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为什么宇宙中的星系都是圆饼状的呢?

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黄崧,理诉衷情,镜窥倩影,数计芳踪
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实际上这个问题可以讲很多,熟悉星系演化的人应该知道早期数值模拟盘星系的『角动量灾难』(Angular Momentum Catastrophe) 和『形态疑难』(Morphology Problem)。想形成一个银河系这样的『饼』是很难的,数值模拟开始稳定地形成这样的结构也就是这几年的事情。比较有代表性的一个是 FIRE 模拟组做的一组叫 Latte (拿铁)的模拟:

FIRE: Feedback In Realistic Environments

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来自 FIRE 模拟小组的 Latte 数值模拟终于可以在很多细节上还原一个『典型』盘星系的面貌

注意 FIRE 是 Feedback in Realistic Environment (真实环境下的反馈过程)的缩写,其中也透露出了一个关键信息:想烙一张点缀满星星的饼,光有角动量守恒是肯定不够的。后面稍微分几个角度废话几句。简单的摘要就是:现在宇宙里有一半的恒星质量在这些『饼』状星系里。『饼』的形成和其居住暗物质晕最初的角动量以及后续的演化密不可分。在这个过程里,虽然『角动量守恒』在最初扮演了不可或缺的角色,但我们能看到这么多大小各异的饼,是复杂的暗物质晕演化历史,以及星系内部恒星生生死死共同微妙平衡的结果。

1. 饼?什么饼?透光的春饼是圆饼,圆鼓鼓的蟹壳黄烧饼也是圆饼?请问题主你要哪种?在星系里也是一样的。题主说的『饼』,术语叫盘『Disk』。恒星可以有盘,各种气体,尘埃也可以有盘,只要是规则旋转运动占主导的,都可以叫盘。和饼一样,星系的盘有各种薄厚大小。确实有很多星系侧面看薄得就是跟一张春饼一样。但更多的情况下,星系内部也会有没有明显旋转,内部恒星运动杂乱无章的椭球结构的 (Spheroid)。我们银河系中心的核球 (Bulge) 和外部的恒星晕 (Halo)都是这样的结构。Disk 和 Spheroid 之间并不是方圆之别,星系内部的结构和运动学几乎就是连续分布的,也有很多星系看上去是圆墩墩的一坨,但是内部也有很显著的旋转的。

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宇宙『饼』屋的菜单:从左到右为烤鸭春饼,韭菜馅饼,门丁肉饼。这三个星系都可以算成恒星盘占主导的星系,但结构细节千差万别,形成历史也大不相同。图片均来自日本昴星团望远镜主焦点照相机 (Credit: NAOJ/Princeton/ASIAA; 制图:黄崧)

2. 都是饼吗?让你天天吃饼,顿顿吃饼,你会不会吐?你不吐宇宙也会吐的。。。我们的银河系的确是一张『大饼』,附近的仙女大星系也是『饼』,爱好者熟知的很多梅西耶天体里的星系也是『饼』。但其实宇宙中质量比银河大得多和小得多的星系很多都不是饼状的,而是由椭球结构主导的。如果按照质量来算,粗略估计,低红移宇宙中的星系里,一半的质量是『饼』,一半的质量是椭球。如果按照数量算,因为质量越小的星系数量越多,椭球星系应该还是占主导的。很好玩的是,恰恰是在我们银河系这个质量段上,星系才是主要呈现出『饼』状形态的。这里面是有很有趣的物理信息的,只不过我们暂时还没有完全搞清楚。

另外,今天是『饼』,昨天未必是,将来也很可能不是。盘星系碰撞是直接产生大质量椭球星系的原因,银河系和仙女大星系碰撞后,很可能两个星系都会失去恒星盘结构,也有可能会通过复杂的动力学演化变成一张更厚的饼。随着对高红移星系观测得更加细致,天文学家发现早期宇宙的星系简直面目全非,100 亿年前几乎在宇宙中找不到非常规则的『饼』,而大部分星系可能是一种介于『饼』和『麻团』之间的状态。这也是非常有意思的观测线索。

3. 为什么光念出『角动量守恒』的咒语是不够的。宇宙里面有各种尺度的盘,各种花样的『饼』。原恒星盘,黑洞周围的吸积盘,等等。脱离了质量和空间尺度,具体的物理情景,看见盘就喊『角动量守恒』并不能帮你理解他们的产生和演化。首先,对于包括盘星系在内的通过重力坍缩形成的结构中,角动量守恒的作用是不可或缺的。一团有一定净角动量的气体在自引力作用下坍缩,随着尺度变小,旋转速度会增加,而后续的坍缩就会出现方向上的选择性:在和自转轴垂直的方向上,可以简单看成『离心力』平衡了一部分引力,让在这个方向上进一步的坍缩比在和自转轴平行的方向上更难,慢慢地形成一个了一个偏平的恒星结构。但是,光看到这一点是不够的。

同样的自引力坍缩过程,同样在角动量守恒的条件下,宇宙里有大量的非『饼状』天体:银河系的恒星晕,晕里面的球状星团,前面提到的大量椭球结构的星系。以球状星团为例:一团质量非常大的分子云在宇宙早期的独特物理条件下,快速地沿着径向坍缩,形成了一簇高度聚集,几乎没有整体旋转的三维上球形的大质量恒星系统。要解释星系尺度上『饼』的形成,要理解最初的整体角动量是如何来的?又是如何演化的?这就要放到宇宙学和暗物质晕的尺度上去考虑问题了。永远要记住:你看到的星系,只是暗物质晕结构的冰山一角都不到。早在暗物质宇宙学图像成型之前,研究星系形成的天体物理学家们就意识到,宇宙早期的『原初气体团块』之间的引力相互作用施加的潮汐力矩,可以让坍缩的气体团块带上净角动量。随着冷暗物质宇宙学模型出现,宇宙学家们自然地把这个图像应用了过来:原初密度场扰动,在宇宙早期形成了数量上从质量由小到大按幂律谱下降的暗物质晕,这些结构之间通过潮汐力矩产生净角动量 (天体物理学家管其大小叫自旋,spin,其实可以粗略看成单位质量的角动量)。而在宇宙早期,重子物质和暗物质可以粗略地看成有一样的分布的。只不过重子物质之间可以通过电磁相互作用产生各种辐射,耗散掉能量,进一步向暗物质晕中心坍缩。这个过程里,角动量守恒可以帮助形成盘星系。简单的说,星系的盘的角动量和大小是直接和暗物质晕的角动量挂钩的。一定质量的暗物质晕在最初会有一个对数正态分布的角动量,最终也会形成一组大小各异的恒星盘。这个经典的结论是莫厚俊,毛淑德,和西门白 (Simon White; 这个翻译的版权不是我的) 在 1998 年得到的。

当然,这只是万里长征的第一步。在现有宇宙学模型下,星系和暗物质晕都会按照质量层级关系 (Hierarchy),经历复杂的演化: 一方面,暗物质晕可以不断地从周围吸积质量,包括气体,进而帮助星系进一步增长质量;另一反面,暗物质和星系都处在不断地并合当中,星系也一定会通过不停地碰撞进行演化。这两个过程不仅和暗物质本身的质量有关,甚至还可能受到更大尺度上环境的影响。在这样的过程里,如何保持『饼』的完整是个很复杂的问题:如果吸积来的气体的角动量方向和星系盘的很不一样会怎么样?星系碰撞是不是一定代表着盘的消亡?还是说恒星盘可以涅槃重生?这些都是回答『为什么现在宇宙里还有这么多饼?』『为什么这些饼长这样?』这些问题的关键。

如前面提到的,这些问题还都没有被很好的回答。当早期天文学家们终于可以开始通过数值模拟研究星系在暗物质晕里的演化的时候,他们揪心的发现,仅仅靠上面提到的经典模型并不能烙好一张宇宙大饼:形成的星系看上去比真实的盘星系胖了太多(形态问题),并且,包含了太多的低角动量恒星和气体 (角动量灾难)。深入研究后,天文学家们发现这是因为早期宇宙里气体比例高,重子物质通过辐射冷却损失能量太快 (过冷却效应,Over-cooling)。既然太冷了就要热一热嘛,天文学家们在过去 20 年时间里,在新观测的指导下,终于大概知道了如何掌握合适的『火候』来保持盘星系的结构。而这种『加热』机制,很可能来自于死亡恒星通过超新星爆发等过程向周围环境里注入合适的能量。这也是为什么像 FIRE 这样力图解释足够真实的盘星系的形成的模拟,都把重点放在了恒星反馈过程中 (Feedback).

而即便有了这些进展,我们对宇宙『大饼』的理解还是一知半解的。尤为神奇的是,像银河系这样的大质量盘星系的稳定存在,似乎是得益与暗物质晕在相当长的一段时间内没有经历显著的『撞车』事件,并且在星系的气体吸积和恒星反馈之间所建立的某种微妙的平衡。

所以,以后你凝视银河的时候,一定要感谢一下宇宙这位大厨。不论是『圆饼』还是『麻团』,都是她用一道道不同的工序和拿捏得恰到好处的火候,在暗物质晕构成的『烤箱』里,用 130 亿年的时间才精心准备出的动人作品。作为小小人类,我们能有幸旁观已经不知道是几个动力学时标里修来的福分了。

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