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不同星系的形成 摘要： 漩涡星系的形成： 星系盘——粘滞和塌缩； 旋臂——密度波模型、随机模型、替代模型的结合； 核球——各向异性的保留。 2. 漩涡星系和椭圆星系的内在联系——漩涡星系核球、星系晕与椭圆星系的相似，及以此推断星系形成的先后与联系。 3. 椭圆星系的角动量问题——初始角动量的去向：在物质碰撞间传递，星系相食。 关键词： 漩涡星系、椭圆星系、形成、联系、角动量 引言： 从地球，到太阳系，到银河系，再到数不胜数的河外星系，人类的眼界不断放大。将宇宙看作一个有机体，以亿万年的尺度研究它如何演化，于是宇宙不再不可探知。以平等的态度对待星系，抽象于自己短暂的生命之外，用逻辑推测、探究它们是怎么形成的，人类便是这样认识宇宙的。 正文： 1．brief introduction 星系：由大量恒星，星团，星云，星际物质组成的天体系统。 星系的哈勃分类：椭圆星系，漩涡星系，不规则星系。 椭圆星系： 形如椭圆，没有或仅有少量气体和尘埃，没有HII区1，辐射大部分来自红巨星，缺乏热的亮恒星，颜色一般偏红，没有主导的绕轴自转，成员星在各自的轨道上绕中心转动。 约占所有星系的60% 漩涡星系： 有星系盘和核球结构。 星系盘含大量年轻的热星而呈蓝色，核球密集老年恒星而偏红。星系盘有漩涡结构，从核球向外有两个或多个旋臂延展。旋臂由气体，尘埃和热的亮恒星组成。 约占总星系的20% （摘自《普通天文学》） 2.漩涡星系的形成：星系盘、悬臂、核球 星系始于几十亿年前原始电子云的引力塌缩。 1.星系盘的形成： 星系是始于几十亿年前的原初气体云。一团气体云如果要形成一个漩涡星系，一般得满足两个条件： 密度比较小 具有比较大的初始角动量。 因为恒星的初始形成率是取决于物质的平均密度的，如果这团电子云密度较小，就无法在早期形成大量恒星，星系中的物质在较长时间里会依旧以气体和尘埃的形式存在。 这些气体和尘埃一方面带着电子云的初始角动量，一方面也带着自己各向异性的活动。但与恒星相比，他们要密集得多，于是在每次经过中心平面时，气体原子、离子间就会发生碰撞，加热，然后辐射出能量。渐渐地就消除了除共有旋转之外的运动。（如同一个巨大的吸积盘中发生的粘滞作用） 又因为守恒的初始角动量，星系在快速旋转。出于我们所熟知的离心作用，物质在不断碰撞中将角动量不断向外传递（有时自身也被向外抛出），渐渐地，星系外围就呈现薄盘状，这就是我们所说的星盘。一个典型星系星盘的厚度大约只有其直径的1/10到1/50，而且向外迅速变薄。（但星系盘的厚度按不同的星体分是不同的，如果按气体的密度来计算，则并非边缘最薄）1 然而，虽然薄的星系盘的出现是气体尘埃间粘滞运动后的一种趋向，但动力学研究却表明这样薄的盘很难稳定和持久。（这很好理解，薄盘中物质受力几乎都在一个平面内，抗扰动能力就会很弱）于是天文学家又推算出一个质量和延伸度都很大的星系晕来维持星盘的稳定。在新建立的模型中，星系晕主要以暗物质的形式存在。 2.旋臂的形成： 最初，人类很自然地认为旋臂是由物质臂组成，但这个观点受到了两个巨大的考验：1.是什么使物质聚集在旋臂内（2~6微高斯的旋臂磁场排除了大尺度磁场的猜想）; 2.在星系的较差旋转中，物质臂会越绕越紧或越绕越松，如何保持稳定的旋臂;2 于是很自然的，在物质臂遇到难题的时候，密度波的假说就产生了。 密度波理论认为：星系盘有螺旋式的引力势波谷，当气体和恒星进入势波谷后，速度减慢，物质聚集；而一旦穿出，速度又恢复正常，物质松散。于是出现了物质密度的波动，在物质堆积处呈现旋臂。 林家翘和麻省理工大学学生曾证明：初始分布中的不规则性可以稳定，并逐渐形成一个两臂的、比恒星自身旋转慢得多的漩涡密度波前的形状。通过缓慢演化的密度波前来代替物质臂。3 根据密度波理论，旋臂外气体云相对旋臂的速度超过声速，在进入旋臂时，会受阻压缩，在前沿形成激波。激波促使被压缩的分子云坍塌，形成巨大的分子云复合体，产生恒星和HII区。而且压缩有助产生尘埃，所以激波后面有尘埃窄带。4 这些都和现实观测符合得很好。 然而除了规则连续的的双旋臂外，另一些旋臂则存在分支分叉，尤其是呈絮状的漩涡星系，旋臂模糊断续，不适合用密度波来解释。于是又出现了“随机理论”和“替代理论”。 随机理论认为，旋臂中的恒星在不断演化，于是漩涡部分持续产生和死亡，就没有连续的旋臂了。 替代理论则考虑了外界扰动，认为可能是邻近的星系通过潮汐作用使其产生旋臂。 对此，我觉得，现在同样被称为旋臂的现象，很可能是由物质臂和密度