宇宙天体有哪些超乎想象的演化方式？

北塔，研究天体口腔学的宇航技工机器人

这周去听了清华的李辉老师(巨佬)的报告，感觉他们做的模拟很有意思，所以吸引我来答这个问题。星系的形成与演化十分复杂，超出我们普通人的想象，所以本文将很水的讲一讲，并不深入，大家了解到数值模拟很好玩就行hh。

(本文全为静止图片，如果想看动图，移步R2在另一个问题下的视频回答

一些背景

随着计算技术的发展，我们可以用计算机去模拟宇宙，了解其中的结构形成历史。宇宙的组分主要是物质( $\Omega_m$ )，辐射( $\Omega_r$ )和暗能量( $\Omega_\Lambda$ )，我们只要模拟物质就行，因为后两者不形成结构。早期宇宙充满了辐射，而暗能量是在后期才驱动宇宙加速膨胀的，我们更感兴趣的是星系如何形成。

在冷暗物质模型，也就是 $\rm{\Lambda CDM}$ 理论中，物质一种是重子(baryon)物质，也就是我们熟悉的这些元素构成的；另一种我们不知道是什么，看不到摸不着，但是能探查到其引力作用，所以称为暗物质(dark matter)。模拟中我们会考虑物质之间的引力而不是复杂的广义相对论，因为牛顿的万有引力定律作为广义相对论弱场(毕竟宇宙很空旷的)下的近似就足够用了。

我们说到的模拟往往分为两大类，一类是把模拟的盒子分为网格，根据流体力学方程在格子里计算密度，速度，能量等，这样的是流体(hydrodynamical)模拟；另一类是把质量分成N个粒子，它们遵循膨胀空间的万有引力定律，称为N体(N-body)模拟。

常见的如下图所示^[1]，左列的是只考虑暗物质的N体模拟，右边的是还加入了重子物质的流体模拟。第一行是zoom-in的，即放大后更好解析小尺度的信息(比如单个星系的形成)，第二行则是关注大尺度，宇宙中存在很多纤维结构，片状的条带以及空泡，里面也包含了很多星系样本，适合做统计研究。

星系形成的物理过程

这里掺和的天体物理过程太多了，

你需要考虑星际介质，气体的冷却，气体被点亮形成恒星，超新星炸了然后气体反馈回来，星系中心再来个超大质量黑洞，万一中心还是活动星系核，喔对，磁场的作用也挺重要的，再把复杂的辐射转移加进来，嗖嗖嗖飞过来一些宇宙射线，这模拟俺不搞了！

搞模拟的人擅长调参数使得模型结果符合观测。这些复杂的物理过程落到参数上有时解释起来会比较tricky(可能很多种模型都差不多的符合观测)，老老实实解方程的过程则是听起来物理一些，虽然听着也很难(解方程要想些方法降低计算量，核用多了还是挺烧钱的~)。

所以说听了李辉巨佬的报告，他们的小尺度模拟里考虑了辐射转移，超新星还有反馈这些复杂的过程，还有酷炫的动图(但是R2没有图，此时应该call大佬们来科普)。

例如下图本来应该是动图，但是我只找到了文章里的插图。左上角这是一大团气体，颜色代表气体的多少(其实是面密度)，然后随着左上角的时间推移(Myr代表百万年)，密度高的亮点点形成了恒星，砰的一下恒星形成，当中心星团的动量反馈可以抵抗气体的引力坍缩时，气体就被吹开了。这展示了巨分子云的破坏与星团形成的物理图像^[2]。

还有另一个令人印象深刻的是下面这张图，第一个是不加超新星和反馈的星系气体分布，气体在引力作用下坍缩成纤维状结构；如果你加了超新星进去，超新星爆发，星风一下子吹出去老远，就像突然炸开的烟花，形成很多窟窿(深蓝色)；再加上反馈，考虑复杂的辐射转移过程，其实很多物质吹出去又落回去了，使得星系的窟窿变得平滑^[3]。

这样你大概能理解了做模拟的人像做菜一样，添加各种食材/配料，做出的菜越像我们的银河系，就能接近解释我们的银河系是如何形成的。但是正如前面所说的，过程过于复杂，这些因素要一步一步加进来，饭要一口一口吃~

(星系形成的动图见另一个顶部提到的回答)

星系之间的并合

宇宙虽然空旷，但是在引力束缚下高密度区的暗晕会逐步聚集，其势阱中的重子物质也是一起滑落，最后融合成一个更大的结构(好吧，其实想说自下而上的等级成团)。下图就是并合树，小蓝圈代表小暗物质晕，它们一层一层并合为大蓝圈，看起来就像一棵倒过来的树。

对于星系个体而言，在观测中，我们可以看到像下图第一行中这种相互作用的星系，星系原本规则的形状被扰乱，看起来甩出了很多潮汐尾。下图后两行是在Illustris的模拟中生成的类似样本^[4]，说明模拟符合观测。

观测到的相互作用星系(上排)和Illustris红移0.1相互作用星系的图像。观测的图是是恒星光，但模拟星系以恒星质量的投影。图片来源[4]

我们的银河系和邻居仙女座大星系(M31)作为本星系群中个头最大的两个，正在引力的牵扯下逐步靠近(以太阳为参考，M31正以中心速度大约300km/s的速度狂奔而来，所以她的光谱是蓝移的)，所以根据估计几十亿年后将形成新的仙女-银河星系了。

不过这跟我们有啥关系呢？

(星系合并的动图见另一个顶部提到的回答)

大尺度宇宙网

现在我们离开本星系群，站在一个比星系团甚至超星系团更大的尺度上用上帝视角观察宇宙，我们会发现宇宙在大尺度上时纤维网状结构，大家称为cosmic web，宇宙网。例如下图是TNG100盒子里的结构^[5]，左边那些橙色区域差不多就是一个超星系团了^[6]。可以发现除了纤维filament，还有片状的sheet，空洞void，结点Knot这些。