銀河系長大後是什麽樣子的？

銀河系可能只是可觀測宇宙中數萬億個星系中的一個，但出於個人原因，它對我們來說是獨一無二的：它是我們的宇宙家園。 它是我們的太陽和太陽系的肥沃土壤，包括最終成為地球的天體，在大約46億年前萌芽。 總而言之，它由幾千億顆恒星、大約一萬億個太陽品質的暗物質、一個大約400萬個太陽品質的超大品質中心黑洞以及大量的瓦斯和塵埃組成。 這並不例外; 實際上，我們是現代星系的典型代表，可能還有一千億個與我們相似的星系。 我們既不是最大也不是最小的星系，也不是超大品質星系團或孤立發現，而是一個中等大小的星系群，我們是第二大星系。

然而，真正讓我們與眾不同的是，我們的銀河系家園已經前進演化了。 一些星系生長迅速，耗盡了它們的瓦斯燃料，當它們失去形成新恒星的能力時，它們就會變得「紅色和死亡」。 一些星系經歷了重大的合並，在這些碰撞之後，通常從富含瓦斯的螺旋轉變為無瓦斯的橢圓。 還有一些人經歷了巨大的潮汐破壞，導致席卷、膨脹的螺旋臂。 不過，銀河系不是。 我們完全是以一種典型的方式長大的。 我們是如何走到這一步的。

漩渦星系（M51）沿其旋臂呈粉紅色，這是由於正在發生的大量恒星形成。 在這種特殊情況下，附近的一個星系與漩渦星系的重力交互作用正在觸發這種恒星的形成，但所有富含瓦斯的螺旋都表現出一定程度的新恒星誕生。 學分 ：X 射線：NASA/CXC/SAO/R. DiStefano 等人; 光學：NASA/ESA/STScI/Grendler

目前，像銀河系這樣的星系非常普遍。 以下是類似銀河系的星系通常顯示的一些特性：

這樣一個龐然大物，總品質如此之大，對附近的其他一切施加了巨大的重力。 你可以從遠處認出這樣的星系，從從它流出的大量星光中。 但不可能永遠這樣。 我們所知道的是，我們的宇宙始於大約138億年前的大霹靂，而星系不可能一直都是這樣。 事實上，如果我們回頭看得足夠遠，我們可以看到現代和古代銀河系之間的差異開始顯現。

與當今銀河系相媲美的星系數量眾多，但與我們今天看到的星系相比，類似銀河系的年輕星系本質上更小、更藍、更混亂、瓦斯更豐富。 對於第一個星系來說，這種效應達到了極端。 早在我們所見，星系就遵守這些規則。 圖片來源 ：NASA、ESA、P. van Dokkum（美國耶魯大學）、S. Patel（美國萊頓大學）和 3-D-HST 團隊

與我們今天看到的銀河系和其他類似銀河系的星系相比，來自很久以前和遙遠的星系是：

換句話說，我們今天的星系是138億年宇宙演化的結果，大量的小原星系合並在一起，形成了一個比平均水平更大的星系，同時不斷吸引更多的物質進入自身。 我們是無數其他星系被我們自己的星系吞噬後剩下的東西。

我們如何建造銀河系的故事就像用樂高積木建造一個巨大的結構。 只是，樂高積木不會隨著時間的推移而保持不變，而是在我們組裝結構時積極改變形狀。 這就像從所有部件開始，將 100 個不同的 X-Wing 樂高戰鬥機組合在一起，並在完成後以一艘殲星艦結束。 我們可以了解這一點的方法之一是透過調查我們銀河系暈內的球狀星團，並行現其中許多具有與它們在宇宙歷史的各個關鍵點進入和加入銀河系相關的特性：我們宇宙過去等級合並的證據。

重建了銀河系的合並歷史，以及添加到我們銀河系中的恒星品質以及每次合並產生的球狀星團的數量。 然而，這種重建具有很大的不確定性，如與每個合並事件相關的曲線所示。 例如，最新的研究基於次巨星而不是球狀星團（如圖所示），將蓋亞-土衛二的合並可能比海妖合並更早。 圖片來源 ：JM Diederik Kruijssen 等人，MNRAS，2020 年

你看，星系不僅僅是透過吸引其他星系並合並在一起形成更大的星系而增長的。 星系也會自行經歷演化，這意味著它們：

雖然最終成長為銀河系的最早的原始星系可能是在大霹靂後大約2億至2.5億年形成的，但宇宙演化在那段時間裏一直在繼續。

導致最早的原始星系的第一階段是最早的恒星和星團的形成，大約需要1億年，由大霹靂遺留下來的原始物質（氫和氦）形成。 這些星團演化得很快，導致它們的恒星非常迅速地結束了生命。 當這些恒星死亡時，它們用重元素汙染了星際介質，然後產生了第二代恒星。 到2億到3億年過去時，許多星團已經相互合並，並從星系際環境中吸收物質，產生了 第一個成熟的星系 .

目前正在經歷重力交互作用或合並的星系幾乎總是在形成新的、明亮的、藍色的恒星。 起初，簡單的塌縮是恒星形成的方式，但我們今天看到的大多數恒星形成都是由更劇烈的過程產生的。 這些星系的不規則或擾動形狀是正在發生的事情的關鍵標誌，這些合並的證據可以追溯到我們目前望遠鏡所能看到的範圍內。 圖片來源 ：NASA、ESA、P. Oesch（日內瓦大學）和 M. Montes（新南威爾斯大學）

然後宇宙網開始形成 。 隨著時間的流逝，受光速限制的重力可以將其範圍延伸到越來越遠的距離，導致更大規模的物質團塊相互墜落。 當一個比早期星系小的團塊落入時，它會被潮汐撕裂並緩慢地流入星系內部，隨著時間的推移，它的組成物質會被吸收。

這些事件被稱為小合並，很常見，任何屬於較大星系的星系，其品質高達較大星系的三分之一左右，都屬於這一類。 較大星系中的任何內部結構，如旋臂、恒星形成區域、條形或凸起，都應該保持完整。 與此同時，「吞噬」星系增加的額外瓦斯和塵埃為新一代恒星提供了新的燃料。 恒星形成通常在合並事件中加劇，即使是輕微的合並事件。 在宇宙歷史的前20億或30億年中，這個過程非常普遍。

當宇宙中發生類似大小的星系的重大合並時，它們會從其中存在的氫氣和氦氣中形成新的恒星。 這可能導致恒星形成速度的嚴重增加，類似於我們在3000萬光年外的附近星系Henize 2-10中觀察到的情況。 如果內部有大量的瓦斯殘留，這個星系可能會在合並後演變成另一個盤狀星系，或者如果所有或幾乎所有的瓦斯被當前的星爆排出，則會演變成一個橢圓星系。 圖片來源：NASA、ESA、Zachary Schutte （XGI）、Amy Reines （XGI）; 處理：Alyssa Pagan （STScI）

然而，隨著時間的流逝和宇宙的膨脹，平均而言，合並變得不那麽常見，但更重要。 星系聚集在一起，聚整合許多不同大小的星系團，但偶爾可以形成大型星系團，其品質是我們本星系群的數百倍甚至數千倍。 這些密集的星系團是宇宙中最壯觀的景象之一，但它們也相對罕見：大多數品質和大多數星系都存在於像我們這樣的小星系群中，而不是我們在宇宙中普遍看到的巨大星系團。 當宇宙歷史的前40億或50億年過去時，很明顯我們永遠不會成為一個巨大的星團的一部份; 附近的星系群，如獅子座群、M81星系群和室女座星系團，都超出了我們的範圍。

然而，重要的是，如果我們想保持銀河系的銀河系，有大量的瓦斯，一組旋臂，內部有持續的恒星形成，那麽這些合並就要保持很小。 如果我們經歷一次重大的合並，兩個大小相似的星系發生碰撞，它們會引起巨大的恒星形成爆發，這可以：

當發生重大合並時，上述所有三個事件都有可能因此而發生。 它可能不是大多數重大並購的結果，但在重大並購常見的豐富環境中，巨型橢圓機也很常見; 在主要合並很少的地方，盤狀星系，如螺旋星系，則更為普遍。

超大品質，合並的動態星系團Abell 370，重力品質（主要是暗物質）推斷為藍色。 許多橢圓星系在這樣的大品質星團中被發現，這是數十億年前發生的重大合並的結果。 仍然有大量的螺旋，因為這個星系團的總品質可能超過本星系團的一千倍。 圖片來源 ：NASA、ESA、A. Koekemoer （STScI）、M. Jauzac（杜倫大學）、C. Steinhardt（尼爾斯波耳研究所）和 BUFFALO 團隊

然而，我們居住的銀河系顯然仍然是一個盤狀星系，有多個旋臂，內部仍在進行恒星形成：我們還沒有變成一個巨大的橢圓，這告訴我們，在我們的銀河系中，沒有發生過很多（如果有的話）重大合並。 如果這樣的事件發生了，我們可能已經預料到我們會看到大量的恒星，這些恒星似乎都是在很久以前的某個特定時間在整個銀河系中形成的。 在我們自己的銀河系中沒有這樣的星系，但我們的鄰居仙女座星系中有一個：這表明，也許在大約20億或30億年前，曾經是本星系群的第三大星系，僅次於仙女座和我們自己，與 仙女座 合並，產生了現代的「大姐姐」星系，就在隔壁，我們可以在自己的夜空中用肉眼看到。

需要大量的品質聚集在兩個相鄰的地方，隨著時間的推移而積累起來，才能形成一個重大的合並。 只要一個星系足夠大（如銀河系大小或相當）並且富含瓦斯，就會有物質來支持和促成新恒星的形成。 只要星系具有角動量和首選的自轉軸（在沒有重大合並的情況下，它們不可避免地會這樣做），只要它們有足夠的時間穩定成穩定的形狀（在我們的宇宙歷史中，138億年後，它們都會有），我們期望它們在內部具有螺旋形狀和結構。

孤立的星系MCG+01-02-015，在各個方向上都孤獨地超過100,000,000光年，目前被認為是宇宙中最孤獨的星系。 在這個星系中看到的特征與它是由一系列小合並形成的巨大螺旋一致，但從未經歷過大的合並，並且在過去的數十億年裏，恒星形成活動相對平靜。 圖片來源 ：ESA/Hubble & NASA and N. Grogin （STScI）; 致謝：朱迪·施密特

我們的銀河系可能是從一系列原始星系發展而來的，這些原星系沈澱成螺旋狀，然後逐漸吞噬了附近存在的許多較小的星系：這些星系曾經是本星系群的一部份，但其存在已被銀河系同類相食的宇宙暴力所抹去。 我們甚至沒有收集到這些小星系中的大部份，也沒有收集到我們本星系群中的物質; 這一榮譽屬於我們的鄰居仙女座。 我們也沒有完成合並過程：今天有衛星星系與我們合並，我們郊區的一些星系，如兩個麥哲倫星雲，可能會在未來幾億年內被吞噬（可能存活到幾十億年）左右。

在生物學中，幸存下來的生物遵循自然選擇法則：適者生存，以及最能適應不斷變化的條件的生物。 然而，對於星系來說，情況卻大不相同。 將銀河系帶入銀河系的宇宙故事是最大和最龐大的生存故事之一：具有最大慣性的物體，以及最大的抵抗力，不會因與另一個星系的相遇而受到嚴重破壞。 當談到在很長一段時間內統治銀河系人口時，品質是決定什麽和誰幸存下來的壓倒性因素。

最初，物質團塊形成相對隨機的、不對稱的形狀：我通常認為是「馬鈴薯狀」，但天體物理學家更經常近似於三軸橢球體：三個3D軸中的一個比另外兩個短的物質分布。 隨著時間的流逝，最短的軸首先坍塌，導致其中的正常物質「煎餅」或飛濺。 這最終形成了一個扁平的圓盤狀形狀，並且該圓盤具有角動量，因此旋轉。 當它旋轉時，它內部的結構，如螺旋臂，開始纏繞。 結果，隨著時間的流逝，盤狀星系的旋臂變得更加明顯和發展，在它們內部積累了越來越多的轉數。

馬刺從這些臂中出現，內部和外部影響的重力交互作用導致恒星沿著星系的尾端形成。 當更多的瓦斯流入銀河系的郊區時，它最終會流向中心。 隨著星系的不斷演化，它們也發展出許多可辨識的特征：

從某種意義上說，我們已經知道我們的命運是註定的。 大約40億年後，銀河系本身註定要開始與仙女座合並，然後在30億年後，合並過程預計將完成：產生一個新的、更大的、單一的星系，它已經有一個相當詩意的名字Milkdromeda。

一系列劇照，展示了銀河系-仙女座合並的視覺化，以及天空在發生時將如何與地球不同。 這種合並將在未來大約40億年開始發生，恒星形成的巨大爆發將導致一個枯竭，瓦斯貧乏，更前進演化的星系~70億年後。 盡管涉及的恒星規模和數量巨大，但在這次事件中，只有大約1000億分之一的恒星會碰撞或合並。 盡管這裏有插圖，但星系的最終形式更有可能是一個富含瓦斯的、擁有圓盤的星系，而不是所示的橢圓星系，因為只有一小部份的主要合並導致了紅色和死亡、無瓦斯的橢圓最終狀態。 圖片來源 ：NASA; 歐空局; Z. Levay 和 R. van der Marel，STScI; T. Hallas 和 A. Mellinger

導致銀河系的宇宙故事是一個不斷前進演化的故事，但不一定是極端暴力的前進演化。 我們可能是由數百甚至數千個較小的早期原始星系和合並在一起的早期星系形成的。 我們今天看到的旋臂很可能是透過交互作用形成的，只是從一個不斷發展的、富含瓦斯的盤狀星系的旋轉、富含瓦斯的性質中重新形成的。 恒星的形成是波浪式的，通常是由微小的合並或重力交互作用引發的，但也發生在我們銀河系生命中的平靜時期：靜止的恒星形成。 最後，隨著恒星的生死，這些恒星形成的波浪帶來了超新星速率的增加、恒星災難和星際介質的重金屬富集。

這些變化不是一下子突然發生的，而是以持續的方式發生的。 它們不僅是我們宇宙過去的一部份，而且仍在發生，並將在未來幾十億年後得出一個極其壯觀的結論，因為本星系群的所有星系最終都會合並並合並在一起。 每個星系都有自己獨特的宇宙故事，銀河系只是一個典型的例子，它比宇宙中發現的星系更成熟，比平均水平大，但不是最大的星系之一。 重要的是要認識到，這個故事還沒有結束。 盡管我們長大了，但銀河系，我們的宇宙家園，仍在不斷發展。