2.3星系起源与演化[1]
2.3.1星系的起源
星系的起源、演化是个复杂的问题，虽然流派很多，但都只是假说，至今还没有一个成熟的理论，目前一般倾向于“大爆炸”学说。
大爆炸是时空、自然规律以及宇宙全部的物质和能量的起点。在宇宙大爆炸之后最初的几十万年，宇宙是均匀的，温度之高使得一切化学元素都不可能存在，全部宇宙就是一锅亚原子粒子和辐射“汤”。
在大爆炸后大约38万年时，宇宙的温度降为3000℃，第一个完整的氢原子和氦原子开始形成。这个时期发出的宇宙微波背景辐射图像显示，看上去没有任何特征的宇宙粒子辐射海洋已经开始显现结构的迹象。按照最广为接受的星系形成理论，在几乎完全平滑的宇宙中，这些由暗物质主导的微弱扰动，就是形成第一代星系的种子。这些原初的结构通过引力作用将气体和暗物质吸引到密度最高的区域，在那里第一代原恒星形成，并成长为第一代星系。
此时宇宙中正常的物质几乎全部是氢和氦（这些正常物质只占宇宙全部物质和能量的4%）。第一代恒星以及第一代可见的原星系就是在这些气体云中诞生的。关于星系前物质，有人认为是弥漫物质，也有人主张是超密物质。关于原星系的诞生有两种见解，一种是引力不稳定假说，另一种是宇宙湍流假说。
引力不稳定假说认为在复合时期前后的30亿年期间，星系团规模的引力不均匀性开始出现并逐渐增长，这时宇宙物质不稳定而聚成原星系。原星系刚形成时形状都很不规则，但后来在与邻近星系的相互影响作用下，尤其是潮汐力的影响下，获得一个转动力矩而开始转动起来，在旋转过程中它们慢慢地变得对称，分布也变得均匀起来。
宇宙湍流假说认为在宇宙等离子物质复合以前，强辐射压可能引起湍动涡流，物质中性化后涡流的碰撞、混合、相互作用产生巨大的冲击波，形成团块群，再演变为星系或球状星团。
现在我们能观测到的最早的星系是大爆炸7.5亿年后形成的，但仍可能存在更早的星系。虽然7.5亿年看起来是很长的一段时间，但当把它与宇宙137亿年的年纪相比时，第一代星系在宇宙寿命仅为现在宇宙年龄的5%时就形成了。与人类平均寿命相比，那时的宇宙还没到上小学的年纪。
2.3.2星系的演化
对星系的演化有几种不同的见解。早在20世纪30年代，人们就把形态的序列看成是演化的序列，认为星系从球形开始，因自转而变扁，扁平部分形成旋臂，旋臂逐渐松卷以至消失。换句话说，星系是从椭圆星系，经过旋涡星系，最后演化成不规则星系的。另一种看法也认为形态序列是演化序列，但方向相反，从不规则星系，经过旋涡星系到椭圆星系。现在知道，椭圆星系和旋涡星系中都有老年星，而且年龄相差不多。此外，质量、扁率等量上的差别也表明，星系的形态序列不是演化序列，各种类型的星系彼此不能相互转化。第三种见解认为，演化取决于星系的质量和角动量。第四种观点认为，星系形态结构的不同，取决于形成时的初始条件：密度、速度弥散度、角动量分布、温度、湍流、磁场等的差别。近期有人提出暗物质与星系形成有关，认为宇宙起初含有均匀分布的暗物质和正常物质，大爆炸后数千年，暗物质开始成团，暗物质决定宇宙中物质的总体分布和大尺度结构。正常物质在引力作用下向高密度区域聚集，形成星系和星系团。
目前认为星系演化过程的大致轮廓是：原始星系云在收缩过程中出现了第一代恒星，原星系的中心区收缩快、密度高，恒星形成率也高，由于中心区的激烈动荡，形成了旋涡星系的星系核或者是椭圆星系整体。星系的自转离心力阻止星系在赤道面上的进一步收缩，并造成不同的扁率，气体的随机运动和恒星辐射加热等因素，使得部分气体未聚合为星胚，并因碰撞作用而沉向赤道面，形成旋涡星系和不规则星系。激烈动荡的结果，使星系从形成之初就已基本定型并保持下来，不再显著变化。在几亿年期间，由原星系演变为年轻星系。在此之后的百亿年中，一般而言，星系的演变过程十分缓慢，星系结构也无大变化。
我们现在知道在星系形成的十亿年间，其主要结构也开始显现。球状星团、中央超大质量黑洞以及星系的恒星核球都开始形成。超大质量黑洞的产生似乎对刺激调节星系的成长有着极为重要的作用。黑洞通过吞噬距其过近的恒星而逐渐长大，并对新的恒星形成产生影响。对遥远星系的观测还表明，在宇宙早期的这个阶段，星系经历了重要的爆发式恒星形成过程。
虽然传统的星系形成理论有许多成功之处，但它仍有局限性。该理论无法全面解释今天我们看到星系所呈现的各式各样的形态——从几乎没有结构的圆形、椭圆星系，到扁平蛋糕似的盘星系。
（1）旋涡星系的演化
旋涡星系的结构很脆弱，与近邻星系的相互作用很快就会破坏它的旋涡形状。今天我们看到的旋涡星系没有与其他星系发生过相互作用，这也许是它们能够保持美丽的旋涡结构和正在进行恒星形成的原因。
在星系一生最初的几十亿年，累积的物质在星系盘上沉淀下来。星系不断地吸积高速云和矮星系中落下的物质，这些物质主要是氢和氦。恒星的生死循环缓慢地提高了比氢和氦重的元素的丰度。
旋涡星系形成的理论还包括暗物质晕的成团过程。在早期宇宙，星系的主要成分是暗物质和气体，没有太多恒星。通过吸积更小的星系，一个旋涡星系“候选体”的质量变得越来越大，绝大部分的暗物质都聚集在星系外围的晕中。而气体的情况则不同，气体收缩的速度更快，因此开始以更快的速度自转，就好像滑冰运动员收回手臂会旋转得更快一样，最后气体聚集成为快速旋转的薄盘。
造成星系盘收缩停止的原因仍是个谜，计算机模拟的盘星系形成也不能完全重现这些盘星系的自转速度和大小。有理由相信，来自明亮的新形成恒星的辐射，或者是几乎每个星系中心都有的超大质量黑洞使得星系盘的收缩速度减慢，并因此调节了星系形成的过程。还有证据表明，暗物质晕对星系施加了额外的“拉力”，从而阻止了星系盘的进一步收缩。也许在这个时段，星系碰撞和并合过程已经开始起到重要的作用，为星系提供了“新”的气体恒星和暗物质。
旋涡星系的第一代恒星诞生率较低，所以有部分气体保存下来，计算表明，不同的初始密度和初始速度弥散度，可以形成核球和星系盘之间大小比例不同的星系，这就可以用来大致解释旋涡星系的三种次型。旋涡星系和棒旋星系的旋臂以及棒旋星系里的棒是如何形成和演化的，这是星系起源演化研究至今还未解决的问题之一。有人认为，旋臂是星系核抛射物质的产物，而较差自转是旋涡结构的成因，旋臂的演化趋势是旋开还是旋闭至今尚无定论。
（2）椭圆星系的演化
按照传统观念，对椭圆星系来说，可能由于初始密度、初始速度弥散度都较大，恒星形成率一开始就非常高，气体几乎全部用来形成恒星，星系中的恒星是无碰撞的，所以椭圆星系中的恒星形成在其诞生之初的星爆后就已经停止，其光芒仅来自日益年老的恒星。在典型大椭圆星系的外围区域，都有延展的球状星团系统。由于缺乏新星形成，最初天文学家认为椭圆星系的形成时间要比旋涡星系早。然而，最近在一些椭圆星系中观测到年轻的蓝色星团和其他结构，都能用星系碰撞理论来解释。并合假说预言，任何两个质量相当的星系，无论它们是什么类型的，在经过碰撞并合的长期过程后，产物都是一个椭圆星系。星系间发生这样的主并合在宇宙早期是很普遍的，在今天的宇宙中主并合仍在继续，只是发生的频率要低得多。
关于椭圆星系的形成，有一种星系形成理论认为，椭圆星系是由两个旋涡扁平星系相互碰撞、混合、吞噬而形成的。天文观测说明，旋涡扁平星系盘内恒星的年龄都比较轻，而椭圆星系内恒星的年龄都比较老，即先形成旋涡扁平星系，两个旋涡扁平星系相遇、混合后再形成椭圆星系。还有人用计算机模拟的方法来验证这一设想，结果表明在一定的条件下，两个扁平星系经过混合的确能发展成一个椭圆星系。但是，星系在宇宙中分布的密度毕竟是非常低的，它们相互碰撞的机会极小，要从观测上发现两个星系恰好处在碰撞和吞噬阶段是非常困难的。所以，这种形成理论还有待人们去深入探索。
按照并合假说，现在大多数人已经接受了这样的观点：椭圆星系演化的主要驱动力量是较小星系间的并合。如果两个彼此接近的星系质量相当，那么并合后形成的星系与并合前的两个星系都不相像。在并合过程中，一个星系中的恒星和暗物质都受到另一个星系的影响。随着并合过程进入尾声，星系的形状会迅速改变，以至于恒星的轨道急剧变化，不再与原来的系统有任何联系。如果相撞的是两个旋涡星系，开始时各自的恒星会在盘内做有序旋转，但经过并合后，这种有序的运动就会转变成随机运动。并合后生成的星系内部由围绕中心做复杂随机运动的恒星主导，恒星运动的轨道互相交错，正如我们看到的椭圆星系一样。
在形成我们今天看到的大多数椭圆星系的并合过程中，恒星形成活动更加活跃，这种并合大约发生在10亿~100亿年前，那时星系内有更多的气体（因此有更多的分子云）。在远离星系中心的地方，气体云相互碰撞产生激波，促进了新星形成。所有这些事件的结果就是椭圆星系在经历了并合后再没有能够形成新星的气体了。
除了由动力学原因造成星系形态的变化外，星系中恒星的形成和演化过程是决定星系化学成分，星气比例、光度、颜色等物理量随时间演化的主要因素。一般来说，大质量恒星比小质量恒星演化快得多。大质量恒星在演化过程中合成碳、氧、铁这类重元素，通过爆炸形式把它们送回星际介质；小质量恒星则合成较轻的氦等轻元素，以较平稳的形式返回小量物质。因此，不同质量恒星的比例是控制星系化学元素演化的最重要因素之一。另外，处在不同距离的星系也将反映出宇宙中星系的演化史。
哈勃根据星系的形态把星系分成椭圆星系、旋涡星系和不规则星系三大类。椭圆星系由于自旋速度不同而使椭圆扁率有所不同，椭圆星系的特点是中心区最亮，亮度由中心向边缘递减；漩涡星系是一个盘状结构，里面通常有一个星系球核，由又小又红也较老的第二星族恒星组成；不规则星系没有一定的形状，而且含有更多的尘埃和气体。除此之外还有如矮星系、射电星系、活动星系、类星体等特殊星系。由两个星系组成的星系称为双重星系；由三个到十个星系组成的星系称为多重星系；由十个至几十个星系组成的星系称为星系群；比星系群更大的系统称为星系团。超星系团是现在已知的最大的星系集团，总星系是指观测所及的星系以及星际物质的总体。不同类型的星系有着不同的演化阶段和演化史。
