星系是如何长大的？这个问题可能会为我们带来新的物理学

原文 | Indranil Banik, Jan Pflamm-altenburg, Moritz Haslbauer, Pavel Kroupa, Srikanth Togere Nagesh
翻译 | Linvo

天文学家发现宇宙中存在两种主要的不同类型的星系：椭圆星系和螺旋星系。椭圆星系是死亡的星系，充满了非常古老的红色恒星，它们在无序的轨道上围绕星系中心运动，使它们的形状看起来像松软的足球。另一方面，活跃的螺旋星系既有老恒星，也有许多新形成的恒星。它们看起来就像美丽的旋涡，因为它们的恒星和气体在一个薄的旋转圆盘的共同中心上沿着近乎圆形的路径运动。这些螺旋星系从中心延伸到3万光年或更长的距离，而椭圆星系的典型半径为1万光年。当计算所有比100亿个太阳重的星系时，只有3%的星系已经死亡，而今天绝大多数的星系都是充满年轻恒星的螺旋星系。我们的银河系是一个像这样的旋涡星系，而我们的太阳距离它的中心大约有两万四千光年。

我们的银河系有大约500亿颗恒星，并不断地形成更多的恒星。每年大约有4个恒星诞生，这种现象已经持续了120亿年。但也有起伏，有时银河系会产生更多的恒星，有时会产生更少的恒星，这取决于附近的星系是否靠近。离我们最近的大星系是仙女座星系，它离我们大约220万光年，正在向我们靠近，它包含更多的恒星，但在其他方面非常相似。

恒星是由这些星系包含的气体形成的，但如果我们计算所有这些气体，可以估计像我们这样的星系将在30亿年内将耗尽气体。我们的太阳已经有50亿年的历史了，所以，自从太阳和地球形成以来，银河系应该已经完全耗尽了气体。然而，天文学家看到的恒星形成的气体云只有300光年远，这表明银河系今天正在形成恒星，就好像它没有消耗自己的气体一样。当考虑到这一令人着迷的情况时，天文学家有必要发展一种理论来理解气体是如何被补充的，并解决这个深奥的宇宙学问题。

今天的天文学家和物理学家相信，大约138亿年前发生过一次大爆炸，它产生了所有的物质，并催化了宇宙的不断膨胀。随着气体在大爆炸后冷却，第一个星系凝聚，从而与其他星系合并，形成我们今天看到的大星系。根据这一理论，在一个典型的星系中，新恒星诞生的速率应该在大约80亿年前达到最大值。恒星的产生应该随着时间的推移而逐渐减少，因为星系中的气体被消耗掉了，因为来自周围环境的新气体的供应枯竭了，而且新合并的星系在日益稀释的宇宙中变得越来越稀少。除此之外，暗能量，一种基本不为人知的能量形式，似乎正在以更快的速度撕裂宇宙。所以，理论上星系应该停止成长。

宇宙大爆炸模型

来自波恩大学和布拉格查尔斯大学的一组天文学家现在有了一个奇怪的发现：他们选取了几百个在3000万光年以内的近距离观测到的星系，并验证了上述理论。在这一小块宇宙中发现的星系的行为，与前面提到的理论非常不同，因为它们没有改变新恒星诞生的速率。例如，今天的一个大星系，每年产生10颗恒星，当它在120亿年前诞生时，每年也产生10颗恒星。如今，一个较小的星系可能每十年才产生一颗恒星，这一速率自它诞生以来就没有改变过。

这一令人震惊的发现推翻了之前假定的理论，因为这意味着当一个星系在其形成第一个星团而诞生时，它当时接收到的气体和它今天接收到的气体可能合而为一，大致相同。没有迹象表明这些星系遵循上述理论。如果有什么区别的话，望远镜的观测似乎表明了一种微弱的趋势，根据这种趋势，如果有什么区别的话，那就是星系中新恒星的诞生速度略有增加。

正在星云中诞生的恒星

这就揭示了一个新的谜团：星系是如何继续成长的？一个星系生存的环境如何使这些气体以准确的速度供给星系，从而使星系中诞生的恒星的数量在它120亿年的整个生命周期中仍然保持不变的呢？天文学家和物理学家都不知道这个问题的答案。事实上，由于这个问题是一个全新的问题，为了回答这个问题，我们需要做很多原创的思考和研究。一些天文学家将借助上面的理论试图回答这个问题，但它并不清楚如何工作，因为相同的理论需要对附近的星系给出不同的结果，而理论中没有任何东西可以做到这一点。另一些人可能会尝试发展全新的理论，来研究周围的空间是如何向其星系输送气体的。这一研究的结果仍然很开放，但可以肯定的是，我们的一些物理理论可能会从根本上改变。

原文：
https://blog.oup.com/2020/09/the-enduring-mystery-of-how-galaxies-grow-up/