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宇宙中的星系:星系的形成及演化

2024-04-27科學

星系 這個詞在英語中的詞源來自希臘語,意思是滿天繁星。星系從廣義來說指的是由無數恒星系和星際物質組成的執行系統。就像我們身處的銀河系一樣,包含約 1000 億顆恒星,數不清的星際物質、宇宙塵埃和暗物質,並且受到重力的束縛,圍繞著銀河系的核心緩慢旋轉。星系在旋轉時有兩種方式,一種是眾多品質小的星球圍繞著一個品質巨大的核心執行,還有一種是星球之間具有一個共同的質心,星球們圍繞著這個質心轉動。宇宙中的多數星系都是以第一種方式執行的。

星系的種類有很多,矮星系中只有幾千萬顆恒星,橢圓星系則可能有成兆顆恒星。但是它們的共同點是都具有一個品質核心,並且繞著它進行運轉。一個星系中通常不但包含單獨的恒星和星際物質,還包含數量眾多的雙星乃至多星系統,以及星團和星雲。

在星系之間的廣大區域,是極其稀薄的電漿。這些電漿具有宇宙的纖維狀結構,並且比宇宙的平均密度要高。我們將這樣的物質稱作星系際介質。這些介質通常是氫元素發生游離後形成的,含有等量的電子和質子。星系際介質的密度通常能夠達到宇宙平均密度的 10~100 倍,在一些富星系團內能夠達到平均密度的 1000 倍以上。

在人類能夠觀測到的宇宙範圍內,擁有超過 1000 億個星系。這些星系能夠形成龐大的星系群或者星系團,這些星系團又會形成更大的超星系團。從遠處看它們像纖維狀的薄片一樣,在宇宙中圍繞著某個巨大的空洞旋轉。

星系中還存在著許多暗物質。雖然我們對暗物質還沒有深 的了解,但是能夠推算出在很多星系中這些暗物質所占的品質都超過 90% 。同時,根據我們的觀測,大多數星系的核心都有一個超大品質的黑洞,這些黑洞能夠解釋為什麽有些星系的核心非常活躍。我們太陽系所在的銀河系,也具有一個隱藏著的黑洞核心。

星系的大小往往具有很大的差距。小型的不規則星系通常直徑在 6500 光年到 2.9 萬光年之間。銀河系這樣的漩渦星系的直徑通常在 1.6 萬光年至 16 萬光年之間。橢圓星系的體形較大,最大的橢圓星系的直徑能夠達到 49 萬光年。星系中擁有數幹億顆恒星,具有的品質相當於太陽品質的 100 倍至 1 萬億倍。星系內部的恒星進行運動,星系本身圍繞核心自轉,星系作為一個系統在宇宙中也進行運動。星系在宇宙微波背景上具有紅移現象,這就說明在空間方向上這些星系是在逐漸遠離我們的。這個現象從一個角度上證明了宇宙大霹靂理論,也能說明宇宙正在膨脹。

從大尺度上來說,星系是基本均勻的。但是從更小的尺度上來看,星系內部十分不均勻。大麥哲倫星系與小麥哲倫星系組成了雙重星系,這個系統與銀河系一起又形成了一個三重星系。

很少有星系在宇宙中是單獨存在的,通常來說星系都被看作視場星系。很多星系和其他星系之間存在著重力的交互作用。如果有 50 個左右的星系在一起形成一個群落,這樣的星系群落就被稱為星系群。規模更大、包含星系更多的群落則被稱為星系集團。這樣的集團通常以一個巨大的橢圓星系作為核心。這個星系的巨大重力會將鄰近的星系撕碎,加 自己的星系中。在更大的尺度上,還存在著超星系集團,其中包含數萬個星系、星系群和星系集團。在這個尺度上,星系仿佛一個薄片,在各個方向都呈現出同性和均質。

星系的形成和演化說法不一,關於星系的形成有兩種不同的理論。其中一種理論認為,星系是和宇宙一起誕生的,始於 137 億年前的宇宙大霹靂 宇宙中最古老的星系應該形成於爆炸發生後的。還有一種理論認為,星系是由宇宙塵埃的結合形成的。該理論認為,宇宙本來具有很多球狀星團,這些星團發生碰撞並淪陷,留下了很多宇宙塵埃,這些塵埃經過漫長的歲月,就形成了星系。

在宇宙中,星系的分布呈現出網狀。從更大的尺度上來看,星系的中央是類似氣泡的空白區,整體上形成的是類似神經網路一樣的結構,這就是宇宙的大尺度分布。人類所在的銀河系,是一個星系群中的一分子。這個星系群的規模不大,其中最大的兩個星系分別是銀河系和仙女座星系 星系群中的其他矮星系是這兩個大星系的衛星星系。