宇宙有多少星系？首先你得了解什么是星系

伤我心太深

　  宇宙有多少星系？首先你得了解什么是星系！

　　一、什么是星系

　　“星系”这个词在英语中的词源来自希腊语，意思是满天繁星。星系从广义来说指的是由无数恒星系和星际物质组成的运行系统。就像我们身处的银河系一样，包含约1000亿颗恒星，数不清的星际物质、宇宙尘埃和暗物质，并且受到重力的束缚，围绕着银河系的核心缓慢旋转。星系在旋转时有两种方式，一种是众多质量小的星球围绕着一个质量巨大的核心运行，还有一种是星球之间具有一个共同的质心，星球们围绕着这个质心转动。宇宙中的多数星系都是以第一种方式运行的。


　　星系的种类有很多，矮星系中只有几千万颗恒星，椭圆星系则可能有成兆颗恒星。但是它们的共同点是都具有一个质量核心，并且绕着它进行运转。一个星系中通常不但包含单独的恒星和星际物质，还包含数量众多的双星乃至多星系统，以及星团和星云。

宇宙有多少星系？首先你得了解什么是星系

　　在星系之间的广大区域，是极其稀薄的等离子体。这些等离子体具有宇宙的纤维状结构，并且比宇宙的平均密度要高。我们将这样的物质称作星系际介质。这些介质通常是氢元素发生电离后形成的，含有等量的电子和质子。星系际介质的密度通常能够达到宇宙平均密度的10～100倍，在一些富星系团内能够达到平均密度的1000倍以上。

　　以地球的观察角度来说，星系际介质通常是被电离的气体。这些介质具有很高的温度。当宇宙中的气体从空旷的宇宙空间进入星系际介质时，温度会提高到10开，这个温度能够使氢原子相撞时产生自由电子。像这样具有温度的星系际介质被称为温热星系际介质。通过使用数学模型在电脑上模拟这一过程，我们可以发现宇宙中大约一半的物质都可能是以这种具有一定温度的低密度状态存在的。气体从温热星系际介质进入星系团后，温度会继续升高，达到100开以上。

宇宙有多少星系？首先你得了解什么是星系

　　在人类能够观测到的宇宙范围内，拥有超过1000亿个星系。这些星系能够形成庞大的星系群或者星系团，这些星系团又会形成更大的超星系团。从远处看它们像纤维状的薄片一样，在宇宙中围绕着某个巨大的空洞旋转。


　　星系中还存在着许多暗物质。虽然我们对暗物质还没有深入的了解，但是能够推算出在很多星系中这些暗物质所占的质量都超过90%。同时，根据我们的观测，大多数星系的核心都有一个超大质量的黑洞，这些黑洞能够解释为什么有些星系的核心非常活跃。我们太阳系所在的银河系，也具有一个隐藏着的黑洞核心。


　　星系的大小往往具有很大的差距。小型的不规则星系通常直径在6500光年到2.9万光年之间。银河系这样的旋涡星系的直径通常在1.6万光年至16万光年之间。椭圆星系的体形较大，最大的椭圆星系的直径能够达到49万光年。星系中拥有数千亿颗恒星，具有的质量相当于太阳质量的100倍至1万亿倍。星系内部的恒星进行运动，星系本身围绕核心自转，星系作为一个系统在宇宙中也进行运动。在过去，天文学家曾经认为，星系的自转沿顺时针方向和沿逆时针方向的概率相同，但是经过观察，我们可以看到沿逆时针方向自转的星系数量更多。

宇宙有多少星系？首先你得了解什么是星系

　　星系在宇宙微波背景上具有红移现象，这就说明在空间方向上这些星系是在逐渐远离我们的。这个现象从一个角度上证明了宇宙大爆炸理论，也能说明宇宙正在膨胀。

　　从大尺度上来说，星系是基本均匀的。但是从更小的尺度上来看，星系内部十分不均匀。大麦哲伦星系与小麦哲伦星系组成了双重星系，这个系统与银河系一起又形成了一个三重星系。
　　很少有星系在宇宙中是单独存在的，通常来说星系都被看做视场星系。很多星系和其他星系之间存在着重力的相互作用。如果有50个左右的星系在一起形成一个群落，这样的星系群落就被称为星系群。规模更大、包含星系更多的群落则被称为星系集团。这样的集团通常以一个巨大的椭圆星系作为核心。这个星系的巨大引力会将邻近的星系撕碎，加入自己的星系中。在更大的尺度上，还存在着超星系集团，其中包含数万个星系、星系群和星系集团。在这个尺度上，星系仿佛一个薄片，在各个方向都呈现出同性和均质。

　　二、星系的形成和演化

　　星系的形成和演化说法不一，其中的一些理论被普遍接受，另一些还存在争议。关于星系的形成有两种不同的理论。其中一种理论认为，星系是和宇宙一起诞生的，始于137亿年前的宇宙大爆炸。还有一种理论认为，星系是由宇宙尘埃的结合形成的。该理论认为，宇宙本来具有很多球状星团，这些星团发生碰撞并毁灭，留下了很多宇宙尘埃，这些尘埃经过漫长的岁月，就形成了星系。直到今天，关于“星系究竟是如何形成的”这一问题还没有出现一个统一的理论。

宇宙有多少星系？首先你得了解什么是星系

　　根据宇宙大爆炸理论，宇宙中最古老的星系应该形成于爆炸发生后的10亿年左右。宇宙刚出现的时候，经历了能量的巨大爆发，随着宇宙温度的降低和膨胀，引力的作用越来越明显。这个时期的宇宙进入了一个能量暴涨的阶段。随着这个暴涨的过程，原始能量中的微小涨落被放大了，在宇宙空间形成了一些沟状的结构，在这些沟里就形成了最早的星系团。

　　宇宙的暴涨持续时间很短，转瞬即逝。之后，宇宙的膨胀速度又恢复到了正常水平，和今天的水平类似。宇宙诞生的第一秒钟，在宇宙温度降低和膨胀作用的双重影响下，一些能量密度较大的区域中，出现了大量的质子、中子和电子。100秒之后，这些质子和中子彼此结合，形成了氦原子核。在接下来不到2分钟的时间里，构成所有物质的成分都出现了。从这时起又经过了30万年，宇宙的温度继续下降，氢原子核和氦原子核已经能够俘获电子，并且形成氢原子和氦原子。这些原子通过引力聚集起来，形成纤维状的宇宙物质云。


　　在宇宙大爆炸发生之后的10亿年，这些原子云结合成更为致密的云团。原始星系就在这些云团中逐渐形成了。这时，宇宙的尺度还不是太大，原始星系之间的距离很小，所以相互之间具有很强的作用。一些规模较大但是密度很小的云团中，逐渐凝聚出更小的云，其他部分会被别的云撕碎并吸引过去。由于引力不断吸引氢原子和氦原子，原始星系的质量不断增大，引力也随之增大，就会吸引更多气体云。随着时间的推移，每个云团的运动和彼此之间的相互作用终于使整个原始星系开始了自转。在巨大的引力下，云团开始坍缩。自转速度快一些的星系形成了盘状，慢一些的形成了椭圆状。


　　这些原始星系从宇宙中吸引了大量物质之后，恒星就在其中逐渐形成了。这时候，宇宙看起来已经与今天的样貌有些相似。星系在宇宙中的气体云中成群结队地出现，仿佛地球的海洋上点缀着的群岛。很多星系组成巨大的星系团，在星系际介质的包围下，形成长达数亿光年的纤维状结构。这些星系群在大尺度空间下，形成一个球形。

　　在宇宙中，星系的分布呈现出网状。从更大的尺度上来看，星系的中央是类似气泡的空白区，整体上形成的是类似神经网络一样的结构，这就是宇宙的大尺度分布。人类所在的银河系，是一个星系群中的一分子。这个星系群的规模不大，其中最大的两个星系分别是银河系和仙女座星系。星系群中的其他矮星系是这两个大星系的卫星星系。

　　三、星系的种类

　　在对星系的观测中，我们通常是以能够观察到的星系的形状来进行分类的。宇宙中最常见的星系是椭圆星系，这样的星系呈椭圆状，十分明亮。螺旋星系的形状是圆盘状的，具有弯曲的旋臂。还有一些星系的形状不规则，造成这种情况的原因多数是附近的星系的引力影响。两个相邻的星系之间产生相互作用时，可能造成大量的恒星，形成星爆星系，甚至造成两个星系合并在一起，最终形成一个更大的星系。还有一些小型的星系，不具备稳定的结构，这就是不规则星系。下面，我们介绍宇宙中存在的几种主要的星系。


　　1. 椭圆星系


　　椭圆星系从外观上来看呈现出正圆形或者椭圆形，核心十分明亮，相对来说边缘比较暗淡。尽管同属于一个类型，但是椭圆星系在质量上存在很大的差别，根据哈勃星系分类法，椭圆星系能够被分为从E0到E7的八个次型。其中，E0型接近于正圆形，而E7型是最扁的。通常来说，椭圆星系诞生于宇宙形成的早期，其中的恒星大部分已经定型并且开始衰老，尽管也会有新的恒星诞生，但是数量很少。椭圆星系一般来说会发出红色或黄色的光，这一点与螺旋星系有很大的差别。螺旋星系的旋臂上有很多表面温度很高的年轻恒星，发出淡蓝色的光芒。

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　　质量最小的矮椭圆星系和球状星团相当，超巨型椭圆星系质量最大，在宇宙中也可能属于最大的恒星系统，在质量上大约是太阳的千万倍到百万亿倍，在光度幅度上从绝对星等-9等到-23等。椭圆星系质量光度比大约是50～100，而螺旋星系的质量光度比大约是2～15。这说明在产能效率上椭圆星系要比旋涡星系低很多。椭圆星系的直径范围在1～150千秒差距。总光谱型为K型，具有红巨星的光谱特征。在颜色上，椭圆星系要比旋涡星系发红，这表明其年轻的成员星要比螺旋星系的少，由星族Ⅱ天体组成，星际气体和星际尘埃非常少或没有，典型的星族Ⅰ天体蓝巨星在椭圆星系中是不存在的。



　　在关于星系是如何形成的这个问题上，一些科学家持有一种观点，他们认为当两个螺旋星系发生碰撞和合并时，就会形成椭圆星系。通过天文观测我们能够知道，螺旋星系中的恒星都很年轻，但是在椭圆星系中则有完全不同的情况，那里的恒星都已经走向了衰老。这就意味着，螺旋星系是先诞生的，而后发生了合并，形成了椭圆星系。有科学家在计算机上模拟了这种理论，得到的结果表明，两个螺旋星系发生碰撞后，是有可能形成椭圆星系的。这个过程会形成一个新的星系，呈椭圆形，并且有一个和椭圆星系高度类似的星系盘的核心。椭圆星系出现在具有紧密的星系群的星系团中，并且通常靠近星系团的核心。在一些椭圆星系中发现了发出蓝色光芒的年轻恒星，这种情况通常被认为是椭圆星系和其他星系发生了合并，并形成了新的恒星。

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　　加拿大天文学家考门迪经过观测发现，在有些大于普通椭圆星系质量的巨型椭圆星系中心，其亮度分布会呈现出异常的现象，并且在星系的中心部分似乎还存在另外一个核。考门迪认为造成这种情况的原因可能是巨型椭圆星系将另一个质量较小的椭圆星系吞噬了。这种形态的星系在宇宙形成的早期发生合并的现象可能很普遍，发生的频率也很高。较小的星系发生合并，会涉及两个质量不同的星系，对于椭圆星系的质量来说是没有限制的。在银河系中，有一个小的星系就正在进行着合并。



　　椭圆星系的质量和尺度的范围非常广泛，一个小型的椭圆星系的质量可能仅为107倍太阳的质量，但是大型的椭圆星系能够达到接近1013亿倍太阳的质量。与典型的球状星团相比，最小的矮椭圆星系是个不折不扣的小个子，但它所拥有的暗物质数量庞大，因此不能将它归入星团一类。矮椭圆星系不一定就是真的椭圆星系，从特征上看，它们很像是不规则星系与晚期的螺旋星系，它们常被天文学家称为“矮椭球”，至于它们属于哪种星系，目前还存在争议。


　　在物理类型上椭圆星系可分为两种，其一是“盒状的”巨大椭圆星系，它的出现是因为一些区域的不规则运动比其他区域明显，其二是“盘状的”椭圆星系，它的质量和体积都属于普通大小，亮度低，有着各向同性的随机运动，并且能够被星系自转拉平。

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　　远古的巨大椭圆星系，有可能孕育了生命，矮星系孕育生命的概率最低，而银河系则处于这两者之间。科学家们对于最有可能孕育生命的星系的研究，已经在逐渐缩小勘测的范围。英国达勒姆大学帕拉蒂卡·达亚尔在这类研究中，将不同星系与存在生命形式的银河系做了对比，认为宜居星系的重要条件是拥有大量行星环绕的恒星，同时恒星的数量较少，这样能够降低超新星数量。在宇宙中对生命体威胁最大的区域就是带有大量新生恒星的矮星系，因为在这类星系内会发生定期的超新星爆炸，对整个星系造成灾难。超新星的爆炸对附近的星体有可能造成物种的灭绝，近代恒星形成的数量较低，这说明超新星引爆的可能性也相应降低。


　　经过对银河系内超新星的比例的观测，达亚尔认为，巨型椭圆星系的质量是银河系的两倍多，但不稳定，年轻恒星的数量却很少，不足银河系的十分之一。假如在银河系内有一颗行星宜居，巨型椭圆星系所拥有的宜居行星就会达到上万颗。


　　对这个问题，美国内华达州立大学的一位科学家做了进一步的研究，他说：“我们并非仅需要考虑超新星，伽马射线暴同样限制了生命的诞生。科学家们通常认为，地球在过去的5亿年里仅出现过一次伽马射线暴，就可能导致了4.4亿年前奥陶纪物种大灭绝，相比之下，同一时间表内活跃矮星系中的类地行星可能已经遭受了100次伽马射线暴。”



　　2. 不规则星系


　　不规则星系，指的是具有不规则的形状，内部没有明显的星系核或者旋臂，不具有盘状的对称结构也不具有螺旋对称性的星系。在哈勃序列中，起初并不包含不规则星系。因为这些星系虽然也是恒星的群落，但是通常没有旋涡或者对称的椭圆状形态。这些星系的外观十分不规则，而且不存在一个明显的星系核心。不规则星系的尺度通常较小，直径在0.65万光年到2.9万光年之间。在天空中可以被观察到的所有星系中，不规则星系的数量大约为5%。


　　这些星系可以用Irr来表示。按照星系分类的标准，不规则星系还可以进一步细分为IrrⅠ型和IrrⅡ型两种。Ⅰ型不规则星系是具有一般特征的不规则星系，其中的一部分呈棒状结构，并且这一结构也是不规则的。这些星系都属于矮星系，质量相当于太阳质量的1亿倍到10亿倍。当然，也存在一些较大的星系，能够达到太阳质量的100亿倍。这些星系的体积非常小，组成星系的星族与螺旋星系十分接近。Ⅱ型不规则星系则可能是正在发生爆炸或者爆炸刚刚结束的星系，还有一些是受附近的星系的引力干扰发生扭曲，形成不规则星系。所以这两种类型的星系具有完全不同的起源，不能混为一谈。

宇宙有多少星系？首先你得了解什么是星系

　　在距离我们不到1000万光年的地方，有一个名为NGC2366的不规则星系。它的内部有两个星团，其中正要形成新生的恒星。其中一个星团位于下方，年龄仅为200万年，处于一片宇宙尘埃和气体云中，是刚刚诞生的幼年星团。还有一个星团位于该星系顶端，年龄稍大，大约为400万～500万年。这个星团中的恒星发出了强烈的能量辐射，把星团中的气体几乎吹了个干净。和太阳相比，这两个星团中正在形成的恒星的质量都很大，所以寿命会很短。其中最明亮的一颗恒星呈现出明亮的蓝色，质量相当于太阳的30～60倍。这样的大型恒星，会发生十分剧烈的亮度变化。通过哈勃望远镜对这个星团进行长期观测的结果表明，在三年的时间里，这颗蓝色恒星的亮度增加了40倍，是这个星系中最明亮的恒星。


　　3. 螺旋星系


　　在人类已经观测到的星系中，要数螺旋星系的数量最多、外观最美丽。它们是由恒星和大量的宇宙尘埃和星际气体云组成的，是一种具有旋臂的扁平状星系。螺旋星系具有旋涡状的结构，在哈勃星系分类标准中，用S来表示。科学家是于1845年对猎犬座星系M51进行观测时发现螺旋星系具有螺旋结构的。


　　这类星系之所以被称为螺旋星系，是因为星系盘上从核球向外具有呈对数的螺旋结构，而且具有由恒星组成的旋臂。有些螺旋星系的旋臂因为具有丛生的絮结，所以分辨起来会有些困难。但是根据旋臂这个特征，可以和具有星系盘结构但是没有旋臂的透镜星系区分开来。在螺旋星系的星系盘外，经常会包裹着庞大的球形星系晕。这些星系晕中主要的组成部分是Ⅱ星族恒星，同样的恒星还会出现在围绕星系核运动的球状星团内。


　　无论在形态结构上还是在恒星成分上，螺旋星系都和椭圆星系存在区别，只是螺旋星系的核部有个椭圆形的外观。大量的蓝巨星、疏散星团和气体星云存在于螺旋星系的旋臂内，其中最有代表性的就是仙女座星系M31，它距离银河系非常近，就像一片薄薄的云彩飘在空中，我们用肉眼就能隐约发现它。


　　通过使用哈勃太空望远镜进行观测，天文学家们发现，现在看起来十分美丽的螺旋星系，在诞生的早期都曾经是丑小鸭。科学家们通过分析认为，在宇宙中刚形成星系时，螺旋星系的模样和如今有很大区别，呈现出一种丑陋且畸形的形状，后来才随着时间的推移进化为螺旋状。


　　在60亿年前，我们的银河系也呈现出一种奇异的形状，后来这些具有奇怪外表的星系相互碰撞合并，形成了如今的螺旋星系。科学家们通常认为，从80亿年前开始，星系的碰撞就已经不再频繁出现了，但是直到40亿年前，这样的事件仍然时有发生。


　　有一种获得普遍认同的观点，那就是星系的碰撞和合并将会形成椭圆星系。但是另一种观点与之完全相反，一些科学家认为，星系之间发生合并的结果是产生螺旋星系。银河系的形成相对来说比较平静，它似乎躲开了一些十分剧烈的撞击。但是距离银河系不远的仙女座星系的命运就比较曲折，它经历了一个漫长的进化和改造过程。


　　螺旋星系的旋臂是由星系的核心延伸出来的旋涡和短棒组成的区域，这些长且薄的区域类似旋涡。一个具有星系核的星系在宇宙中运动时，如果遇到了另一个具有星系核的星系，并且它们具有相近的运动速度，就会发生互相吞噬和融合的情况，组成一个大星系。两个星系的星系核碰到一起之后，会形成一个共同质心并且围绕着这个质心相互转动，组成一个更大的星系核。这个星系核会向两极发射强大的能量，就如一个星系发电机一样。星系核越大，喷射的能量就越大，喷出的粒子流也就更远。当星系核向外喷射粒子时，内部的能量会被大量消耗。但是，当它和其他星系发生融合时，能量就会得到补充。星系核的能量减小时，会出现两条喷射的粒子流形成的光带。如果星系核的磁轴围绕着自转轴旋转，喷流会发生弯曲，形成星系的旋臂，旋臂中是恒星能够大量诞生的活跃区域。


　　科学家们曾经十分不理解旋臂为何能够存在，因为当星系进行自转时，外层的恒星运动速度要大于距离核心更近的恒星运动速度。实际上，并不是恒星的运动形成了螺旋臂结构，而是螺旋中的密度波造成了恒星的大量出现。因此，虽然螺旋臂因为拥有很多刚诞生的恒星而非常明亮，但是并非是恒星的运动形成了螺旋臂。

　　螺旋星系的核球十分巨大，它们存在于螺旋星系的中心，身边紧紧围绕着大批恒星。核球的组成部分大多是Ⅱ星族的恒星，它们都已经十分衰老，体积很小，温度也很低，呈现出红色。这些恒星的年龄和整个星系一样大，都有数十亿年了。只有这些小型的低温恒星能够具有如此漫长的寿命。

　　还有一些核球中存在年轻的Ⅰ星族蓝色恒星，它们和红色的年老恒星混合在一起。虽然我们目前无法对这种现象做出圆满的解释，但是通常认为这代表了星系的融合。当星系互相碰撞和吞噬时，新的宇宙气体云会进入星系中心，并且形成恒星。


　　在螺旋星系中，大部分恒星要么是在星系盘面上运行，要么就是围绕星系的核球在常规轨道上运行。还有一些形成了星系扁球体，同时围绕核球运行。这些星系扁球体通常都是集中在星系中间的，目前对它们的运行轨道仍然存在争议。这些球体的运行方向十分杂乱，有些是顺时针运行，有些是逆时针运行，还有一些具有很高的倾斜角，在不规则轨道上运行。这些星系扁球体中的恒星可能原本并不属于这个星系，而是外来者，是因为星系的碰撞和融合才进入这个星系的。比如，银河系正在吞噬人马座的椭圆矮星系，观测显示，银河系的银晕中出现了来自这个星系的恒星。


　　与星系盘不同的是，星系的外晕中的星际尘埃可能处于自由状态。如果更深入地进行对比，那么可以发现星系晕中都是Ⅱ星族恒星，而且恒星具有的金属元素含量远低于星系盘中的Ⅰ星族恒星。在星系晕中存在很多球状星团。


　　星系晕中的恒星可能在运行过程中和星系盘发生交叉。离太阳系不远的一些红矮星通常被看做是来自星系晕的恒星。因为它们围绕星系运行的轨道十分不规则，所以总是会出现一些看似不正常的运动轨迹。


　　下面我们来介绍螺旋星系的几种代表星系：


　　(1)涡状星系


　　前面提到的人类发现的首个螺旋星系是涡状星系，也被称为M51。这个星系位于猎犬座，在北方的天空中可以观察到它。这个星系距离地球2300万光年，直径约为65000光年。
　　1773年，法国天文学家梅西耶发现了涡状星系。1781年，天文学家梅香又发现了它的伴星系，并命名为NGC5159。它的螺旋结构是威廉·帕森斯发现的，他使用了一台位于爱尔兰的大口径发射望远镜取得了这个发现成果。2005年，天文学家又在该星系内发现了一颗超新星爆发，最大亮度达到14星等。


　　(2)向日葵星系


　　向日葵星系，同样位于猎犬座，和M51属于同一个星系群，也是一个螺旋星系。1779年，天文学家梅香发现了这个星系，后来被梅西耶收入星表中，并编号为M63。这个星系是在19世纪中期被确认为螺旋星系的，是第一个被确定结构的星系。


　　(3)三角座星系


　　三角座星系，也被称为M33。这是一个螺旋星系，和地球之间的距离为314万光年。三角座星系在银河系所在的星系群中是第三大的，前两名分别是仙女座和银河系。三角座星系虽然可能受到仙女座的引力影响，但是仍然可以称作是一个较大的螺旋星系。这个星系的伴星系是双鱼座矮星系，又被称为LGS3。


　　如果天空中的观测环境良好，我们能通过肉眼直接观察到三角座星系。它是为数不多的不凭借其他设备就可以观测的星系，但是容易被误认为附近的NGC752。
　　2005年，科学家们使用超长基线阵列对三角座星系的角动量和自转进行了估算，计算的结果是三角座星系正在向仙女座星系靠近，运动速度约为190±60千米/秒。


　　(4)仙女座星系


　　仙女座星系是银河系所在的星系群中最大的星系。这个星系还被称为M31，距离地球约250万光年。在人类肉眼可见的星体中，仙女座星系是体积最大的。通过美国国家航空航天局发射的深空望远镜史匹哲太空望远镜，我们能够发现仙女座拥有将近1兆颗恒星，比我们的银河系拥有的恒星数量——约为1000亿颗——要多得多。在2006年，经过重新估算，科学家们认为，银河系的质量大约仅为仙女座星系的一半。

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　　仙女座星系在适宜的观测条件下可以用肉眼看到，但是这仅限于在偏远的小镇和荒无人烟的地区，远离人口集中区和光污染区，才能清晰地看到仙女座星系。在肉眼观测下，仙女座星系显得非常小，因为它只有中心区的亮度足够高，但是这个星系的角直径实际上比满月在天空的直径还要大上7倍。


　　(5)大螺旋星系


　　大螺旋星系，又被称为NGC123。这个巨大的星系的迷人之处在于，它包含着大量美丽的蓝色恒星。这些蓝色的星体在星际尘埃和气体云中形成旋涡，而不为人所知的暗物质在旋涡的边缘隐藏着。


　　4. 棒旋星系


　　作为旋涡星系的核心，棒旋星系有明亮的恒星凝聚成的短棒，这条短棒从星系的中心穿越，而星系的旋臂就像从短棒的末端涌到星系中。相比之下，对于一般的螺旋星系来说，恒星是从核心直接涌出的。从星系的分类看，为了与正常螺旋星系S相区别，棒旋星系用符号SB表示。


　　棒旋星系在全天的亮星系中大约占了15%。而在较暗的星系中，它的比例会提高到25%。从质量、光度、光谱以及成员天体的星族类型、气体和尘埃的分布、星系盘和星系晕的结构以及空间分布的特点等方面看，棒旋星系与正常的螺旋星系都是相似的。按照哈勃分类法和沃库勒分类法，棒旋星系可分为三类：第一类是正常棒旋星系，第二类是透镜型棒旋星系，第三类是不规则棒旋星系。


　　所谓正常棒旋星系，最明显的特征就是棒状的结构，旋臂从棒端伸出，一般来说和棒体形成90度。根据旋臂的不同，这一类棒旋星系可以被分为三个次型，前两种次型的棒旋星系具有光滑的棒状结构，但是第三种次型的棒体和旋臂中，存在一些能够被明显观测到的亮星、亮节或者亮团。


　　透镜型棒旋星系没有旋臂，这是和正常棒旋星系之间的显著区别。透镜型棒旋星系的外形看起来与希腊字母Θ十分相似。这一类星系的中心区有一个明亮的星系核心，核外是一圈亮度较暗的星系盘。星系的棒状结构的两端和星系盘的边缘交汇在一起，但是无法形成旋臂。


　　不规则棒旋星系根据其旋臂结构的不规则性分为几种。我们现在还无法确定的是，这一类棒旋星系的棒状结构是否同样位于星系的核心区域。这些星系的棒状结构在整个星系中的光度大约为10%～20%，并且颜色与旋臂相比显得更红一些。


　　棒旋星系在运动方面具有如下几个较为主要的特征：


　　第一，通常来说，棒旋星系具有一个质量很大的核心，这个核心具有十分复杂的空间结构，运动的速度很快，并且运动形态也很复杂。
　　第二，在棒状结构的内部，以及该结构附近的恒星和星系介质会进行非圆周运动。第三，在棒旋星系的外侧，星系盘是最主要的结构，在整个星系中占有很大的质量，星系盘围绕星系进行角差运动。


　　根据科学家们的分析和推测，当螺旋星系在引力作用下将大量星际气体云送入星系的中心地带时，就会在核心产生一个棒状结构，其中会孕育出许多新的恒星。另外，在大多数星系中都存在一个大质量的黑洞，这个黑洞也会吞噬星际气体云。


　　棒旋星系中，年龄较大的红色恒星的数量远比蓝色的年轻恒星要多。科学家们认为，当一个星系中央出现了棒状结构，就说明该星系已经步入了中年。在宇宙形成的初期，只有不到五分之一的螺旋星系中能够发现棒状结构，但是到了现在，已经有超过三分之二的螺旋星系变成了棒旋星系。这个观测结果，与科学家之前做出的预测是相符的。


　　5. 矮星系


　　在宇宙中的众多星系中，矮星系的亮度是最弱的。通常来说，矮星系的绝对星等只有-8等到-16等。一些矮星系属于不规则星系，还有一些属于小型的椭圆星系。这两类矮星系的规模都不大，包含的恒星数量也很少。椭圆矮星系是所有椭圆星系中体积和质量最小的，还有一些矮星系与球状星团相似，但是直径要更大一些，大约为球状星团直径的10倍。


　　我们的银河系所处的星系群中，总共有40个星系，其中矮星系的数量就达到了20个。这个现象能够说明，在全部星系中，矮星系所占的比例是相当大的。因为矮星系的亮度很低，所以矮星系非常难以被观测到，但是它们的数量却比大型星系多出许多。在银河系附近的星系团中也发现了大量矮星系。


　　矮星系虽然在整个宇宙的尺度属于小型的天体系统，但是在宇宙的进化过程中，矮星系发挥了十分重要的作用。一些天文学家认为，矮星系是宇宙中最先形成的星系形式，较大的星系是由矮星系组成的。到目前为止，宇宙中数量最多的星系形式就是矮星系，其中的天体也是宇宙中最多的。这些矮星系是宇宙最基本的组成部分。用来模拟宇宙进化的模型显示出了宇宙中矮星系的数量很多，所以在宇宙中的实际数量可能比科学家之前预想的要多得多。

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　　6. 活动星系


　　除了普通的正常星系以外，还有很多星系存在着剧烈的活动，尤其是这些星系的核心部分，活动相当剧烈。因此，这些星系和星系核就被称为活动星系和活动星系核。活动星系包括类星体(QSO)、塞弗特星系、射电星系、蝎虎座BL型天体等。


　　绝大多数活动星系和我们银河系的距离都十分遥远。这从某种程度上可以表明，我们观察到的现象发生在它们刚诞生不久的时候，因为它们发出的光线需要经过数百万年乃至数亿年才能来到地球。所以这让很多天文学家断定，在星系形成的早期，都会经历类似的过程。


　　活动星系的最大特点是，在这类星系的中央有一个极小但是亮度极高的核心，这就是活动星系核。活动星系核存在着剧烈的活动和爆发。科学家通过观测其各个波段，根据射电、红外、光学以及X射线光度的变化，估算出各个辐射区域的大小，长度一般为几十个光分、几个光小时，最长的也仅仅达到光年量级。因此，与整个活动星系相比，核活动的区域是极其微小的。然而，虽然核活动的区域非常小，但它释放出来的能量却极其大，例如，一颗类星体所释放出来的能量比银河系一生所释放出来的能量总和还要大。


　　活动星系还具有强大的非热连续光谱，光谱中的发射型很宽。一些活动星系的光变十分迅速，时标为几小时。还有些活动星系中存在喷流等爆发现象。类星体和蝎虎座BL型天体这一类活动星系的辐射，大部分源自活动星系核，其他区域几乎不具有能量辐射。活动星系的总数大约相当于所有普通星系总数的1%，能够存活的时间大约为1亿年。人们对这种星系还知之甚少，所以关于活动星系的研究正在成为天文学和天体物理研究领域的热点。


　　我们在对活动星系核的特征进行总结时，主要的分类依据是观测时使用的手段，与星系核本身的关系不大，因此很多活动星系的特征是相互混杂的。但是即便是这样，仍然可以大致分成几类。


　　塞弗特星系是人类发现的第一种活动星系，因为它的发现者是美国天文学家卡尔·塞弗特，所以被命名为塞弗特星系。这种星系具有一个十分明显的核，是一个螺旋星系。该星系能够发出很强的电离射线，具有很宽的谱线。这类星系通常都不发射无线电波，但是能够发射出很强的红外线。根据发出的射线宽度，能够将塞弗特星系分为Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型塞弗特星系的射线具有很宽的谱线，根据测算能够得出它是由高速旋转的氢气云形成的。Ⅱ型塞弗特星系的发射谱线很窄，虽然含有氢气体，但是并未形成高速的气体云。


　　类星体与塞弗特星系非常相似，但是类星体中心的核的运动更加剧烈。在天空中，这些星系的核心看起来就像是恒星一样，所以才被称作类星体。但是使用分光镜进行分析，发现这些发光点并非恒星。从这些星系发射的光谱谱线产生的红移能够知道，它们距离地球都十分遥远，是已知的离我们最为遥远的天体之一。和塞弗特星系的相同点是，它们既可能保持射电静默，也可能成为射电源。通常情况下，类星体的亮度都很高，是普通星系亮度的1000倍左右。


　　1963年，科学家首次发现了类星体。从宇宙局部的照片来看，类星体只是一颗普普通通的恒星，但如果把这颗类星体放大，就会发现它与恒星是不同的。因为它的外层包裹着云状的气体物质，同时还会发生喷流现象。类星体所含的元素与地球上的元素是相同的，但从光谱来看，它们二者的光谱线并不在同一个位置上，这是因为红移的影响，只要把地球元素的光谱线乘以红移系数，就与类星体的光谱线重合了。最早被确认为红移的类星体是3C273，其红移达到了0.158，距离地球大约20亿光年。


　　射电星系正如它的名称所示，无线电波段具有最强的辐射强度。和其他星系的点辐射源不同，这种星系从位于星系两侧的巨大辐射瓣中发出射线。星系中通常具有两个辐射源，所以也被称为双源性射电星系。这些星系大多是椭圆星系，根据发射的谱线宽度不同，分为宽线射电星系和窄线射电星系。


　　蝎虎座BL型天体具有一个非常明亮的星系核，如果进行短时间曝光，和普通的恒星十分相似。这类星体具有快速光变，射电辐射的偏振也十分强烈。它发出的射线光谱中，都没有发射线和吸收线，所以只能从它的宿主星系发出的光谱中推断出它的红移。


　　光学剧变类星体的光度变化十分明显，而且通常是很强的射电源。这类星体和蝎虎座BL型天体有一个统称，被称为耀变体。耀变体在很多方面与类星体十分相似，但是不同点在于没有谱线。低电离核发射线区的星系核的亮度不强，而且它的核发射线区是低电离的。这样的星系有时也被看做是低光度的Ⅱ型塞弗特星系。


　　窄线X射线星系能够发出高电离射线，这一点与塞弗特星系相似。但是这类星系的亮度很低。也可以被看做是光谱受到星系内尘埃消光的塞弗特星系。
　　星爆星系中有很大的恒星形成区，与发出的可见光相比，它的红外线光度更强。这种星系多数是螺旋星系，虽然被称为活动星系，但是与星系核的关系目前还不能确定。
　　除此之外，活动星系还包括N星系、兹威基星系、高偏振类星体(HPQ)、低光度活跃星系核(MAGN)、热星体(Warmer)等。根据星系发出的射线的波段，还能够分为射电静星系核与射电噪星系核两种。射电静星系核中包括塞弗特星系等，而射电噪星系核包括耀变体和射电星系。


　　四、对星系的探索和发现


　　早在1610年，意大利科学家伽利略就自己制造了天文望远镜，并且利用望远镜来观测天空中的明亮光带，这个光带就是银河系。通过观测，伽利略发现这个光带由数量众多但是亮度不高的恒星组成。康德曾经提到，他利用托马斯·怀特绘制的星图，推测星系可能是由大量的恒星在引力作用下组合在一起形成的。它的本质与我们所处的太阳系一样，但是规模更大。这些恒星形成一个盘状，当我们身处这个盘状物的内部时，它看起来就像是一条光带。同时康德还认为，天空中星云也可能是星系。


　　到了18世纪后期，法国天文学家梅西耶绘制了星表，其中包含103个亮度很高的星云。过了没多久，英国天文学家威廉·赫歇尔也发表了一份包含5000个星云的目录。进入19世纪之后，1845年，科学家罗斯使用更为先进的望远镜，能够在宇宙中分辨出螺旋星系和椭圆星系，并且在很多星云中发现了独立的光点，初步验证了康德的猜想。但是这时的科学家们尚未一致认为星云是距离遥远的独立星系。


　　哈勃于1936年制定了哈勃序列，这个方法至今仍在被使用着。哈罗·夏普里建立了一个模型，认为银河系是一个扁平的盘状，太阳系距离这个盘状的核心非常遥远。1930年，天文学家罗伯特利用疏散星团分析了星际尘埃在银河系盘状的面上对光线的吸收，得出了银河系的实际图景。1944年，亨德里克对氢原子的辐射进行了预测，到了1951年，来自星际空间的氢原子辐射就被发现了。通过这种辐射，我们能够对宇宙物质和星系进行更深入的研究，因为这些辐射不会被宇宙尘埃干扰，能够反映出星系中的气体移动。这些观测结果让科学家做出了转动的假设，并进一步发现了星系中央的棒状结构。在射电望远镜的配合下，科学家们陆续追踪到了一些河外星系中的氢原子。1970年，维拉·鲁宾发现星系中能够被观察到的物质总量无法解释星系中的气体的移动速度，这个发现导致人们提出了暗物质的理论。


　　20世纪90年代，哈勃太空望远镜升空了。因为没有了大气层的干扰，人们对太空的观测效率大大提高了。而且通过哈勃望远镜的观测结果能够确定，很多神秘的天体不只是宇宙中的暗弱天体。著名的哈勃深空就说明了这一点。哈勃望远镜对太空中的一个区域进行了长时间连续的曝光，发现在一小块区域就存在大量星系和星系团，进而得出宇宙中可能存在的星系总量可能多达1750亿个。科学家们又改进了光谱探测技术，能够在不可见光波段对太空进行观察，能够找到哈勃望远镜无法直接观测到的遥远星系。尤其是使用这些仪器对太空中被银河系遮蔽的部分进行观测，找到了为数众多的新星系。2011年，欧洲宇航局召开新闻发布会，宣称一个研究小组发现了一个古老的星系。这个星系的寿命据称已经有135.5亿年，是我们目前能够发现的最古老的星系。这个发现能够帮助我们更好地了解宇宙经历的所谓黑暗时代。根据宇宙大爆炸理论，宇宙是由一个奇点发生爆炸形成的，爆炸发生在距今137亿年前。爆炸发生后，宇宙开始向外膨胀，温度也逐渐下降，在38万年后，能量凝结成了物质，宇宙中出现了大量弥漫的氢元素。这时因为宇宙中没有能够发光的物质，所以此时的宇宙一片黑暗。后来尽管出现了最早的恒星和星系，但是它们发出的光被宇宙中的氢气云遮掩，所以仍然很暗。直到宇宙诞生10亿年后，星系开始大量出现，它们产生的电磁辐射驱散了氢气云，宇宙才开始逐渐变得明亮起来。这长达10亿年的时间就是宇宙的黑暗时代。当今天文学和宇宙学研究的一个重点就是黑暗时代，而在这一时期诞生的星系能够帮助我们对这个时代的情况得到更多的了解。


　　2012年，一个天文学研究小组使用哈勃望远镜又发现了一个古老星系。这个星系形成于宇宙刚刚诞生的2亿年内。这个古老的星系同样能够使我们对宇宙诞生早期的景象和结构获得更多的认识。


　　以美国天文学家理查德·埃里斯为首的一些天体物理学家在加州理工学院发现了目前已知的与地球的距离最为遥远的星系。这个星系距离我们极其遥远，距离地球约为130亿光年。这个星系尺度很小，直径只有2000光年左右。相比之下，我们的银河系的直径有10万光年。


　　研究人员使用两个天文望远镜来对这个星系进行观测，并最终发现了它。除了使用这两个巨大的天文望远镜外，科学家们还利用了阿贝尔2218星系团的引力透镜作用，找到了这个星系发出的光线。引力透镜作用是爱因斯坦发现的。当光线在宇宙中传播时，会在巨大的引力作用下发生扭曲，产生类似透镜的效果。通常来说，我们感觉不到这种作用带来的影响，但是如果光线是来自数十亿光年之外，那么就会产生非常明显的效果。一位天文物理学家表示，这样遥远并且尺度很小的星系，如果没有引力透镜作用，是根本不可能被我们发现的。


　　哈佛大学的天体物理学家罗伯特认为，此次发现的最遥远星系对天文学的研究将起到重要的作用，因为这个发现能够证实许多科学家过去进行的猜测，还能让人们知道宇宙中究竟是什么时候开始发出光亮的。理查德表示，科学家们曾经认为在宇宙诞生的初期形成的星系内包含的恒星和现代的星系中的恒星存在巨大区别;但是通过对这一星系的观测我们可以发现，宇宙的黑暗时代形成的恒星与后来诞生的恒星并没有多大的差异。