古老恒星的研究对星系形成和演化有哪些具体贡献？
2024-11-19 阅读 21
更新于 2024年11月21日
随着新恒星的诞生和老化，星系的光输出将随时间改变，同时影响着它的颜色和光度。那么，假设恒星形成历史来建立模型，应用恒星演化的知识来计算星系的光谱如何随时间改变，与观测数据比较，就能对星系的形成和演化取得认识。
随着恒星间的引力相互作用，星系不同位置的恒星组成的结构，不同位置恒星的运动学性质也会随时间改变。那么，根据星系动力学的模型，来计算星系中恒星组成的结构和恒星的运动学性质如何随时间改变，与观测数据比较，就能对星系的形成和演化取得认识。
例如，在检验椭圆星系形成的理论时，可以使用如下一些方法：
考察恒星形成历史。一种理论认为椭圆星系的恒星是在一次暴发中形成的，另一种理论认为恒星是在不同位置，在更长的时间内形成的。分析了恒星形成的位置，时间，就能检验这两种理论。
考察祖先性质。一种理论认为椭圆星系的祖先是单一的恒星暴发气体云，另一种理论认为椭圆星系的祖先可以有不同的结构。对星系中恒星位置组成的结构，不同位置恒星的运动学性质，光谱性质，化学性质进行分析，就可以在细节上检验这两种理论。
星系动力学理论认为，无碰撞系统的相空间密度最大值在演化过程中不能增加。那么，分析星系相空间密度的演化，就能判断星系的形成是否来自无碰撞并合。
如果星系的形成来自并合，也会有一些结构上的明显迹象，例如结构上显著的扭曲，或显著的潮汐尾，这是两个质量相似的恒星盘并合时产生的。不过，剧烈的弛豫只会持续几倍动力学时标。如果可以估计这些结构相关的时标，也能确定瞬时并合率。
潮汐尾的寿命较长，但表面亮度通常较低，特别是高红移处。也不是所有的并合构型都会产生显著的潮汐尾，也可能在残骸的外部产生壳，涟漪和羽流之类的结构，这些结构可以持续更长时间。
关于星系的形成和演化，可以参考如下一些教材：
L. S. Sparke和J. S. Gallagher著的Galaxies in the Universe（《宇宙中的星系》），这本是比较基础的星系天文学教材，没有复杂的数学推导，中国科学技术出版社在2010年出版过原书第二版的中译本。
Houjun Mo，Frank van den Bosch和Simon White著的Galaxy Formation and Evolution（《星系的形成和演化》），这本是大型综述，也有大量的篇幅介绍星系宇宙学。
Bruce T. Draine著的Physics of the Interstellar and Intergalactic Medium（《星际和星系际介质的物理学》），这本也是大型综述，理解星系际介质有助于理解星系的形成和演化。
古老恒星在宇宙中具有极其重要的存在意义。首先，它们是宇宙演化的见证者。宇宙诞生之初，物质以基本粒子形态存在，随着宇宙的不断膨胀和冷却，气体逐渐凝聚成星云，进而形成恒星。古老恒星承载着宇宙早期的信息，为我们研究宇宙的起源提供了宝贵线索。
对于星系形成和演化的研究，古老恒星同样价值非凡。一方面，古老恒星的化学成分可以揭示星系形成初期的物质组成。例如，我国科研人员在国际上首次发现了第一代超大质量恒星的化学遗迹，通过对一颗质量大约为 0.5 个太阳质量、金属元素含量极低的恒星的研究，确定了其元素来自 260 倍太阳质量的第一代恒星。这有助于我们了解宇宙诞生初期星系的物质基础。
另一方面，古老恒星的分布和演化过程可以影响星系的结构和动力学。如位于银河系中的特殊恒星形成区域古尔德带，其诞生原因成谜，但对星系的演化起到了重要的推动作用。还有，银河系外的存在体可能导致星系内形成恒星，例如年轻星团 Price-Whelan 1 对银河系的外部区域带来了很大的影响。
