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

  • 上海“日新日异”迈向“AI之城”

  • 北京:入伏养生活动进社区

独家策划

推荐阅读
由此,教育链、人才链、创新链与产业链得以深度贯通,形成“以国家战略任务牵引创新、以创新实践锻造人才、以人才成长支撑国家战略”的良性循环,为高水平科技自立自强和中国式现代化提供持续支撑。由此,国家战略任务牵引下的人才培养,将推动人才在解决复杂问题过程中形成原创能力,在跨学科协同中拓宽战略视野,在长期攻关实践中涵养使命担当。
2026-07-16 09:54
“北科秀场”也在上演精心打造的10集暑期特辑《科学游戏大冒险》,观众化身“科学侦探”,跟随“科博士”和“科代表”开启跌宕起伏的科学冒险之旅。“北科”系列品牌活动还实现分层培养:3岁至8岁可以在“北科童行”游戏中启蒙,6岁至12岁可在“北科展教坊”探究实践,12岁至18岁可在“北科学堂”完成跨学科进阶。
2026-07-16 09:36
由此,教育链、人才链、创新链与产业链得以深度贯通,形成“以国家战略任务牵引创新、以创新实践锻造人才、以人才成长支撑国家战略”的良性循环,为高水平科技自立自强和中国式现代化提供持续支撑。由此,国家战略任务牵引下的人才培养,将推动人才在解决复杂问题过程中形成原创能力,在跨学科协同中拓宽战略视野,在长期攻关实践中涵养使命担当。
2026-07-16 09:35
当钢铁机械遇上童心想象,硬核工业叙事便打破了技术壁垒,在儿童文学中生长出温柔坚韧的力量。开篇岩岩玩积木时爸爸演示的“平行四连杆机构”,最终成为破解矿车转向系统故障的关键,让孩子的奇思妙想对接工业实践。
2026-07-16 09:35
风云卫星的“跨界”应用是中国气象科技对参与我国生态治理与应对全球气候变化挑战,做出的一道“必答题”。更重要的是,风云卫星积累的连续墒情数据,为农作物生长模型构建、气候变化对农业影响分析提供支撑。
2026-07-16 09:34
一个常见误解是,基础研究离市场较远,产业竞争越激烈,越应把资源集中到应用开发和成果转化上。量子信息产业离不开量子力学,人工智能离不开数学、统计学、计算机科学和认知科学,生物制造离不开分子生物学、基因组学和合成生物学,新能源和新材料离不开物理、化学和材料科学。
2026-07-16 09:33
延东煤层气田位于延长县和宜川县境内,是陕西省属企业探明的首个大型深层煤层气田,埋深超2000米,属典型的“自生自储”型深层煤层气藏。
2026-07-15 09:15
中国科学院院士、北京大学干细胞研究中心主任邓宏魁团队发布了其首创的“化学重编程干细胞”技术的自主实验室应用——智能细胞化学重编程和克隆筛选平台。
2026-07-15 09:15
登记面积达37.7万平方公里,绿水青山有了自己的“户口本”。在生态产品价值实现机制方面,探索建立资源权益指标市场化交易机制、生态保护红线内建设用地腾退指标交易激励机制,实现成本共担、生态效益共享。
2026-07-15 09:14
对于我们抢占科技和产业制高点、牢牢把握发展主动权具有重要意义。发展未来产业,前瞻布局管方向、管长远、管全局,梯度培育管路径、管方法、管落实。
2026-07-15 09:14
在美丽乡村建设过程中,推广绿色生产技术、防治农业面源污染等工作的开展,都离不开专业人才
2026-07-15 09:13
国家气候中心预测,今年主汛期我国气候状况总体偏差,极端天气气候事件偏多,东部地区涝重于旱,有南北两条多雨带,其中北方多雨带位于东北地区、内蒙古东北部、华北、华东北部等地。
2026-07-14 10:27
当前,我国传统产业正向着智能化、绿色化、融合化方向转型,这一过程迫切需要青年技能人才的加入。
2026-07-14 10:23
以生态环境高水平保护支撑经济社会高质量发展,须以绿色化引领数字化,以数字化赋能绿色化。
2026-07-14 10:20
据中国载人航天工程办公室消息,13日,将执行嫦娥七号任务的长征五号遥十四运载火箭安全运抵文昌航天发射场。后续,该火箭将与先期运抵的嫦娥七号探测器一起开展发射场区总装和测试工作。
2026-07-14 09:23
2025年,中国汽车取得了三个“全球第一”:汽车产销全球第一,新能源汽车产销全球第一,汽车出口全球第一——中国汽车,已然领跑全球。
2026-07-14 09:22
“数”“绿”深度融合,推动形成具有良好辐射效应的绿色数字产业集群,实现规模效率变革。“数”“绿”深度融合,提高各创新要素和资源的投入产出比,实现全要素生产率变革。
2026-07-14 09:22
正午时分,天山北坡日头正烈。新疆维吾尔自治区昌吉回族自治州奇台县老奇台镇二畦村,种植户张国安又下地了。
2026-07-13 10:02
“始终坚持生态优先、绿色发展”,是青海发展的根本遵循。
2026-07-13 10:02
时隔9年,中国超算重返世界第一!不久前举行的国际超算大会上,国家超级计算深圳中心发布新一代“灵晟”超算系统,实测持续性能达到2.19EFLOPS(百亿亿次/秒),成为世界首台持续性能超2EFLOPS的超算系统。
2026-07-13 10:01
加载更多