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1990年代初葉,天文學家關于星系形成和演化的觀念發生了引人注目的變化,這是由于研制了更完善的望遠鏡(包括哈勃空間望遠鏡),使人們能夠通過研究更暗、紅移更大、因而代表著宇宙年輕時期的星系,來回顧更加遙遠的過去。在取得這一突破之前,人們普遍認為,我們今天看到的全部星系,實質上都形成于大爆炸剛過后的同一時期,而且它們都隨著宇宙年齡增加而各自獨立演化。新觀念則把宇宙描繪成變化的動態畫面,其中星系互相競爭‘生存空間’、彼此融合、或吞并其他星系。新舊觀念之間最富戲劇性的差別是,橢圓星系過去一度認為是年老系統,現在則看成是在涉及盤狀星系和其他星系之間相互作用的過程中形成的相對新近產品。 在天空照片上,盤狀星系(有時也稱旋渦星系)比橢圓星系多得多,但最大的橢圓星系遠遠大于任何旋渦星系。一個典型的盤狀星系,如我們的銀河系,可能含有1,000億顆恒星,但最大橢圓星系擁有的恒星比這多100倍。不過也有許多矮橢圓星系,它們有些不會大過一個球狀星團,包含恒星約100萬顆。很多矮橢圓星系必定非常黯淡而無法看見,所以橢圓星系肯定大大超過我們已經看到的。 天文學家過去認為橢圓星系年老,是因為它們的恒星主要是冷的紅星,幾乎不含塵埃和氣體。既然冷紅星是老年恒星,所以認為橢圓星系也是年老的。然而,盤狀星系雖然含有很多熱的年輕恒星,而且恒星形成過程仍在它們的氣體塵埃云中繼續,但確實也有不少老年(星族Ⅱ)恒星聚集在它們的中央核球和散布在圍繞盤體的球狀暈內。新的證據表明,橢圓星系中的紅色老年恒星實際上來源于盤狀星系。橢圓星系要么形成于兩個旋渦星系之間發生導致盤體瓦解的相互碰撞;要么形成于一個原有橢圓星系吞食一個盤狀星系的并合。這就是橢圓星系如此巨大的原因。 證據來自對正處在并合過程中的星系的觀測和對這種并合事件的計算機模擬。兩個盤狀星系碰撞時,薄薄的盤體瓦解,兩個星系融合成狀如橢圓星系的單一‘星堆’。恒星本身并不相互碰撞,但兩個系統相互作用的引力場把所有恒星拉進一個球形空間。碰撞星系中的氣體塵埃云則發生真正的相互碰撞,產生激波,激波在新系統中傳播并觸發恒星形成高潮(見星暴星系)。 當一個大橢圓星系吞并一個小盤狀星系時,橢圓星系變大,看起來仍像單一的恒星系統。但計算機模擬表明,在擴大了的橢圓星系內部,來自盤狀星系的很多恒星不再沿著互相類似的軌道運動。照片證明情形正是如此。橢圓星系并非無特征的恒星堆積,它們含有比較亮的交叉光條和光弧,那就是被吞食但未完全消化的盤狀星系的殘余。 我們朝宇宙深處看得越遠,我們在時間上就回顧得越早,這是因為光在空間傳播的時間是有限的。在我們身處其中的這一宇宙部分,星系團含有很多橢圓星系而總體上呈微紅色。在對應回顧時間約50億年的距離處,星系團要藍得多(表明那時活躍的恒星形成過程比較常見),哈勃空間望遠鏡業已證明這些遙遠星系團中的很多天體是正在融合的成雙成對的盤狀星系。今天橢圓星系中的氣體和塵埃如此之少,就是因為它們全都在這類融合過程中轉變成了恒星。 今天,最大的橢圓星系位于星系團的中心,通過吞食其他任何過于靠近的星系而不斷長大,好似一只蜘蛛坐享自投羅網的美食而日益肥壯。我們今天看到的全部星系中,僅1%活躍地卷進了這類并合。但是,并合的過程極為短暫(同星系年齡相比),根據天文學家的計算,過去70或80億年間,我們現在看到的全部星系的一半都曾卷進過與大致相同大小星系的并合。在宇宙更為年輕而星系彼此靠得更近時,并合應該發生得甚至更加頻繁。 現在認為,盤狀星系本身是宇宙早期的較小實體并合而成。球狀星團的年齡范圍大約是70-140億歲,暗示我們的銀河系是在幾十億年間融合了100萬左右小氣體云而形成的。每個‘新’氣體云與成長中的銀河系碰撞時,激波就會引發一陣爆發式的恒星形成,產生一個新球狀星團或往銀河系中心核球補充新恒星。剩下的物質便沉降到盤中,最終形成旋臂。計算機模擬顯示,整個融合過程在暗物質模型中特別有效,因為暗物質的引力將一切東西維系在一起——確實,如果宇宙中沒有暗物質,我們今天所見的星系大概根本不會形成。 然而,仍有一些涉及星系形成和演化的難題有待解釋。例如,1980年代,美國電報電話公司貝爾實驗室的科學家們,證認了紅移值相當于回顧時間20—30億年的巨大數量矮星系。我們看到的這些矮星系是它們在地球只有當前年齡一半時的情景。那時,地球上的生命甚至還未曾離開大海登上陸地;但如果當時地球上有天文學家,他們的望遠鏡就會看到眾多藍色矮星系在夜天照耀,每個矮星系大約是我們銀河系大小的1%。 那些矮星系是如此之多,以致有人把它們在現代天文照片上出現的可能景象描繪成‘宇宙墻紙’。可是我們看不見任何與此類似的東西今天仍在活動。 也許,那些矮星系曾經是盤狀星系形成過程的中間階段,已經被離我們較近的旋渦星系吞并了。也可能那些構成宇宙墻紙的矮星系不過是燒光了,因為它們太小,引力場很弱,這些小不點兒星系中第一次恒星形成高潮時產生的超新星引起了強大激波,把矮星系中所有剩余氣體和塵埃驅趕到星系際空間去了,沒有留下形成新恒星的原料。與那些矮星系相當的天體(或至少是它們的化石遺體)現在仍然可能存在,但它們目前只含有年老的衰亡中的恒星,由于太暗而從地球上無法看見。 藍色矮星系時代之前,宇宙中的星系比我們現在看到的要大得多,但質量卻不見得更大。它們不過是擴散得更廣袤而已,因為引力自大爆炸以來還沒有來得及把它們全部拉扯成一個更致密的形態。整群整群星系像生物體的生態系統那樣一起演化,相互爭奪原料(將轉變成新恒星的氣體云),相互吞并,適應隨宇宙自身演化和年齡增長而不斷變化的條件。當我們聽到天文學家談論出現星族、演化和變化,以及某種東西(如藍矮星系)消失時,有時竟覺得這不是天文學家在談論星系,而是生物學家在談論地球上生物體的進化(譯注:天文學中的‘星族’、‘演化’、‘變化’、‘消失’等詞的英文與生物學中的‘種群’、‘進化’、‘變異’、‘滅絕’等詞是相同的,故有此比擬。)。 。

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構建原始宇宙的原生物質(主要是約78%的氫和22%的氦)的產生過程,在宇宙史的最初三分鐘便告完成;在此后宇宙由于膨脹面冷卻,如此大規模的核合成過程再也不可能發生了,而小規模的核合成也只有等到恒星產生以后。初生宇宙的空間充斥著極強壯的高能輻射,熾熱驚人。原生物質氫核和氦核均勻分布在整個太空,它們之間的引力微弱,遠不足以克服巨大的擴散壓力和輻射壓,因此列法凝聚成團。看來要打破這種物質均勻分布的狀態,還有竺宇宙冷卻到足夠的程度。 光陰一分分,一年年地流逝著,30萬年過去,宇宙的溫度溫度隱降到了4000K,然而其均勻狀態依然如故;1000萬年過去,宇宙中高能輻射冷卻變成微波背景輻射,氫核和擬核形成了各自的原子,原子間的引力也終于戰勝擴散壓力和輻射壓,在它的作用下漸漸形成了一個個物質密度較大的地區,并繼續向中心收縮;原始星云就這樣形成了。在宇宙誕生1000萬年以后,由氫擬兩種元素構成的巨大原始星云彌漫著太空,雖然非常稀薄,卻表明宇宙物質不再處于均勻分布的狀態,這預示了宇宙星光燦爛的未來。