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 27
椭圆星系通常是由早期宇宙中的大规模星团合并形成的，这些星团中的气体和尘埃资源逐渐耗尽，导致椭圆星系内的气体和尘埃供应枯竭。因此，椭圆星系内几乎没有新的气体和尘埃供应，这就导致了几十亿年来椭圆星系几乎不产生新的恒星。相比之下，螺旋星系通常拥有更多的气体和尘埃资源，因此它们能够持续形成新的恒星。
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
