为什么星系大多是盘形的，而不是球形的？
咱们一步一步来聊。
1. 星系的开端：混沌中的引力
想象一下，在宇宙的早期，那可不像现在这么井井有条。整个宇宙就像一锅浓稠的汤，充满了原始的气体（主要是氢和氦），还有一些暗物质。这些物质并不是均匀分布的，总会有一些地方稍微密集一点，就像汤里有个小小的团块。
而宇宙中最强大的力量就是——引力。哪里物质多，哪里引力就强。所以，这些稍微密集一点的区域就开始吸引周围的气体和暗物质，就像一块磁铁吸引铁屑一样。这个过程会越来越明显，密度越来越高，直到形成一个巨大的气体云。
2. 角动量：旋转的种子
现在，你可能要问了，为什么这些气体云不会变成一个实心的球呢？这就涉及到另一个重要的概念：角动量。
宇宙中的一切都不是静止的，即使是最初的物质分布，也存在微小的、随机的运动。当你把这些物质拉扯在一起形成一个大云团时，这些随机的运动就会汇聚成一个整体的旋转。你可以想象一下，如果你开始搅动一锅汤，汤水就会开始旋转。
这个旋转就像是气体云本身携带的一种“动量”，我们称之为角动量。它就像一个天赋技能，一旦拥有，就很难消失。而且，当这个气体云在引力的作用下不断收缩时，它的旋转速度会越来越快，就像滑冰运动员收紧手臂会转得更快一样。这就是物理学中的“角动量守恒”。
3. 引力 VS. 离心力：扁平化的原因
引力总是想把气体云往中心拉，让它变得更紧实。但是，气体云的旋转会产生一个向外的“离心力”，就像你坐在旋转木马上时被甩出去的感觉一样。
在这个气体云收缩的过程中，引力和离心力就开始“较劲”。
径向（从中心到外）方向： 引力占主导，它会把物质往中心拉，让气体云在靠近中心的方向上收缩。
垂直于旋转轴的方向： 在旋转方向上，物质会受到离心力的影响，不太容易被拉到中心。反之，在垂直于旋转轴的方向上，物质受到的离心力影响较小，引力更容易将其拉向中心。
想象一下，你把一团面团扔进一个旋转的滚筒里。面团在滚筒的旋转下会受到向外的力，但同时，滚筒的壁也会阻止它完全散开。在这个过程中，面团会逐渐被压扁，变成一个圆盘。星系形成也是类似的道理。
随着气体云在引力作用下不断收缩，它在垂直于旋转轴的方向上被压得越来越扁，最终形成了一个扁平的盘状结构。盘中的物质会围绕着中心旋转，就像行星绕着太阳转一样。
4. 暗物质的作用：不只是气体在转
你可能会说，我说的星系里有气体，那暗物质呢？暗物质虽然不发光，但它占了星系质量的绝大部分，引力也非常强。
其实，星系形成的最早阶段，物质主要聚集在暗物质晕中。这个暗物质晕本身也具有一定的旋转。当普通物质（气体和尘埃）落入这个旋转的暗物质晕时，它们也会受到暗物质晕的引力作用，并逐渐获得角动量。
暗物质晕的引力是“全局性”的，它提供了一个引力“势阱”。当普通气体落入这个势阱时，由于自身的角动量守恒，它们会倾向于在一个相对扁平的面上集聚。这个扁平面就是后来形成星盘的“胚胎”。
气体在盘中还会发生一系列更复杂的过程，比如冷却、碰撞、形成恒星等等。这些过程会进一步巩固盘状结构。
5. 碰撞与合并：塑造不同的星系形态
当然，宇宙也不是一成不变的。星系会相互影响，发生碰撞和合并。
旋臂的形成： 星系盘中的物质运动并不是完全有序的。有时候，物质密度波会像海浪一样在盘中传播，引起气体压缩和恒星形成，从而形成我们看到的旋臂。
碰撞与合并的影响： 如果两个星系发生剧烈碰撞，特别是如果它们都是旋涡星系，碰撞会极大地扰乱原有的盘状结构。剧烈的引力作用会让恒星的轨道变得混乱，盘状结构可能会被撕裂或变得不那么规则。长期的合并过程甚至可能导致盘状星系变成无定形或椭圆形的星系。
正是因为有这些碰撞和合并，宇宙中才会有各种各样形态的星系，比如我们熟知的旋涡星系（像一个旋转的盘子，上面有螺旋臂），以及一些看起来更浑圆、没有明显盘状结构的椭圆星系。
总结一下：
星系之所以大多是盘形的，是因为：
引力是主要的塑造者，它将物质汇聚在一起。
角动量是关键的限制因素，它使得物质在垂直于旋转轴的方向上难以收缩，从而形成扁平的盘状结构。
暗物质提供的引力势阱也会影响普通物质的分布，并赋予其旋转。
碰撞与合并虽然会改变星系的形态，但很多时候，星系在形成初期获得的角动量会使其保留或逐渐形成盘状。
所以，下次你看到美丽的星系照片时，就可以想象一下，那是一个在引力和旋转的“舞蹈”中，逐渐“压扁”并“旋转”出来的天体结构。这背后可是有着精妙的物理规律在运作呢！
网友意见
当你读到"星系"这个词时，你的脑中第一个跳出来的形状应该就是银河系那种的螺旋盘子状：
但很多人没见过像两个回旋镖的星系PKS 2014-55：
或者是下面这样长得像个蜂鸟，但名字叫“小叮当仙女”的星系ESO 593-IG 008 ：
（后来我在看《彼得潘》的时候，才知道为什么它会叫“小叮当仙子”。。真的像啊）
或者有点像大鹏展翅或者大海龟的NGC 6240星系：
还有像发光的鸡蛋一样的椭圆形星系，下图是哈勃拍到的M60星系和NGC 4647螺旋星系的合影：
或者长得像个逗号或蠕虫的触须星系：
（注：以上我特意举了几个正在合并中的星系的例子，另外，我们现有的星系分类是基于可见光观测。当在其他波长下观察时，星系结构看起来会非常不同。）
哈勃序列
著名天文学家埃德温·哈勃在1926年提出的被称为“哈勃序列”的分类方案中[1]，基于照相底片上星系图像光学外观的不同，把星系分为四种[2]形状类型：
1.螺旋星系（代号S，原来S是象形文(大误)）：
- 看起来像巨大的旋转着的拖布头或风车，有几条弯曲的“臂”在漩涡四周。根据哈勃太空望远镜项目在2010年的一项统计[3]，这个类型的星系约占研究人员观测到的星系总量的72%。
- 那我们的银河系算是螺旋星系么？不久前，有多个旋臂的银河系还是会被分类为和仙女座星系一样的螺旋星系。螺旋星系的中央都有一个巨大的核球，它就像一个迷你的椭圆星系（下面会介绍），一般是接近于球形的[4]。
- 但上世纪60年代起的大量观测表明，银河系中间的核球看上去并不是规则的球形，而是有点方。天文学家在上世纪90年代才开始怀疑它中间应该不是个球，而是个棒子。终于在2005年被斯皮策太空望远镜对银河中央约3000万颗恒星的红外观测数据证实，我们的银河系不只是普通的螺旋星系，它的中央是一个巨大的长约2.7万光年的棒状物。所以，银河系被重新细分为棒状螺旋星系，简称棒旋星系，因为棒状在英文中是用B开头的barred表示，所以它的简称，就是传说中的SB。。。。
2.椭圆星系：
- 看起来与螺旋星系完全不同，它不是盘形而是呈圆球型或椭球型，中心亮，边缘渐暗。和螺旋星系相反，椭圆星系既没有旋臂，又没有自转轴。大小差别很大，从几百光年到几十万光年[5]（长轴）。它的形状从圆形到极细长的椭圆形不等，编号E0到E7。
来一张椭圆星系和螺旋星系的合照：
很多人会觉得，这会不会就是一个光斑而不是一群恒星啊？嗯，正好有一些椭圆星系离我们足够近，我们可以分辨出其中的单个恒星，例如矮椭圆星系M32(NGC 221)，虽然比银河系小很多，但它却是人类所知密度最高的星系。
3.透镜星系(记作S0)：
- 一种特殊的，长得像凸透镜一样的星系，可以看成是一种没有旋臂的盘状星系。它的中心比螺旋星系的更凸起，
4.不规则星系Irr：
- 就是长得没什么规则，没有明显的对称性，也没有明显的中心核。大约有20%的星系可以被划为不规则星系。
根据哈勃这个（并不完全正确的）音叉分类体系，星系开始时先形成椭圆形的结构，然后分支成螺旋状的、或透镜状、 以及不规则形状的星系。在每一个细分类中，又分别用下标a、b、c表示星系核的大小和旋臂缠绕的松紧程度。
虽然现在已知这种进化序列是一个不太正确的解释（哈勃序列曾经被认为是椭圆演化成螺旋的进化序列，现在被认为只是反映了不同星系的形成过程），但分类还是按照这个分类的规矩继续用下去了。
前面铺垫了一大堆，终于可以讲正题了。
为什么大多数星系是圆盘状而不是球状？
答案的关键在于星系的气体含量。
星系的形状，是由其所含物质的状态决定的。这里的物质不仅是指那些发光的恒星，还包括尘埃、气体、暗物质等。
而气体和尘埃是可以长时间大量碰撞（摩擦）的。这些碰撞中，总的角动量不会消失（或者说角动量基本是守恒的）。这意味着当气体和尘埃最终在不断碰撞消耗了能量从而向中心坍缩变小时，一团旋转缓慢的大东西将变成一团更小的但旋转得更快的小东西。当它旋转得更快时，碰撞也加剧（距离产生美，距离没了，摩擦就多了，人生亦如此），它就开始变平，逐渐变成了一个圆盘（这个我在之前的“为什么土星环那么薄”的回答中已经讲过具体的原因了，这里写不下，略了）。
简单的说，同样是因为角动量的原因，它形成的原始球体收缩并逐渐变得更致密时，圆盘平面以外的任何物体都可能被圆盘中的物体撞击或引力俘获，最终形成扁扁的一个圆盘状。螺旋星系往往有很多气体和尘埃，所以最终形成了盘状。
有人问，既然这样，那些至今仍是球形的星系是怎么保持不变成螺旋状的呢？
从目前的数据来看，长期保持稳定的球状星系往往都是些较小且稀疏的星系，它的物质分布的太广，无法将它们聚在一起形成一个较小的球体，也就没有足够的碰撞让角动量把它变成圆盘，所以能保持球状相当长的时间。（如果算上矮星系的话，那椭球状的星系肯定将占多数）
另一方面，星系的初始条件决定了其恒星形成速度，反过来会决定星系的形状。例如，有的星系会在10到20亿年就开始提前坍缩[6]，并迅速形成恒星，星系里的气体也就在早期就都被消耗掉了，于是快快地形成了椭圆星系。而有的星系坍缩较慢，恒星形成的速度也较低。做为恒星形成所需的“燃料”，气体消耗得也较慢，有大量摩擦，于是慢慢的形成螺旋星系。如果你仔细看螺旋星系的图片的话，你能看到，它的中央红色部分是“老”恒星，而外围几个臂的蓝色部分是“新”恒星，它是在慢慢的形成。
另外，星系在数亿年的时间里由椭球状沉降成螺旋的形态以后，并不是一成不变的。当螺旋星系间发生新的碰撞并合并时，它们的结合体将再次变成椭球形。最终，如果新的椭球星系因为大量恒星的快速形成而耗尽了其所有气体，它就将保持椭球星系（否则还会变为螺旋星系）。这就是为什么很多经历过多次合并的大的“旧”星系通常是椭圆形的。
60亿年前的宇宙，螺旋星系少了一半
在2009年左右，由巴黎天文台的天文学家François Hammer牵头和我国的中科院国家天文台一起搞的一项上了全球各大天文期刊和《Nature》的研究表明[7]，在银河系附近，螺旋星系S占比是72%，椭圆星系E占3%，透镜星系S0占15%，而不规则星系占10%（数据来源：SDSS斯隆数字巡天）。
而借助哈勃空间望远镜的GOODS巡天对遥远星空的抽样数据可知，60亿年前，螺旋星系S占比是31%，椭圆星系E占4%，透镜星系S0占13%，而不规则星系占52%。
简单一比较就容易发现，60亿年前，螺旋星系的数量只有现在的一半不到，椭圆和透镜星系没变，非弛豫的不规则星系大幅增加。也就是说，不规则星系可能在这60亿年中演化成了漩涡星系。按照这个假说模型[8]，不论怎么样，椭球状星系都不会是多数（不含矮星系），而螺旋状和不规则状星系才是宇宙的主旋律。上面讲过的角动量守恒及碰撞成因论，在解释这一模型时也还比较好用。
银河系真的是完美的螺旋状么？
再回到开始的起点，我们的银河真的是你在大多数图片中看到的那样，是个螺旋状的么？
事实上，银河系外围还有由稀疏分布的恒星和星际物质组成的一个球，被称为银晕。它的范围很大，比银河系主体大50倍以上。初步估计其质量为银盘质量的十分之一。
除了银晕，还有暗物质晕。银河系和其它大多数星系一样，都被大量暗物质包围[9]。这些物质无法通过常规手段检测，也不能直接分析，因此只能从它对恒星、星系和其他周围已知物质的影响来推断其存在。事实上，暗物质才是星系质量的主要构成，而我们能看得到的物质只占总质能的4.6%左右。
好吧，不论怎么说，还是盘状星系看着比较顺眼，看着更有可能产生外星文明（大误）：
或者絮状的螺旋星系也还挺震撼的：
在人类短暂的历史里，人类大部分时间都迷恋在自己的小世界里，在那里人们生老病死，一切自然；在那里做出来的事覆水难收；在那里罪恶无法预防。
未来有一天，当人们最终迈进全新的太空领域、从银河系之外用肉眼看到银盘的形状之时，才会知道，人类文明是多么的渺小和短暂。
课后题：
银河系有几个“臂”？
好了，先写到这儿吧，有问题请留言哦。
客官，向左划一下屏幕，加个关注呗！我保证会写很多无用的知识给你看的！
参考
- ^ 1920年雷诺比哈勃早6年提出了类似的分类方法。
- ^ 一开始只有三种，不含透镜形
- ^ https://www.sciencetimes.com/articles/32704/20210807/nasas-hubble-space-telescope-releases-new-images-mysterious-celestial-object.htm
- ^ https://www.zhihu.com/question/57927909
- ^ https://earthsky.org/space/what-are-elliptical-galaxies/
- ^ http://abyss.uoregon.edu/%7Ejs/ast123/lectures/lec11.html
- ^ https://arxiv.org/pdf/0906.2805.pdf
- ^ 指François Hammer提出的“漩涡星系重建”假说
- ^ https://news.softpedia.com/news/The-Galactic-Dark-Matter-Halo-Is-Shaped-Like-a-Ball-131354.shtml
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