银河系形成模型

在沙普利之后的几十年时间内，随着天文观测研究工作的深入，尤其是射电天文手段的面世，人们对银河系结构取得了相对全面的认识，并开始探究银河系的运动学和动力学状态，进而探讨了银河系的形成和演化机制。

银河系是怎样形成的，这个问题在现代天体物理研究中有着重要的地位。合理的银河系形成机制，应可以对银河系的结构及各种成分（包括星族、星团等）的观测性质做出恰当的解释。不仅这样，有关的主要结论还应在河外星系，特别是在与银河系有同类形态的旋涡星系上得到印证。

天文学家把物质中某类元素含量所占的比例叫做该类元素的丰度。宇宙中含量最丰富的元素是氢，约占物质总量的71%；其次是氦，约占27%；其他元素则统统称为“重元素”或“金属元素”，而所有重元素总的丰度仅在2%左右。氢是宇宙早期即已存在的原初元素，大部分氦生成于大爆炸发生后的3分钟内，所以在原初星际介质和由此生成的第一代恒星中，金属元素丰度非常低。另一方面，几乎所有的重元素都是在恒星演化过程中经内部核反应合成的，叫做核合成，并通过超新星爆发以及星风等途径送入星际介质。

银河系的化学演化必然与恒星演化密切相关。恒星演化的进程主要取决于恒星质量，质量越大演化得越快。大质量恒星的演化很快，最快的只需要经过几百万年时间，便以超新星爆发而终其一生。因为银河系年龄超过100亿年，历时几百万年甚至更长的一些过程，相刈银河系的一生来说实际上是非常短的。这类短时标事件在银河系的整个演化史中会不断出现，其结果是注入星际介质中的重元素不断增多。所以，星际介质以及由星际介质坍缩形成的恒星内的重元素丰度， 一定会随宇宙年龄的增大而增大，这一过程称为“元素增丰”。

显然，在如今存在的恒星中，金属丰度越低年龄越老，它们必定是一些长寿命的小质量恒星，因为大质量恒星早已寿终正寝了；近期诞生的恒星金属丰度就高，它们质量往往有大有小。

1962年，三位美国天文学家艾根、林登贝尔和桑德奇提出了一种银河系形成的图像，后人称为ELs理论。这种理论提出，银河系形成于一个大致呈球形的巨大原星系云。这个云最初的金属丰度非常低，并因引力作用而处于自由下落状态，称为引力坍缩。在坍缩过程中，云的自转速度不断增大，以保持角动量守恒。所谓“贫金属星”和球状星团就是在这一过程中形成的，而现在观测到的这类老年星族Ⅱ天体具有很扁的运动轨道，便是原星系云自由坍缩的直接结果。

又由于坍缩过程进行得很快，期间形成的球状星团便有大致相同的年龄。当云的半径收缩到原星系云半径的1/10左右时，因为超新星爆发不断出现，云变成富金属态，并逐渐变为扁平状，形成一个由离心力支撑的盘结构。这时银盘及盘族恒星开始形成，同时保持这种状态直到今天，盘内恒星较为年轻，金属丰度则比较高。ELS理论能够较好地说明许多重要观测事实，如银河系的总体结构、不同星族恒星的年龄、金属丰度以及运动状态等。

观测结果表明，老年球状星团的金属丰度各不相同，并且差异较为显著，这一事实给ELS的快坍缩模型带来了一些困难：既然坍缩过程进行得很快，期间元素增丰的效果就不会非常明显，不同球状星团的金属丰度应该相差不大。为了解决这一矛盾，1997年西尔勒等人提出了另一种不同的银河系形成模型。这种模型的基本观点是，银河系由几十个较小的星系云并合而成，而并非生成于单一的巨原星系云。这小云块的质量约为108太阳质量，它们各自演化成较小的系统，并且相互碰撞、并合，在一种缓慢的坍缩过程中，最终形成银河系。因为在同一时间断内不同小星系内部的增丰情况各不相同，于是较好地解释了球状星团在金属丰度上的差异。

西尔勒模型叫做慢坍缩模型，以区别ELS的快坍缩模型。后来的一些数值模拟工作表明，小星系确实可以通过相互并合形成更大的系统，从而支持了西尔勒模型。不过，银河系纯粹由大量小星系并合而成的机制很难解释银盘的形成，为做到这一点，还要对并合的具体方式加以严格的限定，如小星系在并合过程中应取适当的运动路径等，而这显然非常不现实。还有，虽然对银河系核球的起源仍很不明晰，但是构成核球的物质很可能是以气体，而不是以恒星的形式并入银河系，对这一点的解释ELS模型显得更加自然。

近年来的很多观测研究表明，宇宙中星系的并合和吸积现象确实存在，如银河系曾经吸积了部分球状星团和晕族恒星。又如，离银河系最近的河外星系——大麦哲伦星云，正在不断地朝着银河系旋进，预期最终可能会被银河系吞并，到时候大麦哲伦星云中的球状星团便自然成为银河系的成员。可见，银河系的形成和演化机制应该是比较复杂的，很可能既取决于银河系的内部过程——坍缩，同时又涉及外部因素——吸积和并合。