椭圆星系比螺旋星系熵值高吗？

这个问题很有意思，涉及到星系演化和物理状态的深层联系。简单来说，不能笼统地说椭圆星系一定比螺旋星系熵值高，但它们在演化路径和当前状态上，确实表现出了不同的“无序度”和能量分布特征，而这些特征可以被理解为在某种意义上的“高熵”或“低熵”状态。 为了详细解释这一点，我们需要从几个方面来理解“熵”在天文学语境下的含义，以及椭圆星系和螺旋星系各自的特点。

首先，我们得明确一下我们讨论的“熵”是什么意思。在物理学中，熵通常衡量的是一个系统的无序程度，或者说它所包含的微观状态的数量。一个熵值高的系统，其组成部分有更多的可能性去排列组合，或者其能量分布更加平均和均匀，难以从中提取有序的功。

在天文学中，将这个概念直接套用到整个星系可能有些复杂，因为星系是一个包含恒星、气体、尘埃、暗物质等多种成分的巨型系统。但我们可以从几个角度去类比和理解：

1. 恒星的年龄和运动：

螺旋星系： 它们最显著的特征是拥有旋臂，这些旋臂通常富含年轻、蓝色、炽热的恒星，以及大量的星际气体和尘埃。这些年轻恒星正在经历活跃的恒星形成过程。同时，螺旋星系也存在着年老的恒星，它们分布在核球（中心区域）和晕中，运动方向相对随机。
椭圆星系： 它们呈现出扁平或近乎球形的形状，内部几乎没有显著的旋臂结构，而且缺乏大量的星际气体和尘埃。椭圆星系中的恒星普遍比螺旋星系中的年轻恒星要古老得多，它们的光谱主要由年老的、红色的恒星组成。这些恒星的运动通常是随机的、各向异性的，有点像一个被压缩的、混乱的恒星气体。

从恒星的运动和年龄来看，椭圆星系的恒星运动更像是“无序”的。在一个拥挤的系统中，恒星的轨道相互作用会更加频繁，更容易被打乱，形成更随机的运动模式。而螺旋星系的旋臂则暗示着某种程度的有序性，气体和尘埃在盘中沿着特定的轨道运动，是恒星形成区域的“集结地”。

我们可以把恒星的运动看作是微观状态的一种体现。如果恒星的运动方向和速度非常随机、杂乱无章，那么其“无序度”就更高。 这一点上，椭圆星系由于其恒星的随机运动，似乎比盘状的螺旋星系（特别是其盘面区域）表现出更高的“运动熵”。

2. 星际介质的含量和活动：

螺旋星系： 如前所述，螺旋星系拥有大量的星际气体和尘埃，这些物质是恒星形成的新鲜“原料”。恒星形成活动是螺旋星系的一个重要特征，它是一个持续、动态的过程。
椭圆星系： 它们几乎不含星际气体和尘埃，因此恒星形成活动非常少，或者已经停止了。

从这个角度看，拥有大量星际介质的螺旋星系，其内部物质分布更加复杂，包含有活跃的恒星形成区、游离的气体云等。而椭圆星系则相对“干净”，物质分布更均匀，因为大部分年轻恒星已经耗尽了燃料，剩下的主要是年老、衰老的恒星，它们的能量输出模式也相对稳定。

如果我们将“信息含量”或“潜在可形成结构的多样性”也纳入考虑范围，那么拥有丰富、活跃星际介质的螺旋星系，似乎拥有更多的“可能性”和更复杂的“状态”，这在某种程度上也可以被理解为较高的“信息熵”。 相反，椭圆星系由于恒星形成停止，其未来的演化路径相对确定，更多的是恒星的缓慢死亡和引力相互作用，可能性显得更少。

3. 形态上的“有序”与“无序”：

螺旋星系： 其盘状结构和旋臂是一种高度有序的形态，暗示着整体的角动量分布相对规整。
椭圆星系： 其形状可以是扁平的，但其内部恒星的分布和运动更像是三维空间中的随机分布。

从形态的几何规整性来看，螺旋星系的盘面和旋臂是一种高度有序的结构，这在一定程度上可以对应于较低的“结构熵”。而椭圆星系缺乏这种宏观的、有序的结构，其“形状”更多是恒星运动统计结果的体现，这种统计学上的“无序”也可以被看作是一种熵的表现。

4. 演化路径的差异：

螺旋星系： 被认为是“年轻”的星系，它们正在经历恒星形成，并且可能仍在通过吸积气体或与其他星系合并而演化。
椭圆星系： 通常被认为是演化更“成熟”的星系，它们很可能是在过去经历了剧烈的碰撞合并事件，这些事件消耗了星际气体，并使恒星的运动变得随机。

想象一下一个系统从有序状态（如气体盘）演化到无序状态（如恒星群），这个过程中熵值是增加的。如果椭圆星系是通过剧烈的合并事件形成的，那么这些事件本身就充满了巨大的能量和混乱，足以重塑星系的结构和恒星的运动，使其达到一个更“无序”或高熵的状态。而螺旋星系则可能处于一个相对更“平静”的演化阶段。

总结一下：

如果我们将“熵”理解为恒星运动的随机性和各向异性，那么椭圆星系由于其恒星的运动更加随机和混乱，可能具有更高的“运动熵”。
如果我们将“熵”理解为系统内物质分布的复杂性和潜在的可形成结构的多样性，那么拥有大量年轻恒星和活跃恒星形成区域的螺旋星系，可能具有更高的“信息熵”或“活动熵”。
如果我们将“熵”理解为形态上的几何规整性，那么螺旋星系的盘面和旋臂是高度有序的结构，可以对应低熵；而椭圆星系缺乏这种结构，其随机分布的恒星可以对应高熵。

所以，问题并非简单的是非题。它们在不同层面上展现了不同的“熵”特征：

在恒星运动的“混乱程度”上，椭圆星系往往表现出更高的熵。
在拥有活跃恒星形成和丰富星际介质的“潜力”或“复杂性”上，螺旋星系可能显得更“复杂”。

大多数时候，当人们在天文学语境下谈论星系“熵”时，更倾向于指代恒星运动的随机性、能量的均匀分布以及缺乏大规模有序结构这方面。从这个角度来看，椭圆星系确实可以被认为是比螺旋星系（特别是其盘面部分）熵值更高的系统。 它们是过去剧烈事件的产物，其内部成分（恒星）已经经历了一个从有序运动（如果源自螺旋星系）到高度无序运动的转变。

网友意见

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

@狐狸先生

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：

熵增是否和引力相矛盾？ - 物理学 - 知乎

) ；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

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