大爆炸理论揭秘：星系如何诞生？

大爆炸理论揭秘：星系如何诞生？

引用

中国科学院

等

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来源

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https://opt.cas.cn/kpyd/kpwz/202401/t20240129_6961117.html

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https://i.astro.tsinghua.edu.cn/~yanghuan/all/index_cn.html

在人类探索宇宙起源的漫长历程中，大爆炸理论无疑是最重要的科学发现之一。根据这一理论，大约138亿年前，宇宙从一个极端高温、高密度的状态开始膨胀。随着温度逐渐降低，物质开始形成并最终演化成我们今天所见的星系、恒星和行星。

星系的形成始于大爆炸后的微小量子涨落。这些涨落在引力的作用下逐渐增长，最终形成了宇宙中的结构。根据ΛCDM模型（冷暗物质模型），宇宙中的物质分布是由暗物质组成的团块，这些团块因引力而相互作用，相互施加潮汐力矩，从而产生一定的角动量。

盘状星系（如螺旋星系）的形成有两种主要理论：由上而下理论和由下而上理论。由上而下理论认为，盘状星系是通过一个巨大的气体云整体坍塌形成的。然而，这种理论无法解释为什么观测到的盘状星系数量比预测的少。

相比之下，由下而上理论更被广泛接受。这种理论认为，星系是由较小的祖先星系通过合并形成的。物质从这些小团（质量相当于球状星团）开始，然后很多这些小团的合并形成星系。这仍然导致重子物质成圆盘状分布，与由上而下理论相同的原因，暗物质形成星系晕。使用这种过程的模型预测小星系的数量比大星系多，这与观测结果相符。

椭圆星系（如IC 1101）是迄今所知最大的星系之一。在这些星系内的恒星轨道是随机定向的，也就是说它们不像盘状星系那样转。椭圆星系的一个显著特征就是与螺旋星系不同，恒星的速度无助于星系的扁平化。椭圆星系的中心有超大质量黑洞，而这些黑洞的质量与星系的质量相关。

椭圆星系的演化有两个主要的阶段。第一个阶段是由于超大质量黑洞通过吸积冷却气体而长大，第二个阶段是黑洞通过抑制气体冷却而稳定，从而使椭圆星系处于稳定状态。黑洞的质量也与一种称为σ，即恒星在其轨道上的速度离散性质有关。这种关系是在2000年发现的，称为质量-速度离散关系 M–sigma relation。仅管有些圆盘星系类似于椭圆星系，但椭圆星系大多缺少圆盘。椭圆星系更可能出现在宇宙中拥挤的区域，例如星系团。

一个成功的星系演化理论必须能够解释观测所见（如右图）：在星系颜色-星等图上存在的两种不同的星系群。在这张图上，大多数星系倾向于分成两种不同的状态：「红序列」和「蓝云」。红序星系是几乎没有气体和尘埃，而没有恒星形成的椭圆星系；而蓝云星系往往充满尘埃，是恒星持续形成的螺旋星系。

近年来，科学家们在理解宇宙起源和星系形成方面取得了重要进展。2016年，LIGO科学合作组织宣布首次直接探测到了引力波，这一发现不仅证实了广义相对论的预言，也为研究宇宙起源提供了新的途径。

最近，一些天体物理学家提出了一个新理论，认为暴胀确实发生过，但它的推动者并非暴胀子场，而是空间的涟漪——引力波。研究人员认为，在一个膨胀的宇宙中，量子泡沫会释放引力波，而这些引力波在传播过程中会彼此碰撞并自我放大。引力波通常无法自我形成结构。但研究人员发现，在特定的情况下，引力波能够以特定的方式相互放大。

这一理论不仅为理解宇宙结构的形成提供了新的视角，也为未来的研究开辟了新的方向。科学家们正在通过观测宇宙微波背景辐射（CMB）来检验这一理论的可靠性。CMB是早期宇宙的光子"余晖"，其中隐藏着暴胀留下的微弱印记。通过分析这些印记，科学家们希望能够揭示宇宙起源的更多秘密。

尽管人类对宇宙起源和星系形成的理解已经取得了巨大进展，但仍有许多未解之谜等待我们去探索。从大爆炸理论到暴胀理论，从引力波的发现到最新理论的提出，每一次科学突破都为我们揭示了宇宙的更多奥秘。未来，随着观测技术的不断进步和理论研究的深入，我们有理由相信，人类将能够更深入地理解宇宙的起源和演化，最终解开这个困扰人类已久的谜题。