正在阅读: 宇宙大厨神!星系的形成和演化
首页> 科普频道> 光明天文> 天文前沿 > 正文

宇宙大厨神!星系的形成和演化

来源:光明网2019-01-31 15:39

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  我们都知道,地球在围绕着太阳周而复始地运动着。太阳作为一颗恒星,只是银河系千亿颗恒星中的一颗,而银河系也远远不是宇宙的全部。银河系之外有其他大大小小的,形态、颜色、质量等各不相同的星系,据估计总数目至少有两万亿个。

宇宙大厨神!星系的形成和演化

图1. 哈勃超深空场(Hubble Ultra Deep Field)的图像。图中所显示的区域仅占全天空面积的约32,000,000分之一,其中包含了超过5000个星系。https://imgsrc.hubblesite.org/hu/db/images/hs-2014-27-a-full_jpg.jpg

  有的星系和我们的银河系很像,呈现相对扁平的盘子一样的形状,还有旋转的手臂从中心向外延伸,整个星系如果从侧面看是一个细长条。有的星系更像一个胖乎乎的椭球,从哪个方向看都是圆滚滚的。有的星系颜色发蓝,有的明显是橙红色。

  对于星系更进一步的研究表明,它们所包含的成分也很不一样。在恒星成分之外,有的星系包含很多冷的气体,有很多恒星正在形成,而另一些星系里几乎只有热的气体,也没有新的恒星形成的迹象。这些星系的恒星成分的质量也是很不相同的,有的质量很大,有的相对小很多,差别可以超过一万倍甚至更大。

  但是另一方面,这些性质差别很大的星系又存在一些共性。例如,总的说来,大质量星系中红色的比较多。我们还发现,红的星系更有可能是椭球形的,呈现出盘状或者侧向细长条的相对比较少。这其中也有例外,并不符合大部分星系所遵循的规律。

宇宙大厨神!星系的形成和演化

宇宙大厨神!星系的形成和演化

图2.上图:椭球星系 ESO 325-G004 https://imgsrc.hubblesite.org/hu/db/images/hs-2007-08-a-full_jpg.jpg

下图:盘状的旋涡星系 NGC 6744 https://www.eso.org/public/images/eso1118a/

  这些千差万别的星系是怎么形成,并且随着时间逐渐演化到我们所看到的样子的?这就是星系形成和演化研究想要解答的主要问题。

  然而,要解答这个问题是非常困难的。一方面,相对而言人类的历史太短,星系的演化太慢,我们只能看到137亿岁的宇宙刹那间的快照,无法见证星系的诞生和演化的整个过程。即使仔细研究手头的观测结果,得到的信息也有限。另一个原因是,星系中包含的物质成分各样,涉及的物理过程很多,并且交织在一起相互影响,导致整个图景过于复杂,剪不清,理还乱。所以理论上的解释模型目前并没有办法完全恢复所有观测,即使是统计方面的共性规律也没有完全被理解。

  这就好像你吃到了一桌满汉全席,每一道菜各不相同,都异常美味,同时享用到更是千载难逢的机会。你特别想知道每道菜是怎么做出来的,这样回家你也可以一试身手。然而你见不到打造这桌美味的神秘大厨,无法当面请教,也看不到大厨的操作,你只能在享用的时候细细品味,努力记住味道,并且拍下菜肴的照片,回家继续琢磨,不断试验。

宇宙大厨神!星系的形成和演化

来源:《满汉全席之进宫》漫画绘本 扬眉/绘

  星系的各种观测结果就好像是你记忆中品尝到的味道,以及拍摄下来的每道菜的照片。观测天文学家们会仔细分析研究得到的这些有限的信息,从图像中测量星系的亮度、颜色、大小,从光谱中得到速度、组成的成分、恒星形成的活跃度等信息,找到决定星系性质的关键因素。另一方面,理论模型研究工作就是不断猜想并试验,努力恢复观测到的结果的过程。

  你知道做出某道菜的主要基本食材,比如是牛肉还是鸡肉,也根据尝到的味道知道要放盐、胡椒、辣椒之类的调味,还知道一定会需要用某种方式来不断加热才能让食材变熟。识别出菜品是涮锅还是烧烤出来的是很容易的,如果你小通厨艺,根据平时自己的经验也大概可以说出来是烧的炒的还是炸的。但是,你把一眼就猜得到的东西和加工方法都用上,出来的味道和大厨做的怎么就不一样呢?

  宇宙大厨神,又是如何做出不同形态的美妙的星系的呢?

  对于星系而言,我们现在知道星系的形成要经历几个主要的过程。宇宙之初并没有恒星也没有星系,主要是温度比较高的氢气和氦气。当这些气体由于引力作用聚集成足够大的气体团块之后,气体团块会塌缩并且冷却。冷的气体团块局部密度达到足够大的时候,就会开始形成恒星,而在恒星形成和演化过程中会产生氢和氦之外的其他元素。

宇宙大厨神!星系的形成和演化

图3.大麦哲伦星系中的恒星形成区域 LH 95 。图中可以看到较暗的气体和尘埃带,以及正在形成和已经形成的恒星。NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration http://hubblesite.org/image/2024/news_release/2006-55

  通过理论研究以及和观测的相对比我们还知道,气体并不会一直冷却并持续地形成恒星,而是存在某些过程,阻止气体的冷却或者加热已经冷却的气体。后者被称为反馈过程,目前认为由超新星爆发或者星系中心的黑洞吞没周围物质而释放出大量能量造成。反馈过程使整个形成和演化过程变得复杂。

  此外,星系并不是孤立存在并且演化的。有的星系距离相对较近,相互之间的引力会让它们相互吸引不断靠近。最终它们可能会碰撞并合成一个更大的星系,这一点让星系的性质发生融合和改变,情况进一步复杂化。

宇宙大厨神!星系的形成和演化

图4.正在发生并合的两个星系 NGC 4038-4039,又称天线星系。因为潮汐作用而产生的长长的“天线”在这幅照片中没有被包括进来。NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration http://hubblesite.org/image/1995

  这些过程,好像同时烹饪几种不同的食材和调味料,一种味道会融入其他的味道中一样,让人有时候无法分辨到底是用了什么食物,什么调味品。也许更重要的是,用的什么火候,分别多长时间。我们只能不断实验,改变材料配比,改变大小火候的掌握。

  如果经过很多实验,味道还是不对,你会猜测,宇宙大厨神一定有自己的独门秘技。也许每个菜它都用了我们还不知道的特别的配料,也许有的菜用了特别的烹饪方法。我们只能根据经验和观测去猜测并继续测试。把一道菜试对了就是很了不起了,而我们对宇宙中星系的了解需要对整桌满汉全席都能恢复,还要让整桌菜在几天内被做出来,遵循同样的物理规律,达成天时地利人和。想想就是件不可能的任务。

  然而,科学家都是强迫症,和好吃佬一样,不达目的无法罢休。一方面,继续对宇宙的观测,并用更先进的技术分析得到的观测,希望从观测中得到更多的提示,即使是蛛丝马迹。另一方面,实验仍然在继续,对于大厨神秘诀的探究也不会止尽。

  作者:王岚,系中国科学院国家天文台副研究员

[ 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

  • 中国中央歌剧院《卡门》唱响沙特

  • 电影《日掛中天》主创亮相威尼斯电影节

独家策划

推荐阅读
植物在漫长的适应性进化过程中,催生出丰富多元的物种谱系。9月2日,《细胞》在线发表了华中农业大学教授宁国贵团队的一项研究成果,该研究揭示了月季香气基因起源的新机制。
2025-09-05 10:06
今年8月,中央网信办、国家卫生健康委等四部门联合发布《关于规范“自媒体”医疗科普行为的通知》,为医疗科普立了“规矩”。
2025-09-05 10:02
数字经济时代,算力是如同水、电一样重要的基础资源。我国算力发展情况如何?未来着力点在哪儿?
2025-09-05 09:54
算法技术的赋能强化了传统意识形态风险,算法的自我进化制造了意识形态黑箱,要求我们积极探索和优化治理智能算法技术意识形态风险的新路径。
2025-09-05 09:48
日前,中国科学技术大学孙道远教授、毛竹教授团队联合国外学者在行星科学研究领域取得重大进展,该研究首次在地球以外的行星中确认了固态内核的存在。
2025-09-05 09:41
据世界气象组织2日发布的厄尔尼诺/拉尼娜现象最新通报,拉尼娜现象有可能从今年9月起回归并影响未来数月的全球天气和气候状况。拉尼娜现象是指赤道太平洋东部和中部海水大范围持续异常变冷的现象,而厄尔尼诺现象则是指太平洋赤道海域海水大范围持续异常升温的现象。
2025-09-04 09:47
这种说法缺乏科学依据。
2025-09-04 09:44
正确掌握储存技巧和使用习惯,才能发挥冰箱的功能,保障家人饮食健康。
2025-09-04 09:39
这不是惊悚小说,也不是玄幻剧,而是世代生活在海边的人们,和海洋巨兽的别样相遇——这是鲸和海豚的骨头。从意外搁浅偶然获得,到渔业生产相对频繁打捞,闽南的“新鱼骨庙”(阴庙)呈现出和历史上的鱼骨庙截然不同的样貌。
2025-09-04 09:37
9月3日,某潜艇支队某艇员队组织收看阅兵仪式直播,铿锵有力的步伐、全新亮相的装备、转型跨越的成就,让他们动容,更让他们振奋。南昌舰的入列,标志着海军驱逐舰实现由第三代向第四代的跨越,首次突破万吨级设计,在航母编队体系作战中发挥重要作用。
2025-09-04 09:32
日前,我国科学家近日成功研制出超宽带光电融合集成系统,首次实现全频段、灵活可调谐的高速无线通信,有望为未来更畅通可靠的6G无线通信提供保障。为此,北京大学、香港城市大学组成的联合研究团队,历经4年,自主研发出超宽带光电融合集成系统。
2025-09-03 10:01
近日,由中国农业科学院烟草研究所牵头完成的“基于耐盐植物和土壤调理剂的滨海盐碱地高效利用技术创制与应用”项目获2024年度青岛市科技进步奖二等奖,为滨海盐碱地的综合治理与高效利用提供了新方案。基于各项研究,团队开发了4种抗盐剂、2种盐碱地土壤调理剂等盐碱地培肥改良系列产品,为盐碱地快速培肥和障碍消减提供了有力支撑。
2025-09-03 10:01
9月1日起,由工业和信息化部等五部门联合修订的强制性国家标准《电动自行车安全技术规范》(GB 17761—2024)正式实施。新国标进一步增强了电动自行车的智能化功能,增加了北斗定位、通信和动态安全监测功能。
2025-09-03 10:00
作为第十五届全国运动会增设的群众赛事项目,被称为“空中F1”的无人机竞速备受瞩目,该项赛事决赛举办地深圳近日也掀起了无人机竞速热潮,市民和游客在公园里就能过一把“飞行瘾”。据介绍,深圳中心公园位于深圳核心区域,无论是深圳还是粤港澳大湾区其他城市的无人机爱好者,都能轻松快捷到达这里。
2025-09-03 10:00
油菜、白菜、甘蓝、萝卜是大众最熟悉的十字花科作物,也是食用油和蔬菜的主要来源,然而它们都受到同一种毁灭性病害——根肿病的威胁。基于GSL5功能研究和团队所创制的材料,他们还揭示了有趣的病菌与寄主的互作关系,即病菌致病和寄主抗病反应机制。
2025-09-03 10:00
点击羽绒服胸前的按钮,2秒即可速热,实现四档温度调节……1日,在哈尔滨举行的第七届中国国际新材料产业博览会现场,一款造型时尚的智能温控羽绒服吸引不少观展者驻足围观。
2025-09-02 10:23
当地时间9月1日,世界知识产权组织发布最新报告显示,今年的全球创新指数(GII)集群研究将风险资本交易活动作为一项新指标。全球创新指数集群排行榜于2017年创设,通过三项核心指标,识别世界级创新活动在当地的集中程度。
2025-09-02 10:21
强制性国家标准《电动自行车安全技术规范》昨起实施。为保障新国标在本市顺利推行,近日,市市场监管局组织召开在京销售电动自行车生产经营企业约谈指导会。为保障新国标平稳落地实施,本市市场监管部门将强化监督抽检,保障本市电动自行车产品质量安全。
2025-09-02 10:18
会空翻、格斗,能叠衣、调饮,善聊天、“思考”……前不久举行的2025世界机器人大会上,各类机器人本领“进化”、各显神通,展现了人工智能的巨大潜力。如今,从旅游出行的智能助手,到工厂培训的“最强大脑”,再到装备升级的有力支撑,人工智能扮演着越来越重要的角色。
2025-09-02 10:15
零碳园区的建设,对于推动我国经济社会发展全面绿色转型具有重要意义。节能降碳,光靠“外套保温”不够,在园区地上、地下,还有“血液循环”系统来“保持恒温”。
2025-09-02 10:15
加载更多