28.5: 宇宙中星系和结构的形成和演变
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 总结主要理论，试图解释单个星系是如何形成的
- 解释一下早期宇宙中微小的暗物质 “种子” 是如何在数十亿年中通过引力吸引发展成宇宙中观测到的最大的结构：星系团和超级星团、细丝和空隙
与自然科学的大多数分支一样，天文学家和宇宙学家总是想知道 “它是怎么变成这样的？” 这个问题的答案 是什么让星系和星系团、超级星团、空隙和细丝看起来像它们的样子？ 如此大的星系和空隙细丝的存在是一个有趣的难题，因为我们有证据（将在《大爆炸》中讨论）表明，即使在形成几十万年后，宇宙仍然非常光滑。 理论家面临的挑战是了解一个几乎没有特征的宇宙是如何变成我们今天所看到的复杂而块状的宇宙的。 有了我们对宇宙时间内星系演变、暗物质和大规模结构的观测和当前理解，我们现在准备尝试在宇宙中一些尽可能大的尺度上回答这个问题。 正如我们将看到的，宇宙如何走到这个方向的简短答案是 “暗物质+重力+时间”。
星系如何形成和成长
我们已经看到，在遥远的过去，星系比今天更多，但更小、更蓝、更笨拙，而且星系合并在它们的演化中起着重要作用。 同时，我们观察到类星体和星系在宇宙还不到十亿年的时候发射了光——因此我们知道至少在那么早就开始形成了大量的物质凝结。 我们还在 Active Galaxies、Quasars 和 Supermassive Black Holes 中看到，在椭圆星系的中心发现了许多类星体。 这意味着最初的大量集中物质中有一些一定已经演变成了我们在当今宇宙中看到的椭圆星系。 星系中心的超大质量黑洞及其周围普通物质的球形分布似乎很可能是同时通过相关的物理过程形成的。
直到最近十年，当天文学家发现了一种奇怪的经验关系时，这张照片才得到戏剧性的证实：正如我们在活跃星系、类星体和超大质量黑洞中所看到的那样，星系的体积越大，其中心黑洞就越大。 不知何故，黑洞和星系彼此 “了解” 得足够多，足以匹配它们的增长速度。
有两种主要类型的星系形成模型可以解释所有这些观测结果。 第一个断言巨大的椭圆星系是在气体和暗物质的单一快速崩溃中形成的，在此期间，几乎所有的气体都迅速变成了恒星。 之后，随着恒星的演变，星系变化缓慢。 这就是天文学家所说的 “自上而下” 的情景。
第二个模型表明，当今的巨型椭圆机主要是通过合并较小的星系形成的，这些星系已经将至少部分气体转化为恒星，这是 “自下而上” 的情景。 换句话说，天文学家一直在争论巨型椭圆星的大部分恒星是在我们今天看到的大星系中形成的，还是在随后合并的单独小星系中形成的。
由于我们在宇宙还不到十亿年的时候看到了一些发光的类星体，因此很可能至少有一些巨型椭圆体在单个云层的崩溃后很早就开始进化了。 但是，最好的证据似乎也表明，像我们在附近看到的那样成熟的巨型椭圆星系在宇宙大约60亿年之前就很少见，而且它们在今天比宇宙年轻时更为普遍。 观测结果还表明，椭圆星系中的大部分气体在宇宙存在大约30亿年时已转化为恒星，因此从那以后椭圆星系似乎没有形成过很多新恒星。 人们常说它们是 “红色和死亡的”，也就是说，它们主要包含旧的、很酷的红色恒星，几乎没有或根本没有新的恒星形成。
这些观测结果（综合考虑）表明，我们在附近看到的巨型椭圆星系是由自上而下和自下而上的机制相结合形成的，最大的星系形成在最密集的星团中，这两个过程都发生在历史上很早也很快宇宙。
螺旋星系的情况显然大不相同。 这些星系的凸起很早就形成了，就像椭圆星系一样（图\(\PageIndex{1}\)）。 但是，圆盘是后来形成的（请记住，银河系圆盘中的恒星比凸起和光环中的恒星还年轻），并且仍然含有气体和尘埃。 但是，今天的螺旋恒星形成速度比80亿年前低了大约十倍。 随着气体的耗尽，正在形成的恒星数量会下降。 因此，螺旋似乎主要是 “自下而上” 形成的，但比椭圆形的时间更长，而且方式更复杂，至少有两个不同的阶段。
哈勃最初认为椭圆星系还很年轻，最终会变成螺旋状星系，但我们现在知道这个想法是不正确的。 实际上，正如我们在上面看到的那样，更有可能是相反的方向：两个在相互重力下一起坠毁的螺旋可以变成椭圆机。
尽管我们对星系如何形成和演变的理解有了这些进步，但仍然存在许多问题。 例如，根据目前的证据，螺旋星系甚至有可能在合并事件中失去螺旋臂和圆盘，使它们看起来更像椭圆星系或不规则星系，然后如果还有足够的气体可用，稍后会重新获得圆盘和手臂。 随着我们对星系及其环境的了解越来越多，关于星系如何假设其最终形状的故事仍在写中。
形成星系团、超级星团、空隙和细丝
如果单个星系似乎主要是通过在宇宙时代以引力将较小的碎片组装在一起而生长的，那么像第 28.3 节图\(28.3.8\)中所示的星系团和较大的结构呢？ 我们如何解释大型地图，这些地图显示星系分布在跨越数亿光年的巨大海绵或气泡状结构的墙壁上？
正如我们所看到的，观测发现，越来越多的证据表明，宇宙存在不到30亿年时，星系的浓度、细丝、星团和超级星团（图\(\PageIndex{2}\)）。 这意味着，当宇宙的历史还不到现在的四分之一时，大量集中的星系已经聚集在一起。
几乎所有目前备受青睐的关于宇宙中如何形成大规模结构的模型都讲述了一个与单个星系相似的故事：随着宇宙时代的到来，宇宙大爆炸在重力作用下发展成越来越大的结构，在炎热的宇宙汤中微小的暗物质 “种子”（图\(\PageIndex{3}\)）。 我们构建的最终模型需要能够解释星系、星团和细丝的大小、形状、年龄、数量和空间分布——不仅在今天，而且还要早在过去。 因此，天文学家正在努力测量这些大规模结构的特征，然后尽可能精确地对其进行建模。 到目前为止，混合5％的普通原子，27％的冷暗物质和68％的暗能量似乎是解释目前所有可用证据的最佳方式（参见《大爆炸》）。
左边的盒子标有 “Big Bang”，中间的盒子没有标签，右边的盒子标有 “Present”。 白色箭头从左向右指向代表时间方向。
科学家们甚至有一个模型来解释一开始几乎均匀的热颗粒和能量 “汤” 是如何获得我们现在在最大规模上看到的类似瑞士奶酪的结构的。 正如我们将在《宇宙大爆炸》中看到的那样，当宇宙只有几十万年的历史时，一切都在几千度的温度下。 理论家认为，在那个早期，所有的热气都在振动，就像声波用特别响亮的乐队在夜总会的空气中振动一样。 这种振动可能会使物质集中到高密度峰值中，并在它们之间形成更空的空间。 当宇宙冷却时，物质的浓度被 “冻结”，星系最终由这些高密度区域的物质形成。
大局
为了结束本章，让我们把所有这些想法放在一起，讲一个连贯的故事，讲述宇宙是如何变成现状的。 正如我们所说，最初，物质（包括发光和深色）的分布几乎是光滑和均匀的，但并不完全是光滑和均匀。 那个 “不完全是” 是所有事情的关键。 这里和有些块状物质的密度（无论是发光的还是暗的）都略高于平均水平。
最初，每个肿块都膨胀是因为整个宇宙都在膨胀。 但是，随着宇宙的不断扩张，密度较高的区域获得的质量仍然更大，因为它们对周围物质施加的引力略大于平均水平。 如果重力的向内拉力足够高，则密度较高的单个区域最终会停止扩张。 然后它们开始崩溃成形状不规则的斑点（这是天文学家使用的技术术语！）。 在许多地区，单向崩溃的速度更快，因此物质的浓度不是球形的，而是变成了巨大的团块、煎饼和绳状细丝，每个细丝都比单个星系大得多。
这些细长的团块存在于整个早期宇宙中，朝着不同的方向发展，以不同的速度崩溃。 这些团块为我们看到的当今宇宙中保存的大型丝状和气泡状结构提供了框架。
然后，宇宙开始自下而上 “自行建造”。 在团块中，首先形成较小的建筑，然后合并成更大的建筑，比如乐高积木被一个接一个地组合在一起，形成一个巨大的乐高大都市。 首先崩溃的密集物质是小型矮星系或球状星团的大小，这有助于解释为什么球状星团是银河系和大多数其他星系中最古老的东西。 然后，这些碎片逐渐组装起来，形成星系、星系团，并最终形成星系的超级星团。
根据这张照片，小星系和大型星团首先是在所有星系中密度最高的区域（煎饼相交的细丝和节点）形成的，当时宇宙只有当前年龄的百分之二。 有些恒星可能在第一批星团和星系出现之前就已经形成了。 一些星系与星系的碰撞引发了恒星的大规模爆发，其中一些导致了黑洞的形成。 在那丰富而拥挤的环境中，黑洞不断找到食物并大量增长。 然后，大规模黑洞的形成触发了类星体和其他活跃的银河核，这些原子核的强大能量和物质流出关闭了宿主星系中的恒星形成。 早期的宇宙一定是一个令人兴奋的地方！
然后，当单个星系聚集在一起时，星系团由它们的相互引力吸引聚集在一起（图\(\PageIndex{4}\)）。 首先，几个星系聚集在一起形成群组，就像我们自己的局部群一样。 然后，这些团体开始合并形成集群，最终形成超级集群。 该模型预测，星团和超级星团仍应处于聚集在一起的过程中，事实上观测结果确实表明，星团仍在聚集它们的星系群，并在沿着细丝流入时收集更多的气体。 在某些情况下，我们甚至会看到整个星系团合并在一起。
大多数巨型椭圆星系是通过许多较小的碎片的碰撞和合并形成的。 一些螺旋星系可能是在相对孤立的区域形成的，这些气体云会崩溃形成扁平的圆盘，但其他螺旋星系通过碰撞获得了额外的恒星、气体和暗物质，而通过这些碰撞获得的恒星现在填充了它们的光环和凸起。 正如我们所看到的，我们的银河系仍在捕获小型星系并将它们添加到其光环中，可能还会将这些星系中的新鲜气体吸入其圆盘。
摘要
最初，宇宙中的发光和暗物质分布几乎是均匀的，但不是很均匀。 星系形成理论面临的挑战是展示这种 “不太平滑” 的物质分布是如何形成我们今天所看到的结构（星系和星系团）的。 星系和空隙的丝状分布很可能是在恒星和星系开始形成之前就建立起来的。 最初的物质凝结大约相当于大型星团或小星系的质量。 然后，这些较小的结构在宇宙时代合并形成大型星系、星系团和超级星系团。 如今，超级星团仍在聚集更多的星系、气体和暗物质。 而像银河系这样的螺旋星系仍在通过捕获附近的小星系来获取物质。