椭圆星系比螺旋星系熵值高吗？ 第1页

提问者可能没意识到自己问了一个其实非常麻烦的问题，答全了够三个博士毕业了。。。我自己并不算非常了解这个领域，国台，清华有一些做星系动力学的高手更适合回答这个问题，比如

1) 按照冷暗物质宇宙学模型，星系都生活在质量，体积大得多的暗物质晕内；暗物质晕内部有一小部分是会参与电磁相互作用的重子物质; 这些重子物质中，大部分是处于不同物理状态 (温度，密度)的气体和等离子体，只有很小一部分在暗物质坍缩，并和的层级演化过程中转化为了恒星。这部分可能才是提问者眼里的星系；换句话说，现代观点下，“星系”只是一个暗物质晕主导下的系统的冰山一角；所以，考虑“星系”的熵其实也应该分清只是谈论恒星系统的还是考虑整体的；比如同样一个星系，考不考虑星系周围的电离和中性气体，对你所理解的“熵”的影响很大

2) 旋涡星系，其实是盘星系中比较好看的一种，其动力学成分里面最显著的部分是在暗物质内部通过气体坍缩，耗散过程形成的有规则旋转的气体和恒星盘；“旋涡”只是这个盘上面不同原因导致的不同程度的引力不稳定性的一种体现而已，虽然对盘上的气体恒星的形成和再分布有显著贡献，但是运动学上依然是被“规则旋转”的盘主导的，这种“规则的旋转”一般我们叫运动学上比较"冷"

3) 椭圆星系，实际是一个三维的恒星组成的椭球，和盘星系的最大区别在于 1) 相对缺少气体和恒星形成；2) 运动学上，很多情况下是恒星在引力下做“杂乱无章”的运动，没有规则的旋转，或者是整体上旋转的成分在质量和能量上不占主导 (当然，这两条也都不是绝对的)；曾经我们认为椭圆星系的恒星是达到了弛豫状态的系统，就是整个恒星系统符合维里定理描述，引力势能是整体运动能量x -2; 但现在我们知道这也只是一种近似而已；不过不管怎么说，椭圆星系一般被称为运动学“热”的系统；这一冷一热，一规则一无序，大概也非常近似地回答了这个问题了

4) 只不过讨论星系离开质量都是耍流氓，这两种星系的恒星质量都可以分布在非常大的一个数量级范围内；以椭圆星系为例，从一千万太阳质量的矮椭圆星系到10^12太阳质量的巨椭圆星系差别极大；从平均星系看，在现在的宇宙里，盘星系，包括了旋涡星系，在质量<10^11质量的星系里面占了数量上的多数；而比这个质量大的星系里面，绝大多数都是椭圆星系；简单的比较"熵"其实得到的信息比较有限，天文学家们很会讨巧，很多时候是考虑单位恒星质量(或者其他质量)的熵，这个有时叫做"specific entropy"

5) 从演化上看，盘星系并和确实是形成椭圆星系的渠道，或者说必要条件之一；这个过程确实是会增加系统的熵的；但即便不考虑这些复杂的过程，单独的考虑一个引力系统内熵的变化也是有意义的；早年的研究里，大家发现椭圆星系的自相似性非常高，无论质量多大，质量随半径的分布似乎都遵守一个被称为de Vaucouleur率的简单规律 (投影质量面密度随半径的1/4次方下降)，这是一个纯经验规律，并没有直觉上的物理背景；但同时，热力学定律告诉我们，处于平衡状态的动力学系统处于最大熵状态。。。。结合上刚说的椭圆星系恒星的运动学状态可能很接近平衡态，所以有一段时间有人很认真的从熵的角度讨论为什么作为“星系演化终点”的椭圆星系拥有非常相似的质量分布规律。。。这条路。。。比较弯。。。现在已经不是很受关注了。。。。原因就是第一条，星系不是一团自引力束缚的，孤立的恒星，而是生活在一个暗物质晕引力主导的复杂生态系统里；对着星系内部恒星的“熵”玩命怕是快走火入魔了

6) 对于一个孤立存在的，质点组成的引力系统。。。其比热是负值；所以这样的一个系统里面，在保持质量和能量守恒的前提下，通过改变质量分布 (向内坍缩或者向外扩张) 可以无限地增大熵。。。(参考：

) ；早年一些大牛非常努力地在这个奇怪的世界里找到一个稳定，但是接近极大熵的状态，得到了一个质量分布，叫做“等温球模型”；结果这个模型离椭圆星系十万八千里，但是现在却发现和大质量的暗物质晕内部的热气体的分布倒是符合得很好 (现在大家用的多的是一个质量发散的singular isothermal sphere模型，虽然不太物理，但是形式简单，和观测符合得也不错)；所以，你看，讨论星系想忘了暗物质晕和其他的重子物质成分是不行的吧