宇宙中第一代恒星、星系是如何形成的

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1、宇宙中第一代恒星、星系是如何形成的  大型的地面和空间望远镜观测可探测的宇宙历史从现今一直可以追溯到宇宙年龄不足现在的十分之一处。在往前则仍然是留待进一步深入的前沿，正是在那里形成了第一代恒星、星系以及大质量黑洞。通过赋予宇宙第一屡光以及超越在大爆炸中所形成的原初氢和氦以外的其他化学元素，第一代的这些天体彻底地改变了早期宇宙。理论和即将到来的观测之间的互动将有望回答这一新兴领域中关键但又悬而未决的问题。　　在宇宙“黑暗时代”结束时第一代恒星和星系的形成是现代宇宙学的核心问题之一。在这个时期，通过在暗物质中的结构生长、来自第一代恒星的重元素输入以

2、及从这些恒星和第一代黑洞的能量注入，宇宙从它简单的初始状态转变成了一个具有复杂等级式结构的系统。在我们的认识中，一个重要的里程碑是建立了宇宙演化的现代标准冷暗物质模型，它假设宇宙的结构是等级式形成的，即小的天体先形成进而不断并合成更大的系统。在这个模型中，形成于大爆炸之后几亿年的微型暗物质晕正是第一代恒星形成的场所。根据这一基本框架并且得益于新的高效计算工具的发展，数值模拟研究了在这些微型暗物质晕中原初气体分裂瓦解的特性，发现绝大多数的第一代恒星，即星族Ⅲ宇宙中第一代恒星、星系是如何形成的  大型的地面和空间望远镜观测可探测的宇宙历史从现今一直

3、可以追溯到宇宙年龄不足现在的十分之一处。在往前则仍然是留待进一步深入的前沿，正是在那里形成了第一代恒星、星系以及大质量黑洞。通过赋予宇宙第一屡光以及超越在大爆炸中所形成的原初氢和氦以外的其他化学元素，第一代的这些天体彻底地改变了早期宇宙。理论和即将到来的观测之间的互动将有望回答这一新兴领域中关键但又悬而未决的问题。　　在宇宙“黑暗时代”结束时第一代恒星和星系的形成是现代宇宙学的核心问题之一。在这个时期，通过在暗物质中的结构生长、来自第一代恒星的重元素输入以及从这些恒星和第一代黑洞的能量注入，宇宙从它简单的初始状态转变成了一个具有复杂等级式结构的

4、系统。在我们的认识中，一个重要的里程碑是建立了宇宙演化的现代标准冷暗物质模型，它假设宇宙的结构是等级式形成的，即小的天体先形成进而不断并合成更大的系统。在这个模型中，形成于大爆炸之后几亿年的微型暗物质晕正是第一代恒星形成的场所。根据这一基本框架并且得益于新的高效计算工具的发展，数值模拟研究了在这些微型暗物质晕中原初气体分裂瓦解的特性，发现绝大多数的第一代恒星，即星族Ⅲ恒星，具有非常大的质量。最近，这一领域又在等级式结构的形成中向前迈进了一步，在第一代恒星形成并且影响它们周围的环境之后形成了第一代星系。随着新的观测设备的到来、超级计算技术所取得的

5、长足进步，我们正在进入一个令人兴奋的发现期，而现在则正是综述我们目前的认识以及所存在挑战的理想时机。　　我们将从第一代恒星的形成开始，讨论对其大质量预言背后的物理机制，以及如果暗物质在小尺度上表现出非标准的特性这一结论将会如何被修改。接下去我们会论述来自第一代恒星的反馈效应，它们可能会使得随后的恒星形成推迟达1亿年左右。在谈到第一代星系形成的时候，我们会讨论在它们的形成过程中湍流和超新星反馈的重要性。有意思的是，在原初星系中央造成湍流的低温吸积流让人联想到了最近刚被提出的星系形成新模型。在这些新模型中低温吸积流被用来解释在更为近代的宇宙中通过平

6、稳而非由并合驱动的大质量星系的形成方式。在最后我们将对未来十年可能取得的重大进展做一个展望。第一代恒星的形成　　虽然仅仅在引力的作用下暗物质晕就能形成，但是形成诸如恒星和星系这样的发光天体是一个要更为复杂得多的过程。为了开启恒星形成过程，在暗物质晕中必须要积攒够足量的低温高密度气体。在早期宇宙中，由于原子具有较高的激发能而分子的转动能虽容易达到但数量却非常稀少，因此原初气体无法有效地通过辐射冷却。通过和电子的反应，氢原子可以形成痕量的分子氢。在合适的条件下这可以使得气体冷却并最终凝聚形成恒星。　　始于宇宙学初始条件的数值模拟显示，在位力温度约1

7、,000开、质量约100百万个太阳质量的暗物质晕（因此称其为“微型暗物质晕”）中会形成原初气体云。在标准的冷暗物质模型中，在红移约为20-30，也就是宇宙诞生之后几亿年，微型暗物质晕被认为是恒星形成的第一场所。这些微型暗物质晕具有很强的成团性，因此来自第一代恒星的反馈效应对于决定其周围原初气体云的命运来说是非常重要的。由于来自一颗大质量恒星的远紫外辐射即可摧毁其母气体云中的所有氢分子，因此一片气体云中很有可能只能形成一颗恒星。原则上讲，形成第一代恒星的气体云可以碎裂形成一个双星或者多星系统，但是基于自洽宇宙学初始条件的数值模拟并没有显示出这一结

8、果。尽管每片气体云中可形成恒星的确切数量还难以确定，但是应该不会很多，因此微型暗物质晕并不是星系。　　当在微型暗物质晕的中心积聚了足够多的物质之后，原