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人生匆匆不過百年,無數的星星是否也和人類一樣走向終結?

發布時間:2019-12-31 11:13:07  作者:宇宙探索  來源:宇宙探索  閱讀:178

      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。雖然現在關于星系的形成和演化的細節還有很大的爭議,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。
    人生匆匆不過百年,無數的星星是否也和人類一樣走向終結?
      宇宙在誕生之初,少量的物質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構。假設宇宙中暗物質是非相對性的,物理學上有對應的理論解釋這個過程。我們把這種暗物質粒子稱為“冷暗物質”的,所以很多天文學家把這個理論叫做“冷暗物質模型”。
    人生匆匆不過百年,無數的星星是否也和人類一樣走向終結?
      在冷暗物質理論中,暗物質暈通過重力互相聯結,從宇宙膨脹的整體中脫離開來,不再隨著宇宙膨脹。暗物質暈逐漸吸引更多的物質聚集起來,最終形成星系。所以在某種意義上,暗物質暈一旦形成,產生的重力就會吸引普通物質(重子物質)向其中心移動。移動過程中,重子物質的角動量保持不變,因此越接近暗物質暈的中心,重子物質旋轉得越快。暗物質暈當中的重子物質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。
    人生匆匆不過百年,無數的星星是否也和人類一樣走向終結?
      星系之間的碰撞使上述的“被動”演化的情況變得復雜——最近有數值模擬結果表明,碰撞的過程會影響星系的樣子(形態)。一般來說,星系的形態似乎由它在演化過程中所經歷的碰撞類型決定:多數的星系合并發生在兩個質量相近的星系之間,這種情況下會形成橢圓星系;少數的星系合并發生在兩個質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,星系會繼續演化成為一個扁平的盤。換言之,橢圓星系都正在經歷合并,而很薄的圓盤星系很可能長時間內沒有經歷過星系合并,其他形態的星系則介于兩者之間。并不是所有對星系的觀測結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律。因此,星系的“生命”由恒星形成和可能發生的碰撞等一系列事件組成,這取決于它所處的環境和最初形成星系盤的重子物質的性質。至于星系生命的“終結”,定義起來就有點復雜。
    人生匆匆不過百年,無數的星星是否也和人類一樣走向終結?
      假設星系間在一定時間內互相之間不發生碰撞,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發生的——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。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。當殘留的星際物質變得暗淡,星系也逐漸不再發出任何光芒了。星系的暗物質盤是一直存在的,所以如果通過暗物質盤的形成來定義星系的誕生,由于暗物質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這種意義上的“死亡”。
    人生匆匆不過百年,無數的星星是否也和人類一樣走向終結?
      當然,在現實中,我們知道大多數星系都以群系和星系團的形式存在,因此會發生許多碰撞。當兩個星系相撞時,它們的暗物質暈會合并成更大一點的暗物質暈。這時,我們可以認為大質量星系和小質量星系的合并是小質量星系的“死亡”以及大質量星系的增長,對于質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。
    人生匆匆不過百年,無數的星星是否也和人類一樣走向終結?
      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。它們的暗物質暈將永遠存在(假設暗物質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。
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