宇宙中的椭圆星系，为什么比螺旋星系多？

宇宙中的椭圆星系，为什么比螺旋星系多？

我们知道，在宇宙中存在着无数个星系，它们大小、结构不一，形态各异。那为什么宇宙中的那些最大的星系都是椭圆星系而不是螺旋星系呢？螺旋星系在其结构上是不是受到了某种限制？今天就说下星系大小的问题。

先看下目前所知最大的螺旋星系是哪个？在一个黑暗的夜晚仰望天空，仅用肉眼就能看到很多的恒星、行星，甚至是微弱的星团和星云。但是夜空中最大的结构是那条横跨穹顶的银河系暗带。

从我们的角度看这是银河系的内部平面。对我们来说它非常巨大，包含了几千亿颗恒星，直径10万光年。但银河系并不是最大的螺旋星系，本星系群中的仙女座星系也不是，但它是我们天空中角大小最大的星系。

仙女座星系能成为我们天空中看起来最大星系，两个因素：

首先它真的很大！直径约22万光年，其中包含了大约一万亿颗恒星，是银河系恒星数量的三到五倍，直径的两倍多，是我们所在星系群中最大的星系。其次它离我们很近！距离只有254万光年，是宇宙中离我们最近的大星系。本星系群中的星系能被认为是一个集合的原因是，它们都被引力束缚在一起！再过几十亿年，仙女座、银河系、三角座星系和本星系群中所有其他的小星系将会合并在一起，形成一个独立的巨型星系。

星系合并后最终得到的不是一个螺旋星系，而是一个巨大的椭圆星系！那么为什么会变成椭圆而不是螺旋星系呢？只看一两个孤立的例子并不能解决问题。如果我们想准确地知道星系合并中发生了什么，我们需要观察目前所能看到的一切，并从中得出结论。

那么，如果我们观察宇宙中的星系，并优先选择最大的星系，我们会发现什么?

在上图中有两个比较明显的星系，其中一个与银河系大小相当。就是图像右边的螺旋状结构：IC 4970，它正在引力的作用下与其庞大的邻居发生着相互作用。

上图中的“巨型”星系，有两个庞大、扩张、分散的旋臂，这两个旋臂实际上要比我们在上图中看到的延伸得更远。NASA的GALEX太空船在紫外线捕捉到了这个巨型星系的全貌，而且这个星系也是我们迄今为止在宇宙中发现的最大的螺旋星系。下图：

这是NGC 6872星系，直径约52.2万光年，是已知宇宙中最大的螺旋星系。当然，宇宙那么大，很有可能存在比这个更大的螺旋星系，但我们目前只确定了这一个，因为它距离我们“只是”2亿光年多一点。NGC 6872的质量明显大于银河系或仙女座星系，甚至两个星系的总和。而且在物理尺寸上也要大得多，据我们所知，宇宙中就算存在更大得螺旋星系，也不会比NGC 6872大太多。

但是宇宙中有很多星系比NGC 6872要大的多，它们就是椭圆星系！

宇宙中的庞然大物：椭圆星系

就算我们只看离我们最近的大星系团室女座星系团，其中最大的星系是梅西耶87，它的直径大约有100万光年，包含数万亿颗恒星，总质量是我们星系的200倍！

换句话说，在这个普通的星系类型中，一个普通的大椭圆星系，使已知最大的螺旋星系在它面前相形见绌。但宇宙中还有更大的椭圆星系。

上图的星系是IC 1101，迄今为止宇宙中已确认的最大的单一星系。距我们10.7亿光年远，包含了大约100万亿颗恒星，几乎是银河系的1000倍，总质量是10^15个太阳质量，直径估计有5到6百万光年。

与已知最大的螺旋星系相比，已知最大的椭圆星系包含：

恒星数量几乎是它的100倍，总质量大约是它的几百倍在最大方向上大约是它物理大小的10倍。螺旋星系在椭圆星系面前就像个小矮人！

螺旋星系是怎样形成的？为什么宇宙中最大的星系几乎都是椭圆星系?

宇宙中有许多大型星系，通常位于巨大星系团的中心，它们的质量通常是银河系的数百到1000倍，但其中没有一个是螺旋星系！举个例子，上图中，天炉星系团右下角明亮的大螺旋星系，它甚至还比不上仙女座星系的质量，而其中巨大的椭圆星系是仙女座星系总质量的许多倍。那么，为什么螺旋都是小矮人呢？我们下面就看下螺旋星系是如何形成的！

在早期宇宙中，大爆炸后不久，那些生来就比其他区域具有稍多物质和能量的微小区域，通过引力开始优先地吸引物质。最终，足够多的物质被吸引到气体团块中，导致了恒星的形成和星团的形成。首先形成的集群是一个更大的结构的一部分（一个非对称的气体云团），它在最短的方向率先发生坍缩，首先形成一个圆盘。随着时间的推移，圆盘吸积了越来越多的物质，聚集了附近所有的星团，由于密度波而形成了一个螺旋状的结构。与星系融合的中小规模的星团进入星系核心，一直保持着螺旋结构。这个过程发生在银河系，仙女座，以及几乎所有我们看到的螺旋星系。一团巨大的气体因引力作用而坍缩、“压扁”并开始旋转。由于圆盘的不稳定性而产生的密度波就出现了螺旋结构，螺旋星系一直是螺旋结构，只是因为没有灾难性的膨胀来摧毁这个结构。

但是，在宇宙中导致一个更大星系形成的过程（与一个或多个其他螺旋星系合并）正是破坏着宇宙中的螺旋结构！

这个过程在宇宙中是非常普遍的现象，那些从未经历过合并的孤立星系是相对不受干扰的螺旋星系。当两个星系引力合并，引力发生作用后恒星的旋臂会受到极大的干扰，会经历一个星爆阶段，也就是恒星形成异常活跃，一旦星爆阶段结束，星系就进入了最终的椭圆状态。

如果想要两个大星系合并在一起并保持螺旋结构，就需要非常好的机缘巧合。这在统计学上不太可能发生。而且合并的次数越多，尤其是大型星系合并的越多，螺旋结构就更容易被破坏，最终得到一个椭圆结构。

但是也有一些星系似乎是螺旋星系和椭圆星系的混合体，我们称其为“半合并”状态，也就是一个巨大的螺旋星系与一个很小的星系合并形成的部分椭圆结构，最初的螺旋星系在某种程度上仍然保持完整。

这就是为什么宇宙中最大的螺旋星系并没有那么大，更大的星系通过合并，它们更有可能变成巨大的椭圆星系而不是螺旋星系！