浩瀚宇宙中的厮杀，细说星系的形成与演化

几乎可以肯定地说，二十世纪天文学上最重大的发现，莫过于“河外星系”的存在。

所谓的“河外星系”，其实就是银河系之外的星系。

在过去的几十年间中，科学家们一度认为银河系外不可能还有庞大星系的存在。

然而，哈勃带着新发现的造父变星打破了人们已有的认知，人们这才明白“山外有山”的道理。

也正是基于此发现，宇宙的基本构成单元发生了重大变化：单个恒星不再是基本单位，相反，那由无数恒星、气体、尘埃组成的庞大天体系统——星系才是。

如此一来，明晰星系的形成和演化的过程也便成了弄懂宇宙生成的必要步骤。

星系形成、演化的宇宙学背景

与任何物理学问题一样，要想搞明白星系形成与演化的过程必须明晰两个条件：初始条件和边界条件。

初始条件指的是，星系究竟是在什么环境中获得了形成的契机。而边界条件关注的略有不同，比如说各类星系是如何长成不同面貌的。

颇为棘手的是，星系形成的“初始条件”并不明朗。

这是因为，这一条件涉及的是宇宙的诞生。

由于任何人都无法回到宇宙诞生之初去见证其发生的经过，所以目前科学界关于宇宙的生成主张实际上是高度理论化的。

这也就意味着，不论是宇宙的诞生还是星系的生成，都建立在大量的假设之上。

其中，最为著名的假设有三个。

其一是哈勃提出的“膨胀”一说。他认为，宇宙各个天体之间正在彼此远离，给予空间让其发展。

其二是宇宙的发展是非常均匀的，这一说法类似能量守恒定律。

其三便是推翻了牛顿说辞的广义相对论。

基于这三个假设所设想的宇宙，大致是一个处于绝对物质平衡的状态。

但随着宇宙诞生之初能量的暴涨，旧有的物质平衡被打破，新物质的到来又给整个宇宙带来了超强的量子扰动。

因而，宇宙间自然出现了因量子扰动程度不一的质量结构，这些质量结构或大或小地组织在一起，成为了最初的星系。

科学家基于共同的函数假设，认为宇宙大爆炸后曾形成了一个星系生长的高峰。

但是，宇宙原初能量导致的量子扰动只是星系形成的一个因素，甚至极有可能是最不起眼的因素。

因为，在星系的形成过程中，发挥关键作用的还是无处不在的暗物质。

或者说，星系本身就形成于暗物质聚集的中心之处——暗晕。

暗物质虽然名为“暗物质”，但本质并不神秘，究其根本就是会因引力作用产生动力学摩擦的物质。

这一特性，乍一看别无用处。

可实际上，它直接催发了星系的并合机制。

在宇宙中，星系若想发展，必须依赖自身的质量。

而星系质量的形成与暗物质脱不开关系，甚至在一定程度可以说暗物质便是星系质量的主要构成。

这也是说，想壮大自身的星系，大多数时候需要通过吸收暗物质来增强体魄。

可有趣的是，暗物质丰富的地方，往往又散发出强大的引力诱惑。

换言之，如果某一星系感受到了暗物质的召唤，那么其余的星系也有可能感受到了同样的召唤。

因此，星系要想在宇宙间存活下去，便不得不展开无数场“地盘”争夺大战，以便自身吸收更多的暗物质。

值得说明的是，星系之间的“战争”，并不是简单的“你死我活”模式，其并合机制异常复杂，涉及多方面的因素。

星系之间的分分合合

如前所述，各个星系形成之后，并不能与周边的星系保持友好的邻居关系。

相反，若是不同星系偶然碰在一起，那么其中身处较大暗晕中的星系将会吞噬身处较小暗晕的星系。

这就是宇宙间悄然上演的“星系大战”。

通常认为，“星系大战”的动因有三方面的原因。

其中之一是物质粒子的摩擦作用。

在整个吞噬过程中，身处较小暗晕中的星系会先成为主导星系的卫星星系，随后将围绕后者展开运动。

但这一运动的过程中，卫星星系又会因为暗物质粒子之间的摩擦作用，而被迫损失自身的能量，最终导致整个卫星星系掉入中心暗晕，彻底地沦为主星系的一部分。

在这里，暗物质粒子既是“星系大战”的起因，又是战争的推手。

著名科学家钱德拉就曾描述过这一场景，他用刚性物体做了个比方。

当一个刚性物体意外进入一片没有任何摩擦作用的物质粒子之中，势必会因摩擦作用导致整个物质粒子的运动轨道发生偏离。

轨道的偏离又成功带跑了刚性物体后面的物质粒子，这些物质粒子被强大的摩擦力吸引而来，数量愈发增多。

最终，刚性物体抵不住身后物质粒子的拖拽，被迫停下运动的脚步，与后面的物质粒子运动逐渐融为一体。

那这是否意味着任何星系聚在一起，都会因为摩擦作用发生并合的现象呢？

当然不是。

根据钱德拉的猜想，摩擦作用要想起到预测效果，只能出现在两个质量不均衡的星系之间。

试想一下，如果两个星系同等质量、大小，那么它们之间所产生的摩擦作用实际上也在互相抵消，根本无法对另一方产生支配的力量。

因此，在质量相当的星系之间，它们更多是发生相互作用，但不会产生进一步的并合现象。

尽管如此，但宇宙总是见不得星系之间和平相处，偶尔也会制造一些偶然契机。

星系之间的高速交汇便是如此。

通常情况下，星系不论质量、大小如何，其运行速度都是相当高速、且不易与其他星系相碰撞。

但是，如果星系的运行速度突然减慢，那么，不同星系碰撞的几率便会大大地增加。

减慢的原因很简单：宇宙间突然放射出了新的能量，这一能量为星系所捕捉。

在捕捉能量的那一瞬间，星系原本的运行速度变慢，由此与另一高速运行的星系发生了交汇。

交汇本身所产生的热量又与宇宙放射的能量一道，完全被速度放缓的星系所吸收。

星系吸收了大量的能量，势能大大增加，内部开始变得膨胀，膨胀之后的星系便会向周边散发出强烈的粒子摩擦作用。

如此一来，原本与之擦肩而过的其他星系也就成了它天然的供给品，被强大的摩擦力吸住，难以逃脱。

似乎，宇宙间无时无刻都在发生着“星系大战”。那么，有没有可能一些星系的确处在自生自灭的状态之中呢？

就现下科学所能观测到的情况来说，宇宙的不同星系之间确实充满了斗争，但也不排除有些许的星系因其上了年纪吸收不到物质，被“孤立”的情况。

那么，这类被孤立的星系的唯一结局，就是自己“熄灭”。

在整个星系之中，占据主导地位的莫过于恒星。恒星要想维持自身的发展，就必须吸收星系之外的物质、气体。

一旦星系周围气体减少，恒星便无法继续吸收气体，进而导致其生成活动趋于停滞。

当然，恒星停止生长之后，星系依然存在。但由于它无法催生出新的恒星，因此星系最终的结局还是被“饿死”。

一般来说，发展势头向好的星系，其吸积能力较强。

不难看出，星系之间总爱上演着分分合合的戏码。千万别以为这是宇宙间的专属浪漫。

实际上，星系之间只好靠着这些分分合合，才有可能塑造出当下宇宙的面貌。

星系演化的后续：灿烂光辉的宇宙面容

星系在并合的过程中，会生成一种极为壮观的宇宙结构——潮汐尾。

潮汐尾可长可短，其长度取决于星系所受到的引力作用大小。

一般的并合星系，像老鼠星系就存在着延展的潮汐尾，其长度大概是100kpc。而像更极端的超触角星系，它的潮汐尾长度竟然达到了300kpc，在整个宇宙间熠熠生辉。

作为典型的引力系统，星系内部的恒星、气体都被引力所束缚着。

但在与其他星系的接触中，由于星系两侧受到的引力不一致，导致部分恒星运动迟缓，从而拉扯出延展性极强的潮汐结构。

潮汐结构的存在并不仅是为了观赏之用。

在偌大的宇宙中，任何宇宙现象都具有一定的象征意义。

换言之，潮汐结构也可被视作星系并合过程中的重要符号。

通常情况下，星系并合的时间在一亿光年左右，潮汐结构却能自出生起，就一直陪伴着星系并合，甚至在并合结束之后还持续存在。

因此，科学家们认为，观测潮汐结构的形态、长度、亮度等就能清楚地知道星系并合的过程。

而这，还只是潮汐结构存在的一个“小用”。

从宇宙学的角度来说，潮汐结构本身意义非凡。因为，潮汐结构可以催生出新的星团和矮星系。

换言之，星系并合的过程中不仅存在着大星系吞噬小星系的操作，还给予了矮星系生存的空间。

只不过，这些生长于潮汐结构中的矮星系往往是宿主星系的依附。它们本身的物质都是靠吸取宿主星系而来，因而星系质量较小，自身没有吸积暗物质的能力。

有趣的是，随着矮星系陆续被发现，不少科学家认为银河系就是由诸多矮星系吸积、并合而成。

2010年，费贝尔等人测定了来自两个极暗矮星系中的元素丰度，意外发现这些恒星中的铁峰元素与银河系的元素丰度相吻合。

这里所言的“元素丰度”实则是化学元素的含量。

由于不同化学元素的产生具备不同的天体物理环境和时间要素，如氦元素形成于宇宙爆炸初期，而镁元素则要等到超新星的爆发才出现。

因此，测定星系之中的元素丰度也不失为测量星系年龄、发展的重要手段。

尽管如此，元素丰度这一测量手段也不是唯一绝对的。

道理很简单，在漫长的光年内，宇宙间所发生的变化是整体的。元素丰度仅是其中的重要因素，无法代替其余的影响因子。

这也意味着，银河系究竟是不是由矮星系吸积、并合而成的这一假说也需要大量、丰富的数据来推算和分析。

但不论如何，矮星系的形成也向人类清楚地表明着，宇宙的生成是何等地复杂。