正在阅读: 宇宙大厨神!星系的形成和演化
首页> 科普频道> 光明天文> 天文前沿 > 正文

宇宙大厨神!星系的形成和演化

来源:光明网2019-01-31 15:39

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  我们都知道,地球在围绕着太阳周而复始地运动着。太阳作为一颗恒星,只是银河系千亿颗恒星中的一颗,而银河系也远远不是宇宙的全部。银河系之外有其他大大小小的,形态、颜色、质量等各不相同的星系,据估计总数目至少有两万亿个。

宇宙大厨神!星系的形成和演化

图1. 哈勃超深空场(Hubble Ultra Deep Field)的图像。图中所显示的区域仅占全天空面积的约32,000,000分之一,其中包含了超过5000个星系。https://imgsrc.hubblesite.org/hu/db/images/hs-2014-27-a-full_jpg.jpg

  有的星系和我们的银河系很像,呈现相对扁平的盘子一样的形状,还有旋转的手臂从中心向外延伸,整个星系如果从侧面看是一个细长条。有的星系更像一个胖乎乎的椭球,从哪个方向看都是圆滚滚的。有的星系颜色发蓝,有的明显是橙红色。

  对于星系更进一步的研究表明,它们所包含的成分也很不一样。在恒星成分之外,有的星系包含很多冷的气体,有很多恒星正在形成,而另一些星系里几乎只有热的气体,也没有新的恒星形成的迹象。这些星系的恒星成分的质量也是很不相同的,有的质量很大,有的相对小很多,差别可以超过一万倍甚至更大。

  但是另一方面,这些性质差别很大的星系又存在一些共性。例如,总的说来,大质量星系中红色的比较多。我们还发现,红的星系更有可能是椭球形的,呈现出盘状或者侧向细长条的相对比较少。这其中也有例外,并不符合大部分星系所遵循的规律。

宇宙大厨神!星系的形成和演化

宇宙大厨神!星系的形成和演化

图2.上图:椭球星系 ESO 325-G004 https://imgsrc.hubblesite.org/hu/db/images/hs-2007-08-a-full_jpg.jpg

下图:盘状的旋涡星系 NGC 6744 https://www.eso.org/public/images/eso1118a/

  这些千差万别的星系是怎么形成,并且随着时间逐渐演化到我们所看到的样子的?这就是星系形成和演化研究想要解答的主要问题。

  然而,要解答这个问题是非常困难的。一方面,相对而言人类的历史太短,星系的演化太慢,我们只能看到137亿岁的宇宙刹那间的快照,无法见证星系的诞生和演化的整个过程。即使仔细研究手头的观测结果,得到的信息也有限。另一个原因是,星系中包含的物质成分各样,涉及的物理过程很多,并且交织在一起相互影响,导致整个图景过于复杂,剪不清,理还乱。所以理论上的解释模型目前并没有办法完全恢复所有观测,即使是统计方面的共性规律也没有完全被理解。

  这就好像你吃到了一桌满汉全席,每一道菜各不相同,都异常美味,同时享用到更是千载难逢的机会。你特别想知道每道菜是怎么做出来的,这样回家你也可以一试身手。然而你见不到打造这桌美味的神秘大厨,无法当面请教,也看不到大厨的操作,你只能在享用的时候细细品味,努力记住味道,并且拍下菜肴的照片,回家继续琢磨,不断试验。

宇宙大厨神!星系的形成和演化

来源:《满汉全席之进宫》漫画绘本 扬眉/绘

  星系的各种观测结果就好像是你记忆中品尝到的味道,以及拍摄下来的每道菜的照片。观测天文学家们会仔细分析研究得到的这些有限的信息,从图像中测量星系的亮度、颜色、大小,从光谱中得到速度、组成的成分、恒星形成的活跃度等信息,找到决定星系性质的关键因素。另一方面,理论模型研究工作就是不断猜想并试验,努力恢复观测到的结果的过程。

  你知道做出某道菜的主要基本食材,比如是牛肉还是鸡肉,也根据尝到的味道知道要放盐、胡椒、辣椒之类的调味,还知道一定会需要用某种方式来不断加热才能让食材变熟。识别出菜品是涮锅还是烧烤出来的是很容易的,如果你小通厨艺,根据平时自己的经验也大概可以说出来是烧的炒的还是炸的。但是,你把一眼就猜得到的东西和加工方法都用上,出来的味道和大厨做的怎么就不一样呢?

  宇宙大厨神,又是如何做出不同形态的美妙的星系的呢?

  对于星系而言,我们现在知道星系的形成要经历几个主要的过程。宇宙之初并没有恒星也没有星系,主要是温度比较高的氢气和氦气。当这些气体由于引力作用聚集成足够大的气体团块之后,气体团块会塌缩并且冷却。冷的气体团块局部密度达到足够大的时候,就会开始形成恒星,而在恒星形成和演化过程中会产生氢和氦之外的其他元素。

宇宙大厨神!星系的形成和演化

图3.大麦哲伦星系中的恒星形成区域 LH 95 。图中可以看到较暗的气体和尘埃带,以及正在形成和已经形成的恒星。NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration http://hubblesite.org/image/2024/news_release/2006-55

  通过理论研究以及和观测的相对比我们还知道,气体并不会一直冷却并持续地形成恒星,而是存在某些过程,阻止气体的冷却或者加热已经冷却的气体。后者被称为反馈过程,目前认为由超新星爆发或者星系中心的黑洞吞没周围物质而释放出大量能量造成。反馈过程使整个形成和演化过程变得复杂。

  此外,星系并不是孤立存在并且演化的。有的星系距离相对较近,相互之间的引力会让它们相互吸引不断靠近。最终它们可能会碰撞并合成一个更大的星系,这一点让星系的性质发生融合和改变,情况进一步复杂化。

宇宙大厨神!星系的形成和演化

图4.正在发生并合的两个星系 NGC 4038-4039,又称天线星系。因为潮汐作用而产生的长长的“天线”在这幅照片中没有被包括进来。NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration http://hubblesite.org/image/1995

  这些过程,好像同时烹饪几种不同的食材和调味料,一种味道会融入其他的味道中一样,让人有时候无法分辨到底是用了什么食物,什么调味品。也许更重要的是,用的什么火候,分别多长时间。我们只能不断实验,改变材料配比,改变大小火候的掌握。

  如果经过很多实验,味道还是不对,你会猜测,宇宙大厨神一定有自己的独门秘技。也许每个菜它都用了我们还不知道的特别的配料,也许有的菜用了特别的烹饪方法。我们只能根据经验和观测去猜测并继续测试。把一道菜试对了就是很了不起了,而我们对宇宙中星系的了解需要对整桌满汉全席都能恢复,还要让整桌菜在几天内被做出来,遵循同样的物理规律,达成天时地利人和。想想就是件不可能的任务。

  然而,科学家都是强迫症,和好吃佬一样,不达目的无法罢休。一方面,继续对宇宙的观测,并用更先进的技术分析得到的观测,希望从观测中得到更多的提示,即使是蛛丝马迹。另一方面,实验仍然在继续,对于大厨神秘诀的探究也不会止尽。

  作者:王岚,系中国科学院国家天文台副研究员

[ 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

  • 平坦的河南,崛起的中原

  • 我国本土发现的首块月球陨石有重要发现

独家策划

推荐阅读
“日出而作、日落而息的传统农耕图景,正在被代码、传感器和无人机重新绘制。”春日里的华中农业大学襄阳书院,校长严建兵对着身旁年轻的面孔说,“对智慧农业而言,广袤的科研一线就是前沿阵地。
2026-04-23 09:41
铈镁嫦娥石是一种新的含稀土磷酸盐矿物,属于三方晶系。据了解,铈镁嫦娥石发现于第一块坠落在我国境内的月球陨石——Pakepake005陨石。目前,铈镁嫦娥石的原型标本和等型标本分别馆藏于中国地质博物馆和中国地质科学院。
2026-04-23 09:40
崇明东滩保护区位于上海市崇明岛的最东端,是东亚—澳大利西亚候鸟迁飞路线上重要的停歇地和越冬地。工作在崇明东滩这片充满生机和希望的土地上,钮栋梁表示倍感使命光荣,责任重大。
2026-04-23 09:39
近日,中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于更高水平更高质量做好节能降碳工作的意见》。答:“十四五”以来,各地区、各部门深入贯彻落实党中央、国务院决策部署,认真落实全面节约战略,扎实推进全社会节能降碳,取得显著成效,“十四五”全国能耗强度和碳排放强度降低目标均顺利完成。
2026-04-23 09:39
推动伦理嵌入设计,实现伦理治理的前置化,更是推动人工智能治理范式从被动应对向主动防控、从末端整改向源头管控转型的关键抓手。唯有多措并举,方能真正筑牢人工智能伦理治理的根基,推动人工智能技术在伦理框架内规范、健康、可持续发展,让人工智能更好赋能美好生活。
2026-04-23 09:38
但我们也应该看到,我国的农机生产,尽管数量上去了,在品种的丰富性方面尚嫌不足。实践证明:精准适配的农机,是破解山地农业困境的“金钥匙”,也是农机企业开拓市场的“新空间”。
2026-04-23 09:37
当AI成为企业的核心生产力,工业时代延续百年的科层制必然走向瓦解,一套全新的、适配AI时代的组织规则正在被重新书写。
2026-04-22 14:19
2026年“5·18国际博物馆日”,首都博物馆将推出年度重磅展览——“玉米·黄金·美洲豹:玛雅与安第斯古代文明大展”,约800件珍贵文物将亮相,带观众走进美洲古代文明。
2026-04-22 09:41
中国气象局日前发布首批珍贵一级气象档案名录。中国气象局气象档案馆收藏的“1885—1944年猴矶岛海关气象月总簿”、天津市气象档案馆收藏的“1890—1931年英租界工部局工程处测候所气象统计表”、辽宁省气象档案馆收藏的“1951年中央人民政府人民革命军事委员会气象局全国气象工作会议合影(照片)”等59组气象档案被纳入首批珍贵一级气象档案名录。
2026-04-22 09:40
环节动物是地球上物种最丰富、生态分布最广的动物门类之一。现生的环节动物传统上分为多毛类(如沙蚕和浮蚕)、寡毛类(如蚯蚓)和蛭类(如蚂蟥)。
2026-04-22 09:39
近年来,随着人工智能、机器人等技术的飞快发展,我国自主研发的人形机器人“行者泰山”“天工”“青龙”等频频“破圈”。
2026-04-22 09:31
《报告》展望,未来10年,我国粮食和重要农产品综合生产能力将显著增强,多元化食物供给体系将更加完善,农产品供需将迈向高水平动态平衡新阶段。
2026-04-22 09:29
记者从生态环境部获悉:近日,我国在酒泉卫星发射中心用长征四号丙运载火箭,成功将高精度温室气体综合探测卫星发射进入预定轨道,发射任务获得圆满成功。
2026-04-21 10:34
中医药是中国古代科学的瑰宝,凝聚着中华民族几千年来的健康养生理念及实践经验。“十五五”规划明确提出,要“推进中医药传承创新”,法治作为治国理政的基本方式,能够为中医药传承创新提供坚实保障。要充分发挥法治的固根本、稳预期、利长远作用,以高水平法治赋能中医药传承创新,让中医药这一千年瑰宝在时代浪潮中焕发新的生机与活力,为健康中国建设注入强劲动能。
2026-04-21 10:31
当下,春播春管自南向北次第展开,正是决定一年收成的重要时节。广袤田畴上,各地各部门抢抓农时促生产,科技气息漫遍阡陌,一幅生机盎然的春景图全面铺展。向科技要产能,以智慧启春耕,农业新质生产力在田野间落地生势,成为做好春播春管的底气。
2026-04-21 10:29
网络上针对牛奶到底能不能空腹喝的讨论从不曾停止。如果你空腹喝牛奶后,半小时到两小时内出现腹胀、肚子咕咕叫、排气、腹泻,那很可能是乳糖不耐受。空腹喝牛奶不会“伤胃”,反而可能“养胃”。
2026-04-21 10:26
安徽合肥的科大国盾量子技术股份有限公司内,展出了各类量子移动安全应用产品。合肥近年来不断强化“沿途下蛋”机制,通过企业、资本、科技的融合,助力大科学装置诞生科技成果,并让其孵化走向市场。
2026-04-21 10:25
正值春耕关键期,河南滑县的万亩麦田里,种粮大户不再需要徒步巡查耕地,只需轻点手机,卫星遥感图便将田块边界、墒情分布与作物长势清晰呈现。
2026-04-20 09:51
在苏州大学江苏省先进负碳技术重点实验室,纳米科学技术学院博士生郁操正操作X射线光电子能谱仪,分析一块特殊的测试样品。张晓宏表示,学校将继续深化“学术大师+创新团队”模式,完善交叉课程体系,培养出更多能服务地方产业、对接国家战略、为新质生产力助力的拔尖创新人才。
2026-04-20 09:47
绿色设计不仅是实现碳达峰、碳中和目标的关键工具,更是推动产业转型升级、培育新质生产力的源头性驱动力。“十五五”规划纲要明确提出:“鼓励企业提高绿色设计和制造水平,降低产品全生命周期能源资源消耗和生态环境影响。
2026-04-20 09:44
加载更多