人生匆匆不過百年，無盡的星系是否和人類一樣有始有終？

斯郎曲培卓擁 2019-07-14

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問：我是一個8歲的學生，想要了解星系的生命周期。一個星系的開始和消亡是怎樣的呢，還是它們只是不斷演化，不斷和其它星系融合呢？

答：你的問題非常好。雖然現(xiàn)在關(guān)于星系的形成和演化的細節(jié)還有很大的爭議，但是有一套被廣泛接受的理論解釋星系是如何形成的理論的。

宇宙在誕生之初，少量的物質(zhì)先塌縮和合并在一起，先形成小型的星系，逐漸形成星系團這樣越來越巨大的結(jié)構(gòu)。假設宇宙中暗物質(zhì)是非相對性的，物理學上有對應的理論解釋這個過程。我們把這種暗物質(zhì)粒子稱為“冷暗物質(zhì)”的，所以很多天文學家把這個理論叫做“冷暗物質(zhì)模型”。

在冷暗物質(zhì)理論中，暗物質(zhì)暈通過重力互相聯(lián)結(jié)，從宇宙膨脹的整體中脫離開來，不再隨著宇宙膨脹。暗物質(zhì)暈逐漸吸引更多的物質(zhì)聚集起來，最終形成星系。所以在某種意義上，暗物質(zhì)暈一旦形成，產(chǎn)生的重力就會吸引普通物質(zhì)（重子物質(zhì)）向其中心移動。移動過程中，重子物質(zhì)的角動量保持不變，因此越接近暗物質(zhì)暈的中心，重子物質(zhì)旋轉(zhuǎn)得越快。暗物質(zhì)暈當中的重子物質(zhì)在這個過程中形成了一個可以演化出恒星的盤，類似我們看到的旋渦星系一樣。

星系之間的碰撞使上述的“被動”演化的情況變得復雜——最近有數(shù)值模擬結(jié)果表明，碰撞的過程會影響星系的樣子（形態(tài)）。一般來說，星系的形態(tài)似乎由它在演化過程中所經(jīng)歷的碰撞類型決定：多數(shù)的星系合并發(fā)生在兩個質(zhì)量相近的星系之間，這種情況下會形成橢圓星系；少數(shù)的星系合并發(fā)生在兩個質(zhì)量差異較大的星系之間，這樣的合并過程不會對星系的演化造成影響，星系會繼續(xù)演化成為一個扁平的盤。換言之，橢圓星系都正在經(jīng)歷合并，而很薄的圓盤星系很可能長時間內(nèi)沒有經(jīng)歷過星系合并，其他形態(tài)的星系則介于兩者之間。并不是所有對星系的觀測結(jié)果都支持這個星系合并演化的觀點，然而大部分的觀測都大致符合這個規(guī)律。因此，星系的“生命”由恒星形成和可能發(fā)生的碰撞等一系列事件組成，這取決于它所處的環(huán)境和最初形成星系盤的重子物質(zhì)的性質(zhì)。至于星系生命的“終結(jié)”，定義起來就有點復雜。

假設星系間在一定時間內(nèi)互相之間不發(fā)生碰撞，那么星系的演化就受星系盤中恒星的形成過程控制了。雖然星系中恒星的形成過程是循環(huán)發(fā)生的——氣體形成恒星，恒星死亡，其中大部分的氣體又變回星際物質(zhì)。在每一個恒星形成-消亡周期中，都有一部分氣體殘留在小質(zhì)量的恒星殘體中，這樣最終將沒有足夠的活躍氣體來形成新的恒星。當殘留的星際物質(zhì)變得暗淡，星系也逐漸不再發(fā)出任何光芒了。星系的暗物質(zhì)盤是一直存在的，所以如果通過暗物質(zhì)盤的形成來定義星系的誕生，由于暗物質(zhì)盤在恒星形成過程停止之后仍然存在，那么沒有任何一個星系會出現(xiàn)這種意義上的“死亡”。

當然，在現(xiàn)實中，我們知道大多數(shù)星系都以群系和星系團的形式存在，因此會發(fā)生許多碰撞。當兩個星系相撞時，它們的暗物質(zhì)暈會合并成更大一點的暗物質(zhì)暈。這時，我們可以認為大質(zhì)量星系和小質(zhì)量星系的合并是小質(zhì)量星系的“死亡”以及大質(zhì)量星系的增長，對于質(zhì)量相近的兩個星系的合并，則可以視為兩個星系消亡“重生”成為一個更大的星系。

如果有足夠的時間，所有的星系會不會都碰撞到一起，從而合并成一個暗物質(zhì)暈？這實際上取決于宇宙膨脹的速度。我們認為宇宙目前的膨脹速度是隨著時間的推移而加速的，那么不同的星系群和星系團將永遠不會相互融合。因此，在未來，某一群或某一星系團的成員可能會合并成一個可怕的“超級星系”，但超級星系之間不會相互碰撞。它們的暗物質(zhì)暈將永遠存在(假設暗物質(zhì)不與任何東西相互作用)，從而使它們比宇宙中的所有其他物體上都更不朽。