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

  • 逐梦海天 青春滚烫——记海军山东舰起降保障中队

  • 创新潮涌链博会

独家策划

推荐阅读
从意大利实验室到西北农学院,从抗战时期到和平年代,周尧用70年时光让中国昆虫学从5%的定名权走向自主。
2025-07-18 09:06
记者从会上获悉,截至今年6月,我国每万人口高价值发明专利拥有量已达到15.3件,提前实现“十四五”规划预期的12件目标。
2025-07-18 09:04
而在此次观测中,天文学家发现,在HOPS-315及其周围的原始星盘中,不仅存在固态的结晶矿物,还存在气态的一氧化硅。
2025-07-18 09:04
旨在充分发挥计量支撑产业新质生产力发展的基础保障作用,推动“溯源链、创新链、产业链”融合发展,使计量成为促进产业新质生产力发展的催化器和引擎。
2025-07-18 09:04
该所作物耐逆性调控与改良创新团队日前联合国内外研究机构,构建了首个水稻的多器官单细胞多组学图谱,
2025-07-18 04:30
太阳是地球气候系统的主要能量来源,其活动通过总辐射、紫外辐射、高能粒子沉降等多种形式影响地球大气。近年来,我国夏季降水雨带呈现出持续北移的趋势。
2025-07-18 04:30
人机语言交互的“温度”,其核心在于能否实现情感共鸣、文化适配与价值传递。语言不仅是信息符号,更是心灵沟通的桥梁。为冰冷的代码注入人文温度,需在技术突破与设计理念上双轨并进。
2025-07-17 04:30
近日,中国科学院海洋研究所万世明团队,基于海洋沉积物中的黑碳记录,重建了过去30万年以来东亚北部的古火演化历史,结合欧洲、东亚、东南亚及澳大利亚区域的记录以及考古遗址大数据,发现现代人类大规模用火始于约5万年前。
2025-07-17 04:30
在飞行器大家庭中,有一类特别的成员——翼伞。它们没有刚硬的机翼,却凭着一片巨大柔软的“翅膀”,借助风力优雅地翱翔于天际;它们结构看似简单,却蕴含着空气动力学的精妙智慧。翼伞是融合古老降落伞原理与现代智能科技的独特柔性无人飞行器,包含翼、控制系统、负载,如果加上推力系统,就可化身为伞翼无人机。
2025-07-17 04:30
近年来,移动电源行业呈现出较为迅速的发展趋势。与此同时,移动电源安全事故频发,严重威胁消费者生命财产安全。通过制定强制性国家标准,
2025-07-17 03:55
由该院枸杞科学研究所联合中国林业科学院林业研究所编制的《枸杞属植物新品种特异性、一致性、稳定性测试指南》获得国际植物新品种保护联盟通过。
2025-07-17 04:00
武汉华大生命科学研究院联合南方科技大学等单位,在单细胞水平上成功解密了拟南芥叶片衰老的过程。
2025-07-16 10:44
不只是产量最大,“深海一号”大气田还是我国迄今为止自主开发建设的作业水深最深、地层温压最高、勘探开发难度最大的深水气田。
2025-07-16 10:42
我国正研制《卓越工程师培养认证标准》,该标准是保障卓越工程师培养从“样板间”走向宏大队伍的基础。
2025-07-16 10:39
七月下半月和八月上半月是我国主汛期的最重要阶段,应急管理部指导各地加强灾害风险隐患信息报送队伍建设,开展广泛培训,目前总人数已达115万人。
2025-07-16 10:25
为强化未成年人网络保护,营造良好网络环境,近日,中央网信办印发通知,在全国范围内部署开展为期2个月的“清朗·2025年暑期未成年人网络环境整治”专项行动。
2025-07-16 10:23
新时代新征程,以中国式现代化全面推进强国建设、民族复兴伟业,实现新型工业化是关键任务。
2025-07-15 04:10
现阶段,人工智能赋能新型工业化已取得明显成效,但仍存在人工智能关键硬件与开源软件储备不足、人工智能在重点行业领域应用率偏低、人工智能领域人才短缺且结构不合理、缺乏适应人工智能发展的标准体系和法律法规等问题。
2025-07-15 04:10
2025年可谓人形机器人的“破圈”之年。从蛇年春晚舞台的机器人扭秧歌,到北京亦庄的机器人马拉松,再到浙江杭州的机器人格斗赛……人形机器人正从“实验室”迈向各类“应用场”。
2025-07-15 02:55
科考船在狂风巨浪中剧烈摇摆,寻找渺小的目标如同大海捞针。回收沉睡海底半年的海底地震仪,是这次出海科研任务中最艰难的一环。“快看!在那儿!”随着一声疾呼划破沉寂,
2025-07-15 02:55
加载更多