25.6: 银河系的形成

学习目标

在本节结束时，您将能够：

• 描述一下我们今天看到的银河系在建造银河系的过程中单个云层的崩溃以及与其他星系的合并所起的作用
• 举例说明受银河系强重力影响的球状星团和卫星星系。

有关恒星群的信息为我们的银河系如何随着时间的推移而建立提供了重要线索。 银河系呈扁平的圆盘形状表明它是通过与导致原恒星形成的过程相似的过程形成的（见《恒星的诞生和太阳系外行星的发现》）。 基于这个想法，天文学家首先开发了假设银河系由一个旋转的云层形成的模型。 但是，正如我们将看到的，事实证明这只是故事的一部分。

原银河云和整体崩溃模型

由于最古老的恒星（光环和球状星团中的恒星）分布在以银河系原子核为中心的球体中，因此可以假设诞生我们银河系的原星系云大致是球形的。 光环中最古老的恒星的年龄在120亿到130亿年之间，因此我们估计银河系的形成大约在很久以前就开始了。 （有关星系总体上在130亿年前开始形成的其他证据，请参阅《宇宙大爆炸》一章。） 然后，就像恒星形成一样，原银河云崩溃并形成了一个薄的旋转盘。 云层崩溃之前出生的恒星没有参与崩溃，但直到今天仍在光环中运行（图\(\PageIndex{1}\)）。

图：银河系形成的\(\PageIndex{1}\)单片崩溃模型。 根据这个模型，银河系最初是由旋转的气体云形成的，该气体云因重力而崩溃。 光环星和球状星团要么是在崩溃之前形成的，要么是在其他地方形成的。 圆盘中的恒星是后来形成的，当时制造它们的气体已经被前几代恒星产生的重元素 “污染” 了。

引力导致精简盘中的气体碎成云层或团块，其质量与星团类似。 然后，这些单独的云进一步分裂形成恒星。 由于圆盘中最古老的恒星几乎与光环中最年轻的恒星一样古老，因此崩溃一定很快（从天文学上讲），可能需要不超过几亿年的时间。

碰撞受害者与多重合并模型

在过去的几十年中，天文学家了解到，银河系的演变并不像这个整体崩溃模型所暗示的那样平静。 1994年，天文学家发现了一个朝射手座星座方向的新小星系。 射手座矮星系目前距离地球约70,000光年，距离银河系中心约50,000光年。 它是已知最近的星系（图\(\PageIndex{2}\)）。 它非常细长，它的形状表明它正在被银河系的引力潮撕裂——就像 Comet Shoemaker-Levy 9 在 1992 年经过木星太近时被撕裂一样。

射手座星系比银河系小得多，只有大约15万颗恒星，所有这些恒星似乎都注定要进入我们自己的银河系的隆起和光环。 但是暂时不要敲响这个小星系的葬礼钟声；摄入射手座矮人还需要1亿年左右，恒星本身就会存活下来。

人物\(\PageIndex{2}\)射手座矮人。 1994年，英国天文学家在射手座星座中发现了一个星系，该星系距离银河系中心仅约50,000光年，落入了我们的银河系。 该图像覆盖了大约 70° × 50° 的区域，并将银河系圆盘的黑白视图与显示矮星系亮度的红色等高线图相结合。 矮星系位于我们银河中心的另一边。 红色区域的白星标志着射手座矮星系中包含的几个球状星团的位置。 十字架标志着银河中心。 水平线对应于银河平面。 银河平面两侧的蓝色轮廓对应于第 25.1 节图\(25.1.6\)中的红外图像。 这些方框标出了对单个恒星的详细研究导致发现这个星系的区域。

自那次发现以来，已经发现了我们的银河系与其他邻近星系之间有更多的近距离接触的证据。 当一个小星系冒险得太近时，我们的银河系施加的重力在近侧比在远侧更难拉动。 最终效果是，最初属于小星系的恒星分散成一条长流，绕银河系的光环运行（图\(\PageIndex{3}\)）。

银河光环中的人物\(\PageIndex{3}\)直播。 当一个小星系被银河系吞没时，其成员恒星会被剥离，在银河光环中形成恒星流。 这张照片是根据对过去100亿年中银河系吞下50个矮星系时其中一些潮汐流会是什么样子的计算得出的。

这样的潮汐流可以在数十亿年内保持其身份。 迄今为止，天文学家已经发现了源自12个小星系的溪流，这些溪流冒险离更大的银河系太近了。 还有六条溪流与球状星团有关。 有人认为，像半人马座欧米茄这样的大型球状星团实际上是蚕食矮星系的密集核。 球状星团 M54 现在被认为是我们之前讨论过的射手座矮人的核，该矮人目前正在与银河系合并（图\(\PageIndex{4}\)）。 这些星系外部区域的恒星被银河系的引力所剥夺，但中心密集区域可能会存活。

图：\(\PageIndex{4}\)球状星团 M54。 这张漂亮的哈勃太空望远镜图像显示了现在被认为是射手座矮星系原子核的球状星团。

计算表明，银河系的厚盘可能是与其他星系发生一次或多次此类碰撞的产物。 卫星星系的积聚会激起最初在薄盘中的恒星和气云的轨道，使它们在银河系的中平面上方和下方移动。 同时，银河系的星星将加入毛茸茸的混音中。 如果这样的碰撞发生在大约100亿年前，那么两个星系中任何尚未形成恒星的气体都将有足够的时间沉淀回薄盘中。 然后，这种气体本可以开始形成后代的种群 I 恒星。 这个时间也与厚盘中恒星的典型年龄一致。

银河系还有更多的碰撞。 Canis Major 矮星系就是一个例子，它的质量约为银河系质量的 1%。 已经从这个星系中剥掉了很长的潮汐尾巴，这个星系已经在银河系周围包裹了三次。 在银河系中发现的几个球状星团也可能来自Canis Major矮星，预计它将在未来大约十亿年内逐渐与银河系合并。

大约30亿年后，银河系本身将被吞噬，因为它和仙女座星系正处于碰撞轨道上。 我们的计算机模型表明，经过复杂的相互作用后，两者将合并形成一个更大、更圆润的星系（图\(\PageIndex{5}\)）。

人物银河系与仙女座的\(\PageIndex{5}\)碰撞。 大约30亿年后，银河系和仙女座星系将开始一个漫长的碰撞、分离，然后再聚在一起形成椭圆星系的过程。 整个互动将花费30亿到40亿年。 这些图像显示了以下顺序：（1）在37.5亿年内，仙女座已经接近银河系。（2）38.5亿年后，新的恒星形成填满了天空。（3）恒星的形成持续了39亿年。（4）星系的形状随着它们的相互作用而变化，仙女座被拉伸，我们的银河系在大约40亿年后开始扭曲。（5）在51亿年内，两个星系的核心是明亮的叶片。（6）在70亿年后，合并的星系形成了一个巨大的椭圆星系，其亮度充满了夜空。 这位艺术家的插图从距离银河系中心25,000光年的有利位置展示了事件。 但是，我们应该提一下，在一系列事件中，太阳可能不在那个距离处，因为碰撞会重新调整每个星系中许多恒星的轨道。

因此，我们逐渐意识到，“环境影响”（而不仅仅是星系的原始特征）在决定银河系的特性和发展方面起着重要作用。 在接下来的章节中，我们将看到碰撞和合并也是许多其他星系演变的主要因素。

摘要

银河系在130亿年前开始形成。 模型表明，光环和球状星团中的恒星首先形成，而银河系是球形的。 第一代恒星在某种程度上富含重元素的气体，然后从球形分布崩溃到旋转的圆盘形分布。 如今，恒星仍在由圆盘中残留的气体和尘埃形成。 恒星的形成最快发生在螺旋臂中，星际物质的密度最高。 银河从冒险离银河系太近的小星系中捕获（目前仍在捕获）额外的恒星和球状星团。 在30到40亿年后，银河系将开始与仙女座星系碰撞，大约70亿年后，这两个星系将合并形成一个巨大的椭圆星系。