形状从薄煎饼到足球：新研究表明星系年纪越大，体态也会改变星系是已存在137亿年的宇宙的基本组成

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星系是已存在137亿年的宇宙的基本组成部分。了解一个像银河系这样既复杂又引人注目的星系是如何在宇宙大爆炸之后形成的是现代天文学的一个重要课题。

我们在今天出版的《自然天文学》(NatureAstronomy)中发表了研究结果，我们发现星系的年龄和它的三维形状之间有着惊人的联系。

随着星系年龄的增长，它们变得更圆了。就像地球上我们中的大多数人一样，成为了中年发福的牺牲品。

我们很久之前就知道在非常扁平和非常圆的极端星系中，形状与年龄是有联系的。但是这是我们第一次证明这适用于任何形状、任何年龄、任何质量的星系。

揭开星系的真实面目

在这项研究中，我们使用不同的技术计算了星系的年龄和形状。

确定星系的年龄是件很棘手的事情。毕竟他们突然出现的时候可没有一个出生日期。

我们通过估计星系中恒星的平均年龄来衡量这个星系的年龄。年轻星系中有很大一部分是最近形成的炽热的蓝色恒星，而古老星系中则大部分为在宇宙大爆炸之后不久形成的更冷的红色恒星。

光谱学可以将星系发射出的光分成许多不同的颜色，使得我们能够测量星系中恒星的平均年龄。这项技术提供了一种较只使用蓝色或红色图像更为精确的方法。

为了测量一个星系真实的三维形状和椭圆度，你必须得测量它的恒星是如何移动的。

椭圆度是一种衡量一个星系相对于完美球体来说挤压程度的方法。椭圆度为零就意味着这个星系是一个像足球一样的完美球体。但是当椭圆度从0变为1时，星系变得越来越扁——就像从一个圆圆的南瓜变成了一个薄薄的煎饼一样。

我们看到的星系是投射在天空中的二维图像，但我们无法得知它们真实的三维形状。只有测量星系中的诸多恒星是如何移动的，我们才可以推断出它们真实的三维形状。

我们可以通过光谱学中的多普勒效应来做到这一点。通过测量恒星发出的光的波长变化，我们可以判断这些恒星是移向我们还是远离我们，从而测量它们的运动情况。

我们通过直径3.9米的赛丁泉天文台英澳望远镜(Anglo-AustralianTelescope)上的悉尼澳大利亚天文台多目标集成场光谱仪(SAMI,theSydney-Australian-Astronomical-ObservatoryMulti-objectIntegral-FieldSpectrograph)来完成这一目标。SAMI仪器提供13个可以利用光谱学“解剖”星系的光纤单元来提供罕见的三维数据。

在过去的几年里，SAMI星系调查团队已经收集了超过1000个各种各样星系的三维测量数据，并且将星系的测量范围扩大了100倍。

星系形状的改变过程

那么我们从这些测量结果中了解到星系形成的过程是怎样的呢？

星系往往在高椭圆度的饼状圆盘中形成恒星。但随着星系年龄的增长，这些恒星不会一直停留在那个薄薄的圆盘上。

有许多不同的长期的温和事件会导致星系膨胀，变得更圆。星系会被更小的星系轰击。即便一个星系是孤立的，其内部的动力学过程也会导致盘状星系变厚。

最终的结果就是，随着星系年龄的增长，它从最初薄薄的恒星圆盘开始变厚——中年发福了——越老的星系就变得越圆。

在某些情况下，星系会经历更为极端的事件，从根本上改变它的形状。如M87之类的椭圆星系是宇宙中最古老形状最圆的星系。

天文学家认为这些星系是通过星系间剧烈碰撞，导致一个巨大星系被另一个完全吞噬而合并形成的。

这些事件的作用非常大，它们将一个星系中的所有恒星从圆盘中散射出来，形成了一个更圆的形状。同时这也阻止了在星系合并之后新恒星的形成，导致星系迅速老化。最终形成了一个古老的、形状非常圆的星系。

离地球更近的地方

如果我们看看我们所处的已经有100亿年的历史银河系，我们可以看到这个故事的些许例子。

银河系中最年轻的部分是一个薄薄的圆盘，新的恒星仍在形成。它的形状很扁，像煎饼一样。银河系中也有圆而古老的部分，一个很厚的圆盘和一个凸起，但是它们的起源仍未可知。

我们知道最终银河系将与邻近的仙女座星系合并。那将会是一个形状非常圆、非常古老的巨大椭圆星系。

因此，通过研究其他临近星系的变化过程，我们可以了解很多关于过去以及关于我们未来命运的事情。

关于作者：

JessevandeSande天文学博士后研究助理，悉尼大学。悉尼澳大利亚天文台多目标集成场光谱仪(SAMI)是由悉尼大学和澳大利亚天文台联合研发的。SAMI星系调查活动是由澳大利亚研究委员会的“全天空天体物理学研究中心”资助的。这项研究的部分内容是由澳大利亚研究委员会全天空天体物理学研究中心进行的。

NicholasScott

天文学博士后研究员，就职于悉尼大学，由悉尼大学博士后研究奖学金资助。

（翻译：梁玉麟；审校：戴晨）

文章来源：

本文来自：环球科学

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