為什麼宇宙中的星系都是圓餅狀的呢？

為什麼宇宙中的星系都是圓餅狀的呢？按照常理思考，應該是圍繞中心的恆星或黑洞成為一個類似於球體的星系。有沒有特殊的例外呢？

....前面有39個回答，看上去沒有一個人是學過天體物理的...那大家是怎麼做如此自信，並繪聲繪色地把問題答錯的？要是考試的話，答出『角動量守恆』大概是可以給個及格分，可是好多人分享的視頻明明是主要講太陽系的啊。。你們覺得帶『系』的都一樣了是嗎？

實際上這個問題可以講很多，熟悉星系演化的人應該知道早期數值模擬盤星系的『角動量災難』(Angular Momentum Catastrophe) 和『形態疑難』(Morphology Problem)。想形成一個銀河系這樣的『餅』是很難的，數值模擬開始穩定地形成這樣的結構也就是這幾年的事情。比較有代表性的一個是FIRE模擬組做的一組叫Latte (拿鐵)的模擬：

fire.northwestern.edu

注意FIRE是Feedback in Realistic Environment (真實環境下的反饋過程)的縮寫，其中也透露出了一個關鍵信息：想烙一張點綴滿星星的餅，光有角動量守恆是肯定不夠的。後面稍微分幾個角度廢話幾句。簡單的摘要就是：現在宇宙里有一半的恆星質量在這些『餅』狀星系裡。『餅』的形成和其居住暗物質暈最初的角動量以及後續的演化密不可分。在這個過程里，雖然『角動量守恆』在最初扮演了不可或缺的角色，但我們能看到這麼多大小各異的餅，是複雜的暗物質暈演化歷史，以及星系內部恆星生生死死共同微妙平衡的結果。

1. 餅？什麼餅？透光的春餅是圓餅，圓鼓鼓的蟹殼黃燒餅也是圓餅？請問題主你要哪種？在星系裡也是一樣的。題主說的『餅』，術語叫盤『Disk』。恆星可以有盤，各種氣體，塵埃也可以有盤，只要是規則旋轉運動佔主導的，都可以叫盤。和餅一樣，星系的盤有各種薄厚大小。確實有很多星系側面看薄得就是跟一張春餅一樣。但更多的情況下，星系內部也會有沒有明顯旋轉，內部恆星運動雜亂無章的橢球結構的 (Spheroid)。我們銀河系中心的核球 (Bulge) 和外部的恆星暈 (Halo)都是這樣的結構。Disk和Spheroid之間並不是方圓之別，星系內部的結構和運動學幾乎就是連續分布的，也有很多星系看上去是圓墩墩的一坨，但是內部也有很顯著的旋轉的。

2. 都是餅嗎？讓你天天吃餅，頓頓吃餅，你會不會吐？你不吐宇宙也會吐的。。。我們的銀河系的確是一張『大餅』，附近的仙女大星系也是『餅』，愛好者熟知的很多梅西耶天體里的星系也是『餅』。但其實宇宙中質量比銀河大得多和小得多的星系很多都不是餅狀的，而是由橢球結構主導的。如果按照質量來算，粗略估計，低紅移宇宙中的星系裡，一半的質量是『餅』，一半的質量是橢球。如果按照數量算，因為質量越小的星係數量越多，橢球星系應該還是佔主導的。很好玩的是，恰恰是在我們銀河系這個質量段上，星系才是主要呈現出『餅』狀形態的。這裡面是有很有趣的物理信息的，只不過我們暫時還沒有完全搞清楚。

另外，今天是『餅』，昨天未必是，將來也很可能不是。盤星系碰撞是直接產生大質量橢球星系的原因，銀河系和仙女大星系碰撞後，很可能兩個星系都會失去恆星盤結構，也有可能會通過複雜的動力學演化變成一張更厚的餅。隨著對高紅移星系觀測得更加細緻，天文學家發現早期宇宙的星系簡直面目全非，100億年前幾乎在宇宙中找不到非常規則的『餅』，而大部分星系可能是一種介於『餅』和『麻團』之間的狀態。這也是非常有意思的觀測線索。

3. 為什麼光念出『角動量守恆』的咒語是不夠的。宇宙裡面有各種尺度的盤，各種花樣的『餅』。原恆星盤，黑洞周圍的吸積盤，等等。脫離了質量和空間尺度，具體的物理情景，看見盤就喊『角動量守恆』並不能幫你理解他們的產生和演化。首先，對於包括盤星系在內的通過重力坍縮形成的結構中，角動量守恆的作用是不可或缺的。一團有一定凈角動量的氣體在自引力作用下坍縮，隨著尺度變小，旋轉速度會增加，而後續的坍縮就會出現方向上的選擇性：在和自轉軸垂直的方向上，可以簡單看成『離心力』平衡了一部分引力，讓在這個方向上進一步的坍縮比在和自轉軸平行的方向上更難，慢慢地形成一個了一個偏平的恆星結構。但是，光看到這一點是不夠的。

同樣的自引力坍縮過程，同樣在角動量守恆的條件下，宇宙里有大量的非『餅狀』天體：銀河系的恆星暈，暈裡面的球狀星團，前面提到的大量橢球結構的星系。以球狀星團為例：一團質量非常大的分子雲在宇宙早期的獨特物理條件下，快速地沿著徑向坍縮，形成了一簇高度聚集，幾乎沒有整體旋轉的三維上球形的大質量恆星系統。要解釋星系尺度上『餅』的形成，要理解最初的整體角動量是如何來的？又是如何演化的？這就要放到宇宙學和暗物質暈的尺度上去考慮問題了。永遠要記住：你看到的星系，只是暗物質暈結構的冰山一角都不到。早在暗物質宇宙學圖像成型之前，研究星系形成的天體物理學家們就意識到，宇宙早期的『原初氣體團塊』之間的引力相互作用施加的潮汐力矩，可以讓坍縮的氣體團塊帶上凈角動量。隨著冷暗物質宇宙學模型出現，宇宙學家們自然地把這個圖像應用了過來：原初密度場擾動，在宇宙早期形成了數量上從質量由小到大按冪律譜下降的暗物質暈，這些結構之間通過潮汐力矩產生凈角動量 (天體物理學家管其大小叫自旋，spin，其實可以粗略看成單位質量的角動量)。而在宇宙早期，重子物質和暗物質可以粗略地看成有一樣的分布的。只不過重子物質之間可以通過電磁相互作用產生各種輻射，耗散掉能量，進一步向暗物質暈中心坍縮。這個過程里，角動量守恆可以幫助形成盤星系。簡單的說，星系的盤的角動量和大小是直接和暗物質暈的角動量掛鉤的。一定質量的暗物質暈在最初會有一個對數正態分布的角動量，最終也會形成一組大小各異的恆星盤。這個經典的結論是莫厚俊，毛淑德，和西門白 (Simon White; 這個翻譯的版權不是我的) 在1998年得到的。

當然，這只是萬里長征的第一步。在現有宇宙學模型下，星系和暗物質暈都會按照質量層級關係 (Hierarchy)，經歷複雜的演化: 一方面，暗物質暈可以不斷地從周圍吸積質量，包括氣體，進而幫助星系進一步增長質量；另一反面，暗物質和星系都處在不斷地併合當中，星系也一定會通過不停地碰撞進行演化。這兩個過程不僅和暗物質本身的質量有關，甚至還可能受到更大尺度上環境的影響。在這樣的過程里，如何保持『餅』的完整是個很複雜的問題：如果吸積來的氣體的角動量方向和星系盤的很不一樣會怎麼樣？星系碰撞是不是一定代表著盤的消亡？還是說恆星盤可以涅槃重生？這些都是回答『為什麼現在宇宙里還有這麼多餅？』『為什麼這些餅長這樣？』這些問題的關鍵。

如前面提到的，這些問題還都沒有被很好的回答。當早期天文學家們終於可以開始通過數值模擬研究星系在暗物質暈里的演化的時候，他們揪心的發現，僅僅靠上面提到的經典模型並不能烙好一張宇宙大餅：形成的星系看上去比真實的盤星系胖了太多（形態問題），並且，包含了太多的低角動量恆星和氣體 （角動量災難）。深入研究後，天文學家們發現這是因為早期宇宙里氣體比例高，重子物質通過輻射冷卻損失能量太快 (過冷卻效應，Over-cooling)。既然太冷了就要熱一熱嘛，天文學家們在過去20年時間裡，在新觀測的指導下，終於大概知道了如何掌握合適的『火候』來保持盤星系的結構。而這種『加熱』機制，很可能來自於死亡恆星通過超新星爆發等過程向周圍環境里注入合適的能量。這也是為什麼像FIRE這樣力圖解釋足夠真實的盤星系的形成的模擬，都把重點放在了恆星反饋過程中 (Feedback).

而即便有了這些進展，我們對宇宙『大餅』的理解還是一知半解的。尤為神奇的是，像銀河系這樣的大質量盤星系的穩定存在，似乎是得益與暗物質暈在相當長的一段時間內沒有經歷顯著的『撞車』事件，並且在星系的氣體吸積和恆星反饋之間所建立的某種微妙的平衡。

所以，以後你凝視銀河的時候，一定要感謝一下宇宙這位大廚。不論是『圓餅』還是『麻團』，都是她用一道道不同的工序和拿捏得恰到好處的火候，在暗物質暈構成的『烤箱』里，用130億年的時間才精心準備出的動人作品。作為小小人類，我們能有幸旁觀已經不知道是幾個動力學時標里修來的福分了。

實際上這算是一個經久不衰的問題了，10多年前我就聽到過第一個版本的解釋。但是由於表述問題，不同的人採用不同的關鍵詞，所以可能題主沒有找到自己信服的答案。首先，我幫題主理清一下問題表述，看看是不是符合你的本意？

我們生活在3D空間，為什麼太陽系，銀河系，類星體等天體，都有扁平的形態？各個天體圍繞這些系統中心旋轉的公轉軌道，都幾乎落在同一個平面，這也太巧了吧？為什麼不是八大行星，一人一個軌道面？像老中央台台標一樣？

實際上，形成這種現象的原因恰恰是由於我們處在3D空間之內。3D空間內的旋轉只能圍繞一個旋轉軸，這個旋轉軸有一個法平面。對於我們地球來講，這個法平面就是赤道面，所以你看到，雖然地球不是扁平的，然而旋轉的動作是一樣的，渾圓的地球上面每一個點是不等價的，所以經度線和緯度線幾何形態不同。

回到大型天體，比如星系、星雲，他們在形成之初實際上是一坨粒子。確實是一大團，沒什麼形狀，但是萬有引力定律規定這些基本粒子那麼墜入這個體系（星系、星雲）的質量中心，要麼圍繞質心旋轉。每個粒子圍繞質心旋轉的角動量是不一樣的，確實是四面八方的，但是，所有的矢量疊加，你會得到一個主角動量，對應一個主旋轉軸，和主法平面。而在粒子無規則運動互相不停撞擊之後，其他方向的角動量會逐漸由於碰撞和引力拉拽抵消，而系統的總體角動量守恆，質量會不斷往這個平面匯聚，同時亦加大了這個「盤子」的引力和物質經過這個盤子時發生碰撞的概率，從而讓它過濾其他分量的角動量的能力越來越強。直到最後，人民內部矛盾（系統內正負角動量）都解決得差不多了，大家就排好隊在一個大致的平面內，排好隊圍著質心轉悠。所以我們看到的天體，只要足夠大，又比較鬆散，十有八九最後都穩定成了碟子狀。

恆星行星為什麼沒有穩定成碟子狀？參考答案：

Mr Poopybutthole：宇宙中有沒有可能存在甜甜圈行星？

為什麼宇宙中的星系都是圓餅狀的呢？題主你使用「圓餅狀」這個詞，已經觸及了這個世界的本質！只要想一想「餅"是如何形成的就可以了。

啊，對不起發錯了，是這個。

圓餅的形狀，可以說宇宙中的星系基本上都是這種形狀，你甚至能夠看到這個「餅」還有一定的厚度。如果將宇宙中的星系的形狀，看作是「印度拋餅」的製作過程，其實也沒什麼問題，都是一個二維展開的過程。

以我們的太陽係為例，太陽系形成以前，沒有太陽，用沒有地球和月球，有的只是一些微小的塵埃顆粒。這些顆粒本身在不停地運動，在引力的作用下發生相互作用，更重要的是它們會相互碰撞。這些小的顆粒除了有一個運動的速度之外，它們還有一個環繞的速度。

有的顆粒順時針旋轉，有的顆粒逆時針旋轉，它們撞擊的結果，旋轉的方向相互合併，只能保留一個方向。就好比兩個小球，一個向左，一個向右，它們經過足夠多次的碰撞和相互作用，最後只能保持一個方向，就是動量比較大的那個小球的動量的方向，這也就是動量守恆。那麼對於旋轉的顆粒來講，也有一個守恆，指的是旋轉的那個方向的守恆，到底是逆時針還是順時針，這叫做角動量守恆。

那麼，這個「餅」的平面之外的顆粒去哪裡了呢？這種觀點顛倒了邏輯本身，不是先有了「餅」，其他部分被餅吸收了。而是一個「麵糰」里的顆粒，通過不停的碰撞（或者其他形式的相互作用），合併了它們的角動量，最終只剩下一個方向的角動量，也就是「餅」的這個方向，所以「餅」外邊的東西就沒有了。

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湯川：十萬個是什麼：如何解釋「宇宙」的含義？

球形星系不穩定，繞著中心在球形里公轉的星體會互相干擾，最終會穩定在圓盤裡。可以用計算機模擬簡單地證明此事。

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