河外星系是什么，今天详细介绍给大家

伤我心太深

　　河外星系的发现使人类的视野突破银河系的局限，深入到更加广阔的河外世界。通过对河外星系光谱普遍发生红移现象的研究所确立的哈勃定律，人们认识到，因为我们的宇宙正在膨胀，星系的退行速度与距离成正比。这就动摇了宇宙是静止和永恒不变的观点，为研究宇宙的起源和演化、建立大爆炸宇宙学提供了重要依据。这是20世纪天文学最有深远意义的贡献。


　　一、河外星系的发现


　　在18世纪和19世纪期间，任何一个张角很小的非太阳系成员的天体都以“星云”这个术语称呼。随着望远镜的改进，这些微弱的发光体和暗天体以暗星云、行星状星云、弥漫星云和旋涡星云这样的名称来分类。罗西用他的72英寸大望远镜首先发现了当时认为是第四类星云的旋涡结构。这类星云的最大的成员后来被充分地分解，揭示出它们是恒星系并有理由假设它们处于我们银河系之外，确实是另一些星系。然而，直到李维特发现造父变星的周光关系之前，人们无法测量它们的距离。



　　最近的星系是麦哲伦星云。


　　它们不但分解出一些恒星，而且在它们中间还出现了造父变星。在我们银河系中，了解造父变星一些成员的距离使哈勃等天文学家能够利用周光关系将绝对星等替换为视星等。于是，哈勃等天文学家能够测量出银河系中包含造父变星的球状星团的距离，并彻底证实麦哲伦星云和仙女座大星云以及别的一些旋涡星云处于银河系之外。在1920年初实行的这项工作已被证实、改进并被延续到今天。旋涡星云和某些别的星云实际上是一些星系，其数量达1千亿之多，散布在一个宇宙空间区域之中，与之相比我们银河系所占的空间是微不足道的。在宇宙的殿堂里，我们自身的星系只是一粒微尘。


　　二、星系的哈勃分类


　　哈勃在研究河外星系方面做了许多开拓性工作，他把星系分三种类型：椭圆星系、旋涡星系和不规则星系。其中的旋涡星系后来又被划分成两个分支：标准旋涡星系和棒旋星系。现在，我们对各类星系逐一介绍如下：


　　1.椭圆星系


　　椭园星系约占全部星系的60%。在望远镜里，一些较近的星系呈现出椭圆形结构并可从中分辨出恒星。有些椭圆星系呈扁状，另一些椭圆星系呈圆形。椭圆星系用字母E后面加上顺序数0，1……6，7中的一个数来表示，所加的顺序数越大，就代表椭圆星系越扁。





　　椭圆星系主要包含星族Ⅱ的恒星。它们呈现有少量的尘埃和气体，至于大多数原始星际物质则被用于形成恒星。在椭圆星系中的恒星基本上都是年老的恒星。椭圆星系约占星系总数的一半以上，在星系的大小和固有光度方面有一个很宽的范围。在椭圆星系中，有巨星系和矮星系。巨椭圆星系的绝对照相星等达-21等，矮椭圆星系可能弱至-14等。其直径变化范围在2000到26000秒差距之间。可以说，宇宙中最大的星系和最小的星系都是椭圆星系。

　　2.旋涡星系

　　旋涡星系约占全部星系的30%。一个典型的旋涡星系有一个透镜状的核球和从这个核球的边缘上长出的两条旋臂。这些旋臂环绕这个核球绕圈。旋涡星系的旋臂与核球赤道面位于同一个圆盘上。这个圆盘包含有尘埃和气体，如果我们正对着这个星系的边缘进行观测，那么通常可以看到一条薄而暗的带子。如果这个星系分辨得出恒星，那么星系核中的那些恒星被发现隶属于星族Ⅱ，而旋臂里的那些恒星则大部分隶属星族Ⅰ。我们银河系就隶属这一类型。


　　旋涡星系用字母S表示。根据核球的大小和旋臂伸展程度，旋涡星系又可分为Sa、Sb、Sc等几个次型。Sa型的核球相对大小最大，旋臂缠得最紧;Sc型核球相对大小最小，旋臂伸展得最开;Sb型的情况则介于以上两者之间。除我们银河系之外，了解最清楚的旋涡星系就是仙女座大星云(NGC224，M31)。


　　这个星系像麦哲伦星云那样用肉眼就可以看到，看起来像是仙女座中一个微弱的光斑。在大望远镜拍摄的相片上，可以研究它的精细结构。它包括了在银河系中所能看到的所有熟悉的特征——星场、球状星团系统、星系盘中的尘埃和气体的区域、亮星云、巨星、造父变星、新星、明亮的蓝星，有着在我们银河系中发现过的星族Ⅰ和星族Ⅱ的天体，并有着同样的分布。对这个星系的距离和大小的最新精确测定表明，它大约有银河系的两倍那么大。正是这个仙女座大星云——M31星系为我们提供了我们所知的星系结构的所有特征。


　　上面所说的旋涡星系一般称为标准旋涡星系。还有一类旋涡星系，从正面看，旋臂不从核球伸出来，而是从通过中心的一根棒的两端伸出来，因而称它们为棒旋星系，用字母SB表示。按照与标准旋涡星系相类似的分类原则，将棒旋星系分为三个次型：SBa、SBb、SBc。


　　3.不规则星系


　　不规则星系不超过全部星系的10%，不具有特定的形式。过去我们一直将大小麦哲伦星云归入不规则星系这个类型，但现在看来好像还是把它们归入矮型棒旋涡星系更为正确。这两个星云是我们银河系的附属物。它们的物质约有一半以尘埃和气体的形式存在，并有一个物质桥把它们连接起来。哈勃在研究河外星系时以特定的顺序对椭圆星系和旋涡星系进行排列，促使人猜想到其中有一种演化趋势。


　　在从E0行进到E7时，从几乎是圆的椭圆星系逐渐变为很扁的椭圆星系。就哈勃分类的标准旋涡型分支而言，从具有巨大的核球，很少或没有旋臂痕迹的Sa星系开始，经过具有紧紧盘绕的旋臂和较小的核球的Sb型旋涡星系，直到我们遇到核球几乎消失、旋臂松开的Sc型旋涡星系为止。棒旋型这个分支从具有大质量核球的旋涡星系SBa开始，直到那些具有微小的核球和旋臂从棒柱向外蔓延的旋涡星系SBc为止。




　　图中的SO型星系是一种无旋臂的旋涡星系，它的形态介于椭圆星系与旋涡星系之间，被称作透镜星系。而今，哈勃分类仍然有用，但从这个序列的不同成员中发现的恒星类型并不导致证实这样一种星系起源设想：从椭圆星系开始，逐渐发展成标准的旋涡星系S和棒旋星系SB。


　　三、星系光谱红移与哈勃定律


　　在20世纪20年代，发现了一个与星系的光谱有关的、具有深远意义的现象，这个现象后来叫做红移。当星系的数以千百计的照片按照视亮度和大小依次减小的顺序排列起来时发现，除去少数例外，它们的光谱排列出来的结果是：其谱线越来越多地向光谱的红端移动。如果作出两条假设，即一个星系越暗就离得越远，谱线的位移由多普勒效应所产生，那么我们实质上是说，一个星系离得越远，它退离我们的速度就越大。因此，可以用红移来表明一个星系的退离速度V严格与它的距离d成正比，或者说V=Hd这里H是比例常数，被称为哈勃常数，这个关系式被称为哈勃定律。



　　星系光谱的普遍红移说明星系都在退离我们，天文学家由此认识到：我们的宇宙在膨胀。随着时间向前推移，我们的宇宙将膨胀得越来越大;而反推过去，则因不断收缩越来越小。如果我们应用哈勃常数，所取的值是55千米/秒·百万秒差距，那么我们可以计算出所有星系收缩成一个很小的体积所经历的时间。显然，这个时间正是宇宙的“年龄”。当然必须假定，由哈勃常数得出的膨胀速率没有变化。于是，宇宙的这个“年龄”将由哈勃定律得出，所得的这个值为180亿年。如果所取的哈勃常数为72千米/秒·百万秒差距，则意味着宇宙年龄为140亿年。


　　确实，在过去的数十年中哈勃常数的测量值就有明显的变化。哈勃常数以千米/秒·百万秒差距为量度单位。最近的工作导致天文学家提出一个哈勃常数的范围为50至75千米/秒·百万秒差距。随着哈勃常数的每一次新的修正，所得的宇宙的大小和年龄不得不随之修改。


　　链接知识：探索类星体之谜


　　似星非星的类星体是一种非常奇特的天体。类星体的发现是20世纪60年代天文学四大发现之一。那么，类星体究竟是如何被发现的呢?1960年，美国的马修斯和桑德奇用5米反射望远镜发现，射电源3C48对应于一颗16等的暗星。这颗星的紫外辐射很强，其光谱中有一些莫明其妙的发射线。1962年，澳大利亚的哈扎德等人利用月掩射电源3C273的机会，定出了它的准确位置和形状，发现3C273是一个双射电源，其中一个和一颗13等的恒星状天体相对应。第二年，美国的施米特拍摄了这个恒星状天体的光谱。


　　当研究射电源3C273时，发现这个类星天体在拍摄得较好的光谱上记录到四条亮的发射线。施米特意识到，它们与熟悉的巴尔末谱线特征相当，具有强烈的色位移。在此之前，对它们的波长值没有作出任何直接解释。假设波长的位移是多普勒效应引起的，那么3C273显示的退行速度等于光速的16%，这个速度大大地超过我们银河系中运动最快的天体速度。这直接对类星体是银河系成员的起源假设提出了怀疑。


　　施米特的发现启发了马修斯等人，他们立即重新检查原先认为莫明其妙的3C48的光谱，发现如果认为这一天体具有0.367的红移量，那么所有的谱线之谜都迎刃而解。而0.367的红移量意味着，3C48的退行速度达到光速的27%。至此，正式宣告发现类星体。


　　观测表明，类星体的光学亮度是起伏波动的，某些类星体的变化是在相当短的时间内发生的。如果亮度变化是由于整个天体发生变化产生的，则所需时间就不能大于光线从一边缘穿过整个天体到达另一边缘所经历的时间。因此，这种亮度的起伏表明类星体相当小，也许只有我们太阳系那么大。虽然类星体的尺度不比太阳系大，但却是一种高光度天体。光度最低的类星体与正常星系的光度相当，而光度高的要比正常星系高出10万倍。类星体的辐射能量极大，辐射的范围包括从射电波到γ射线的所有波段。类星体发射的能量同热核反应的核能相比，如同核能与煤油灯的能量相比。一个类星体发出的能量相当于1000个银河系发出的总能量，这就是说类星体的能量产生率远远超过银河系，是银河系的一亿倍。


　　类星体从本质上说究竟是一种什么样的天体?为什么它的红移那么大?它那惊人的辐射能量从何而来?关于类星体的本质，尽管在天文学界还有一些不同的看法，但多数科学家认为类星体实际上是一种活动性很强的活动星系。


　　那么，活动星系又是怎么回事?在河外星系中，有些星系经常发生激烈的物理过程，如激波、喷流和恒星爆发等，同时伴随有在各个波段的巨大能量释放，这类星系就叫活动星系。由于所有激烈的过程都主要集中在核心，或者是由核心引发出来的，所以活动星系也称活动星系核。活动星系核有数十种类型，包括类星体、赛弗特星系、蝎虎座BL天体、N星系、强射电星系和星暴星系等。


　　在各类活动星系核中，类星体是活动性最强的活动星系核。理论研究认为，类星体的核心很可能是一个黑洞，而黑洞的周围被一层一层气体包围着。我们所能观测到的来自类星体的各种辐射可能是从这些气体发出的。类星体的质量绝大部分集中在核心黑洞中。黑洞的质量约为108～1012个太阳质量。对于1个有108个太阳质量的类星体，其黑洞半径约为3×108千米，是太阳半径的500多倍。在黑洞周围3×108至1010千米之间的区域，主要辐射高能X射线和紫外辐射，再往外大约1014千米范围是稀薄的气体，它们发射可见光，我们观测到的发射线是从这里发出的。类星体的外层可达1018千米之外，主要发射射电辐射。关于类星体光谱红移大的原因，大多数科学家认为就是多普勒效应，因为它离得非常远，所以退离速度就非常大，所产生的多普勒效应必然是红移非常大。从宇宙学角度看，类星体是最遥远的天体之一，也是宇宙中最早形成的天体之一。


　　至于类星体的能量产生机制，更是一个令人费解的问题。现代天体物理理论认为，能解释类星体能量产生机制的是黑洞—吸积盘—喷流模型。类星体中央有一个快速旋转的巨型黑洞，它大量吸积周围破碎了的恒星和星际物质，在时空拖曳效应作用下，在能层中快速旋转，在视界外形成一个吸积盘，沿盘面的垂直方向有两股强大的喷流。吸积盘内侧的物质被巨型黑洞吞噬时，引力势能被释放出来转换成强大的辐射能。


　　应当说，这种解释还有不少值得质疑的地方，究竟是否符合实际，还有待于今后进一步研究。正如一些有识之士所指出的那样，尽管在20世纪60年代天文学四大发现中其他三项(宇宙背景3K微波辐射、脉冲星和星际分子)的发现者均已获诺贝尔奖，唯独发现类星体这一项尚未问鼎诺贝尔奖，而就其发现意义来说，比其他三项只有过之而无不及。类星体的巨大红移和产能机制对人类科学提出了严峻的挑战，它几乎撼动了物理学的基础和根本。毫无疑问，将来无论是谁，一旦能真正揭开类星体之谜，等待他的必然是科学界的最高荣誉——诺贝尔奖。