澳门新葡亰官方登录银河系的形成和演化,下过
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目前所观测到的银河系的物理、化学、分布、运动学特征以及星族的客观存在,是100多亿年前银河系形成以及嗣后长期演化的结果。为了探究这一漫长过程中所发生的真实情况,首先必须建立合理的银河系理论模型,并对观测事实做出有效的解释。迄今已提出的这类模型可谓名目繁多,大体上可以根据模型试图解释的主要观测事实,分为质量模型、恒星计数模型、运动学模型、动力学模型以及化学演化模型等几大类。如质量模型是要对银河系及其各个成分的密度分布做出说明,使模型预期值与一些观测量(如太阳附近的总面密度等)相一致;恒星计数模型应该对银河系不同位置处恒星绝对星等的分布给出合理解释;运动学模型涉及恒星的空间运动,不仅要求能说明恒星数密度与绝对星等之间关系,而且要对不同位置上的恒星速度分布做出预言;而化学演化模型则要通过研究物质化学成分的历史演变踪迹,来探索银河系形成和演化的线索。

早在15世纪中期,法国大主教尼古拉就已猜测夜空中的众多繁星都是十分遥远的太阳。1584年,意大利思想家布鲁诺进一步明确提出宇宙无限的概念,并认定太阳只是一颗普通的恒星。不过,鉴于这些天才的猜测缺乏实测科学依据的支持,学者们并没有给以充分的关注。

在冬天,一场大雪过后,人们会感到外面万籁俱静。这是怎么回事?难道是人为的活动减少了吗?那么,为什么在雪被人踩过后,大自然又恢复了以前的喧嚣。 原来,刚下过的雪是新鲜蓬松的。它的表面层有许多小气孔。当外界的声波传入这些小气孔时便要发生反射。由于气孔往往是内部大而口径小。所以,仅有少部分波的能量能通过口径 反射回来,而大部分的能则被吸收掉了。从而导致自然界声音的大部分能均被这个表面层吸 收,故出现了万籁俱寂的场面。 而雪被人踩过后,情况就大不相同了。原本新鲜蓬松的雪就会被压实,从而减小了对声波能量的吸收。所以,自然界便又恢复了往日的喧嚣。

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厚盘结构并非只见之于银河系,在其他一些旋涡星系中也已发现了存在厚盘的观测证据,这说明至少对部分星系来说,厚盘很可能是较为普遍存在的一种结构成分,它们的形成和内禀性质必然与星系演化过程密切相关。

银河系在宇宙中并不是孤立的,它与邻近的几十个形态不同的星系构成了一个不太大的星系集团,称为本星系群,空间范围约为650万光年,银河系和仙女星系是本星系群中最大的两个星系。

赫歇尔的工作具有重大历史意义,它证实了作为一个恒星系统的银河系的客观存在,使人类的视野从太阳系范围大大地拓展了。这是继哥白尼建立日心说之后,天文学发展史上的又一个重要里程碑,赫歇尔因此被后人誉为恒星天文学之父。在赫歇尔的模型中,太阳仍然位于那时所认识的宇宙范围——银河系的中心。基于赫歇尔当时在天文界中有着很高的声望,这一不正确的概念维持了130余年。

包围着银盘的是一个物质平均密度比银盘低得多的区域,称为银晕,大体上呈球状,直径约10万光年。银晕涉及的范围比银盘大得多,但因物质分布非常稀疏,故质量大约只及银盘的10%。银晕中主要有两类天体,即老年恒星和球状星团,此外还有极少量的气体。

目前,厚盘的存在已经为人们所普遍接受,并进行了深入的研究,这样一来原来关于银河系结构的3成分模型,应代之以四成分(核球+薄盘+厚盘+银晕)模型。在更为细致的研究中,薄盘恒星更进一步区分为年轻薄盘和老年薄盘两种成分。其中老年薄盘就是原来意义上的薄盘,而年轻薄盘恒星的空间分布更要“薄”一些,标高仅为100pc。在太阳附近,属于年轻薄盘的仅占薄盘恒星的20%左右。另一方面,银河系中的星际气体尘埃物质主要集聚在银道面附近,它们的空间分布也呈现盘状结构,这就是气体盘。由此可见,银河系物质的盘状结构颇为复杂。

坍缩机制认为,厚盘和薄盘是银河系在演化过程中相继形成的两种结构。先是通过坍缩形成厚盘,剩余气体因进一步内落而形成薄盘。初始坍缩可以是一种快坍缩,也可能是一种受压力支撑的慢过程。快坍缩机制的理论基础是ELS模型,厚盘形成经历的时间大约只有4亿年,薄盘在这之后形成,历时6亿年。慢坍缩机制认为,由于气态物质的压力支撑作用,引力坍缩表现为一种慢过程,在形成银河系的几十亿年时间内,厚盘先形成,然后再生成薄盘。慢坍缩和快坍缩的观测表现应该是不同的:前者有足够时间在厚盘中形成垂直银道面方向上的金属丰度梯度,而后者则没有足够长的时间来建立这种梯度,但目前的观测资料还不能对此做出明断。

银河系的化学演化必然与恒星演化密切相关。恒星演化的进程取决于恒星质量,质量越大演化得越快。大质量恒星的演化很快,最快的仅需经过几百万年时间,便以超新星爆发而终其一生。由于银河系年龄超过100亿年,历时几百万年甚至更长的一些过程,相对银河系的一生来说实际上是很短的。这类短时标事件在银河系的整个演化史中会不断出现,其结果是注入星际介质中的重元素不断增多。因此,星际介质以及由星际介质坍缩形成的恒星内的重元素丰度,必然随宇宙年龄的增大而增大,这一过程称为“元素增丰”。显然,在目前存在的恒星中,金属丰度越低年龄越老,它们必定是一些长寿命的小质量恒星,因为大质量恒星早已寿终正寝了;近期诞生的恒星金属丰度就高,它们质量可以有大有小。

离银河系最近的有两个质量较小的星系,即大、小麦哲伦云,它们绕银河系转动,且有气体从中逸出,形成长条形的物质流,这是由于银河系的引力作用而从麦哲伦云中拖曳出来的。即使麦哲伦云能长期稳定而不被银河系所吞并,那么也许总有一天其中的物质会流入银河系,并对银河系的结构和演化产生影响。不过,因为大、小麦哲伦云的总质量只有银河系质量的1/20左右,这种影响不大可能使银河系的总体结构和演化进程发生重大的变化。

银河系形成和演化所涉及的内容非常广泛,非本文所能逐一评述。随着许多大型设备投入有关的观测工作,以及包括整个电磁波譜的多波段天文观测的开展,天文学家取得了海量观测数据,这对深入研究银河系、星系的形成和演化提供了极为宝贵的资料,也提出了更多的实测结果需要由理论来加以解释。在星系天文学中,银河系显然具有不可替代的重要地位。就单个星系而言,有关银河系的观测资料最为丰富,由银河系得出的结论还可以为探索河外星系的奥秘提供观测约束,这正是人们重视银河系研究的主要原因之一。

首先通过实测探究银河系结构的是著名英国天文学家、天王星发现人威廉· 赫歇尔(Herschel W)。从1770年代起,赫歇尔开始用恒星计数方法研究银河系结构。在几十年内所作的1083次观测中,他总共计数了117,600颗恒星,就当时的条件来说工作量非常大,赫歇尔为之付出了极大的心血。1785年,赫歇尔在观测的基础上加上若干理论假设,建立了天文学史上的第一个银河系模型。

在上述各种厚盘形成机制中,比较多为人们所接受的是“先薄后厚”的并合机制,以及可能还有“先厚后薄”的快坍缩机制。其他“先薄后厚”的形成机制因与一些重要实测结果不符而受到较多的质疑,慢坍缩机制则基本上已不为人们所关注。应当说,涉及厚盘以及星系形成和演化的一些重要问题还没有完全弄清楚。比如,不同星系中的厚盘是否会有不同的形成机制?一种以上的机制是否会在不同的程度上同时对厚盘的形成发挥作用?等等。

1944年,当时正在美国工作的德国天文学家巴德明确提出星族的概念,即根据银河系物质的物理化学性质、空间分布和运动特征,把银河系天体区分为星族I和星族II两类。星族I天体的年龄较轻,大致分布在以银心为中心的一个扁圆环状范围内,它们绕银心的运动速度较大,但速度弥散度较小;星族II天体年龄比较老,分布在一个以银心为中心的略扁的球形天区内,这类天体绕银心的运动速度较小,但速度弥散度却比较大。银盘中天体以星族I为主,核球和银晕内主要是星族II天体。

随着星系并合现象的普遍发现,一种比较流行的观点认为,因银河系与某个较小质量伴星系的并合,早期形成的薄盘恒星由于受到剧烈的运动学加热、扩散而形成厚盘。这里又可以有两种不同的加热途径:一种是需要银河系与伴星系发生实际上的并合,另一种则强调并不一定要求伴星系直接落入银盘中,伴星系与银河系的密近交会同样能形成厚盘。有人通过数值模拟发现,如对伴星系设定某个质量范围,并与银河系薄盘以一定的倾角并合,结果是银盘恒星会形成两个服从指数律的数密度分布,其中外部成分就是厚盘。

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