星系缺失的角动量为何观察到的星系的角动量与理论预测不符

发布时间：2023-10-12 10:30:08 所属栏目：动态来源：网络

导读： 　　对于不熟悉物理学的读者而言，词汇表中的"角动量"的概念可能会相当难以理解。简单来说，角动量是物体围绕某一点旋转所产生的“动量”。和线性动量（一个物体直线移动所产生的

　　对于不熟悉物理学的读者而言，词汇表中的"角动量"的概念可能会相当难以理解。简单来说，角动量是物体围绕某一点旋转所产生的“动量”。和线性动量（一个物体直线移动所产生的动量）相似，角动量也有守恒定律。这意味着，除非有外力作用，一个封闭系统的角动量是不会改变的。

　　那么，为何我们在探讨宇宙学时，会特别提到角动量呢？其实，角动量在天文物理中起着至关重要的作用。当我们观测天空中的恒星、行星、甚至是整个星系，我们其实都在观察角动量的影响。例如，行星围绕太阳旋转的轨迹、双星系统中两颗恒星的舞动，都是角动量守恒的直接结果。

　　对于宇宙的起源和演化，科学家们提出了不少理论，其中最为知名和被广泛接受的便是“大爆炸”理论。大爆炸理论认为，宇宙起源于大约138亿年前的一个高温、高密度的状态，随后开始不断膨胀和冷却，进而形成了今天的宇宙结构。

　　那么在这个宏大的背景下，星系又是如何形成的呢？

　　首先，宇宙的早期主要由氢和氦这两种轻元素组成。在宇宙膨胀的过程中，由于微小的密度不均匀，这些气体开始在某些区域聚集。随着时间的推移，这些区域的气体越来越密集，引力使它们开始坍缩，最终形成了第一代的恒星。当足够多的恒星聚集在一起，它们便组成了一个初步的星系。

　　那么，在这个过程中，角动量又是如何发挥作用的呢？由于早期宇宙中的密度不均匀，这些小的密度扰动会导致气体云开始旋转。这些旋转的气体云在塌缩的过程中，由于角动量守恒，它们的旋转速度会逐渐增加，就如同花样滑冰运动员在做旋转时，收拢双臂可以旋得更快一样。随着时间的推移，这些旋转的气体云形成了恒星和星系，而它们旋转的趋势也被保留下来，这就是星系的旋转动态。

　　然而，尽管我们已经对星系形成的过程有了一定的了解，但仍有许多细节尚未解明。尤其是，为什么观测到的星系的角动量与理论预测存在不符之处？

　　角动量的来源与守恒

　　角动量在物理学中是一个基本的概念。其守恒定律是自然界的基石之一，就如同能量守恒或动量守恒一样。在考虑星系形成和演化时，角动量守恒起着决定性的作用。

　　角动量的来源

　　在宇宙的产生初期，这些微小的密度膨胀扰动在宇宙的发展膨胀过程中逐渐放大。这些扰动总有一天会导致周围的物质向其中心流动并围绕它旋转，从而产生初始的角动量。实际上，宇宙中的每个结构，无论是恒星、星系还是星系团，它们的形成都与这些初期的密度扰动密切相关。

　　角动量的守恒

　　总角动量守恒的基本原理是，除非有外部的扭矩作用，一个封闭系统的总角动量不会改变。这意味着在星系的形成过程中，除非有外部力量（如相邻星系的引力作用）影响，其内部的物质在塌缩时所获得的角动量是不会消失的。这是为什么许多星系，特别是螺旋星系，都有明显的旋转特征。

　　但是，问题就来了。从上述讨论中，我们知道星系在形成时会获得一定的角动量，而且由于角动量守恒，这个角动量在星系的后续演化中基本上是不会变的。但我们观测到的星系的角动量和理论预测存在差异，这意味着什么呢？

　　是否存在我们尚未认知的物理机制，或者说我们对星系形成的理论还不够完善？

　　当科学家开始对比星系的观测数据与理论预测时，发现存在一个明显的不符之处：实际观测到的星系的角动量似乎比理论预测要小得多。这一发现不仅令人惊讶，而且对当前的星系形成理论提出了严重的挑战。

　　总观测的挑战

　　首先，我们要理解观测星系角动量的挑战。由于星系是广阔的，包含了数以亿计的恒星，直接测量其角动量是非常困难的。通常，科学家们会通过观测星系中恒星的运动来间接推测星系的旋转和角动量。例如，通过对螺旋星系的光谱进行分析，我们可以了解恒星和气体在星系盘面上的速度分布，进而估算出整个星系的角动量。

　　理论预测与观测数据的不符

　　按照现有的理论，由于大爆炸后的宇宙中存在的密度不均匀，会产生初始的旋转气体云，这些气体云在坍缩形成星系时会获得一定的角动量。然而，实际观测到的星系，尤其是螺旋星系，其角动量似乎比预测值要小得多。

　　这一发现引发了许多疑问：是我们的观测方法存在偏差，还是理论预测出了问题？或者说，是否存在某些我们尚未考虑到的宇宙过程，这些过程影响了星系的角动量？

　　为了解决这一谜团，科学家们进行了大量的观测和模拟研究，希望从中找到答案。

　　可能的解释方案

　　面对观测数据与理论之间的差异，科学家们并没有停下脚步。相反，这激发了他们更加深入地探索这个问题。以下是几种可能的解释方案：

　　1. 星系之间的相互作用

　　星系并不是孤立存在的。在其形成和演化过程中，星系之间的相互作用，如并合、潮汐扰动等，可能会导致角动量的转移或丧失。例如，当两个星系接近并最终合并时，它们的引力作用可能会导致原本的旋转结构被破坏，从而影响其角动量。

　　2. 外部气体的吸积

　　星系在其生命周期中可能会从周围环境吸积大量的气体。这些新吸积的气体可能带有与星系原有旋转方向不同的角动量，从而改变星系的整体角动量分布。

　　3. 星风和超新星爆炸

　　恒星在其生命周期中会产生星风，而大质量恒星的死亡则可能伴随着超新星爆炸。这些过程会向外喷射大量物质，可能带走部分角动量，从而影响星系的角动量。

　　4. 暗物质的影响

　　暗物质是宇宙中的一个巨大谜团，其质量远大于普通物质，但却不发光。暗物质可能通过引力与星系中的普通物质相互作用，影响其动态行为，从而间接影响星系的角动量。

　　尽管上述各种解释方案都为我们提供了关于星系角动量差异的一些线索，但目前尚无一个统一的答案。每种方案都有其支持者，也有相应的证据，但也存在争议。这再次说明，宇宙学是一个充满未知和挑战的领域，仍有许多谜团等待我们去揭示。我们不知道宇宙中是否存在外星文明，也不知道他们是否在寻找地球。

（编辑：晋中站长网）

【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容!