為什麼第一代恆星和第一代星系不在同時形成？

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第一代恆星形成的時期大概是z~30，第一代星系大概是z~10，為什麼中間間隔這麼久？
第一代恆星在宇宙尺度上應該是均勻分布的，但是放大到Gpc尺度就會有纖維狀分布，恆星主要集中在高密度區域，那麼放大到kpc尺度，第一代恆星是均勻分布的嗎？
如果不是，那麼第一代恆星以及第二代恆星形成的結團結構為什麼不能稱為「星系」？畢竟第一代恆星質量很大，壽命只有幾個Myr，所以在z~30和z~10之間肯定有不少第一代恆星死亡，再加上原初核合成形成的星際氣體和第一代恆星死亡後產生的重元素塵埃，最後再加上暗物質，我們有了恆星、恆星遺物、星際介質、塵埃和暗物質，為什麼不能構成星系？
如果是均勻分布的，那為什麼現在的宇宙中，巨分子雲中的恆星形成都是結團的？

很好的問題，涉及到一個我們現在還需要爭論的問題，就是"什麼是星系?"

隨著星系觀測推進到宇宙早期，我們意識到星系在幼兒期和青春期的各種性質和「成年」後的可能有不小地差別；另一方面，越來越好的觀測在銀河系周圍揭示出了各種之間不曾想像過得暗弱衛星星系的存在，尤其是一類叫做矮橢球星系的觀測，徹底模糊了傳統的，在星系和星團之間的光度和質量界限。自引力束縛的大量恆星集合的傳統定義已經不在適用。

在Lambda-CDM宇宙學的語境下，定義和研究星系的關鍵可能是其居住的暗物質暈。在這個宇宙學圖景下，原初的密度擾動引起不同結構上的暗物質坍縮形成不同質量的暗物質暈，在暗物質暈內部的少量重子物質通過輻射損失能量逐漸聚集到暗物質暈中心；這一複雜過程里分子氣體冷卻坍縮，在小尺度上產生恆星形成，這些被稱為Pop III的第一代恆星開始照亮宇宙。由於原初氣體基本不含有比H和He更重的元素，Pop III有很多有趣的地方，比如質量普遍很大，壽命很短。根據WMAP和Placnk的觀測，我們知道第一代恆星應該從宇宙誕生後1-2億年就開始形成了，但這只是一個很宏觀的圖像，我們依然不知道第一代恆星形成的具體圖像和結構是如何的。

在很多理論和模擬研究裡面，Pop III星族最初形成是在質量只有10萬到100萬太陽質量的微型暗物質暈裡面 (mini-halo)。按照近鄰宇宙的觀測，這些結構大概不能算做星系，銀河系裡面挑個球狀星團都比他們大。但是在宇宙早期，這些mini-halo，以及裡面的恆星，氣體共同構成一個重要的「生態系統」，最終孕育出了整個宇宙的星系。隨著這些mini-halo通過吸積和併合不斷成長，重子物質結構也在不斷成長；第一代恆星死亡釋放出的「金屬」增加了氣體冷卻的渠道，進一步促進了恆星形成。。。最終出現了我們更加熟悉的「星系」：質量和動力學佔主導的暗物質暈內部分布著不同溫度和密度的重子氣體，在暈的中心，有穩定存在的恆星，氣體，塵埃組成的結構。

所以，「第一代星系「是什麼時候形成的，取決於你的定義如何。我們現在觀測到的最早期的星系大概在z~8-9，JWST應該可以幫我們推進到z~10-15；但是這些顯著進行著恆星形成的早期星系也都受到觀測選擇效應的影響：我們最先看到的遠處的天體一般都是最亮的。那麼是不是這些性質比較極端的天體就能定義「第一代星系呢」？

前面我們提到了圍繞著銀河系的暗弱矮橢球星系，利用這些星系裡面的恆星觀測反推其恆星形成歷史，現在我們知道這些星系在z~10-15的地方很可能已經存在，但是遠在人類近期觀測能力之外，那麼是不是可以說「第一代星系」形成的更早呢？

再想一下，一個已經坍縮，自引力束縛的暗物質暈，出於某種原因，其中的氣體沒有形成恆星，這樣的一個「dark」結構，是不是星系呢？如果你覺得不是，那麼你大概認為星系還是一個重子物質概念，或者說恆星結構概念；如果你和我一樣，認為在暗物質暈的主導下，氣體，恆星，塵埃一起構成了一個動人的生態系統，而「星系」只是我們人為抽象出來的一個概念來描述這類系統，那麼也許你也不介意叫他們星系了(確實以前有人叫這種假設存在的天體dark galaxy的)。

啰嗦這麼多並不是故意掉書袋，但是這個問題真的不是糾結概念問題，而是涉及如何理解星系形成的一個有趣話題。11年有天文學家在arXiv上搞過投票：

[1101.3309] What is a Galaxy? Cast your vote here...

後面還真有人專門寫了篇文章討論：

[1203.2608] quot;Galaxy,quot; Defined

給出了一個人畜無害的定義：A galaxy is a gravitationally bound set of stars whose properties cannot be explained by a combination of baryons and Newton"s laws of gravity

如果一族引力束縛的恆星的性質無法用重子物質和牛頓力學解釋，那麼這個結構就是星系。這個定義的好處是不依賴Lambda-CDM宇宙學，不過你應該也能看出玄妙在哪了：是不是星系，光恆星說了不算。

早期宇宙只能形成兩種星體，大質量恆星，類星體

首先星體星系包括黑洞形成都在宇宙網的節點區域，也就是密度大的區域。早期宇宙節點區域星雲密度大，範圍廣，所以容易形成大質量恆星，甚至星雲靠萬有引力壓縮直接形成第一代黑洞，大質量黑洞迅速吸取周圍高密度的星雲物質並持續噴發出伽馬射線（和超超新星爆發不一樣，那種伽馬射線爆時間很短），這就是類星體。

所以那時一個情景就是濃湯里的點點繁星（大質量恆星）。不斷有強大伽馬射線爆攪動濃湯，進而形成更多的大質量恆星。

在這種翻滾的濃湯里，星系不可能形成。

1、沒有足夠大質量的黑洞做為星系的核心穩定星系，大質量恆星的質量不足以擔當這個工作，而且壽命太短；

2、類星體密集狂暴的伽馬射線爆會將試圖形成星系的星群吹散，現在還可以觀察到類星體的強大噴發導致星系變形的現象。

類星體的噴發是第一代星系的基礎，噴發攪動的濃湯形成不同大小的恆星，開始是大質量恆星（壽命短），隨著星雲被噴發吹到遠距離，恆星變小（壽命長）。同時第一代大質量恆星死亡產生黑洞和類星體中心超大質量黑洞互相作用直至合併形成引力中心的同時，類星體噴發逐漸減弱。大規模造星運動告一段落，群星圍繞引力核心運轉。大螺旋星系（比如銀河系）基本都是這樣形成

大質量恆星坍陷後的黑洞合併形成引力核心，可以構成小型星系，小星系不斷合併，也可以構成比較大的星系（一般是橢圓星系）；

第一批恆星形成到星系形成之間發生了很多物理變化。我覺得星系的定義不一定是像數學概念那麼明確。特別是還在演化的星系。只有當一些參數變化到一些區間才能說現在星系比較穩定了，算是形成了。比方說，聲速，開普勒速度和alfven wave speed這三個速度就很關鍵。z～30的時候聲速肯定很大，開普勒速度很小（物質比較均勻），alfven速應該不大。而形成穩定的星系後，裡面肯定是開普勒速度和alfven速度很大，聲速較小。所以至少要滿足這樣一些條件才能算是一個星系吧。只有恆星開始形成的時候還是一團漿糊不能算。

首先，z~30時宇宙年齡大概是0.1Gyr，z~10則為0.478Gyr，之間大概不到4億年的時間，不算太長吧？

其次，你說星系，位力化了么？你以為一群氣體、恆星、暗物質、塵埃弄在一塊就是星系了？不得等它穩定下來？

所以說，題主畢竟還是圖樣，要提高姿勢水平，識得唔識得噶？

因為宇宙根本就不是大爆炸形成了。說宇宙是大爆炸產生的，就像最開始人們生活在地球上，看不到地球的全貌，思想也不夠發達，所以說地球是方的一樣。

宇宙是一個循環，有膨脹期，有收縮期，不能因為你恰好處在膨脹期，看到了膨脹，看到了膨脹期的各種現象，就說宇宙是大爆炸產生的。宇宙中，質量和能量相互轉化，循環。

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