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星系

2015-2-10 15:43|查看:3942|评论:0|字体: 繁体

漩涡星系

位于后发座的NGC 4414是一个典型的漩涡星系,直径55,000光年,距离6,520万光年。图片来源:哈柏太空望远镜NASA/ESA。

弧形的银河系照耀帕瑞纳天文台

弧形的银河系照耀帕瑞纳天文台。

星系的英语词galaxy源自于希腊语的γαλαξίας (galaxias)。广义上星系指无数的恒星系(当然包括恒星的自体)、尘埃(如星云)组成的运行系统。指参考我们的银河系,是一个包含恒星、星团、星云、气体的星际物质宇宙尘暗物质,并且受到重力束缚的大质量系统,通常距离都在几百万光年以上。星系平均有数百亿颗恒星,是构成宇宙的基本单位。典型的星系,从只有数千万(107)颗恒星的矮星系到上兆(1012)颗恒星的椭圆星系都有,全都环绕着质量中心运转。除了单独的恒星和稀薄的星际物质之外,大部分的星系都有数量庞大的多星系统、星团以及各种不同的星云。

历史上,星系是依据它们的形状分类的(通常指它们视觉上的形状)。最普通的是椭圆星系,有椭圆形状的明亮外观;漩涡星系是圆盘的形状,加上弯曲尘埃的旋涡臂;形状不规则或异常的,通常都是受到邻近的其他星系影响的结果。邻近星系间的交互作用,也许会导致星系的合并,或是造成恒星大量的产生,成为所谓的星爆星系。缺乏有条理结构的小星系则会被称为不规则星系

在可以看见的可观测宇宙中,星系的总数可能超过一千亿(1011)个以上。大部分的星系直径介于1,000至100,000秒差距,彼此间相距的距离则是百万秒差距的数量级。星系际空间(存在于星系之间的空间)充满了极稀薄的等离子,平均密度小于每立方米一个原子。多数的星系会组织成更大的集团,成为星系群或团,它们又为聚集成更大的超星系团。这些更大的集团通常被称为薄片或纤维,围绕在宇宙中巨大的空洞周围。

虽然我们对暗物质的了解很少,但在大部分的星系中它都占有大约90%的质量。观测的资料显示超重黑洞存在于星系的核心,即使不是全部,也占了绝大多数,它们被认为是造成一些星系有着活跃的核心的主因。银河系,我们的地球太阳系所在的星系,看起来在核心中至少也隐藏着一个这样的物体。

特征

星系大小差异很大。椭圆星系直径在3300光年到49万光年之间;漩涡星系直径在1.6万光年到16万光年之间;不规则星系直径大约在6500光年到2.9万光年之间。

星系的质量一般在太阳质量的100万到1兆倍之间。

星系内部的恒星在运动,而星系本身也在自转,整个星系也在空间运动。传统上,天文学家认为星系的自转,顺时针方向和逆时针方向的比率是相同的。但是根据一个星系分类的分布式参与项目星系动物园的观察结果,逆时针旋转的星系更多一些。

星系具有红移现象,说明这些星系在空间视线方向上正在离我们越来越远。这也是大爆炸理论的一个有力证据。

星系在大尺度的分布上是接近均匀的;但是小尺度上来看则很不均匀。例如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。

观测简史

银河系

银河系的银心

银河系的银心

对我们自己的银河系和其他星系的调查开始于詹姆斯·毕倪和迈克尔·马黎·费尔德的报告书:星系天文学(Galactic astronomy)。

在1610年,伽利略使用他的望远镜研究天空中明亮的带状物,也就是当时所知的银河,并且发现它是数量庞大但光度暗淡的恒星聚集而成的。在1755年的一篇论文,伊曼努尔·康德,借鉴更早期由托马斯·怀特工作完成的素描图,推测(正确的)星系可能是由数量庞大的恒星转动体,经由重力的牵引聚集在一起,就如同我们的太阳系,只是规模更为庞大。恒星聚集成盘状,我们由盘内透视的效果,将会看成一条在夜空中的光带。康德也猜想某些在夜空中看见的星云可能是独立的星系。

漩涡星系素描图

罗斯勋爵在1845年的漩涡星系素描图。

与其他星云的区别

在18世纪接近尾声时,梅西尔完成了梅西尔目录,收录了103个明亮的星云。不久之后,威廉·赫协尔也完成了收录多达5,000个星云的目录。在1845年,罗斯勋爵建造了一架新的望远镜,能够区分出椭圆星系和漩涡星系,他也在这些星云中找到了一些独立的点,为康得早先的说法提供了证据。但是,星云仍未能获得一致认同是遥远的星系,直到1920年代早期哈柏使用新的大望远镜才获得确认。哈柏分辨出漩涡星系外围中单独的恒星,并且辨认出其中有些是造父变星,因而可以估计出这些星云状天体的距离:她们的距离实在太远,以致不可能是银河系的一部分。在1936年,哈柏制定了现在被称为哈柏序列,并仍被使用的星系分类法。 第一位尝试描述银河系的形状和太阳位置的天文学家是威廉·赫协尔,他在1785年小心的计算天空中在不同区域的恒星数目,得到了太阳系在中心的椭圆星系的图像,这与1920年卡普坦得到的结果非常类似,只是比较小些(直径大约15,00秒差距)。哈洛·夏普利使用另一种不同的方法,建立在球状星团的分布上,得到了一幅完全不同的图像:一个直径约70,000秒差距的扁平盘状,而且太阳在远离中心的位置上。但两者的分析都没有考虑到星际尘埃在银河盘面上造成的光线的吸收的量;一旦罗伯特·朱利叶斯·庄普勒在1930年经由研究疏散星团确定了这个作用之后,我们现在所认知的银河系图样就浮现出来了。

现代研究

在1944年,亨德力克·赫尔斯特预言氢原子会辐射出21厘米波长的微波,结果在1951年便发现来自星际氢原子的辐射线。这条辐射线允许对星系做更深入的研究,因为他不会被星际尘埃吸收,并且来自他的多普勒位移能够映射出星系内气体的运动。这些观测导致转动的假定,分辨出在星系中心的棒状结构,配合无线电望远镜,在其他星系的氢原子也能被追踪到。在1970年,维拉·鲁宾的研究发现星系可见的总质量(恒星和气体)不能适当的说明星系中气体的转动速度。如今星系自转问题已经用于解释未能观察到的大量暗物质。

从1990年代开始,哈柏太空望远镜提高了观测的效益,尤其是,他确认了神秘的暗物质不可能是在星系中的暗弱小天体。哈柏深空,对天空的一个区域进行极长时间的曝光,提供了宇宙中可能有多达1,750亿个星系的可能证据。在不可见光的光谱侦测技术上的改进(无线电望远镜、红外线摄影机、X射线望远镜),让人类可以见到连哈柏太空望远镜也看不见的其他星系。特别是,对天空中隐匿带(天空中被银河系遮蔽的部分)的星系巡天,揭露了相当数量的新星系。

星系分类

星系的类型E表示椭圆星系,S是漩涡星系,SB是棒旋星系

根据哈柏分类法,星系的类型E表示椭圆星系,S是漩涡星系,SB是棒旋星系

星系主要分成三类:椭圆星系、漩涡星系和不规则星系。对星系类型更明确与广泛的描述会在哈柏序列的条目中叙述。因为哈柏序列是根据视觉的型态,他也许会错过某些星系的重要特征,例如恒星形成率(在星爆星系或活跃星系的核心)。

椭圆星系

哈柏分类法根据椭圆星系椭率的估计进行分类,从E0,接近圆形的,到E7,非常瘦长的。这些星系,不论视线的角度是如何,都有着椭圆形的外观。她们看似没有任何的结构,而且相对来说星际物质的成分也很少。通常这些星系会有少量的疏散星团和少量新形成的恒星,取而代之的是老年的,与以各种不同方向环绕星系的中心,已经成熟的恒星为主。她们的一些性质类似小了许多的球状星团。

大部分的星系都是椭圆星系,许多椭圆星系相信是经由星系的交互作用,碰撞或是合并,产生的。她们可以长成极大的体积(与漩涡星系比较)而且巨大的椭圆星系经常出现在星系群的中心区域。星爆星系是星系碰撞后的结果,可能导致巨大椭圆星系的形成。

漩涡星系

涡状星系(左)是漩涡星系的一个例子

涡状星系(左)是漩涡星系的一个例子。

在漩涡星系,螺旋臂的形状近似对数螺线,在理论上显示这是大量恒星一致转动造成的一种干扰模式。像恒星一样,螺旋臂也绕着中心旋转,但是旋转的角速度并不是常数,这意味着恒星会穿越过螺旋臂,螺旋臂则是高密度区或是密度波。当恒星进入螺旋臂,他们会减速,因而创造出更高的密度;这就类似波将在高速公路上的车速延缓一样。螺旋臂能被看见,是因为高密度促使恒星在此处诞生,因而螺旋臂上有许多明亮和年轻的恒星。

棒旋星系

NGC 1300是棒旋星系的一个例子。

我们自己的星系,银河系,有时就简称为银河,是一个有巨大星系盘的棒旋星系,直径大约三万秒差距或是十万光年,厚度则约为三千光年;拥有约三千亿颗恒星(3×1011)和大约六千亿颗太阳的质量。

矮星系

尽管椭圆星系和漩涡星系是很明显与突出的,宇宙中大部分的星系都是矮星系,这些微小的星系都不到银河系百分之一的大小,只拥有数十亿颗的恒星。许多矮星系可能都会环绕着单独的大星系运转,我们的银河至少就有一打这样的矮星系。矮星系依样可以分成椭圆、螺旋和不规则。因为矮椭圆星系外观上与大的椭圆星系有一点相似,因此她们经常被称为矮椭球星系来取代。

活跃星系

有部分被我们观察到的星系被分类为活跃星系,也就是说,来自星系的总能量除了恒星、尘埃和星际介质之外,还有另一个重要的来源。像这样的活跃星系核的标准模型,根据能量的分布,认为是物质掉落入位在核心区域的超重质量黑洞造成的。

以X射线的形式,辐射出高能量的星系被分类为西佛星系、类星体、或蝎虎座BL型天体。从由核心喷发出的相对论性喷流发射出无线电频率的活跃星系被分类为电波星系。在统一场论的星系模型中,这些不同类的星系被解释为从不同角度观察所得到的结果。

不寻常的动态和活动

交互作用

触须星系正在发生碰撞

触须星系正在发生碰撞,这将导致它们最终合并。

星暴星系

活动星系核

大尺度结构

非常少数的星系是单独存在的,这些通常都被认为是视场星系。许多星系和一定数量的星系之间有重力的束缚。包含有50个左右星系的集团叫做星系群,更大的包含数千个星系,横跨数百万秒差距空间的叫做星系集团。星系集团通常由一个巨大的椭圆星系统治著,他的潮汐力会摧毁邻近的卫星星系,并将质量加入星系中。超星系集团是巨大的集合体,拥有数万个星系,其中有星系群、星系集团和一些孤单的星系;在超星系集团尺度,星系汇排列成薄片状和细丝,环绕着巨大的空洞。在上述的尺度中,宇宙呈现出各向同性和均质。

我们的银河是本星系群中的一员,相对来说是一个直径大约1022百万秒差距的小星系群。银河和仙女座星系是这个群中最大的两个星系,许多其他的矮星系都是这两个的卫星星系。本星系群是以室女座星系团为中心的巨大星系群与星系集团集合体的一部分。

星系在宇宙中呈网状分布。从大尺度看,星系包围着一个个像气泡一样的空白区域,在整体上形成类似蜘蛛网或神经网络的结构,称之为宇宙大尺度分布。

星系的形成和演化

星系之形成和演化向来都众说纷纭,有些已经被广泛接受,但仍然有不少人质疑。

星系的形成包含了两方面,一是上下理论,二是下上理论。上下理论是指:星系乃由一次宇宙大爆炸中形成,发生在数亿年前。另一个学说则是指:星系乃由宇宙中旳微尘所形成。原本宇宙有大量的球状星团(globular cluster),后来这些星体相互碰撞而毁灭,剩下微尘。这些微尘经过组合,而形成星系。

虽然在今时今日,关于星系形成的学问有不少人质疑,但大抵在星系形成研究方面,随着研究的深入,已伸展至星系演化方面。在天文物理学中,有关星系形成和演化的问题有:

在一个均质的宇宙中,我们是否居住在一个独特而与众不同的场所?

星系是如何形成的?

星系是如何随着时间改变的?

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