正在阅读: 星系是如何成双成对的?
首页> 科普频道> 天文前沿 > 正文

星系是如何成双成对的?

来源:光明网2019-07-04 16:33

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  与银河由恒星所组成相对应,对于可见的宇宙来说,星系是其基本的结构单元。由于恒星是在破碎的分子云中所形成,很多恒星在诞生的一刻就是成双成对的,即我们所说的双星。

  但对于星系来说,由于大尺度的结构形成是自下而上的,基本上不会有星系形成于“双胞胎”之中。但是,在长程的引力作用下,星系会在宇宙的演化过程中相互靠近,并形成引力上相互束缚的双星系系统。我们的银河系和仙女座大星云在未来就将如此。

  在观测上,这些双星系系统构成了我们常说的星系对(图1)。物理上,星系对中的星系会经历复杂的相互作用,最终合并成一个新的星系。在20世纪70年代Toomre兄弟的一项重要研究之中,他们通过简单的数值模拟发现,两个旋涡星系在引力的相互作用下会形成和“天线星系”非常相似的潮汐尾,并最终形成一个椭圆状星系(图2)。这个重要发现开启了星系演化过程中的一个重要研究方向:星系的并合过程。

星系是如何成双成对的?

  图1 著名的相互作用星系对Arp87(NGC3808),该星系位于狮子座,最早由著名天文学家威廉*赫歇尔所发现

星系是如何成双成对的?

星系是如何成双成对的?

图2 Toomre 兄弟(1970)通过数值模拟首次发现两个旋涡星系的并合过程中产生的潮汐尾(上)和“天线星系”(NGC4038)中的天线结构(下)非常相似

  现代的更高精度以及考虑更复杂物理过程的数值模拟表明,星系的并合是一个很长时标的过程。从两个星系成为引力上相互束缚的星系对开始到最终并合需要的时间长达10到20亿年。在这个过程中,两个星系大部分时间处于星系对的状态。我们可以把这种星系对的状态比喻为一场双人舞,二位舞者之间存在着复杂而激烈的互动过程。

  具体来说,成员星系的形态会由于引力的潮汐作用而发生显著变化,星系内部的气体会受到扰动而触发更多的恒星形成。如果这些被扰动的气体进一步流向星系中心的黑洞区域,还会触发或增强星系核中的活动过程(参见图3)。

星系是如何成双成对的?

图3 数值模拟给出的星系对的并合过程。第一行给出的是星系对中星系形态的变化过程,下面的三行分别给出的是两个星系之间的距离,星系中气体的金属丰度变化以及额外增加的恒星形成随着时间的变化(图片来自于Torrey et al. 2012年发表于ApJ的文章)

  尽管这些数值模拟已经初步构建了一个星系并合过程的整体场景(见补充材料1),但是由于模拟不可能考虑所有的物理过程,真实的星系并合过程还有待观测数据来进行进一步的验证与探索。

  和双星不同的是,星系的绕转以及并合时标对于人类来说太长了,我们没有办法通过观测去追踪任意一个真实星系对之间将要发生的物理过程。幸运的是,宇宙在对人类关上了“时标”这扇门的同时,打开了一扇“空间”的窗户。

  如果能够观测到宇宙中大量的星系对样本,那么根据宇宙学原理,我们可以知道这些不同的星系对必然处于星系-星系并合过程中的不同状态。也就是说,根据大样本的星系对的统计描述,就可以在一定程度上反演出星系对的并合过程。

  我们的研究正是基于这样的统计原理揭示了星系对中星系的演化过程。这项研究基于目前天文学研究中最大的星系对样本(参见补充材料2),通过构建二元光度函数的统计方法首次精确地刻画了各种不同亮度的星系在概率上是如何成双成对的(论文全文见补充材料3)。

  基于这种统计上的精确刻画,我们的研究进一步解码出了星系并合过程中发生的各种微妙的物理过程。首先,通过比较星系对中星系的行为与其舞伴的关系发现,星系—星系之间的双人舞从相距50万光年之远开始进行。在更远的距离上,两个星系可能看上去像个星系对,但是它们之间却毫无相互影响,它们各自的行为完全是一场“单人show”。

  在星系的双人舞开场之后,这场华尔兹的时间取决于舞蹈中的两位成员的“体重”。也许是因为舞蹈太过耗散能量,主导成员的质量越大,这场舞蹈的时间就越短。最后,在这场舞蹈的高潮阶段,二位舞者迎来了各自的“高光时刻”,触发了更多的恒星形成,这个“高光时刻”的时间可以达2亿年之久。

  这项统计研究所解锁的信息,有一些和数值模拟的结果比较一致,比如星系“高光时刻”的时间长度;有一些和数值模拟的结果相近但却不完全一致,比如星系双人舞的总时间长度;还有一些简单结论(比如星系双人舞开始时之间的距离)则给未来的观测和理论研究提供了更好的参照。

  要想进一步解锁星系并合过程,我们还需要更多更好的观测数据,比如更深的图像曝光可以直接揭示星系双人舞之间是否存在一些隐秘的物质交流?不管观测数据如何,人类的时标实在太短,要想完全捕捉星系并合过程,我们只有依赖无限宇宙中的各种截图,依据这些截图和我们的大脑,我们最终才有望欣赏一部完整的真实而绚丽的星系华尔兹。

  补充材料:

  1. 星系并合过程的数值模拟电影可参见https://vimeo.com/22304584。

  2. 对于星系对中两个靠得很近的星系来说,单一的光纤光谱巡天由于光纤碰撞通常只能观测其中一个星系,剩余的另外一个星系只能由其它的观测所补充。郭守敬望远镜巡天中的一个重要的观测样本就是对斯隆数字巡天中由于光纤碰撞效应而遗漏的星系进行补充观测。因此,这二者的结合构成了目前为止最大的星系对的观测样本(图4),从而为这项大样本统计研究奠定了基础。

星系是如何成双成对的?

图4 一个典型星系对的观测和证认过程。其中,两个星系的光谱观测先后由斯隆数字巡天(蓝色)和郭守敬望远镜(红色)完成。只有同时获得两个星系的红移(距离),才能最终证认这两个星系是在空间中是真实的成对还是由投影效应所造成。

  3. 论文全文见预印本网站https://arxiv.org/abs/1905.07276。

  作者:沈世银,系上海天文台研究员,主要从事星系领域的统计研究工作,在郭守敬望远镜巡天中负责补充星系样本相关的科学研究。论文作者包括冯帅、袁方婷。

[ 责编:蔡琳 ]
阅读剩余全文(

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 /
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 神舟二十二号飞船发射取得圆满成功

  • 2025考研季科技类专业科普行动

独家策划

推荐阅读
《办法》明确,卫星导航定位基准站的建设和运行维护实行统一规划、统一标准、统一监管,以“合理布局、依法备案、资源共享、保障安全”为原则,必须符合国家有关法律法规、技术规范和标准。
2025-11-25 09:43
稳步提升乡村建设水平,包括优化乡村规划布局、推进基础设施提档升级、推动公共服务普惠均等、探索创新乡村建设推进方式等。
2025-11-25 09:40
机器人完成一个后空翻动作,关节转动误差需控制在0.5度以内;医疗植入人体的陶瓷关节,表面粗糙度若超过0.1微米
2025-11-25 03:05
党的二十届四中全会指出,“加快人工智能等数智技术创新,突破基础理论和核心技术,强化算力、算法、数据等高效供给”。
2025-11-25 03:05
11月24日,中国科学院国家空间科学中心召开空间科学先导专项最新亮点成果发布会,集中发布了空间科学卫星任务在宇宙暂现天体、宇宙线传播、太阳爆发等领域取得的系列重大科学突破。
2025-11-25 03:05
随着人工智能技术的飞速发展,各个领域都在发生深刻变革,教育系统也刮起了AI风。
2025-11-25 03:05
燕矶长江大桥是亚洲首个专业货运枢纽机场——鄂州花湖国际机场的重要配套工程,是鄂黄第二过江通道的重要组成部分。
2025-11-24 09:02
11月23日,由中国半导体行业协会、中国电子信息产业发展研究院主办的第二十二届中国国际半导体博览会在北京开幕。
2025-11-24 03:15
从国家管网集团西部管道有限责任公司获悉,截至11月21日,我国最长原油管道——西部原油管道实现安全平稳运行18年,累计输送原油超2亿吨。
2025-11-24 03:15
作为中国和南非两国合作推动科普教育的重要实践,中国科学技术馆与南非Sci-Bono科学中心合作建设的“倾听科学空间”21日正式向公众开放。逾百嘉宾和观众到场体验。
2025-11-24 03:15
为AI4S领域培养兼具理论素养与产业落地能力的复合型人才,同时助力企业技术创新与行业生态构建。
2025-11-24 03:15
2025年度“十大”科普热词从科技、文化、社会等维度,综合勾勒出2025年我国科普事业发展、科技前沿动态、科学传播与社会文化融合的整体态势和核心方向。
2025-11-21 15:11
枫清科技与麒麟软件达成战略合作,双方将围绕AI技术创新、产品研发、市场拓展等方面开展深度合作,共同推动信创产业生态的完善与发展。
2025-11-21 13:13
走进国家重要野生植物种质资源库辰山中心种子冷库,零下20摄氏度的寒气扑面而来,一排排整齐编号的收纳容器中,是进入“深度睡眠”状态的各类野生植物种子。
2025-11-21 09:53
小雪时节,容易发生感冒、皮肤干燥、关节疼痛及咳嗽等不适,大多因为寒燥外袭、津液失调。
2025-11-21 09:52
当前,关于精神疾病与心理治疗,公众还有哪些常见误解?带着这些问题,本报记者采访了北京安定医院多位专家。
2025-11-21 09:49
2023年11月,“天衍”量子计算云平台正式发布,截至目前,访问量已突破3700万次,覆盖海内外60多个国家和地区的用户,实验任务数超过270万个。
2025-11-21 09:47
20日,记者从南京大学获悉,该校沈树忠院士团队的侯金波博士等人记录了湖北省通山县一处距今约5.4亿年的埃迪卡拉纪化石宝库,并将其命名为“通山特异埋藏化石库”。
2025-11-21 09:38
完成第一阶段6G技术试验,形成超过300项关键技术储备,资本加速布局6G生态……尽管6G网络预计将在2030年开始部署,但我国6G产业布局正加速铺开,呈现政策护航、技术攻坚、资本活跃的特征。
2025-11-20 09:11
谷山梁3吉瓦/12.8吉瓦时储能电站项目建成后,每年预计可向电网输送36亿千瓦时的清洁能源电力。“独立新型储能电站放电时为发电企业,充电时视同电力用户,电网的峰谷电价价差形成利润空间,吸引企业投身于此。
2025-11-20 09:11
加载更多