如果在晴朗的夜晚仰望星空，你就会看见天空中有一条云雾般的光带，像轻纱一样在繁星间绵延飘逸，又仿佛像一条天河，倾泻于南北天际，这就是美丽的银河。银河是太阳系的家园，是由1000多亿颗恒星组成的天体系统，在天文学上称之为银河系。

对于银河系的认识，人类历史上流传着许多美好的神话传说，只是到了近代，随着天文观测技术的进步，人们才对银河系有了一个比较科学的认识。关于银河系起源与演化的研究，是现代天文学界比较关注的领域。

一、气凝说与混沌说之辩

人类关于银河系起源与演化的研究不过几十年的历史，学说较多，各种学术观点不尽一致，其中以气云凝聚说和混沌诞生说两种假说最具代表性。

1962年，帕萨丁那的三位天文学家综合了二十世纪五十年代的许多发现，研究了221颗近邻恒星的运动和金属性，提出了银河系形成的气云凝聚假说。

这一假说认为，银河系起源于一个密度均匀、迅速坍缩的巨大气体球。在迅速坍缩过程中，一些气体云冷凝并收缩，形成了银河系的首批恒星——银晕恒星。由于那时气体云是贫金属的，所以由它们产生的银晕恒星也是贫金属的。又由于气体云向银心俯冲而降，它们的轨道呈极端椭圆形，所以银晕恒星绕银河系运行轨道也有极大的偏心率。在坍缩期间，有些银晕恒星爆发给气体云添加了金属。当气体云进一步向银心下落，它们碰到一起，其轨道变得比较圆，气体云就集合成为迅速自转的盘。至此，银晕已用完了它的气体，所以晕中不再产生恒星，而是在集中了气体云的银盘中开始形成新的恒星。同气体云本身一样，新诞生的银盘恒星有着高的金属性和圆轨道。几十亿年后，这个盘中诞生了太阳和地球。

气云凝聚说因其引发了天文学界激烈的争论而著名，天文学家称它为ELS，是用模型的三位倡导者的姓氏——Eggen（艾根）、Lynden-Bell（林登贝尔）、Sandage（桑德奇）——的首字母组成的。

1978年，帕萨丁那的卡内基天文台台长西尔勒和金恩，在研究了外银晕中距离我们大于25000光年的19个球状星团中的177颗红巨星的化学成分后，发现它们的年龄相差很大，于是提出了银河系混沌诞生学说。这一模型认为，银河系是由许多气云互相碰撞而形成的。

近年来的一些观测结果都有利于混沌诞生说，如南天玉夫座的NGC288和杜鹃座的NGC362是两个相邻的球状星团，距离地球均为35000光年，但根据它们一些成员星的光谱分析得出的碳、氮、氧和铁的含量，说明它们的年龄相差达30亿年。一个合理的解释是银河系不是从一整团气体形成的，而是在银河系开始形成的20或30亿年后，吞食了许多不同的气团形成了银晕。

1992年，美国耶鲁大学的李养吾在分析研究银河系核球内靠近银心处、内银晕以及外银晕中的天琴座RR型变星时发现，三处天琴RR星的重元素含量不同，核球内的为太阳的1/10，内银晕中的为太阳的1/20，而外银晕中的只有太阳的1/40。李认为，这表明核球中天琴RR星的年龄比内银晕中的“弟弟”年长13亿岁，而后者又比外银晕中的“小弟弟”老20亿岁。因此，李断定，我们银河系的核球是首先形成的，然后以此为核心，从里到外积聚气云构成了银河系的其他部分。他还认为，银河系的第一批恒星是在“原银河系”致密核心的气云碰撞时形成的，随着额外气云的积聚，依次构成了内银晕和外银晕。由于这些外部区域的物质密度较低，因而恒星形成得较慢。在银晕中的恒星形成后，气体积聚成为一扁平的盘，盘中的气体继续坍缩形成恒星。李说，银盘约在核球中第一批星诞生后的30亿年开始形成。

针对不同的银河系演化模型，澳大利亚天文学家约翰•诺利斯评论说：“ELS的主要论点是坍缩，而且在坍缩中应该出现运动特征和丰度之间的某种依赖关系。西尔勒和金恩的主要思想则是大量物质通过吸积而来，而且在这些物质中，运动特征不应该依赖丰度。我在1985—1990年做的一些早期工作证明，西尔勒和金恩握有相当多的真理，因为在金属丰度很低时，运动特征几乎与丰度无关。但后来我却相信西尔勒和金恩模型不是完美的。”诺利斯于1994年发表的文章说，贫金属可能与运动特征有弱的相关性。他认为，ELS可能解释了某些贫金属星的运动，而西尔勒和金恩则可能解释其余的。

天文学家布鲁斯•卡尔内也发表观点说，扩大的卡尔内——拉塔姆巡天暗示银晕由两种成分组成。“第一个成分是我们以前看到的晕，它似乎与盘族没有任何动力学关系，这也许是因为它起源于西尔勒和金恩所说的原星系碎块。这些碎块被银河系俘获，因而在银晕的形成中确实没有起任何作用。但看来还有另一个果真具有类银盘运动的银晕成分。”这第二个成分的金属性在太阳值的0.5—10%之间，它可能就是ELS提出通过耗散坍缩形成当前银盘的那个结构物。

学术界曾有人评论说，气云凝聚说和混沌诞生说都在不同程度上掌握着真理，没有一方是绝对正确的，也没有一方是绝对错误的。

二、新时空银河系演化模型

那么，新时空宇宙学理论又是如何解决银河系起源问题的呢？在新时空宇宙演化模型中，银河系的起源只是宇宙演化的一个组成部分，星系的形成过程发生在宇宙演化的第二阶段。

大约在150亿年前，宇宙演化进入到了第二时空阶段，原始的宇宙能量已大部分转化为了物质，这些刚刚形成的物质以气体云的形式弥漫于宇宙空间。由于气体云在形成之初温度极高，万有引力作用并不能使之聚集，因而这时的宇宙暂处在一种热平衡状态。

随着时间的推移，炽热的气体云不断地散发热量，温度开始下降，万有引力作用逐渐加强，气体云的体积随之发生收缩。这时，在任一点的视界宇宙中，由于万有引力的作用半径是有限的，力程较短，因而宇宙中的气体云并不会向一点（宇宙中心）聚集。于是，作为宇宙中弥漫相连的气体云开始断裂，形成了无数碎块，在这些碎块之间一片透明的空间慢慢地显露出来。与此同时，由于宇宙中的物质体积在宏观上发生了收缩，所以宇宙空间的旋转机制开始启动，杂乱无章随机分布的气体云团逐渐进入了环形轨道，绕宇宙中心旋转，这就是宇宙大尺度结构的胚胎。这时的气体云团密度仍然很低，它将在进一步的收缩过程中形成原星系，而相邻云团之间在万有引力的作用下，逐渐形成了聚团成群的趋势，这就是未来星系团和星系群的雏形。

现在学术界所讨论银河系起源就是从这时开始的。当一较大的气体云团——原始的银河系气体云团进一步收缩时，它就会按照气云凝聚说的独立星云模型开始了银河系的演化历程。

在原始的银河系气云团的核心，物质聚集密度逐渐增高，当温度和压力达到一定条件时，将发生热核反应，合成大量的金属元素。但热核反应释放出来的能量，并不足以阻止气体云的坍缩，整个气云团还在继续收缩。当气体云的核心质量与半径之比（m/r）达到极限常数时，将进一步引发极限效应，产生大量的能量。具体地说，此时在气云团的核心发生的是极限效应，而在核心的外半径则仍然发生着热核反应；在核心脉动效应作用下，极限效应释放出来的能量将一次次地把核反应合成的金属元素抛射出去，均匀地弥散于整个气云团之中。这时的银河系就处在我们现在所看到的类星体阶段。

类星体是二十实世纪六十年代发现的一种类似于恒星、而在光谱上有着巨大红移的星系级天体，距离在几亿至上百亿光年不等，目前在宇宙深处已发现7000多个类星体。类星体的体积虽小，但它释放出来的能量却几百倍于普通星系，这正是气云团核心极限效应所释放出来的能量。

新时空银河系演化模型与气云凝聚说的区别在于：气说认为，银河系中的金属元素是在首批恒星内部合成的；而新说则认为，银河系中的金属元素是恒星尚未形成之前、在气云团的核心处合成的。在气说中，可以根据恒星的金属含量判断恒星的年龄；而在新说中，根据恒星的金属含量只能判断恒星的初始位置，不能用作计算恒星的年龄，因为金属元素的分布密度与气云团的半径成反比，与恒星的诞生时间没有关系，这一点非常关键。

银河系演化进入第二阶段，恒星开始形成，当然，这些恒星的金属元素含量取决于它所在的位置。这时掺杂着恒星的气云团在形态上开始发生变化，由于收缩旋转，气云团由原来的球对称状逐渐演变为盘状。如果这时给球状气云团设立一个三维坐标，取X、Y轴确立的平面为旋转平面，Z轴为旋转轴，那么在离心力的作用下，处在XY平面上下两侧的物质都将向旋转平面移动。这样，向旋转平面移动的恒星就会产生三个速度分量，按照天文学家给出的定义，它们分别是：远离银心的速度U，银河系自转方向的速度V，垂直于银道面的速度W。U和V两者合在一起实际上表示的是椭圆形轨道运动，而W则是位于XY平面两侧的恒星向旋转平面的坠落速度。在气云团旋转力的作用下，原来位于同一球半径R上的恒星（金属元素含量相同），当由XY平面两侧运动到旋转平面轨道上时，其绕银心的公转轨道半径则为R’=R COSθ。于是，盘状银河系形成以后就会出现这样一种情况，在同一轨道半径上运动的恒星，其金属元素含量并不一定相同，因为它们的初始位置并不一定在同一轨道平面上。

简言之，在银河系形成之初，球形气云团的金属元素分布随着半径的增大呈递减趋势，恒星诞生以后，其金属含量也遵循相同的分布规律，这就是ELS模型所认定的金属性梯度。作为证据，天琴RR星的金属元素含量既然与它的诞生时间没有关系，那么，处在不同半径（核球内、内银晕、外银晕）上的天琴RR星不同的金属元素含量，则恰恰证明了银河系金属性梯度的存在；这也间接支持了银河系早期的重元素是在银心中合成的观点。

但是，当气云团在旋转过程中，XY平面两侧的物质纷纷坠向旋转平面后，这种金属元素的规律性分布被部分破坏了，在旋转的平面上——银盘、银晕插入了不和谐的金属成分，成为支持混沌说的事实。作为一种可检验的判据，坠向XY平面的恒星必保持较高的W速度，而这些恒星的金属含量必与邻近的恒星不同，速度W与异常的金属元素含量存在着对应关系。

在银河系周围至少存在着十个伴星系，其中以大麦哲伦云和小麦哲伦云最为著名，它们全都绕银河系公转，就像卫星绕行星运动一样。这些星系因含有恒星数量较少，光度很低，因而称其为矮星系。可以推断，在银河系形成之初，这些伴星系曾受到过银河系强大的引力吸引，星系中的恒星和气体云被银河系剥离，最终演化成矮星系。

银河系形成初期，星系间存在相互作用，伴星系中的物质大量被银河系吞食，不难发现，这种观点与混沌说极其相似。作为观测上的证据，天文学家发现一个以每秒75公里的速度离开我们远去的移动星群，该星群在南天船帆座古老星团NGC3201的方向，但不是此星团的成员，距离我们2—4万光年，星群中被观测到的18颗星在空间延伸达几百光年。这些天象的一个合理解释是：它们是银河系不久以前从星际空间俘获的小星系的残骸。而西尔勒和金恩当年在提出混沌说时，正是在银晕的球状星团中找到了支持他们的证据，银晕外区不存在金属性梯度，这就是造成南天玉夫座的NGC288和杜鹃座的NGC362两个相邻的球状星团成员星碳、氮、氧和铁的含量不同的原因。

可见，在银河系的形成问题上，应该兼顾两方面观点。银盘是通过气云凝聚说的独立星云发展而成，应作为银河系演化的主流；而银晕则掺杂了大量的混沌学说的成分，是银河系演化过程中的插曲。这就象学术界评论的那样，气云凝聚说和混沌诞生说都在不同程度上掌握着真理（一定观测事实）。

三、银河系的结构

现阶段的银河系为旋涡式结构，银盘主要是由4条巨大的旋臂环绕组成，而旋臂则是由无数的蓝色恒星组成。太阳位于人马座臂和英仙座臂之间的猎户座臂上，距离银心28,000光年或者8.5千秒差距。

一般说来，在引力的作用下，星系应该一个扁圆盘，不可能形成旋涡结构，即使出现旋臂，也应该是暂时现象。因为星系在自转过程中，靠近里面的恒星转动得快，外边转动得慢，不久旋臂就会缠紧。可是，从银河系诞生到现在，太阳已围绕银河中心旋转了20多圈，却没有发现旋臂缠紧，这是怎么回事呢？

目前，学术界是用密度波理论来解释这一现象的。一些天文学家认为，旋臂的形成与银河系创生时期星系核的活动有关系。由于恒星在绕银河中心旋转时，速度密度都发生变化，密度大的波峰呈漩涡状分布就形成了旋臂。

新时空银河系演化模型则认为，银河系旋臂的形成与银河系质能场的旋转有关。因为原始的银河系气云团半径至少在4—5万光年以上，而万有引力的传播速度又恒定为光速c，所以，当气云团发生旋转后，其质能场将由球对称状演变为旋涡状。这时，银河系的万有引力方向已不径向直指向银心，而是一条指向银心的旋转弧线。由于不断有物质坠向银心，核球自转角速度不断发生变化，因而银盘引力场处在不规则性的振荡状态。当有大质量物质坠向银心时，旋转的质能场就会产生大的波动，出现了旋向银心的弧形波纹。恒星和气体云在振荡的质能场中运动，必然在引力场强度大的地方聚集，这就是银河系旋臂的形成原因。

与密度说相比，新说也同样认为旋臂会越缠越紧，但旋臂的缠绕程度取决于核球的自转角速度，恒星的运动处在从属地位，因而旋臂并不会因为恒星运动速度的差异而很快地缠绕在一起。从这一点来看，旋臂就像树木的年轮，它在一定程度上反映了银河系的演化进程。

在宇宙中还有一种大型星系可与旋涡星系相提并论，它就是椭圆星系。椭圆星系在质量和规模上与旋涡星系相当，有的甚至超过旋涡星系。椭圆星系与旋涡星系的区别在于，椭圆星系没有旋臂。

根据银河系的形成过程，我们可以做出这样的推测，椭圆星系之所以没有演化成旋涡结构，是因为形成椭圆星系的原始云团初始自转角动量较小，在收缩过程中球对称状的万有引力场的形态未发生变化，没有像银河系气云团那样形成旋涡状结构，星系核的自转角速度也未发生波动。所以原始云团最终演化成了椭圆星系，没有旋臂产生。

由此看来，星系的结构决定于原始气云团的初始自转角动量，角动量大的气云团将演化为旋涡星系，而角动量小的气云团将演化为椭圆星系。而旋臂的产生则取决于核球自转角速度的变化，若核球自转角速度不发生波动，就不会有旋臂产生。可见，一些没有旋臂的涡旋星系，如碟型星系就属于这种情况，人们应该把这类星系从哈勃的椭圆星系的分类中分离出来，它是一种介于椭圆星系和旋涡星系之间的星系。

四、银河系的归宿

旋涡状银河系只是星系演化过程中一个阶段的形态，那么，未来银河系将如何演化呢？

再过几十亿年，银河系的旋臂将越缠越紧，最终将捆绑在星系核上，形成一个硕大的核球。由于核球集结了旋臂的物质，质量增大，所以核球中心将发生大规模的极限效应，释放出大量的能量。这时的核球将发生膨胀，且变得炽热明亮。与此同时，由于旋臂物质把角动量传输给了核球，核球的自转角速度急剧增大，因而将导致膨胀的核球发生分裂，变成两个或多个星系核，形似一个椭球体。这时的银河系就进入了棒旋星系演化阶段。目前，天文学家通过哈勃望远镜已经在仙女座大星云中找到了核球分裂的证据。观测发现，仙女座大星云（M31）有两个星系核，相距5光年，各自都含有几百万颗恒星，一种合理的解释是核球发生了分裂。

棒旋星系是处在分裂状态的旋涡星系，核球被拉长呈椭球状，由于旋转，在椭球体长轴两端抛射出两股物质流，形成了棒旋星系的两条旋臂。虽然棒旋星系比旋涡星系的年龄大，但棒旋星系旋臂的出现时间却是最晚的，所以在棒旋星系旋臂内产生的恒星也最年轻的。

总结上述过程可以预测，未来银河系在四条旋臂缠紧核球之后，将演化为无旋臂的旋涡星系，形似仙女座大星云；再过几十亿年，将渐渐演化为携有两条年轻旋臂的棒旋星系；最后棒旋星系分裂，形成两个或多个矮星系，渐渐地在宇宙中失去光辉。之后，与其他星系残骸一起坠向宇宙中心，转化为能量，这就是银河系的最终归宿。

参考文献：

[1] 肯•克罗斯韦尔 著，黄磷 译.《银河系——银河系的起源和演化》.海南出版社，1999.