银河系的形成和演化
银河系研究简史
早在15世纪中叶，法国大主教尼古拉斯就已经推测夜空中众多的星星是非常遥远的太阳。1584年，意大利思想家布鲁诺·G进一步定义了宇宙中无限的概念，并认为太阳只是一颗普通的恒星。然而，学者们没有对这些天才的猜测给予足够的重视，因为它们缺乏科学证据的支持。
对银河系本质的理解首先归功于望远镜的出现。1608年，荷兰人李柏希偶然发明了望远镜。1609年，伽利略率先将他自制的望远镜指向银河系。他发现银河系实际上是由无数的恒星组成的，只是因为这些恒星太多了，又黑又密，肉眼无法将它们区分开来，形成了一个模糊的、不规则的银白色带——在晴朗的夜空中的银河系。1750年，英国天文学家赖特正确地指出，银河系和天空中的所有恒星都形成一个巨大的扁平恒星系统，但他没有给出任何观测证据。
首先，著名的英国天文学家和天王星发现者威廉·赫歇尔·W通过实际测量探索了银河系的结构。从17世纪70年代开始，赫歇尔开始用恒星计数法来研究银河系的结构。在数十年间进行的1083次观测中，他总共数出了117，600颗恒星。考虑到当时的条件，工作量很大，赫歇尔为此付出了巨大的努力。1785年，赫歇尔通过在观测中加入一些理论假设，建立了天文学史上第一个银河系模型。
赫歇尔的工作具有重大的历史意义。它证实了银河系作为一个恒星系统的客观存在，并极大地扩展了人类对太阳系的视野。这是继哥白尼建立日心说之后天文学史上的又一个重要里程碑。因此，赫歇尔被后人誉为恒星天文学之父。在赫歇尔的模型中，太阳仍然位于当时已知的宇宙——银河系的中心。基于当时赫歇尔在天文学上的崇高声誉，这个错误的概念持续了130多年。
摄影发明于19世纪30年代。荷兰天文学家卡普廷首先意识到它可以为天文学家提供一种全新的观测方法。他正确地认为，如果用照相的方法重新进行星计数，预计会获得比赫歇尔更好的结果。经过不懈的努力，1922年卡皮特恩发表了他的银河系模型:银河系的主体是一个直径为5的盘状结构。5万光年厚。1万光年，包含474亿颗恒星；太阳位于圆盘中心附近，距离中心约2000-2300光年。世界称之为“卡普泰因宇宙”。不幸的是，尽管卡皮特恩正确地认识到“太阳和系统中心之间一定有相当大的距离”，他最终还是放弃了。
美国天文学家沙普利完成了银河系中太阳位置的正确测定。1918年，沙普利研究了69个球状星团的空间分布，发现其中90%位于银河系中心方向的一侧。基于球状星团分布的“片面”观察现象，他正确地推断出太阳不是位于银河系的中心，而是相对靠近银河系的边缘。这一结论为进一步研究银河系的结构奠定了基础。在shapley的模型中，太阳位于距离银河系中心约50，000光年的地方，而所有球状星团覆盖的空间约为300，000光年，这实际上太大了。此时，自赫歇尔提出第一个银河系模型以来，已经过去了130多年。
根据现代天文观测和研究，银河系是一个螺旋星系，估计年龄超过100亿年。它的整体结构可以大致分为四个部分，即银盘、核球、银晕和暗晕。银河系的总质量约为1。4×1011太阳的质量约90%以恒星的形式存在，约10%存在于由气体和尘埃组成的星际介质中。
银盘是银河系中恒星和星际介质分布的主体，聚集了银河系85%-90%的质量。银盘的形状是轴对称和平面对称的平盘，直径为8。两万光年。从太阳到银河系中心的距离(银心之间的距离)大约是2。离银盘对称平面(银河平面)60，000光年的距离只有20-30光年。银盘的中心很厚，边缘很薄。太阳附近银盘的厚度约为3300光年。
核球是位于银河系中心的恒星密集区，大致呈长轴约为1的扁球体形状。3-1 .6万光年厚。大约30，000光年远。核球的质量约占银河系质量的5%。主要成分是老化的天体，越靠近核心区域，恒星密度越高。在银河系中心附近，有一个强大的射电源射手座A，至少有5个子电源。明亮的银核位于其中一个子光源中，直径接近5光年，质量大约是太阳的几百万倍。一个流行的观点是在银核的位置有一个超大质量的黑洞，但是它目前并不处于剧烈活动的时期。
被银盘包围的是一个平均物质密度比银盘低得多的区域，称为银晕，它通常是球形的，直径约为100，000光年。银晕覆盖的面积比银盘大得多，但由于其非常稀疏的物质分布，其质量仅为银盘的10%左右。除了非常少量的气体，银晕中主要有两种天体，即旧恒星和球状星团。
在银晕之外有一个更大的物质分布区域，这就是暗晕。它的成分是暗物质。它的规模可能是银晕的10倍，质量可能是银河系其他部分总和的10倍。暗晕的存在是从观测数据中间接推断出来的:如果银河物质主要集中在银白色的圆盘和银白色的核中，那么离中心越远，围绕银白色中心的恒星的旋转速度越慢，而测量的结果则大不相同——在太阳附近和更远的地方，恒星的旋转速度大致保持不变，甚至略有增加。因此，可以推断，在银河系之外一定有大量性质不明的未发光暗物质，它们构成了暗晕。
两条可能的进化路径
在沙普利之后的几十年里，随着天文观测和研究的深入，特别是射电天文学方法的出现，人们对银河系的结构有了更全面的了解，开始探索银河系的运动学和动力学，进而探索银河系的形成和演化机制。
银河系中天体的运动状态取决于银河系的引力场，也就是说，取决于银河系中物质的分布。银河系中恒星的运动模式既不同于太阳系中行星的开普勒运动，也不同于各处角速度相同的刚体的旋转，而是所谓的“差旋转”，即银心距离不同的恒星具有不同的旋转角速度。这个概念最早是由瑞典天文学家林德布拉德·B在1925年提出的，两年后由荷兰天文学家奥尔特·J·H完善。在上述工作的基础上，奥尔特于1932年建立了第一个现代银河系模型，并开创了一种用动力学方法解释恒星运动状态的研究方法，称为奥尔特-林德伯格理论。
1944年，当时在美国工作的德国天文学家巴德德·沃(Badde W)明确提出了恒星家族的概念，即根据银河物质的物理化学性质、空间分布和运动特征，将银河天体分为两类:恒星家族一和恒星家族二。第一家族的天体相对年轻，大致分布在银心周围的一个扁圆形中。它们以较高的速度绕着银的中心移动，但速度的分散较小。恒星家族2的天体相对来说比较古老，分布在以银心为中心的稍微平坦的球形天空区域。这样的天体在银心周围以相对较小的速度运动，但是它们的速度色散相对较大。银色圆盘中的天体由第一家族控制，而核球和银色光晕中的天体由第二家族控制。
银河系的物理、化学、分布和运动学特征以及目前观察到的恒星家族的客观存在，是100多亿年前银河系形成及其随后长期演化的结果。为了探索这个漫长过程中的真实情况，我们必须首先建立一个合理的银河系理论模型，并对观测到的事实做出有效的解释。到目前为止，已经提出了许多种模型，根据模型试图解释的主要观测事实，可以分为质量模型、恒星计数模型、运动学模型、动力学模型和化学演化模型。例如，质量模型是为了解释银河系及其各种成分的密度分布，以便模型的预期值与一些观测测量值(如太阳附近的总面密度等)相一致。)；恒星计数模型应该对银河系中不同位置的绝对恒星的分布给出合理的解释。运动学模型涉及恒星的空间运动，不仅需要解释恒星数密度与绝对星等的关系，还需要预测恒星在不同位置的速度分布。化学演化模型是通过研究物质化学组成的历史演化痕迹来探索银河系形成和演化的线索。
银河系是如何形成的在现代天体物理学研究中起着重要作用。一个合理的银河系形成机制应该能够恰当地解释银河系的结构和观察到的各种成分(包括恒星家族、星团等)的性质。)。不仅如此，主要结论还应该在银河系外得到证实，尤其是在与银河系形状相同的螺旋星系中。
天文学家称物质中某些元素的含量比例为这些元素的丰度。宇宙中最丰富的元素是氢，占总物质的71%。其次是氦，约占27%；其他元素统称为“重元素”或“金属元素”，而所有重元素的总丰度只有约2%。氢是早期宇宙中存在的主要元素。大部分氦是在大爆炸后3分钟内产生的。因此，原始星际介质和由此产生的第一代恒星中金属元素的丰度极低。另一方面，几乎所有的重元素都是由恒星演化过程中的内部核反应合成的，称为核合成，并通过超新星爆炸和恒星风被送入星际介质。
银河系的化学演化必然与恒星的演化密切相关。恒星的演化过程取决于恒星的质量，质量越大，演化越快。大质量恒星的演化非常快。最快的时间只有几百万年后超新星爆发并结束它们的生命。由于银河系有100亿年以上的历史，需要几百万年甚至更长的时间，与银河系的寿命相比，它实际上非常短。这种短时间尺度的事件将在整个银河系的演化历史中不断发生，结果注入星际介质的重元素将不断增加。因此，星际介质中的重元素和星际介质坍塌形成的恒星的丰度必须随着宇宙的年龄而增加，这一过程称为“元素富集”。显然，在现有的恒星中，金属丰度越低，它们就越老，它们一定是一些长寿的低质量恒星，因为高质量恒星已经死亡。最近诞生的恒星有很高的金属丰度，它们的质量可以从大到小不等。
1962年，三位美国天文学家埃根·欧·J、林登·贝尔·D和桑德奇提出了银河系形成的图像，后来被称为ELS理论。根据这一理论，银河系是由一个大致呈球形的大原星系云形成的。这种云的初始金属丰度非常低，由于重力，它处于*落体状态，这被称为重力坍缩。在坍缩过程中，云的旋转速度不断增加，以保持角动量守恒。大多数所谓的“贫金属恒星”和重元素丰度很低的球状星团都是在这个过程中形成的。然而，目前观测到的这类老年第二组恒星的天体具有非常平坦的运动轨道，这是原始星系云*坍缩的直接结果。因为坍缩过程进行得非常快，在此期间形成的球状星团年龄大致相同。当云的半径缩小到原始星系云半径的十分之一时，由于超新星爆炸的不断发生，云变得富含金属并逐渐变平，形成一个由离心力支撑的圆盘结构。这时，盘族的银盘和星星开始形成，并保持这种状态直到今天。圆盘中的恒星相对年轻，金属丰度相对较高。ELS理论可以很好地解释许多重要的观测事实，如银河系的整体结构、不同恒星家族的恒星年龄、金属丰度和运动状态等。
观测结果表明，老化球状星团的金属丰度是不同的，差异相当显著。这一事实给ELS的快速坍缩模型带来了以下困难:由于坍缩过程进行得很快，在此期间元素富集的影响不会很明显，不同球状星团的金属丰度也不会相差太大。为了解决这个矛盾，塞尔和其他人在1977年提出了另一个不同的星系形成模型。这个模型的基本思想是，银河系是由几十个较小的星系云而不是一个巨型星系云合并而成的。这些小云团的质量约为108太阳质量。它们进化成了更小的系统，相互碰撞和融合，最终在缓慢的崩溃过程中形成了银河系。由于同一时期内不同小星系的富集条件不同，球状星团金属丰度的差异得到了更好的解释。Siller模型被称为慢塌陷模型，以区别于ELS的快塌陷模型。后来的数值模拟显示，小星系通过相互融合形成了更大的系统，从而支持了Siller模型。然而，很难用银河系是由大量小星系合并而成的机制来解释银盘的形成。为了实现这一点，必须严格限制合并的具体方式，比如小星系在合并过程中应该采取适当的运动路径，这显然是不现实的。此外，尽管银河核球的起源仍不清楚，但构成核球的物质很可能以气体而不是恒星的形式并入银河系，这使得ELS模型更自然地解释了这一点。
近年来，许多观测研究表明，宇宙中确实存在星系的合并和吸积。例如，银河系曾经聚集了一些球状星团和光环恒星。另一个例子是银河系外的大麦哲伦云，它离银河系最近，不断向银河系旋转，预计最终会被银河系吞噬。然后大麦哲伦星云中的球状星团将自然成为银河系的成员。银河系的形成和演化机制似乎应该是相对复杂的，这可能既取决于银河系的内部过程——坍缩，也取决于外部因素——吸积和合并。
三块厚板的发现引发的问题
除了仍不十分清晰的暗晕，银河物质主要以恒星的形式出现，并集中在银盘中。在银河平面附近，恒星的数量密度(每单位体积的恒星数量)最高。随着恒星和银河平面之间的距离(银平面之间的距离)增加，恒星的数量密度逐渐减少。一般认为，星数密度ν随距离银表面的距离z而变化，即函数ν(z)具有指数分布形式:ν (z) = ν 0e-z/h，其中e=2。7182 ...是自然对数基数，ν0是银河平面上的星数密度(即Z = 0)，而H叫做仰角。仰角的物理意义是，当银表面之间的距离增加1/e倍时，恒星的数量密度就会减少1/e倍。如何利用测量数据确定函数中ν0和h的具体值是研究银河系恒星分布的重要内容之一。自赫歇尔以来的近200年里，天文学界一直认为银盘中的恒星在垂直于银河平面的方向上只有一个指数分布结构。
1983年，英国天文学家吉尔莫和里德·G在详细分析了12500颗恒星的观测数据后首次明确指出，银盘中的恒星不仅只有一个分量，而且可以分成两种不同形式的结构，或者说，恒星在垂直于银河平面的方向上的分布需要用两种不同的指数分量来表示——薄盘和厚盘。在距离银表面的距离Z小于或等于1000帕秒的范围内，恒星可以用海拔约为300帕秒的指数分布来描述。这是一个薄磁盘，也是原始的银磁盘。银面距离z = 1000-5000范围内的恒星主要属于第二个指数分量，具有约1450的仰角，称为厚盘。然而，构成薄盘和厚盘的恒星在空间分布上是相互重叠的，它们之间没有边界，这是厚盘结构在20多年前才被证实的主要原因之一。具体来说，在银河平面附近，主要有薄圆盘恒星，属于厚圆盘的恒星很少。例如，靠近太阳的厚圆盘恒星只占恒星总数的2%。由于薄盘星的分布高度只有厚盘星的五分之一，随着银面之间距离的增加，薄盘星的数量密度相对于厚盘星迅速下降，厚盘星很快在远离银河平面的地方占据上风。
恒星分布ν (z)不能用单一的指数定律来表示，这可以用两种物理解释来解释:银河系只有一个圆盘，而ν (z)是一种非指数分布；或者，既有精简磁盘也有密集磁盘，并且这两个磁盘都呈指数分布。然而，没有理由相信ν (z)必须具有指数形式，并且测量结果由两个圆盘的存在来解释，除非能够证明组成这两个圆盘的恒星具有明显不同的内在性质(例如年龄或金属丰度等)。)。
后来的研究表明，属于薄圆盘和厚圆盘的恒星在物理和运动性质上确实有明显的差异。厚盘星的年龄不少于80亿年，其中大多数超过100亿年，而薄盘星的年龄一般不到80亿年。就化学成分而言，厚圆盘星的金属丰度相对较低，而薄圆盘星的金属丰度相对较高。就运动学而言，与厚圆盘相比，薄圆盘恒星围绕银心的旋转速度相对较大，但不同恒星之间的速度差异相对较小，呈现出相对“一致的速度”。
目前，厚盘的存在已经被人们普遍接受，并进行了深入的研究。因此，银河系结构的最初三分量(核球+银盘+银晕)模型应该被四分量(核球+薄盘+厚盘+银晕)模型所取代。在一项更详细的研究中，薄圆盘恒星被进一步分为两个部分:年薄圆盘和旧薄圆盘。其中，旧的薄盘是最初的薄盘，而每年的薄盘星在空间分布上更“薄”，海拔仅100度。在太阳附近，薄圆盘中只有大约20%的恒星属于年度薄圆盘。另一方面，银河系中的星际气体和尘埃主要集中在星系平面附近，它们的空间分布也呈现出盘状结构，即气体盘。因此，银河系的盘状结构相当复杂。
厚盘结构并不局限于银河系，在其他螺旋星系中也发现了厚盘存在的观测证据。这表明，对于至少一些星系来说，厚圆盘可能是一种相对常见的结构成分，它们的形成和内在性质一定与星系的演化过程密切相关。
自从发现厚盘以来，人们提出了许多不同的厚盘形成机制来解释厚盘和厚盘恒星的各种观测特性，例如薄盘和厚盘依次形成的坍缩机制、银河与其伴星系相交或合并引起的银盘增厚、早期银盘直接吸积物质以及薄盘天体的运动扩散。这些机制可分为两类:“先厚后薄”和“先薄后厚”。坍塌理论属于“先厚后薄”的机制，而其余的可以归结为“先薄后厚”的机制。鉴于问题的复杂性和新观测数据的不断出现，天文学家们尚未达成完全一致。这通常是一种可以解释某些观察特征但不能解释其他特征的机制。
塌缩机制认为，厚盘和薄盘是银河系演化过程中相继形成的两种结构。首先，通过塌陷形成一个厚圆盘，剩余的气体进一步下落形成一个薄圆盘。最初的崩溃可以是快速崩溃，也可以是由压力支撑的缓慢过程。快速坍塌机制的理论基础是ELS模型。厚盘只花了4亿年就形成了，薄盘花了6亿年才形成。慢塌陷机制认为，由于气体物质的压力支持，重力塌陷是一个缓慢的过程。在银河系形成的数十亿年中，先形成厚圆盘，然后形成薄圆盘。慢坍缩和快坍缩的观测性能应该不同:前者有足够的时间在厚板块中形成垂直于银河平面的金属丰度梯度，而后者没有足够的时间建立这样的梯度，但目前的观测数据不能对此作出明确的判断。
随着星系合并的广泛发现，一种流行的观点认为，由于银河系与质量较小的伴星系的合并，早期形成的薄盘星由于强烈的运动加热和扩散而形成厚盘。有两种不同的加热方式:一种是要求银河系实际上与它的伴星系合并，另一种是强调伴星系没有必要直接落入银盘，伴星系和银河系的紧密相交也可以形成厚盘。一些人通过数值模拟发现，如果给伴星系设定一定的质量范围，并且它们以一定的倾角与银河系的薄圆盘相融合，结果是银圆盘星将形成两个服从指数规律的数密度分布，其外部分是厚圆盘。
与剧烈合并机制不同，物质的直接吸积是一个缓慢的过程，而厚圆盘的形成是缓慢吸积过程的产物。这种机制认为银河系本身是由许多相对较小的成分随机形成的。早期形成的薄的恒星盘将由于不断增大的小伴星系的运动加热而产生一个厚的盘。然而，有些人认为，如果等于盘质量的10%-30%的伴星系被放置在距离盘中心10倍于盘半径的地方，它们将由于主星系(银河系)的潮汐作用而解体，因此对盘的增厚几乎没有影响。吸积机制的理论基础是Siller等人的观点。
自20世纪50年代初以来，人们就发现恒星的速度色散随着恒星年龄的增长而增大。进一步的工作表明，这一观察事实可以解释为通过扩散机制不断运动加热盘内恒星的结果。在上述工作的基础上，提出了薄圆盘中的恒星通过长期运动扩散达到高能轨道，从而形成厚圆盘的观点。所谓的运动扩散指的是这样一个事实，即最初在银河系平面附近的近圆形轨道上运动的恒星，由于某种原因，已经变成在与银河系平面倾斜的椭圆轨道上运动。这种原因可能是:银河系涡旋结构对恒星轨道的扰动；分子云对恒星运动的散射:大质量光晕物体在运动过程中穿过银圆盘时对圆盘物体运动的影响。
在上述各种厚盘形成机制中，“先薄后厚”的合并机制和“先厚后薄”的快速塌陷机制被更广泛地接受。其他“先薄后厚”的形成机制受到了更多的质疑，因为它们与一些重要的测量结果不一致，而慢塌陷机制在很大程度上被人们所忽视。应该说，关于厚圆盘和星系的形成和演化的一些重要问题还没有被完全理解。例如，不同星系中的厚圆盘会有不同的形成机制吗？不止一种机制会在不同程度上同时对厚板的形成起作用吗？等等。
4
银河系的形成和演化涉及广泛的内容，本文无法一一评述。随着许多大型设备的投入和包括整个电磁光谱在内的多波段天文观测的发展，天文学家获得了大量的观测数据，这为深入研究银河系和星系的形成和演化提供了极其宝贵的数据，也提出了更多的测量结果需要用理论来解释。在银河天文学中，银河系显然有着不可替代的重要地位。就单个星系而言，关于银河系的观测数据最为丰富。从银河系得出的结论也可以为探索星系外的奥秘提供观测约束。这是人们重视银河系研究的主要原因之一。
那么，银河系未来将走向何方？
银河系不是孤立在宇宙中的。它与几十个不同形状的邻近星系形成了一个小星系团。它被称为本地星系团。它的空间范围大约是650万光年。银河系和仙女星系是本星系群中最大的两个星系。
有两个离银河系最近的较小星系，即大麦哲伦星云和小麦哲伦星云。它们绕着银河系旋转，气体从其中逸出，形成一条长长的物质流，被银河系的重力拖出麦哲伦星云。即使麦哲伦云能长期稳定，不会被银河系吸收，它里面的物质总有一天会流入银河系，影响银河系的结构和演化。然而，由于大麦哲伦星云和小麦哲伦星云的总质量仅为银河系质量的1/20，这种影响不太可能导致银河系整体结构和演化过程的重大变化。
一方面，银河系围绕着本地星系团的质心缓慢旋转；另一方面，它以每秒约200公里的速度向单片星座移动，并不断靠近仙女星系。据估计，在数十亿年或更久之后，这两颗相距240万光年的巨星最终将会碰撞甚至合并。如果这一事件真的发生，银河系(和仙女星系)的结构、内部运动和进化将会发生重大变化，因为仙女星系的质量大约是银河系的两倍。当然，合并的过程是很长的，但是具体的结果是什么，比如两者是否会合并成一个并产生一个活跃的银河核，同时产生各种形式的强烈活动，是否最终会形成一个巨大的椭圆星系，银河系中太阳的轨道会发生多大的变化，甚至是否会影响地球围绕太阳的轨道和人类后代的生存等等。当然，这些后果在今天很难预测。