為什麽星系大多是盤形的，而不是球形的？

2015-06-07知識

當你讀到"星系"這個詞時，你的腦中第一個跳出來的形狀應該就是銀河系那種的螺旋盤子狀：

但很多人沒見過像兩個回旋鏢的星系PKS 2014-55：

南非MeerKAT射電望遠鏡中的PKS 2014-55星系。這張距地球8億光年的射電影像提供的細節表明，在中央雙黑洞的重力下形成兩股強大的射電波噴流，每一個都有十個星河系那麽長。

或者是下面這樣長得像個蜂鳥，但名字叫「小叮當仙女」的星系ESO 593-IG 008 ：

ESO 593-IG 008 三個星系在合並中

（後來我在看【彼得潘】的時候，才知道為什麽它會叫「小叮當仙子」。。真的像啊）

彼得潘裏的叮當小仙女（還是叫奇妙仙子她到底叫什麽。。）

或者有點像大鵬展翅或者大海龜的NGC 6240星系：

NGC6240的中心由三個黑洞組成，猜測是由三個星系碰撞形成

還有像發光的雞蛋一樣的橢圓形星系，下圖是哈伯拍到的M60星系和NGC 4647螺旋星系的合影：

或者長得像個逗號或蠕蟲的觸須星系：

其不規則形狀是NGC 4038和NGC 4039相撞的結果。

（註：以上我特意舉了幾個正在合並中的星系的例子，另外，我們現有的星系分類是基於可見光觀測。當在其他波長下觀察時，星系結構看起來會非常不同。）

哈伯序列

著名天文學家艾德溫·哈伯在1926年提出的被稱為「哈伯序列」的分類方案中 ^[1] ，基於照相底片上星系影像光學外觀的不同，把星系分為四種 ^[2] 形狀類別：

1.螺旋星系（代號S，原來S是象形文( 大誤) ）：

看起來像巨大的旋轉著的拖布頭或風車，有幾條彎曲的「臂」在漩渦四周。根據哈伯太空望遠鏡專案在2010年的一項統計 ^[3] ，這個類別的星系約占研究人員觀測到的星系總量的72%。

螺旋星系通常是由「熱」的年輕恒星們組成的扭曲氣體和恒星的集合。與橢圓和不規則星系相比，螺旋星系是科學家最常發現的星系之一。

那我們的銀河系算是螺旋星系麽？不久前，有多個旋臂的銀河系還是會被分類為和仙女座星系一樣的螺旋星系。螺旋星系的中央都有一個巨大的核球，它就像一個迷你的橢圓星系（下面會介紹），一般是接近於球形的 ^[4] 。

但上世紀60年代起的大量觀測表明，銀河系中間的核球看上去並不是規則的球形，而是有點方。天文學家在上世紀90年代才開始懷疑它中間應該不是個球，而是個棒子。終於在2005年被斯皮策太空望遠鏡對銀河中央約3000萬顆恒星的紅外觀測數據證實，我們的銀河系不只是普通的螺旋星系，它的中央是一個巨大的長約2.7萬光年的棒狀物。所以，銀河系被重新細分為棒狀螺旋星系，簡稱棒旋星系，因為棒狀在英文中是用B開頭的barred表示，所以它的簡稱，就是傳說中的SB。。。。

NGC 1300。棒旋星系的「臂」是從中間的棒子中螺旋出來的，而不是從中心直接螺旋出來的

2.橢圓星系：

看起來與螺旋星系完全不同，它不是盤形而是呈圓球型或橢球型，中心亮，邊緣漸暗。和螺旋星系相反，橢圓星系既沒有旋臂，又沒有自轉軸。大小差別很大，從幾百光年到幾十萬光年 ^[5] （長軸）。它的形狀從圓形到極細長的橢圓形不等，編號E0到E7。

巨大的橢圓星系NGC 1132距離地球約3億光年。直徑約為24萬光年，是銀河系的兩倍多。

來一張橢圓星系和螺旋星系的合照：

所有橢圓星系看起來都差不多，比如上面這個NGC 4881。與右側的藍色螺旋星系相比，偏紅的NGC 4881看起來相當的光滑柔順。

很多人會覺得，這會不會就是一個光斑而不是一群恒星啊？嗯，正好有一些橢圓星系離我們足夠近，我們可以分辨出其中的單個恒星，例如矮橢圓星系M32(NGC 221)，雖然比銀河系小很多，但它卻是人類所知密度最高的星系。

M32可能曾是一個比現在大得多的橢圓星系或者漩渦星系的球核

3.透鏡星系(記作S0)：

一種特殊的，長得像凸透鏡一樣的星系，可以看成是一種沒有旋臂的盤狀星系。它的中心比螺旋星系的更凸起，

哈伯太空望遠鏡捕捉到的一個美麗星系，被稱為NGC 5010。它正處於螺旋星系和橢圓星系中間變化的過渡階段（存疑）

4.不規則星系Irr：

就是長得沒什麽規則，沒有明顯的對稱性，也沒有明顯的中心核。大約有20%的星系可以被劃為不規則星系。

IC 10

星系迅速形成恒星，消耗所有氣體並變成橢圓形，然後是螺旋形

根據哈伯這個（並不完全正確的）音叉分類體系，星系開始時先形成橢圓形的結構，然後分支成螺旋狀的、或透鏡狀、以及不規則形狀的星系。在每一個細分類中，又分別用下標a、b、c表示星系核的大小和旋臂纏繞的松緊程度。

雖然現在已知這種前進演化序列是一個不太正確的解釋（哈伯序列曾經被認為是橢圓演化成螺旋的前進演化序列，現在被認為只是反映了不同星系的形成過程），但分類還是按照這個分類的規矩繼續用下去了。

前面鋪墊了一大堆，終於可以講正題了。

為什麽大多數星系是圓盤狀而不是球狀？

答案的關鍵在於星系的氣體含量。

星系的形狀，是由其所含物質的狀態決定的。這裏的物質不僅是指那些發光的恒星，還包括塵埃、氣體、暗物質等。

典型的橢圓形星系：M89

超巨星橢圓星系：M87

而氣體和塵埃是可以長時間大量碰撞（摩擦）的。這些碰撞中，總的角動量不會消失（或者說角動量基本是守恒的）。這意味著當氣體和塵埃最終在不斷碰撞消耗了能量從而向中心塌縮變小時，一團旋轉緩慢的大東西將變成一團更小的但旋轉得更快的小東西。當它旋轉得更快時，碰撞也加劇（距離產生美，距離沒了，摩擦就多了，人生亦如此），它就開始變平，逐漸變成了一個圓盤（這個我在之前的「為什麽土星環那麽薄」的回答中已經講過具體的原因了，這裏寫不下，略了）。

簡單的說，同樣是因為角動量的原因，它形成的原始球體收縮並逐漸變得更致密時，圓盤平面以外的任何物體都可能被圓盤中的物體撞擊或重力俘獲，最終形成扁扁的一個圓盤狀。螺旋星系往往有很多氣體和塵埃，所以最終形成了盤狀。

有人問，既然這樣，那些至今仍是球形的星系是怎麽保持不變成螺旋狀的呢？

從目前的數據來看，長期保持穩定的球狀星系往往都是些較小且稀疏的星系，它的物質分布的太廣，無法將它們聚在一起形成一個較小的球體，也就沒有足夠的碰撞讓角動量把它變成圓盤，所以能保持球狀相當長的時間。（如果算上矮星系的話，那橢球狀的星系肯定將占多數）

另一方面，星系的初始條件決定了其恒星形成速度，反過來會決定星系的形狀。例如，有的星系會在10到20億年就開始提前塌縮 ^[6] ，並迅速形成恒星，星系裏的氣體也就在早期就都被消耗掉了，於是快快地形成了橢圓星系。而有的星系塌縮較慢，恒星形成的速度也較低。做為恒星形成所需的「燃料」，氣體消耗得也較慢，有大量摩擦，於是慢慢的形成螺旋星系。如果你仔細看螺旋星系的圖片的話，你能看到，它的中央紅色部份是「老」恒星，而外圍幾個臂的藍色部份是「新」恒星，它是在慢慢的形成。

另外，星系在數億年的時間裏由橢球狀沈降成螺旋的形態以後，並不是一成不變的。當螺旋星系間發生新的碰撞並合並時，它們的結合體將再次變成橢球形。最終，如果新的橢球星系因為大量恒星的快速形成而耗盡了其所有氣體，它就將保持橢球星系（否則還會變為螺旋星系）。這就是為什麽很多經歷過多次合並的大的「舊」星系通常是橢圓形的。

60億年前的宇宙，螺旋星系少了一半

在2009年左右，由巴黎天文台的天文學家François Hammer牽頭和中國的中科院國家天文台一起搞的一項上了全球各大天文期刊和【Nature】的研究表明 ^[7] ，在銀河系附近， 螺旋星系S占比是72% ，橢圓星系E占3%，透鏡星系S0占15%，而不規則星系占10%（數據來源：SDSS史隆數碼巡天）。

而借助哈伯空間望遠鏡的GOODS巡天對遙遠星空的抽樣數據可知，60億年前， 螺旋星系S占比是31% ，橢圓星系E占4%，透鏡星系S0占13%，而不規則星系占52%。

簡單一比較就容易發現，60億年前，螺旋星系的數量只有現在的一半不到，橢圓和透鏡星系沒變，非弛豫的不規則星系大幅增加。也就是說，不規則星系可能在這60億年中演化成了漩渦星系。按照這個假說模型 ^[8] ，不論怎麽樣，橢球狀星系都不會是多數（不含矮星系），而螺旋狀和不規則狀星系才是宇宙的主旋律。上面講過的角動量守恒及碰撞成因論，在解釋這一模型時也還比較好用。

銀河系真的是完美的螺旋狀麽？

再回到開始的起點，我們的銀河真的是你在大多數圖片中看到的那樣，是個螺旋狀的麽？

事實上，銀河系外圍還有由稀疏分布的恒星和星際物質組成的一個球，被稱為銀暈。它的範圍很大，直徑約100千秒差距，比銀河系主體大3倍以上。初步估計其質素為總恒星質素的0.1-1%。(此處數據已修正，2022)

除了銀暈，還有暗物質暈。銀河系和其它大多數星系一樣，都被大量暗物質包圍 ^[9] 。這些物質無法透過常規手段檢測，也不能直接分析，因此只能從它對恒星、星系和其他周圍已知物質的影響來推斷其存在。事實上，暗物質才是星系質素的主要構成，而我們能看得到的物質只占總質能的4.6%左右。

銀河系的暗物質暈

好吧，不論怎麽說，還是盤狀星系看著比較順眼，看著更有可能產生外星文明（大誤）：

或者絮狀的螺旋星系也還挺震撼的：

NGC 2275，數百萬顆明亮而年輕的藍色恒星在復雜的羽毛狀螺旋臂上閃耀著

在人類短暫的歷史裏，人類大部份時間都迷戀在自己的小世界裏，在那裏人們生老病死，一切自然；在那裏做出來的事覆水難收；在那裏罪惡無法預防。

未來有一天，當人們最終邁進全新的太空領域、從銀河系之外用肉眼看到銀盤的形狀之時，才會知道，人類文明是多麽的渺小和短暫。

課後題：

銀河系有幾個「臂」？

好了，先寫到這兒吧，有問題請留言哦。

客官，向左劃一下螢幕，加個關註唄！ 我保證會寫很多無用的知識給你看的！

參考

^ 1920年雷諾比哈伯早6年提出了類似的分類方法。
^ 一開始只有三種，不含透鏡形
^https://www.sciencetimes.com/articles/32704/20210807/nasas-hubble-space-telescope-releases-new-images-mysterious-celestial-object.htm
^https://www.zhihu.com/question/57927909
^https://earthsky.org/space/what-are-elliptical-galaxies/
^http://abyss.uoregon.edu/~js/ast123/lectures/lec11.html
^https://arxiv.org/pdf/0906.2805.pdf
^ 指François Hammer提出的「漩渦星系重建」假說
^https://news.softpedia.com/news/The-Galactic-Dark-Matter-Halo-Is-Shaped-Like-a-Ball-131354.shtml