我们的宇宙家园对恒星是典型的但不对星系

宇宙中的大多数恒星都位于大的大质量银河一样星系中。但大多数星系毕竟不像我们的星系。

STARTS WITH A BANG — AUGUST 12, 2024

Ethan Siegel

这个大力神星系团的观望展示在一个单一的空间区域中巨大量的大的大质量星系聚集在一起。尽管这些星系包含在这个空间区域内的大部分恒星，但总共有几十倍多的星系，其中大多数星系是暗的、质量低的并且低于用仪器获取这张图像的可检测性的阈值。Credit: ESO/INAF-VST/OmegaCAM. Acknowledgement: OmegaCen/Astro-WISE/Kapteyn Institute

关键要点

整个可观测的宇宙散布有数万亿个星系，一个高达两个10^-21颗以上的恒星被散布在它们全部中。

值得注意的是，大多数存在的恒星都被束缚在大的大质量星系中，如银河系或其他明亮的大质量星系。

然而，大多数星系毕竟不像我们，而是小的、质量低、按它们的恒星群非常贫瘠。这里是这些事实如何同时的是真实的。

靠仰望夜空，许多人频繁的好奇什么仍然没被看见。

这张长曝光图像捕捉着南半球阿塔卡马天文台上方的许多明亮恒星、恒星形成区和银河系平面。最近的恒星距离我们仅几光年远：距离奥尔特云边缘不到一个10的因素。但更遥远的仍然能用肉眼看到恒星和特征能是在在数万光年之外。Credit: ESO/B. Tafreshi (twanight.org)

我们的闪闪发光的恒星苍穹只包含几个可见的星系。

在欧洲南方天文台的一系列望远镜的圆顶后面，银河系在南方的天空中耸立，右边被大小麦哲伦星云迂回。尽管有数千颗恒星和银河系平面都是肉眼可见的，但只有四个星系超出了我们自己的典型的肉眼能探测到的范围。Credit: ESO/Z. Bardon (www.bardon.cz)/ProjectSoft (www.projectsoft.cz)

用现代天文台的力量，如此更多的变得显然的。

这张对比图像显示由哈勃望远镜的极端深场（上图）和詹姆斯韦伯太空望远镜的JADES堪查（下图）成像的相同区域，展示在年轻宇宙中发现的许多超遥远星系的一个选择。当我们在大距离上观察宇宙时，我们正在看它就像它在遥远的过去中一样：更小、更密集、更热和演变更少。回到詹姆斯韦伯太空望远镜的能力的限制，我们到处看到恒星和星系的证据。Credit: NASA, ESA, CSA, STScI (JWST); ESA/Hubble & NASA and the HUDF09 team (Hubble)

仅银河系内总共有2000亿至4000亿颗恒星。

欧洲航天局的基于太空的盖亚使命已经映射出了在我们银河系中超过10亿颗恒星的三维位置和地点：所有时间最多的。来测量恒星视差的能力或者一颗恒星的实际（而不是表观）位置如何在一个日历年中变化很大程度上被卓越的仪器、大孔径、盖亚在太空中的位置及摄影和计算机化的识别恒星相对移动的发展帮助。多年来，盖亚也能帮助提供关于这些恒星速度的信息。Credit: ESA/Gaia/DPAC

许多拥有太阳一样的质：富含重元素并包含丰富的行星系统。

这张彩色编码的映射显示了河系内600多万颗恒星的重元素丰度。红色、橙色和黄色的恒星都富含重元素，它们应该有行星；绿色和青色编码的恒星应该仅有罕见的行星，蓝色或紫色编码的恒星围绕它们毕竟应该完全没有行星。请注意，星系盘的中心平面一直延伸进星系核，有潜在的宜居的岩石行星。这个映射显示我们银河系内不到0.01%的恒星。Credit: ESA/Gaia/DPAC; CC BY-SA 3.0 IGO

我们的本地星系群——被银河系和仙女座星系统治——包含100多个已知星系。

我们的本地星系群被仙女座星系和银河系统治，但不可否认的是仙女座星系是最大的，银河系是#2，三角座星系是#3，大麦哲伦星云是#4。在距离我们仅16.5万光年外，它是迄今为止距离我们最近的10多个星系中的一个，因此它占据银河系以外所有星系的天空上最大的角度跨度。在本星系群中有100多个星系，但仙女座星系和银河系包含大部分恒星和大部分质量。Credit: Andrew Z. Colvin/Wikimedia Commons

窥视进太空最深处揭示恒星和星系的宇宙历史。.

与当今银河系可比较的星系是众多的，但比我们今天看到的银河系一样的年轻星系一般内在的更小、更蓝、气体更丰富。随着时间，许多更小的星系变得引力上被束缚在一起造成合并但也成包含大量星系的星系团和星团。Credit: NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale U.), S. Patel (Leiden U.), and the 3-D-HST Team

现代大质量星系从更早期、更小、更原始的星系吸积和合并成长。

海豚座中的Zw II 96是一个位于距离我们约5亿光年远的星系合并的例子。恒星形成被这些类的事件引发，并且能消耗每个祖星系内的大量气体而不是在孤立星系中发现的一个稳定的低水平恒星形成流。请注意相互作用星系之间的恒星流，它们能要么变成后合并星系的恒星晕中恒星群的一部分，要么完全被从后合并星系驱逐，在星系间介质中漫游。最终的结果将是更大数量的恒星被在一个更小数量总星系中束缚在一起。Credit: NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration and A. Evans (University of Virginia, Charlottesville/NRAO/Stony Brook University)

在最早的时候，与今天相比所有的星系是小的和质量低的。.

我们用詹姆斯韦伯太空望远镜获得的宇宙最深观望之一的这一部分与来自哈勃极端深场的数据重叠。与哈勃相比，詹姆斯韦伯太空望远镜揭示大量哈勃以前看不见的天体，甚至只有约4%的观测时间。这些星系中的大多数都很小质量很低，但就在现在正在迅速形成恒星，使詹姆斯韦伯太空望远镜能够揭示它们的存在。Credit: NASA, ESA, CSA, STScI, Christina Williams (NSF’s NOIRLab), Sandro Tacchella (Cambridge), Michael Maseda (UW-Madison); Processing: Joseph DePasquale (STScI); Animation: E. Siegel

与此同时，恒星形成在大约110亿年前达到顶峰。

当宇宙中类似大小的星系发生重大合并时，它们出自内部存在的氢气和氦气形成新的恒星。这能造成恒星形成率的严重增加，类似于我们在3000万光年外的附近星系Henize 2-10内观察到的。如果大量气体残留在星系内，这个星系将可能演变后合并成另一个盘星系，或者如果所有或几乎所有气体都被当前的星爆驱逐演变为椭圆星系。像这样的星爆事件在宇宙历史早期比现在更为常见。Credit: NASA, ESA, Zachary Schutte (XGI), Amy Reines (XGI); Processing: Alyssa Pagan (STScI)

它从一个没有恒星的状态上升到了顶峰，此后逐渐下降。

费米LAT合作重建了宇宙的恒星形成历史，并与文献中来自其他替代方法的其他数据点比较。我们正在通过许多不同的测量方法得出一组一致的结果，最大的不确定性坚持在最高红移和最早的时间。这些不确定性代表整个宇宙历史中形成的恒星总数的不到1%。Credit: Fermi-LAT collaboration & M. Ajello et al., Science, 2018

今天，宇宙中有6-20万亿个星系。

整个矮星系Segue 1和Segue 3中只有大约1000颗恒星，后者有一个令人印象深刻的60万个太阳的引力质量。组成矮卫星Segue 1的恒星被圈在这里。随我们发现有更少数量恒星的更小、更暗的星系，我们开始认识到这些小星系有多常见以及它们的暗物质与正常物质的比率能有多高；对每一类似于银河系的星系可能有多达100个，暗物质比正常物质多几百倍甚至更多。Credit: Marla Geha/Keck Observatory

然而，只有约1000亿个是大的和大质量的。

英仙座星系团的这一观望显示1000多个星系聚集在一起，距离约2.4亿光年远，在图像的背景部分中有数万个星系。虽然在光学上图像被质量最大、恒星最丰富的星系统治，但它们都被更小、更暗、低质量的星系的数量超过，甚至在附近也很难被探测到。Credit: ESA/Euclid/Euclid Consortium/NASA, image processing by J.-C. Cuillandre (CEA Paris-Saclay), G. Anselmi, CC BY-SA 3.0 IGO

这些约1000亿个“最大质量”的星系包含我们累积的2.21×10^21个恒星的99%以上。

大天文台起源深勘察南场（GOODS South）的这个深场区域包含18个形成恒星的速度如此之快以至于内部恒星的数量将在短短1000万年内翻一番的星系，仅占宇宙寿命的0.1%。由太空望远镜所揭示的宇宙最深处的景象将我们带回宇宙的早期历史，在那里，恒星形成率远大于今天，但在那里宇宙的累计恒星的不到1%已经形成了。许多最遥远的星系都被发现靠近其他前景星系，这些星系的质量扭曲和放大来自背景天体的光线。Credit: NASA, ESA, A. van der Wel (Max Planck Institute for Astronomy), H. Ferguson and A. Koekemoer (Space Telescope Science Institute), and the CANDELS team

最早的恒星和质量最低的星系包含着最大的不确定性。

在顶部的插图框中，JADES-GS-z14-0被发现在一个更近、更亮、更蓝的星系后面（就在右侧）。只有通过有令人难以置信的分辨率的光谱学的力量，能够隔开这两个来源，这个创纪录的遥远物体的性质能被确定。它的光从当宇宙只有2.9亿岁老时来到我们：只有它目前年龄的2.1%。JADES-GS-z14-1，就在它下面，来自宇宙大约3亿岁时。与大的现代星系相比，所有早期星系一个恒星的贫乏。Credit: S. Carniani et al. (JADES collaboration), arXiv:2405.18485, 2024

大多数恒星存在在银河系一样的星系中，但大多数星系不像我们的。

这张包含银河系（左）的本地星系群的描画展示在我们现代日子的宇宙中，对每个像银河系或仙女座一样的大星系都有30-100个之间的已知的小质量星系。大多数恒星都被发现在大的大质量星系中，但大多数星系是小的和似乎不重要的。Credit: Pablo Carlos Budassi/Wikimedia Commons

大多数寂静的星期一用图像、视觉和不超过200字讲述一个天文故事。

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