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 24

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。