宇宙中的星系几乎都是同一个时间段诞生的，为何椭圆星系几十亿年不产生新恒星?
2024-11-19 阅读 86
更新于 2024年11月21日
恒星质量越大，其内部的核反应越剧烈，结果是恒星寿命越短。
椭圆星系中，古老恒星居多，亦即小质量恒星居多。
所以，本问题就转化为，为什么椭圆星系中大质量恒星那么少？
这就需要我们追朔到恒星形成之初：
恒星形成需要气体物质逐渐聚集，这个聚集又需要某些导致质量不均的扰动引发。
设想：一个气团，如果被频繁地扰动，会生成多个聚集中心；如果被偶尔扰动，则只能生成少量聚集中心。这就好比过饱和溶液中的结晶过程：如果频繁搅拌，我们会得到粉末晶体沉淀；如果静置等待，则会析出较大的晶块。
我们通常的直觉是，椭圆星系是相对静态的，没多少变化；而涡旋星系是动态的，有大尺度的旋转。但事实上，从局部细节来看，椭圆星系中更接近无序的热运动，各个恒星从各个方向穿插通过同一区域；而涡旋星系的局部，各个悬臂的恒星都沿着相同的方向绕中心运行，即其中的气团周围各个恒星的相对穿插非常少，大多与该气团维持相近的运动方向和速度，所以局部反而相对静态。
于是，涡旋星系有条件生成更大的恒星，短寿的巨大恒星不断喷发，又有条件不断生成年轻的恒星。
宇宙中的星系确实在大爆炸后不久开始形成，但不同类型的星系在演化过程中表现出显著的差异。特别是椭圆星系和漩涡星系在恒星形成活动上的区别，主要归因于它们的初始条件、环境和演化历史。
星系的形成和初期演化根据大爆炸理论，宇宙在约138亿年前从一个极其炽热和密集的状态开始膨胀。在宇宙早期，暗物质晕通过引力作用聚集了大量的气体（主要是氢和氦），形成了原初星系团。这些原初星系团随后演化成不同类型的星系，包括椭圆星系和漩涡星系。
椭圆星系的特性椭圆星系通常形成于高密度区域，这些区域的暗物质晕质量较大，引力势阱较深。在这种环境中，气体快速冷却并聚集，形成大量恒星。这一过程非常迅速，导致大部分气体在星系形成初期就被消耗殆尽。
椭圆星系中的气体耗尽速度较快，可以用以下公式表示： \frac{dM_\text{gas}}{dt}=-kM_\text{gas}\\\frac{dM_\text{gas}}{dt}=-kM_\text{gas}\\其中 M_\text{gas}M_\text{gas} 是气体质量，kk 是耗尽率常数。解这个微分方程可以得到： M_\text{gas}(t)=M_\text{gas}(0)e^{-kt}\\M_\text{gas}(t)=M_\text{gas}(0)e^{-kt}\\假设初始气体质量为 M_\text{gas}(0)M_\text{gas}(0)，经过时间 tt 后，气体质量减少到 M_\text{gas}(t)M_\text{gas}(t)。
恒星形成停止由于气体迅速耗尽，椭圆星系中的恒星形成活动在几亿年内基本停止。恒星形成率 \dot M_\text{star}\dot M_\text{star} 可以表示为： \dot M_\text{star}=\epsilon\frac{dM_\text{gas}}{dt}\\\dot M_\text{star}=\epsilon\frac{dM_\text{gas}}{dt}\\其中 \epsilon\epsilon 是恒星形成效率。当 M_\text{gas}M_\text{gas} 接近零时，恒星形成率也接近零。
漩涡星系的特性漩涡星系通常形成于较低密度区域，这些区域的暗物质晕质量较小，引力势阱较浅。在这种环境中，气体冷却和聚集的速度较慢，形成恒星的过程也较为缓慢。
漩涡星系能够保留大量的气体，这些气体在星系盘中以分子云的形式存在。分子云是恒星形成的场所，因此漩涡星系能够持续产生新的恒星。
漩涡星系中的恒星形成活动可以用以下公式表示：\dot M_\text{star}=\epsilon\frac{dM_\text{gas}}{dt}\\\dot M_\text{star}=\epsilon\frac{dM_\text{gas}}{dt}\\假设恒星形成效率 \epsilon\epsilon 和气体耗尽率 kk 保持不变，漩涡星系中的气体质量随时间变化可以表示为： M_\text{gas}(t)=M_\text{gas}(0)e^{-kt}\\M_\text{gas}(t)=M_\text{gas}(0)e^{-kt}\\
但由于初始气体质量较大且耗尽速度较慢，漩涡星系中的气体可以在数十亿年内持续供应恒星形成。
环境影响椭圆星系通常位于星系团的中心，受到强烈的环境影响，如潮汐力和星系间的相互作用。这些环境因素可以剥离星系中的气体，进一步抑制恒星形成。
漩涡星系通常位于星系团的边缘或孤立存在，环境影响较小，因此能够保留更多的气体。
我们可以编写一个简单的Python脚本来模拟这些过程。
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# 参数设置
M_gas_initial = 1e9 # 初始气体质量，单位：太阳质量
k = 1e-8 # 耗尽率常数，单位：1/年
epsilon = 0.1 # 恒星形成效率
t_max = 1e10 # 模拟时间，单位：年
dt = 1e8 # 时间步长，单位：年
# 初始化变量
t = np.arange(0, t_max, dt)
M_gas = M_gas_initial * np.exp(-k * t)
M_star = epsilon * k * M_gas_initial * (1 - np.exp(-k * t))
# 绘制结果
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(t / 1e9, M_gas / 1e6, label='Gas Mass (10^6 solar masses)')
plt.plot(t / 1e9, M_star / 1e6, label='Star Formation Rate (10^6 solar masses/year)')
plt.xlabel('Time (Gyr)')
plt.ylabel('Mass (10^6 solar masses)')
plt.title('Gas Mass and Star Formation Rate Over Time')
plt.legend()
plt.grid(True)
plt.show()椭圆星系和漩涡星系在恒星形成活动上的差异主要归因于它们的初始条件、环境和演化历史。椭圆星系由于形成于高密度区域，气体迅速耗尽，导致恒星形成活动在几亿年内基本停止。而漩涡星系由于形成于较低密度区域，能够保留大量的气体，因此能够持续产生新的恒星。这些理论和技术为星系演化和宇宙学的研究提供了重要的支持。
这二者都隶属于哈勃星系
哈勃星系又分三类，先简单概括一下
椭圆星系
椭圆星系呈椭圆形或正圆形，没有旋涡结构，通常中央密度高，边缘逐渐变暗
椭圆星系按椭率分为E0到E7八种类型，E0表示正圆形，E7表示最大椭率
旋涡星系
旋涡星系具有旋涡结构，中心为一个球状或椭球状核球，从中心向外有多条旋臂
旋涡星系分为正常旋涡星系（用S或S A表示）和棒旋星系（用S B表示）
每类星系再根据核球大小和旋臂缠绕的松紧程度分为a、b、c三个次型。
漩涡星系不规则星系
不规则星系外形不规则，没有明显的核和旋臂，通常含有较多的尘埃和气体
不规则星系分为IrrⅠ和IrrⅡ两类，IrrⅠ类外形畸形，IrrⅡ类显示有剧烈的恒星形成活动或其他天体相互作用迹象
椭圆星系以老恒星为主，而其中的恒星的运动是以不规则的运动为主，不同于漩涡星系的以自转运动为主，只有少许的不规则运动
没有或仅有少量气体和尘埃，没有HⅡ区，辐射大部分来自红巨星，缺乏热的亮恒星，颜色一般偏红，没有主导的绕轴自转，像蜂群那样成员星在各自轨道上绕中心转动，没有漩涡结构
椭圆星系但是注意了，并不是不产生新的恒星，而是相比于旋涡星系，椭圆星系产生的恒星量特别少
