银河系的起源与演化

（选自《天文爱好者》1994年第三期。作者须眉）

天体的起源与演化是天文学中的重大问题之一，也是一个非常复杂的问题。以太阳系的起源和演化为例，自从康德在18世纪中叶提出第一个星云假说，两百多年来，至今已有多种假说问世，但仍没有一个比较完整的、被普遍接受的学说。虽然，恒星的起源和演化的研究，由于有许多处于不同演化阶段的“样品”，后来居上，获得重大进展，但仍有很多问题悬而未决。至于银河系的起源和演化的研究，只能说仍处于初期阶段，近二十多年来获得的一些新观测资料使这一课题有所进展。下面就银河系的起源和演化的两种学说以及有关问题向读者作简要介绍。

气体云凝聚说

分析银晕中球状星团的光谱，发现其成员星的气体外层几乎全都由氢和氦所组成，重元素的含量极少。这一观测事实表明球状星团由银河系中最古老的恒星组成，银晕标志着“古”银河系保留下来的“化石”。这些球状星团大部分时间里在扁长的椭圆轨道上围绕银河系缓慢地运行，只是当它们接近银河系中心的核球并围绕其运行时，速度才加快。由此可见，这些星团体现出它们从其中诞生的气体云的运动。因此，银河系必定是从一块比现在银晕的范围大得多的、半径至少为30万光年的巨大气体云中诞生的。

从球状星团赫罗图的主星序转折点，人们估算出球状星团的年龄大致为140～160亿年。在大约150亿年前，一大片星系际气体云在收缩中分裂，其中有一块就是原银河系氢氦混合气体云。在收缩的初始阶段，这团气体云大体是球形的，是一个湍动着的、存在随机扰动气流打旋的云团。气体云在自身引力的作用下，开始时很慢，逐渐加快，使中心部分物质的密集程度比其他部分为大，诞生出大量恒星，并汇集成为核球。与此同时，核心以外部分气体云分布的不均性使云团以许多密度较高区域为核心分裂成大小为几百光年、聚集起一定质量的许多小云团，这些小云团是早期的球状星团的前身。每个小云团进一步分裂形成众多的恒星，它们大体上是同时诞生的并具有相同的化学组分。当原银河系气体云收缩后，这些小云团仍保持着起初的径向运动，继续在围绕着银心的偏心扁长轨道上运行。

爆发式形成的球状星团并未消耗完所有的气体云。当原云进一步向中心收缩时，游荡的气体云缓慢地围绕着核球沉降为一个盘（类似于太阳星云的形成），这是因为原始气体云有一定的自旋，角动量守恒定律要求当其收缩时使其旋转越来越快。当气体云碰撞、加热并发出辐射，盘中气体云的动能也逐渐减少，但密度增大，有更多的恒星形成。最后，剩下的气体和尘埃沉积成现在的薄银盘。这一过程经历了大约100亿年。

在大质量恒星内部制造出重元素并将它们抛回星际云中。因此，当一代代恒星诞生时，后一代恒星比前一代恒星的重元素含量为多。这些重元素富集在银盘中直到今天。

混沌诞生说

前面介绍的银河系由一大块气体云有序地坍缩并产生恒星而形成的学说，是1962年由埃根、林登贝尔和桑德奇三人提出来的。但是，瑟尔和津恩在研究了外银晕中距离我们大于两万五千光年的19个球状星团中的177颗红巨星的化学组成后，发现它们的年龄相差很大，于1978年提出了银河系混沌地诞生的学说，即银河系是由许多气体云互相碰撞而形成的。近二十多年来的一些观测结果都有利于混沌诞生说，如南天玉夫座的NGC288和杜鹃座的NGC362是两个相邻的球状星团，距离地球均为三万五千光年，但从它们一些成员星的光谱发现的两者碳、氮、氧和铁的含量说明它们的年龄相差达30亿年。一个合理的解释是，银河系不是由一整团气体云形成的，在银河系开始形成的20或30亿年后，吞并了许多不同的气团形成了银晕。1992年，美国耶鲁大学的李养吾在分析研究银河系核球内靠近银心处、内银晕中距银心比距太阳为近的、以及外银晕中的天琴座RR型变星时发现，三处天琴座RR型变星的重元素含量不同，核球内的为太阳的十分之一，内银晕中的为太阳的20分之一，而外银晕中的只有太阳的40分之一。李养吾认为，这表明核球中的天琴座RR型变星的年龄比内银晕中的“弟弟”年长13亿岁，而后者又比外银晕中的“小弟弟”年长20亿岁。因此，李养吾断定，银河系的核球是首先形成的，然后以此为核心从里到外积聚气体云构成银河系的其他部分。他还认为，银河系的第一批恒星是在“原银河系”致密核心的气体云碰撞时形成的，随着额外气体云的积聚依次构成内银晕和外银晕。由于这些外部区域的物质密度较低，恒星形成得较慢。在银晕中的恒星形成后，气体积聚成为一个扁平的盘，盘中的气体云继续坍缩形成恒星。李养吾说，银盘约在核球中第一批恒星诞生后的30亿年开始形成。

在银晕中发现了一些年轻的、重元素丰度较大的炽热O、A、B星以及一个以每秒75公里的速度远离我们的移动星群，该星群在南天船帆座的星团NGC3201的方向，但不是此星团的成员，距离我们2～4万光年，星群中被观测到的18颗星在空间中延伸达几百光年。这些天象的一个合理解释是：它们是银河系不久以前从星际空间俘获的小星系的残骸。

问题多得很

（1）“麦哲伦云”的干扰

虽然还不能肯定银河系诞生时便受到麦哲伦云的干扰，但很多迹象表明，在演化过程中，两者互扰是无疑的：银盘边缘气体的翘曲、高速氢云的发现，以及连接银河系与麦哲伦云的所谓麦哲伦流的弧状氢云都说明至少在过去几亿年间至今，当大、小麦哲伦云越经银河系时，相互之间有过强烈的影响。其次，对距太阳82光年的177颗星的年龄的测定表明，年龄小于10亿年的恒星为39颗，46亿年左右的恒星有28颗，其他11个年龄段（20、30、40、60、70、80、90、100、110、120、130亿年）平均每段10颗星，这与大麦哲伦云中1亿年和30～50亿年恒星数目较多的事实不可能是巧合。说明在这两段时间银河系与大麦哲伦云互扰比较强烈，导致两个星系中的恒星爆发性形成。

（2）厚盘可作为判据

银盘中的恒星以年轻的或中年的恒星为主，它们的化学元素丰度接近于太阳的化学元素丰度，有较大的角动量但不大的随机运动。另一方面，远离银道面的恒星基本上都是老年恒星，重元素的丰度一般说来只有太阳中相应元素的50分之一，小的或为零的角动量但有较大的随机运动。几年前，在主银盘星族与晕星族之间发现有“厚盘”，但厚盘中的恒星其演化阶段是否介于前两者之间还不清楚。如果确实介于两者之间，则说明银河系的形成是一个相对平滑和连续的过程，如果不是，则可能是一个断续的演化过程，包含在很长时期中吞食可鉴别出的一些小团块。小于0.75太阳质量的恒星从诞生至今仍在发光，它们是追溯银河系历史的极好的化石。

（3）许多问题仍然是谜

不管是哪种学说，都有一团或大或小的原始气体云。这团气体云从哪里来的？不同的宇宙模型有不同的说法，问题远没有解决。银河系未来的命运会如何？会不会跟仙女座大星系碰撞合并形成新的星系？比球状星团更老的恒星为何没有留下痕迹？暗物质在银河系形成过程中的作用，磁场的影响，角动量的来源，旋臂是怎么形成的等等问题都有待进一步探索。银河系的起源与演化是星系的起源与演化问题中的一个特例，所以后者的研究有助于澄清前者的一些问题，例如，银核的活动性比起许多剧烈活动的星系来说是微不足道的，但只有在深入研究各类活动星系核之后，才有可能进一步了解银河系的核心部分在形成和演化过程中究竟处于什么状态。

由此可见，天文、物理以及化学工作者在这一学术领域是大有用武之地的。

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