系中心如何能比数十亿颗恒星还要明亮？
当气体抵达超大质量黑洞时，在穿越事件视界之前可能释放出巨大的能量。这片明亮的中心区域就是活动星系核，简称 AGN。类星体是其中格外明亮的例子。辐射来自黑洞周围的物质，而不是从视界内部逃逸出来的。[11]
辐射、星风以及在某些系统中的喷流，可以加热或驱散周围的气体。这种反馈可能影响可供新恒星形成的物质供应，但发现活动星系核或外流本身，并不能证明恒星形成已经停止。我们将考察黑洞增长与星系演化如何相互影响。[12]
探索文章 09→星系的未来：Milkomeda 及更远的未来
数十亿年后，我们的星系可能会变成什么样？
“Milkomeda”是银河系与仙女座星系可能形成的未来并合遗迹的昵称。它们最终是否会并合仍不确定。一项 2025 年的研究及其 2026 年的后续研究得出了不同的概率，显示出这一预测在多大程度上取决于对这两个星系运动及其邻近星系引力影响的测量。[13]、[14]
这篇最后的文章将故事延伸到未来：相遇可能如何重塑星系，变化中的气体供应如何影响恒星形成，以及宇宙膨胀如何影响最大的结构。预测这些结果意味着要确定哪些结论是稳健的，哪些则取决于可能仍会变化的测量结果或假设。
探索文章 10→什么能够揭示这个星系的历史？
形态是一个起始线索。年轻恒星揭示近期活动；恒星运动描绘引力；气体显示未来恒星可能在哪里形成。暗淡的流和壳层可以保留早期相遇的证据。
探索时，请留意这些线索之间的联系。圆润的外观、安静的中心黑洞，或一片明亮的新生恒星区域，都只能讲述故事的一部分。
来源与延伸阅读
航天机构的科普材料介绍主要概念。研究论文和综述探讨证据及其局限，包括近期关于银河系可能未来的研究。
- Somerville 与 Davé（2015）— 宇宙学框架下星系形成的物理模型暗物质晕、气体吸积、恒星形成，以及塑造星系的过程。
- ESA / 哈勃 — 哈勃音叉图形态分类方案，包括透镜星系和棒旋星系。
- Di Matteo 等（2008）— 星系相互作用与并合触发的暴发性恒星形成事件的频率、强度和持续时间为什么相互作用星系会表现出不同程度的恒星形成响应。
- Pearson 等（2024）— 星系环境对并合比例的影响环境和相对速度在星系并合中的作用。
- Kravtsov 与 Borgani（2012）— 星系团的形成星系团组装、暗物质与炽热的星系团内介质。
- Chon、Böhringer 与 Nowak（2015）— 关于超星系团的定义观测到的关联与将保持引力束缚的系统之间的区别。
- Dobbs 与 Baba（2014）— Dawes 评论 4：盘星系中的旋臂结构旋臂机制、模拟与观测证据。
- Kormendy 与 Kennicutt（2004）— 盘星系的长期演化与拟核球形成棒结构、角动量输运以及盘内的渐进变化。
- Emsellem 等（2011）— ATLAS3D 项目，III：早型星系有效半径内恒星角动量的普查邻近椭圆星系和透镜星系中恒星旋转的范围。
- Lee 等（2009）— 本地体积内矮星系暴发性恒星形成的统计邻近矮星系经历强烈暴发性恒星形成的频率。
- NASA / Webb — 什么是活动星系核？对由吸积供能的星系中心的通俗解释。
- Kormendy 与 Ho（2013）— 超大质量黑洞与宿主星系的协同演化（或并非如此）黑洞增长、星系结构与反馈之间的联系。
- Sawala 等（2025）— 银河系与仙女座星系相撞并无确定性一项纳入轨道不确定性和邻近星系的预测。
- Wu 等（2026）— 银河系—仙女座系统的命运：并合还是不并合？一项倾向于更高并合概率、但强调对测量运动敏感性的后续研究；已被《天体物理学杂志通讯》接收。
- NASA — 星系类型介绍星系形态、恒星族群和形成恒星的气体。