银河系长大后是什么样子的？

银河系可能只是可观测宇宙中数万亿个星系中的一个，但出于个人原因，它对我们来说是独一无二的：它是我们的宇宙家园。 它是我们的太阳和太阳系的肥沃土壤，包括最终成为地球的天体，在大约46亿年前萌芽。 总而言之，它由几千亿颗恒星、大约一万亿个太阳质量的暗物质、一个大约400万个太阳质量的超大质量中心黑洞以及大量的气体和尘埃组成。 这并不例外; 实际上，我们是现代星系的典型代表，可能还有一千亿个与我们相似的星系。 我们既不是最大也不是最小的星系，也不是超大质量星系团或孤立发现，而是一个中等大小的星系群，我们是第二大星系。

然而，真正让我们与众不同的是，我们的银河系家园已经进化了。 一些星系生长迅速，耗尽了它们的气体燃料，当它们失去形成新恒星的能力时，它们就会变得「红色和死亡」。 一些星系经历了重大的合并，在这些碰撞之后，通常从富含气体的螺旋转变为无气体的椭圆。 还有一些人经历了巨大的潮汐破坏，导致席卷、膨胀的螺旋臂。 不过，银河系不是。 我们完全是以一种典型的方式长大的。 我们是如何走到这一步的。

漩涡星系（M51）沿其旋臂呈粉红色，这是由于正在发生的大量恒星形成。 在这种特殊情况下，附近的一个星系与漩涡星系的引力相互作用正在触发这种恒星的形成，但所有富含气体的螺旋都表现出一定程度的新恒星诞生。 学分 ：X 射线：NASA/CXC/SAO/R. DiStefano 等人; 光学：NASA/ESA/STScI/Grendler

目前，像银河系这样的星系非常普遍。 以下是类似银河系的星系通常显示的一些特性：

这样一个庞然大物，总质量如此之大，对附近的其他一切施加了巨大的引力。 你可以从远处认出这样的星系，从从它流出的大量星光中。 但不可能永远这样。 我们所知道的是，我们的宇宙始于大约138亿年前的大爆炸，而星系不可能一直都是这样。 事实上，如果我们回头看得足够远，我们可以看到现代和古代银河系之间的差异开始显现。

与当今银河系相媲美的星系数量众多，但与我们今天看到的星系相比，类似银河系的年轻星系本质上更小、更蓝、更混乱、气体更丰富。 对于第一个星系来说，这种效应达到了极端。 早在我们所见，星系就遵守这些规则。 图片来源 ：NASA、ESA、P. van Dokkum（美国耶鲁大学）、S. Patel（美国莱顿大学）和 3-D-HST 团队

与我们今天看到的银河系和其他类似银河系的星系相比，来自很久以前和遥远的星系是：

换句话说，我们今天的星系是138亿年宇宙演化的结果，大量的小原星系合并在一起，形成了一个比平均水平更大的星系，同时不断吸引更多的物质进入自身。 我们是无数其他星系被我们自己的星系吞噬后剩下的东西。

我们如何建造银河系的故事就像用乐高积木建造一个巨大的结构。 只是，乐高积木不会随着时间的推移而保持不变，而是在我们组装结构时积极改变形状。 这就像从所有部件开始，将 100 个不同的 X-Wing 乐高战斗机组合在一起，并在完成后以一艘歼星舰结束。 我们可以了解这一点的方法之一是通过调查我们银河系晕内的球状星团，并发现其中许多具有与它们在宇宙历史的各个关键点进入和加入银河系相关的特性：我们宇宙过去等级合并的证据。

重建了银河系的合并历史，以及添加到我们银河系中的恒星质量以及每次合并产生的球状星团的数量。 然而，这种重建具有很大的不确定性，如与每个合并事件相关的曲线所示。 例如，最新的研究基于次巨星而不是球状星团（如图所示），将盖亚-土卫二的合并可能比海妖合并更早。 图片来源 ：JM Diederik Kruijssen 等人，MNRAS，2020 年

你看，星系不仅仅是通过吸引其他星系并合并在一起形成更大的星系而增长的。 星系也会自行经历演化，这意味着它们：

虽然最终成长为银河系的最早的原始星系可能是在大爆炸后大约2亿至2.5亿年形成的，但宇宙演化在那段时间里一直在继续。

导致最早的原始星系的第一阶段是最早的恒星和星团的形成，大约需要1亿年，由大爆炸遗留下来的原始物质（氢和氦）形成。 这些星团演化得很快，导致它们的恒星非常迅速地结束了生命。 当这些恒星死亡时，它们用重元素污染了星际介质，然后产生了第二代恒星。 到2亿到3亿年过去时，许多星团已经相互合并，并从星系际环境中吸收物质，产生了 第一个成熟的星系 .

目前正在经历引力相互作用或合并的星系几乎总是在形成新的、明亮的、蓝色的恒星。 起初，简单的坍缩是恒星形成的方式，但我们今天看到的大多数恒星形成都是由更剧烈的过程产生的。 这些星系的不规则或扰动形状是正在发生的事情的关键标志，这些合并的证据可以追溯到我们目前望远镜所能看到的范围内。 图片来源 ：NASA、ESA、P. Oesch（日内瓦大学）和 M. Montes（新南威尔士大学）

然后宇宙网开始形成 。 随着时间的流逝，受光速限制的引力可以将其范围延伸到越来越远的距离，导致更大规模的物质团块相互坠落。 当一个比早期星系小的团块落入时，它会被潮汐撕裂并缓慢地流入星系内部，随着时间的推移，它的组成物质会被吸收。

这些事件被称为小合并，很常见，任何属于较大星系的星系，其质量高达较大星系的三分之一左右，都属于这一类。 较大星系中的任何内部结构，如旋臂、恒星形成区域、条形或凸起，都应该保持完整。 与此同时，「吞噬」星系增加的额外气体和尘埃为新一代恒星提供了新的燃料。 恒星形成通常在合并事件中加剧，即使是轻微的合并事件。 在宇宙历史的前20亿或30亿年中，这个过程非常普遍。

当宇宙中发生类似大小的星系的重大合并时，它们会从其中存在的氢气和氦气中形成新的恒星。 这可能导致恒星形成速度的严重增加，类似于我们在3000万光年外的附近星系Henize 2-10中观察到的情况。 如果内部有大量的气体残留，这个星系可能会在合并后演变成另一个盘状星系，或者如果所有或几乎所有的气体被当前的星爆排出，则会演变成一个椭圆星系。 图片来源：NASA、ESA、Zachary Schutte （XGI）、Amy Reines （XGI）; 处理：Alyssa Pagan （STScI）

然而，随着时间的流逝和宇宙的膨胀，平均而言，合并变得不那么常见，但更重要。 星系聚集在一起，聚集成许多不同大小的星系团，但偶尔可以形成大型星系团，其质量是我们本星系群的数百倍甚至数千倍。 这些密集的星系团是宇宙中最壮观的景象之一，但它们也相对罕见：大多数质量和大多数星系都存在于像我们这样的小星系群中，而不是我们在宇宙中普遍看到的巨大星系团。 当宇宙历史的前40亿或50亿年过去时，很明显我们永远不会成为一个巨大的星团的一部分; 附近的星系群，如狮子座群、M81星系群和室女座星系团，都超出了我们的范围。

然而，重要的是，如果我们想保持银河系的银河系，有大量的气体，一组旋臂，内部有持续的恒星形成，那么这些合并就要保持很小。 如果我们经历一次重大的合并，两个大小相似的星系发生碰撞，它们会引起巨大的恒星形成爆发，这可以：

当发生重大合并时，上述所有三个事件都有可能因此而发生。 它可能不是大多数重大并购的结果，但在重大并购常见的丰富环境中，巨型椭圆机也很常见; 在主要合并很少的地方，盘状星系，如螺旋星系，则更为普遍。

超大质量，合并的动态星系团Abell 370，引力质量（主要是暗物质）推断为蓝色。 许多椭圆星系在这样的大质量星团中被发现，这是数十亿年前发生的重大合并的结果。 仍然有大量的螺旋，因为这个星系团的总质量可能超过本星系团的一千倍。 图片来源 ：NASA、ESA、A. Koekemoer （STScI）、M. Jauzac（杜伦大学）、C. Steinhardt（尼尔斯玻尔研究所）和 BUFFALO 团队

然而，我们居住的银河系显然仍然是一个盘状星系，有多个旋臂，内部仍在进行恒星形成：我们还没有变成一个巨大的椭圆，这告诉我们，在我们的银河系中，没有发生过很多（如果有的话）重大合并。 如果这样的事件发生了，我们可能已经预料到我们会看到大量的恒星，这些恒星似乎都是在很久以前的某个特定时间在整个银河系中形成的。 在我们自己的银河系中没有这样的星系，但我们的邻居仙女座星系中有一个：这表明，也许在大约20亿或30亿年前，曾经是本星系群的第三大星系，仅次于仙女座和我们自己，与 仙女座 合并，产生了现代的「大姐姐」星系，就在隔壁，我们可以在自己的夜空中用肉眼看到。

需要大量的质量聚集在两个相邻的地方，随着时间的推移而积累起来，才能形成一个重大的合并。 只要一个星系足够大（如银河系大小或相当）并且富含气体，就会有物质来支持和促成新恒星的形成。 只要星系具有角动量和首选的自转轴（在没有重大合并的情况下，它们不可避免地会这样做），只要它们有足够的时间稳定成稳定的形状（在我们的宇宙历史中，138亿年后，它们都会有），我们期望它们在内部具有螺旋形状和结构。

孤立的星系MCG+01-02-015，在各个方向上都孤独地超过100,000,000光年，目前被认为是宇宙中最孤独的星系。 在这个星系中看到的特征与它是由一系列小合并形成的巨大螺旋一致，但从未经历过大的合并，并且在过去的数十亿年里，恒星形成活动相对平静。 图片来源 ：ESA/Hubble & NASA and N. Grogin （STScI）; 致谢：朱迪·施密特

我们的银河系可能是从一系列原始星系发展而来的，这些原星系沉淀成螺旋状，然后逐渐吞噬了附近存在的许多较小的星系：这些星系曾经是本星系群的一部分，但其存在已被银河系同类相食的宇宙暴力所抹去。 我们甚至没有收集到这些小星系中的大部分，也没有收集到我们本星系群中的物质; 这一荣誉属于我们的邻居仙女座。 我们也没有完成合并过程：今天有卫星星系与我们合并，我们郊区的一些星系，如两个麦哲伦星云，可能会在未来几亿年内被吞噬（可能存活到几十亿年）左右。

在生物学中，幸存下来的生物遵循自然选择法则：适者生存，以及最能适应不断变化的条件的生物。 然而，对于星系来说，情况却大不相同。 将银河系带入银河系的宇宙故事是最大和最庞大的生存故事之一：具有最大惯性的物体，以及最大的抵抗力，不会因与另一个星系的相遇而受到严重破坏。 当谈到在很长一段时间内统治银河系人口时，质量是决定什么和谁幸存下来的压倒性因素。

最初，物质团块形成相对随机的、不对称的形状：我通常认为是「土豆状」，但天体物理学家更经常近似于三轴椭球体：三个3D轴中的一个比另外两个短的物质分布。 随着时间的流逝，最短的轴首先坍塌，导致其中的正常物质「煎饼」或飞溅。 这最终形成了一个扁平的圆盘状形状，并且该圆盘具有角动量，因此旋转。 当它旋转时，它内部的结构，如螺旋臂，开始缠绕。 结果，随着时间的流逝，盘状星系的旋臂变得更加明显和发展，在它们内部积累了越来越多的转数。

马刺从这些臂中出现，内部和外部影响的引力相互作用导致恒星沿着星系的尾端形成。 当更多的气体流入银河系的郊区时，它最终会流向中心。 随着星系的不断演化，它们也发展出许多可识别的特征：

从某种意义上说，我们已经知道我们的命运是注定的。 大约40亿年后，银河系本身注定要开始与仙女座合并，然后在30亿年后，合并过程预计将完成：产生一个新的、更大的、单一的星系，它已经有一个相当诗意的名字Milkdromeda。

一系列剧照，展示了银河系-仙女座合并的可视化，以及天空在发生时将如何与地球不同。 这种合并将在未来大约40亿年开始发生，恒星形成的巨大爆发将导致一个枯竭，气体贫乏，更进化的星系~70亿年后。 尽管涉及的恒星规模和数量巨大，但在这次事件中，只有大约1000亿分之一的恒星会碰撞或合并。 尽管这里有插图，但星系的最终形式更有可能是一个富含气体的、拥有圆盘的星系，而不是所示的椭圆星系，因为只有一小部分的主要合并导致了红色和死亡、无气体的椭圆最终状态。 图片来源 ：NASA; 欧空局; Z. Levay 和 R. van der Marel，STScI; T. Hallas 和 A. Mellinger

导致银河系的宇宙故事是一个不断进化的故事，但不一定是极端暴力的进化。 我们可能是由数百甚至数千个较小的早期原始星系和合并在一起的早期星系形成的。 我们今天看到的旋臂很可能是通过相互作用形成的，只是从一个不断发展的、富含气体的盘状星系的旋转、富含气体的性质中重新形成的。 恒星的形成是波浪式的，通常是由微小的合并或引力相互作用引发的，但也发生在我们银河系生命中的平静时期：静止的恒星形成。 最后，随着恒星的生死，这些恒星形成的波浪带来了超新星速率的增加、恒星灾难和星际介质的重金属富集。

这些变化不是一下子突然发生的，而是以持续的方式发生的。 它们不仅是我们宇宙过去的一部分，而且仍在发生，并将在未来几十亿年后得出一个极其壮观的结论，因为本星系群的所有星系最终都会合并并合并在一起。 每个星系都有自己独特的宇宙故事，银河系只是一个典型的例子，它比宇宙中发现的星系更成熟，比平均水平大，但不是最大的星系之一。 重要的是要认识到，这个故事还没有结束。 尽管我们长大了，但银河系，我们的宇宙家园，仍在不断发展。