浩瀚的宇宙

 如果说银河系是一个巨大的“恒星岛”,那么宇宙间是否仅此一个“孤岛”呢?不是。在浩瀚的宇宙空间,像我们银河系一样的星岛,叫河外星系,简称星系。目前,已发现约10亿个河外星系。真是“天外有天”。
  河外星系也是由数十亿至数千亿颗恒星、星云和星际物质组成。河外星系本身也在运动。它们的大小不一,直径从几千光年至几十万光年不等。我们的银河系在星系世界中只是一个普通的星系。星系的结构和外观是多种多样的,星系的空间分布也是不均匀的,星系也是成双或成团存在的。我们银河系和它周围30多个星系组成一个集团,叫本星系团。其中离我们银河系最近的有大麦哲伦星系、小麦哲伦星系和仙女座星系等,它们都是我们银河系的近邻。目前已知星系团就有1万多个。通过对星系质量、形态、结构、运动、空间分布、内部恒星和气体的成分等方面的观测研究,进而促进对恒星和大尺度的宇宙结构的研究,这是当代天文学中最活跃的领域。

武仙座星系团

沙普利---柯蒂斯大辩论  (宇宙的尺度)

   早在18世纪,人们在夜晚的天空中发现了模糊的延伸天体,最初称为星云(Nebulae)。旋涡星云成为最早的研究对象。托马斯·赖特和康德曾提出,旋涡星云可能是如我们银河系一样的恒星系统。旋涡星云是银河系之外的恒星系统,这一思想就是著名的“岛宇宙假说”。沙普利(Shapley)1918年,沙普利(Shapley)利用球状星团作为银河系边界标志对银河系结构和尺度的研究作出了重大贡献,但他得出的银河系尺度被夸大了。他一直反对“岛宇宙”的见解,柯蒂斯(Curtis)认为这些旋涡星云应是银河系内的气体星云。另外一些天文学家以柯蒂斯(Curtis)为代表,不同意沙普利的看法。柯蒂斯认为旋涡星云的名称不恰当,在此类星云中观测到新星证明它们实际上是恒星系统而不是星云。他假设旋涡星云中的新星亮度极大时的绝对星等与银河系中的一样,比较亮度极大时的视星等便可定出这些旋涡星云的距离,结果表明,这些星云远远超出银河系的范围。
  为了解决这一矛盾,1920年4月,美国科学院在华盛顿召开了“宇宙的尺度”辩论会,会上他们两人就银河系的大小和旋涡星云的真相展开了论战,这是天文学史上有名的沙普利---柯蒂斯大论争。这一论争今天看起来仍很有启发意义。它的重要性不仅是历史文献,而作为一个例子看看卓越的科学家之间的论争,由于证据有一定缺陷或不完备,最后放弃了已有了相当基础的看法而终于走向成功之路。
  这场大辩论当时没有结论。到1923年,天文学家哈勃(Edwin Hubble)在星云M31中证认出造父变星,由这些造父变星定出M31的距离远比沙普利建议的银河系尺度大得多,所以M31是另一个类似我们银河系的星系。到三十年代发现的星系越来越多,表明我们的宇宙是有许多星系构成的,“旋涡星云”确实是类似银河系的星系。

星系及其分类

河 外 星 系

  1923~1924年,美国著名天文学家哈勃通过照相观测发现仙女座大星云(当时这么称呼)中的造父变星,从而推算出仙女座大星云与我们的距离,这距离表明它是在银河系之外,是类似银河系一样的恒星天体系统,像这样由几十亿至几千亿颗恒星以及星际气体和尘埃物质等组成的天体系统,称为星系,除我们的银河系之外的星系统称为河外星系。

河 外 星 系 的 类 型

   哈勃开辟了河外星系和大宇宙的研究,被誉为“星系天文学之父”。提到哈勃,使我们想起1990年4月24日,美国“发现号”航天飞机把一架大型天文望远镜送入环绕地球运动的轨道。这架“空间望远镜”也叫“哈勃空间望远镜”,就是为纪念这位著名天文学家的。1926年,哈勃根据星系的形状等特征,系统地提出星系分类法,这种方法一直沿用至今。他把星系分为三大类:椭圆星系、旋涡星系和不规则星系。旋涡星系又可分为正常旋涡星系和棒旋星系。除此之外,也还有其它分类。对星系分类,是研究星系物理特征和演化规律的重要依据。

椭圆星系:外形呈正圆形或椭圆形,中心亮,边缘渐暗。按外形又分为E0到E7八种次型。

E0型椭圆星系(M87) E1型椭圆星系(M49) E7型椭圆星系(NGC4526)

旋涡星系:外形呈旋涡结构,有明显的核心,核心呈透镜形,核心球外是一个薄薄的圆盘,有几条旋臂,在旋涡星系中有一类的核心不是球形,而是棒状,旋臂从棒的两端生出,称为棒旋星系。

S0型无旋臂旋涡星系(M84)

这是介于旋涡星系和椭圆星系之间的形态。也叫透镜状星系

Sc型旋涡星系(M101) 仙女座大星云是一个Sb型旋涡星系 侧向的Sb型旋涡星系(NGC4665)
正向的Sb型旋涡星系(NGC4662) SBb型棒旋星系(NGC5383) SBa型棒旋星系(NGC4650)

不规则星系:外形没有明显的核心和旋臂,看不出旋转的对称性结构,呈不规则的形状。

大麦哲伦云 小麦哲伦云 不规则星系(M82)

除上述哈勃分类以外,也还有特殊星系,特殊星系主要表现在星系核有明显的活动。

相互作用星系
(M51和它的伴星系NGC5195)
相互作用星系
(NGC5754、5755)
塞佛特星系
(NGC1566)
双星系核星系
(Markarian315)

河 外 星 系 的 特 征

   大小: 椭圆星系的大小差异很大,直径在3300多光年至49万光年之间;旋涡星系的直径一般在1.6万光年至16万光年之间;不规则星系直径一般在6500光年至2.9万光年之间。当然,由于星系的亮度总是由中心向边缘渐暗,外边缘没有明显界线,往往用不同的方法测得的结果也是不一样的。

   质量: 星系质量一般在太阳质量的100万至10000亿倍之间。椭圆星系的质量差异很大,大小质量差竟达1亿倍。相比之下,旋涡星系质量居中,不规则星系一般较小。

   运动: 星系内的恒星在运动,星系本身也有自转,星系整体在空间同样在运动。星系的红移现象 所谓星系的红移现象,就是在星系的光谱观测中,某一谱线向红端的位移。为什么有这种位移呢?这种位移现象说明了什么呢?根据物理学中的多普勒效应,红移表明被观测的天体在空间视线方向上正在远离我们而去。1929年,哈勃发现星系红移量与星系离我们的距离成正比。距离越远,红移量越大。这种关系被称之为哈勃定律。这是大爆炸宇宙学的实测依据。

   分布: 星系在宇宙空间的总体分布是各个方向都一样,近于均匀。但是从小尺度看,星系的分布又是不均匀的,与恒星的分布一样,有成团集聚的倾向,大麦哲伦星系和小麦哲伦星系组成双重星系。它们又和银河系组成三重星系。加上仙女座大星系等构成了本星系群。

后发座星系团 星系团Abell2218
和引力透镜效应
星系群
NGC7317、7318a、7318b、7319和7320
(图像右边的辉光)

   演化: 作为庞大的天体系统来说,星系也是有形成、发展到衰亡的演化过程。星系从形态序列看有椭圆星系、旋涡星系和不规则星系。这种形态上的差别是否代表它们演化阶段的不同呢?谁属年轻?谁是中年?谁算老年?现在仍未有结论,尚处于探索之中。

类 星 体

   类星体是20世纪60年代天文学四大发现之一。类星体在光学观测中只是一个光点,类似恒星。但是在分光观测中,它的谱线具有很大的红移,又不像恒星,因此称为类星体,到1993年底已确认10000多个类星体。

类星体3C273

类星体3C273

   类星体的红移量之大,使天文学家们吃惊。为什么类星体有这么大的红移?前面已经提到河外星系的红移。那么,类星体是不是就是河外星系呢?根据最新的观测,许多类星体其实就是遥远星系的核心。那么如果类星体真是离我们那么远,那它们自身的光度一定非常强大,比一般星系大上千倍。但是,根据光变时标 推断,它们的体积似乎小于一光年。体积不大又怎么能提供如此强大的能量呢?多数天文学家相信,这是由中心的超大质量黑洞吸积周围物质释放的引力能。总之,现在只观测到类星体的一些蛛丝马迹,类星体的本质还不清楚。正因为类星体浑身是谜,才愈发地引起天文学家们的极大兴趣。科学就是要解答未知的东西。