星系的诞生、演化与灭亡

宇宙的演化。

在一个晴朗的夜晚，我们可以清晰地看到夜空中银河的光带。千年以来，天文学家一直敬畏的仰望着星空，他们慢慢地意识到我们的太阳仅仅是银河系数十亿颗恒星中的一颗。随着科学仪器和方法逐渐的发展和进步，我们又意识到了银河系本身也只是构成宇宙数不尽的星系中的一员。

银河系，太阳只是数十亿颗恒星中的一员。（© HowStuffWorks）

幸运的是，随着光速和相对论的发现，我们知道当我们用望远镜观测宇宙的时候，其实我们是在回望过去的时间。通过观测10亿光年远的一个物体，其实我们看到的是那个物体十亿年前的样子。这个“时间机器”效应允许天文学家窥探宇宙的过去，研究星系是如何诞生和演化的。

【星系形成】

当前的宇宙标准模型认为，宇宙中所有的物质都是在138亿年前一次被称为大爆炸的事件诞生而来的。在那个时刻，所有的物质都被紧压在一个非常小、无限密度以及炽热的奇点上。奇点开始膨胀，代表了我们的宇宙的开始。

宇宙迅速的膨胀，并逐渐冷却下来，所有的物质几乎均匀的分布在宇宙之中。在接下来的几十亿年间，那些密度比较高的区域开始在引力的作用下相互吸引。因此形成密度更高的气体云和成块的物质。

星系的形成和演化。（© HowStuffWorks）

这些团块成为了原始星系。在原始星系中的氢分子气体在引力的作用下塌缩形成恒星。根据不同的条件，形成的星系也是千奇百怪，有一些比较小，成为矮星系；而其他则比较大，形成我们熟悉的螺旋星系，比如我们的银河系。

星系的分类。（© HowStuffWorks）

【星系合并】

一旦这些星系形成后，它们会形成更大的结构，比如星系群、星系团和超星系团。随着时间流逝，这些星系又会因为引力相互吸引，并最终相撞合并在一起。合并的结构取决于在对撞中的星系质量。

本星系群。银河系（Milky Way）附近的星系，银河系在未来将于仙女座星系（Andromeda）合并。

大的星系会吞噬较小的星系。比如，天文学家就找到了银河系吞噬周围矮星系的证据。当周围的矮星系被卷入银河系时，细长的恒星流（或叫恒星尾巴）会被巨大的潮汐力从星系内拉出。几年前，天文学家就发现邻近的人马座矮星系有两股恒星流在银河系南半边被撕下。人马座矮星系曾是银河系星系最亮的星系之一，但是现在已经被巨大的潮汐力破坏并拉伸，剩下的部分位于银河系边缘。

靠近银河系中心的黄色发光物体是太阳，人马座矮星系位于遥远的另一边。人马座矮星系就像是一只有四条尾巴的矮星系。（© Amanda Smith）

但是，当两个旗鼓相当的螺旋星系相遇时，它们就会形成巨大的椭圆星系。

两个螺旋星系合并会形成巨大的椭圆星系。（© American Museum of Natural History）

当这样的事件发生时，精妙的螺旋结构就会消失，合并的星系非常巨大，而且形状呈椭圆。天文学家已经观测到许多体型非常大的椭圆星系。另外，在合并时，还有一个事情会发生，那就是星系中央的超大质量黑洞会变的更大。值得注意的是，不是所有的合并都会形成椭圆星系。但是，合并后星系的结构都会改变。

虽然星系合并听起来是一件非常暴力的事件，但事实上，我们不会预期恒星系统之间会发生碰撞，因为恒星之间的距离太大了。但是，合并会导致冲击波的产生，这可以触发恒星的形成。这也是我们预期在银河系和仙女座星系合并后会发生的事情。

【星系死亡】

当我们说恒星死亡的时候，意味着它耗尽了所有的燃料，在演化末期它会形成白矮星、中子星或黑洞，这取决于恒星的质量。而当我们说星系死亡，意味着它无法再产生任何新的恒星。星系是如何丧失产生新恒星的能力一直是一个迷，天文学家提出了两个可能性，要么是诞生新恒星所需要的气体被外部力量吸走，要么是内部机制阻断了新的气体流入（像窒息而亡）。

为了解开谜团，天文学家通过追踪死亡星系里的金属含量，来探索星系是怎么死亡的（该结果发表在2015年的《自然》杂志上）。一个星系生成的恒星越多，金属含量就越高。如果外部力量迅速吸光星系里的气体，那么金属元素含量在死亡前后就会相等；而如果星系是因为气体供给被内部环境隔绝，那么金属元素含量就会继续升高，然后在气体全部耗光后戛然而止。

恒星停止形成的两种情景。上图：气体通过强大的喷流移出星系。下图：由于没有气体的继续供给，星系慢慢“窒息”而亡。（© Roberto Maiolino & Yingjie Peng）

研究表明，就一定的星体质量而言，死亡星系里的金属元素含量大大高于仍在产生恒星的同等质量星系，这样的情况跟窒息的情景一致。虽然，现在知道星系死亡的原因，但是是什么导致窒息的罪魁祸所天文学家仍然不知道。

星系一旦耗尽了所有的气体就会停止产生恒星。但是，如果有合并发生，就会保证提供更多的恒星、气体和尘埃，就可以延长星系的寿命。

目前，天文学家相信银河系已经差不多把氢气全部用光，恒星的形成会慢慢地的停止，直到所有的供给耗尽。不过，由于在银河系周边的矮星系以及仙女座星系会与银河系合并，我们的星系将会存在更久。

最后，银河系附近的星系都会在引力的作用下相互吸引，合并成一个巨大的椭圆星系。

哈勃太空望远镜的继任者JWST。

未来，当哈勃太空望远镜的继任者詹姆斯•韦伯太空望远镜（JWST）发开始运作时，我们就能掌握更多关于星系的形成、演化和命运的细节。

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