为什么星系倾向于形成圆盘状而不是球形?

时间:2022-01-11 08:27:51   作者:
星系形成的起点是宇宙最初几乎均匀分布的时候,大部分是氢气,少量的氦气和少量的锂,还有暗物质,不管它是什么。气体和暗物质的分布存在微小的不均匀性,这是因为密度的量子力学波动,而当膨胀发生时,这种波动被放大了。这些不均匀性是不稳定的,因为稍微稠密的区域会吸引更多的物质。

由于气体的不均匀性没有任何规律,所以存在着复杂的气流。当两股气体相遇时,它们就混合成一股气流。因此,气体在每个收敛区域内的运动逐渐组织成一个包含大部分气体的单一流动模式。

最古老的恒星就是在这种逐渐的自我组织过程中形成的。由于恒星相距如此之远,它们并不是专门与附近的恒星发生相互作用,而只是与大的、浓缩区域的一般引力场发生作用。因此,最老的恒星不参与上述的循环组织。相反,属于一个星系的最古老的恒星位于星系周围一个大致呈球形的区域,称为“银河晕”。

此外,暗物质甚至不会与自身相互作用,除非通过一般引力场。因此,暗物质也像银河晕一样分布在星系盘的边界之外。

然而,气体确实会与自身相互作用,形成有组织的流动模式。由于初始辐合时的随机流,大多数星系辐合区域都有净角动量,所以气体流辐合形成的共识是围绕气体净角动量轴的环流。在这个共识中,平行于净角动量轴的气体运动在相反的方向上发生了相等的运动,所以相反的气流相遇,平行于旋转轴的气流抵消了。这就是为什么气体会形成一个旋转的圆盘。

年轻的恒星,现在占大多数,是由气体形成的,因为它自己形成了一个盘,所以这些恒星在那个盘里。

这是这个问题的基本答案。星系属性变化的一个原因是不同的大小和不同的净角动量,不同的收敛区域。另一个变化的原因是星系之间的相互作用。

当星系碰撞时,属于两个星系的恒星只是穿过另一个星系,因为恒星的巨大分离,再次只对两个星系结合质量的一般引力场做出反应。然而,两个星系中的气体发生了碰撞。结果是两个星系的气体混合,一些被星系留下。

这种气体的碰撞导致了密度的强烈不均匀性,实际上是激波,在遗留的气体中,以及留在星系中的气体中,这导致了碰撞区域内新恒星的快速形成。从星系剥离的气体中形成的恒星往往是不规则的群体,而在气体中形成的恒星留在星系中往往会形成激波带的轮廓。

这样形成的星系群所含的暗物质相对较少,因为每个星系中的暗物质会像恒星一样穿过另一个星系的暗物质。

尽管这两个星系中的恒星不会与附近的恒星发生明显的相互作用,但由于潮汐效应,也就是说,由于涉及到的各种质量形成的不规则重力场,星系往往会失去盘状结构。

为什么星系倾向于形成圆盘状而不是球形

在这幅图中,中央的红色区域是被星系剥离的气体正在形成新的恒星的地方。蓝色区域主要包含年轻恒星;它们呈蓝色是因为最大的恒星是最热的,因此是最蓝的,但寿命很短。星系原始的盘状形状是可以辨认的,但只能勉强辨认出来,因为每个星系的整体形状都对系统的整体引力场作出反应。
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