银河的三种类型

我们知道，银河是由数千亿颗星体组成的天体群，宇宙中有数千亿个银河。在以前的书本上有人把银河系称作为岛宇宙式小宇宙。这里统一称为银河。就银河而言，特别是我们太阳系所属的银河，有的称之为银河系，有的称之为我们的银河，以示区别于其他银河。

夜空的天河宛如河流一样绕天体流动，由此人们可以设想，我们的银河其结构是很平坦的。

赫谢尔在计算了宇宙天体一星的数量分布后，证实了上述设想。实际上、通过可见光所看到的，只不过是银河的一部分，对于银河全貌的了解，是在最近射电望远镜的技术迅速发展之后实现的。通过这一研究，逐步弄清了我们的银河的结构。

银河的中心部位，分布着被称之为核或膨胀体等旋转的椭圆形星体。银河圆盘宛如贯穿该核而存在，太阳位于圆盘之中大约离银河圆盘中心10千秒差距（1千秒差距=3262光年）。银河圆盘中除了密布着大量星星之外，主要是由氢和氮组成的星际气体、其质量占总体的十分之一左右。几乎完全覆盖了银河圆盘的广阔无际的球状空间，称为晕。所谓晕，就仿佛是佛像背后的一道光环，但在我们的银河的晕中，分布着诸如球状星团和高速星那样的古老星体。从其光的亮度来看，整个晕的质量不太大，约为银河圆盘的十分之一。但是最近，无论是在理论方面还是住观测方面都产生了一个尖锐的问题，即晕内是否潜在着大量的质量呢？

由于我们处在我们的银河中，因此对我们的银河结构尚有许多地方没有搞清楚。但是，我们却能够详细地观测到其他银河的形状。虽然银河形状各式各样大小不等。但基本上可将其分为三种类型。（1）椭圆形，（2）涡旋形，（3）不规则形。我们的银河属于涡旋形，其结构如上所述。

把涡旋形银河的膨胀体部分取出后，就成为椭圆形银河的形状，它几乎不含星际大气。涡旋形银河大小不一，有的异常庞大，有的却很渺小。不规则形银河中小者居多。如何全面地解释这种银河的多样性，是属于银河形成理论领域内的问题，遗憾的是，目前对此还不能作出明确的解答。

重力造成了不同的层次结构

呈在银河中分布不一，有很多星变成星团。昴宿星团等就是典型的例子，这种散开星团，是几十到几百个星的集合体。在星诞生之际，形成了这种星团。不久，就逐渐变成了散开星团。前述的球状星团，是由几万至几十万颗星拼成的圆形星团，星团与银河同时诞生并一直延续到现在，从某种意义上说，可称之为银河的化石。

我们的银河并不孤独，它有自己的家族。它是由有名的仙女座M31涡旋卷银河和大小麦哲伦云的不规则银河以及包括其他十多个小银河组成的局部银河群的一个成员。在这个银河群中、我们的银河和M31相当于父母的地位，是一个特大的银河。

银河构成了更大的天体群。由几千个银河组成的天体群，称为银河天体群，如有名的室女座银河天体群，后发座银河天体群。其大小有数兆秒差距（1兆秒差距=1000千秒差距）。

这一层次中最大的是超银河天体群。超银河天体群是由几个银河天体群组成的。我们的银河也是以室女座银河天体群为中心的、几十兆秒差距之大的局部超银河天体群的一个成员。最近，已经了解清楚，宇宙中的超级银河天体群是以蜂窝形状那样的结构分布的。就是说，像蜂窝的孔穴那样，宇宙也有孔穴。大体上可以说在孔穴部分没有银河存在。

宇宙中的物质分布，形成了这种层次结构。那云为什么会形成这样的层次结构呢？这是由支配宇宙的力 - 引力的特性所造成的。

已知的支配自然界的力有四种，按其强弱次序依次为强力、电磁力、弱力和引力。其中强力和弱力所到达的距离极短，仅在微观现象中发生作用。根据有名的逆二乘法则可知，电磁力和引力所到达的距离是无限的。电磁力与引力相比，前者远比后者强大。就强到何种程度而言，作用于质子和电子之间的电磁力是引力的1040倍。

尽管这样，在宇宙现象中起支配地位的引力是“万有引力”。由于电磁力具有引力和斥力，因此不作用于电气的中性。在宇宙中、质子和电子的数目相等，电的性质守恒在大尺度现象中电力不起作用。引力在宇宙中独霸天下。

波动使混沌的宇宙显露面目

由于重力是万有引力，因此物质具有本能的收缩的倾向。星星、地球和人类等之所以不会由于重力作用而被压碎，是因为具有抵抗引力的内部支撑压力的缘故。一旦压力稍微不足，引力就会无情地将物体压碎。

气体是宇宙中物质的主要形态。我们来看看作用于气体的引力和压力。星球等天体的引力和热压力守恒，故保持其圆球形状。涡旋银河等的引力和离心力平衡，而椭圆银河和球状星团等则依靠各个星球不规则运动所产生的动能来抵消引力。

但是这些天体并不是在宇宙起源时就已经存在了，可以认为，在宇宙起源初期，气体分布基本是一致的，处于无任何结构状态之中。也就是所谓的混沌状态。

在这一混沌状态中显露出面目，上述层次结构的形成，都是引力作用的结果。

现在考虑一下密度基本相同的气体分布的情况。假定这种气体的密度不完全一样，那就会或多或少地出现波动（将它称作波动）。于是，这一波动部分的引力就略大于其他部分，波动就会收缩。

一旦波动收缩，压力就会增大，产生中止收缩的倾向。问题是取决于引力与压力哪一方面占优势。根据详细研究，波动的大小在超过某一特定长度（这一长度称作詹姆斯波长）时收缩，小于这一特定长度时，由于压力所产生的反作用力占优势，故波动随之开始。詹姆斯波长以上的波动称为引力不稳定，以下的称为引力稳定。

引力稳定与不稳定的概念可以作一个在山上和山谷放一个球的比方加以说明。捅一下放在山顶的球，球就会滚落下去；而捅一下谷底的球，球就仅滚动几下而已。

上面介绍了詹姆斯波长一词的含义，由于宇宙是一个在不断膨胀着的无限空间，因此用长度这一概念来考虑问题，显然是不太适宜的。所以，考虑用詹姆斯波长为直径的球内所含的质量，这一质量称作詹姆斯质量。问题在于詹姆斯质量与宇宙中渚层次的哪一个质量相等？如果明确了这一点，那就可以推测，在宇宙的历史中，首先形成的是宇宙天体，其他都是随天体形成后再产生的。

星团是在雾消散后形成的吗？

众所周知，要知道詹姆斯质量的大小，就必须了解压力是如何产生的。为此，就必须明确当时宇宙的状态。宇宙膨胀开始一秒钟后的温度为100亿度K。那时，构成宇宙的主要成分是质子、中子、电子、光和中微子。在膨胀开始后3分钟内，由于这些粒子间的相互反应，生成了氢、重氢直至氨等元素。

在这以后，宇宙间暂时没有多大变化，大约经过了100万年以后，当宇宙的温度降到3000度K左右时，宇宙史上发生了重大的事件，即产生了等离子气体的中性化现象，一旦充满宇宙空间的气体的温度达到3000度K以上，光就从原子中夺取电子，物质就变成所谓的等离子气体状态。那时，由于自由电子不停地在宇宙空间蠕动，光与自由电子反复散射，所以光不是呈直线前进的。从某种意义上说来，宇宙好像被雾覆盖着一样，处在阴霾状态之中。这种现象是由等离子气体中性化，使雾急速消散所致。一旦宇宙处于阴霾状态，光就会与物质结合为一体后运动。因此物质能感觉到光的压力。光子数是质子和电子之类物质粒子数的10亿倍，这是我们的宇宙的特点。因此，光产生的压力远远超过物质粒子产生的压力。就是说，在等离子气体中性化以前，宇宙中的主要压力是由光产生的压力。把这点考虑在内，算得等离子气体中性化时的詹姆斯质量为10¹⁷ M⊙（M⊙表示太阳的质量，2 x 10³³克），稍微偏大一些。

等离子气体中性化以后，虽然光的压力仍然很大，但已不能作用于物质粒子了，结果，一般的气体压力发挥了重要作用。这时的詹姆质量为10⁵ M⊙，正好与球状星团的质量相对应。因此产生了如下学说：球状星团是宇宙天体的前身，比它规模更大的天体是由球状星团聚到一起以后发展起来的。

假如中微子中有质量的话……

在上述考察中，没有把中微子考虑在内。由于中微子质量为零，基本上也不与物质产生相互作用，因此打人认为它与宇宙中天体的形成毫无关系。

但是最近有人提出，中微子中也存在着质量。这一问题是在通过测定原子堆附近的中微子和β轰击实验直接测定中微子质量后提出的。虽然这些实验还未能获得确切的数据，但假定这些实验结果是正确的话，那么将对包括银河形成理论在内的宇宙学说产生重大影响。最近，许多学者准备对中微子中是否存在着质量的各种观点展开学术讨论。

在讨论银河形成理论之前，想谈一下，如果中微子中有质量，那么几个以前一直被人们认为不解之谜的问题就可迎刃而解了。其中的一个问题就是上面已经谈及的潜在质量的问题。我们已经说过，在银河的晕内，存在着光观测不到的大量的质量。与这一本质有关的学说有黑洞红色矮星等，但如果将其考虑为中微子，这一问题就一目了然了。

潜在质量不光存在于银河中，也存在于银河天体群中。根据构成天体群的银河运动的激烈程度，可以计算出银河天体群的质量。不过，这样求出的质量比实际看到的质量（发光物质的质量）要大得多。这一缺陷比银河场合要大得多。但是，假设中微子的质量是电子质量的几万分之一，那么这些问题就可得到顺利解决。据此也能搞清楚太阳中心射出的中微子束小于理论值这样一个所谓的太阳中微子问题。

那么，假如中微子存在着质量，中微子就会由于自身的重量造成重力不稳定而引起收缩。因此，从计算与中微子有关的詹姆斯质量来看，虽然它随着时间发生变化，但其最大值为10¹⁶ M⊙，正好相当于超银河天体群的质量。

银河的形成是从蜂窝结构开始的

于是，可以描述如下的场面了。宇宙发源时，密度基本相同，无一定结构产生了各种大小不等的波动。波动发生在膨胀开始后一秒钟内，有关它的结构众说纷纭，但大致上可以说，所谓的波动是指中微干、光、物质粒子等的波动（称作绝热波动，反之，物质密度的自身波动叫作等温波动）。

虽然波的波长各不相同，但比詹姆斯波长短的波长，在散逸过程中消失殆尽。结果，剩下了10¹⁶ M⊙以上的波动，其中10¹⁶ M⊙附近的波长急速发展，生成了高密度气体。等离子气体中性化后，光迅速撤离，留下了中微子和物质粒子的团块。其形状与其说是球形结构，倒不如说成是蜂窝结构更为确切。这就是超银河天体群。

不久，超银河天体群分裂成好几块，形成了银河天体群。在银河天体群中，物质一面吸引部分中微子，一面进行引力天体群收缩，形成了银河。可以认为，这一过程以从大到小的顺序进行的。

虽然现在还不太清楚这种演变发生在什么时候，但可推测，当宇宙约为现在的十分之一大时，即从膨胀开始，经过了几十亿年以后，才开始形成超银河天体群。在这以后，便逐步形成了银河天体群和银河。除此之外，还有各种各样的说法。例如有人认为有可能形成银河的因素最初是以等温波动的形式潜藏着的。但无论是这种说法还是银河形成理论的说法，在宇宙学说中都是一个没有搞清楚的领域。

总之，可以假定宇宙中生成了有可能形成银河的重量为M⊙左右的气体云。这种云在重力作用下发生收缩的过程中首先在球状星团和膨胀体中产生星体。在一阶段中，当气体云的能量耗尽之后，就形成了椭圆形银河。

如果云的角动量大，在收缩过程中，星的形成受到抑制，那么气体就会沉淀在银河圆盘中。这就是涡旋银河。以后，在银河圆盘中，气体以各种结构形式被压缩成星。银河之所以有各种不同形状，可能与星形成的速度有关。但目前尚未搞清楚它的详细情况。

[《科学朝日》，1982年第11期]