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

  • 习近平出席2025年上合峰会国际贵宾欢迎宴会

  • 习近平主持“上海合作组织+”会议并发表重要讲话

独家策划

推荐阅读
记者近日从国家发展改革委获悉,围绕《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》(以下简称《意见》),相关部门将制定出台一系列配套文件。具体来看,一方面将围绕《意见》提出的6大行动若干重点行业领域,分别制定“人工智能+”具体实施方案,进一步细化各行业目标任务、重点方向和工作举措。
2025-09-01 09:56
8月26日,国务院印发《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》。大力发展智能农机、农业无人机、农业机器人等智能装备,提高农业生产和加工工具的智能感知、决策、控制、作业等能力,强化农机农具平台化、智能化管理。
2025-09-01 09:55
生产车间里,抽气泵凹槽上蒸汽弥漫,极细的金属导体经过氯化液处理,三次涂漆后,再附上绝缘漆膜,最终制成直径仅0.012毫米的成品电磁线。 银西产业园甘肃康视达隐形眼镜有限公司的厂房内,智能化生产线高效运转,无人搬运车有序穿梭,整个流程高度自动化。
2025-09-01 09:53
江南大学是一所以轻工特色见长的“双一流”建设高校,发酵工程学科凭借深厚的学科积淀和前瞻性布局,成功跻身国家“A+”学科行列。学校与发酵行业龙头企业共建16个联合研究中心,聘请16名教授级高工和国家级科创人才担任工程技术导师,推动研究生深入产业一线。
2025-09-01 09:52
在山东省大学生创新大赛(2025)暨中国国际大学生创新大赛(2025)山东赛区比赛中,哈尔滨工业大学(威海)材料科学与工程学院参赛队共荣获10项金奖、1项银奖。 山东省特种焊接技术重点实验室是山东省焊接领域唯一的重点实验室,突出在特种环境、特种材料以及特种结构方面的焊接技术及装备制造研究。
2025-09-01 09:51
当前,全球科技革命与产业变革加速演进,人工智能(AI)正从“辅助工具”跃升为驱动社会变革的核心引擎。
2025-08-29 09:40
中国科幻完成了从文学、影视到互动娱乐的全产业链突破,步入业态融合与创新驱动的关键阶段。科幻阅读作为科幻产业链上游的基础产业,需率先探索高质量发展路径。
2025-08-29 09:38
作为太阳系中目前已知唯一拥有生命的天体,地球宜居性的形成与演化是地球系统科学研究的核心议题。
2025-08-29 09:35
国家气候中心统计数据显示,截至8月28日,华北雨季已持续55天,较常年雨季长度(30天)明显偏长。截至8月25日,华北雨季监测区累计雨量较雨季常年值偏多131%。
2025-08-29 09:18
8月29日是七夕节,在古代神话中,牛郎和织女因为被天上的银河隔开,只有在每年农历的七月初七才能通过鹊桥相会。那么,银河到底有多宽?
2025-08-29 09:17
浙江大学物理学院王浩华团队、杭州国际科创中心郭秋江超导量子计算团队联合清华大学邓东灵团队,在百比特超导量子芯片上观测到,“预热化”机制能有效抵御热激发扰动,使有限温度下的拓扑边缘态展现出了足够的稳定性,为保护脆弱的量子信息提供了新可能。
2025-08-28 09:47
6G时代,无论在城市楼群还是偏远山区,都需要数据的高速传输和快速接入,但基于纯电子技术的传统无线设备带宽受限、频段单一,难以动态调度频谱资源。
2025-08-28 09:47
8月26日,《关于深入实施“人工智能+”行动的意见》发布。为何要出台这份文件?这份文件重点说了些什么?记者采访了国家发展改革委参与文件起草的专家。
2025-08-28 09:45
从“人工智能+”发展进展来看,朱克力认为,在政策层面,形成了举国体制,算力基础设施、数据供给、人才体系等基础支撑全面强化。
2025-08-28 09:37
工业和信息化部近日印发《关于优化业务准入促进卫星通信产业发展的指导意见》。意见明确,鼓励卫星通信在工业、农业、交通、能源、城市治理等各行业各领域创新应用。
2025-08-28 09:35
8月26日,国新办举行“高质量完成‘十四五’规划”系列主题新闻发布会,介绍“十四五”时期能源高质量发展成就。
2025-08-27 09:36
王蜜所在团队养蜗牛的装置和她用指甲油给蜗牛壳做的标记(首次发表,非授权禁止转载)。在中科院地球环境所,针对蜗牛壳体季节尺度研究,副所长晏宏提出的理念是,用空间换时间。
2025-08-27 09:47
8月8日至12日,第十届世界机器人大会在北京举行。”  近年来,更多养老机器人在家中、社区及养老机构落地应用,从桌面式机器人、轮式底盘型机器人到人形机器人,“人机共栖”的智慧养老图景正加速照进现实。
2025-08-27 09:45
作为海洋生物医药研发的特色方向,海洋中药尚不能满足中医药产业发展需求,其开发和利用还处于起步阶段。在产业转化环节,郑明月指出,应借鉴“算法开发—标靶确证—临床转化”范式,构建海洋天然产物专属数据库和AI工具。
2025-08-27 09:45
一项近日发表于《应用生理学、营养学与代谢》的研究发现,摄入动物蛋白质食物与更高的死亡风险无关,甚至可能降低与癌症相关的死亡率。论文第一兼通讯作者、加拿大营养策略公司负责人Yanni Papanikolaou表示,“综合这类观察数据与临床研究,很明显,动物蛋白和植物蛋白均有益于健康长寿。
2025-08-27 09:43
加载更多