3 星系和類星體

星系在大爆炸后的10億年中出現(xiàn)，它們來(lái)自于因?yàn)樽陨淼囊Πl(fā)生崩塌的巨大物質(zhì)云。隨著它們的成形，它們所累生的物質(zhì)也開(kāi)始崩塌。在這持續(xù)的碎片化過(guò)程中，較小的物質(zhì)團(tuán)形成了恒星。于是星系在它們內(nèi)部恒星形成的同時(shí)形成了。

星系是大量恒星以及其他較暗物質(zhì)的集合。一些星系只包含了老年恒星；有的星系中則存在不斷生成新恒星的區(qū)域。星系可能包含數(shù)百萬(wàn)顆恒星，也有著多種形狀。

太陽(yáng)屬于銀河系，銀河系里的恒星分布在一個(gè)平坦的螺旋盤狀結(jié)構(gòu)中。在沒(méi)有儀器輔助下我們?nèi)庋鬯芸吹降拿款w星星都屬于銀河系。只有三個(gè)星系（除了銀河系外）能通過(guò)裸眼看到，其中兩個(gè)——大、小麥哲倫星云，是銀河系的衛(wèi)星星系。第三個(gè)可見(jiàn)星系看上去就像一顆暗淡的恒星，但實(shí)際是一個(gè)鄰近的螺旋狀星系，被稱為仙女座星系。天文學(xué)家通過(guò)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的大多數(shù)星系都位于極遙遠(yuǎn)的地方，它們看上去就像模糊的旋渦狀光斑，其中的恒星并不能被單獨(dú)辨認(rèn)出來(lái)。

星系是怎樣形成的

大爆炸后大約30萬(wàn)年，物質(zhì)與能量去耦以后，在宇宙微波背景輻射釋放的過(guò)程中，引力成為宇宙中的支配力，并把物質(zhì)云團(tuán)拉到一起。這一崩塌被認(rèn)為是“無(wú)尺度”過(guò)程，其中大小物質(zhì)云團(tuán)都受到同樣的影響。最小的區(qū)域最早結(jié)束崩塌，因?yàn)樗鼈兯谋痪奂揭黄鸬奈镔|(zhì)較少。事實(shí)上，那些最大的物質(zhì)集合——超星系團(tuán)，至今仍可以被觀測(cè)到處于崩塌過(guò)程中。

去耦以后的時(shí)期被稱為宇宙歷史中的黑暗時(shí)期，這個(gè)名字的由來(lái)是因?yàn)檫@個(gè)時(shí)期宇宙中不存在恒星。但是隨著初生星系的形成，恒星自然地形成并發(fā)光。

對(duì)這一過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真模擬說(shuō)明：小塊的不規(guī)則星系最先形成，它們相互碰撞或者從周邊環(huán)境中逐漸累積更多的物質(zhì)。在發(fā)生碰撞的狀況中，星系組成中的恒星將會(huì)被甩到隨機(jī)方向的軌道上去，從而產(chǎn)生一個(gè)橢圓星系。而那些逐漸累積物質(zhì)的星系將會(huì)發(fā)展成為美麗的螺旋星系。然而，任何時(shí)候，如果一個(gè)螺旋星系與另一個(gè)類似大小的星系相撞，它脆弱的螺旋臂將被毀壞，從而形成一個(gè)橢圓星系。

哈勃天文望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)表明：大多數(shù)星系都在宇宙初始的幾十億年中形成，并且從那時(shí)起，星系改變不大。現(xiàn)在，大量證據(jù)還表明：大多數(shù)星系中心都存在著一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞。目前的一個(gè)研究的中心就是關(guān)于黑洞是什么時(shí)候形成的。超大質(zhì)量黑洞不像超新星爆炸中形成的黑洞，它并非極端致密且只有幾千米寬，它們大約和我們的太陽(yáng)系一樣大，密度和水差不多。然而，在它們吞噬恒星時(shí)，會(huì)釋放出大量的能量，這造成了它們所在星系中心的劇烈活動(dòng)，使星系成為活動(dòng)星系。

深入觀測(cè)星系形成期對(duì)全世界的天文研究小組來(lái)說(shuō)都是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗麄兯綔y(cè)的天體所發(fā)出的光線需要數(shù)百萬(wàn)年才能到達(dá)地球。目前，望遠(yuǎn)鏡還不能很好地完成這項(xiàng)任務(wù)，但一系列的新型空間望遠(yuǎn)鏡正在設(shè)計(jì)建造中，以觀測(cè)到更多黑暗時(shí)期的信息。名為赫歇爾的一架空間望遠(yuǎn)鏡已于2009年發(fā)射，而NASA/ESA合作的下一代空間望遠(yuǎn)鏡（NGST）將會(huì)是一臺(tái)直徑達(dá)6米的儀器，它們對(duì)于紅外波長(zhǎng)都更加敏感，這使得它們能追溯回宇宙的黑暗時(shí)期，以看到最早的恒星和星系。

星系有幾種

已發(fā)現(xiàn)的星系外形和大小各異，但是大部分能夠按照它們的外觀分為兩個(gè)主要的類別——幾乎所有的星系在外觀上是橢圓的或螺旋的。

分類一般是按照形狀進(jìn)行的，運(yùn)用一種叫“音叉”圖的方式，它在20世紀(jì)20年代由美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃最早設(shè)計(jì)出來(lái)。橢圓星系是巨大的恒星集合，其形狀范圍包括了從完美的球形到雪茄狀的扁平橢圓形。已知宇宙中的最大星系是巨大的橢圓星系，它們處在致密星系團(tuán)的中心，據(jù)估計(jì)包含著數(shù)千億顆恒星。

看起來(lái)這些星系都是依靠吸收周圍離得太近并被它們的巨大引力場(chǎng)所捕獲的小星系而變得如此之大的。另一方面，橢圓矮星系是已知的一些最小的恒星系統(tǒng)，只擁有大約100萬(wàn)顆恒星。一般認(rèn)為存在著大量的這類星系，但因?yàn)樗鼈冃∏野担虼撕茈y被探測(cè)到。橢圓星系中的所有恒星都是很老的，并且目前也沒(méi)有新的恒星在其中形成。

螺旋星系是美麗的天體，就像風(fēng)車一樣，它表現(xiàn)出當(dāng)前存在并且持續(xù)下去的恒星形成的跡象。它們包含了由老年恒星組成的中央凸起部位——核，圍繞著持續(xù)形成新恒星的物質(zhì)的盤。恒星在盤狀物質(zhì)中形成的地方發(fā)出強(qiáng)烈的光芒，并且環(huán)繞著核形成螺旋形的圖樣。這些螺旋的“臂”隨著產(chǎn)生新恒星的盤狀物質(zhì)的被壓縮區(qū)域逐漸環(huán)繞星系旋轉(zhuǎn)。

螺旋星系有很多種類，通常根據(jù)它旋臂纏繞的緊密程度以及核的大小來(lái)區(qū)分。大約所有目前被辨識(shí)出來(lái)的螺旋星系中的一半都有著附加的可區(qū)分特征，這就是從星系核中釋放出來(lái)并延伸到星系盤中的一個(gè)由恒星構(gòu)成的直的棒狀結(jié)構(gòu)，一般的旋臂將會(huì)從這些棒狀結(jié)構(gòu)的末端開(kāi)始纏繞。這種星系被稱為棒旋星系。與螺旋星系一樣，它們也可以根據(jù)旋臂纏繞的緊密程度和核的大小進(jìn)一步分為不同的類型。棒狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生看起來(lái)與螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)的恒星引力的相互作用有關(guān)。

透鏡星系構(gòu)成了一種中間狀態(tài)的星系類型，介于橢圓星系與螺旋星系之間，它們有著核凸以及恒星構(gòu)成的薄盤狀結(jié)構(gòu)，但是沒(méi)有螺旋臂。有時(shí)候透鏡星系也有棒狀結(jié)構(gòu)。

沒(méi)有明顯的結(jié)構(gòu)或者核的星系被稱為不規(guī)則星系。I型不規(guī)則星系顯示了旋臂曾以某種方式分布的跡象；II型不規(guī)則星系則純粹是一團(tuán)混亂的恒星。有證據(jù)證明，這種類型的很小的星系比如矮星系，可能是因?yàn)楦蟮男窍甸g碰撞時(shí)拋出的物質(zhì)落入星系間空間而形成的。與螺旋星系一樣，不規(guī)則星系正處在恒星形成的過(guò)程中。

走進(jìn)星系內(nèi)部

螺旋星系的可見(jiàn)區(qū)域曾一度被認(rèn)為代表了它的整個(gè)系統(tǒng)。天文學(xué)家現(xiàn)在相信：形成恒星的物質(zhì)僅僅是包含在星系中所有物質(zhì)的極小部分，其余的質(zhì)量以灰暗物體的形式存在，它們太暗，以至于我們無(wú)法從觀測(cè)星系時(shí)看到，或者甚至這些我們無(wú)法探測(cè)到的物質(zhì)形式就是暗物質(zhì)。

在從地球無(wú)法看到的昏暗物質(zhì)中，螺旋星系盤中含有大量不發(fā)光的塵埃與氣體線。有時(shí)候塵埃線能被看到是因?yàn)樗鼈儞踝男凵习l(fā)出的光，從而使我們能看到它們的輪廊。星系盤中同樣包含著許多的更暗、更老的恒星，因?yàn)樗鼈兊墓饷⒈恍凵夏贻p明亮的恒星掩蓋，所以無(wú)法被看到。恒星圍繞螺旋星系的旋轉(zhuǎn)為我們提供了許多關(guān)于星系中包含的比可見(jiàn)部分更多物質(zhì)的重要線索。恒星移動(dòng)得很快，以阻止星系飛離天文學(xué)家們相信的圍繞著螺旋星系的巨大、隱藏著的球狀物質(zhì)暈。

從可見(jiàn)的證據(jù)上來(lái)，星系的質(zhì)量與太陽(yáng)系一樣，似乎集中在它的核內(nèi)。這也許意味著，隨著星系的旋轉(zhuǎn)，離核心較遠(yuǎn)的恒星要比距離較近的恒星移動(dòng)得慢。但是，實(shí)際觀測(cè)并不支持這點(diǎn)。相反，星系的質(zhì)量更像是存在于它的可見(jiàn)區(qū)域之外，包含在巨大的球狀物質(zhì)暈中。

暈中的物質(zhì)被認(rèn)為包括了好幾種不同的物體，例如星系盤中逃逸出來(lái)的灰暗恒星；失敗的恒星，它們被稱為矮褐星；恒星崩塌、死亡之后的遺跡形成了包括中子星、黑洞在內(nèi)的物體。氣體云可能也存在于星系暈中。除了灰暗物體之外，星系暈也包含了名為球狀星團(tuán)的發(fā)光體。

球狀星團(tuán)類似于橢圓星系，它們是被相互間的引力束縛在一起的恒星的球形集合物。在球狀星團(tuán)中沒(méi)有恒星產(chǎn)生，它們環(huán)繞著自己的母星系，并且界定出一個(gè)球狀區(qū)域，這被認(rèn)為代表著星系暈邊界。

球狀星團(tuán)包含了非常老的恒星——大部分被認(rèn)為是在100億年前形成的。然而一些恒星甚至更老，有著估計(jì)和宇宙一樣的年齡。最大的球狀星團(tuán)包含了幾百萬(wàn)顆恒星。典型的螺旋星系有大約150個(gè)球狀星團(tuán)，而橢圓星系可能包含上千個(gè)。一般認(rèn)為氣體云團(tuán)崩塌形成星系時(shí)，孤立區(qū)域會(huì)各自崩塌并形成球狀星團(tuán)。

許多天文學(xué)家相信，在星系暈之外，還存在著一個(gè)甚至更大的球形區(qū)域，這被稱為冕。星系冕可能有星系暈的4倍大的直徑，可能包含了奇特的暗物質(zhì)粒子，它們的行為特征與五種穩(wěn)定的基本粒子大不相同。受到技術(shù)的限制，甚至使用目前最先進(jìn)的設(shè)備也探測(cè)不到這些粒子，然而它們的存在卻可以通過(guò)它們對(duì)星系中發(fā)光物質(zhì)的引力作用推測(cè)出來(lái)。一些天文學(xué)家提出，星系冕可能占據(jù)了多達(dá)星系總物質(zhì)量90%的比例。

璀璨銀河

傳統(tǒng)上，當(dāng)人們認(rèn)為的銀河是橫跨夜空的那條模糊光帶。意大利天文學(xué)家伽利略（1564～1642）是第一個(gè)使用望遠(yuǎn)鏡觀察銀河的人，他發(fā)現(xiàn)銀河是由無(wú)數(shù)的昏暗恒星組成的。在之后的三個(gè)世紀(jì)中，天文學(xué)家認(rèn)識(shí)到這條昏暗的光帶是我們所看到的自己所在的星系。它之所以與其他星系看起來(lái)很不相同，是因?yàn)槲覀兪菑你y河的內(nèi)部觀察它。

銀河系是一個(gè)螺旋星系，因此相對(duì)扁平并呈盤狀。如果我們觀看盤面，我們可以看到比側(cè)視時(shí)更多的恒星。太陽(yáng)并不位于銀河系的中心，而是處在一條旋臂上。銀河系的中心位于射手座的方向上。

盡管銀河系是在100億到150億年前形成的，但太陽(yáng)只是在大約45億年前誕生于一條旋臂上，并且從那時(shí)起開(kāi)始在圍繞銀河系的中心的軌道上旋轉(zhuǎn)，它已經(jīng)繞了大約21圈，并且現(xiàn)在正處于獵戶座旋臂的尾緣，獵戶座旋臂是包含了獵戶座中大部分恒星的一條旋臂。對(duì)銀河系的一些測(cè)繪表明，獵戶座可能實(shí)際上并不是一條完整的旋臂，而只是一條連接射手座旋臂和英仙座旋臂的分支。如果確實(shí)如此，我們所處的位置就能以位于獵戶座橋或分支中的形式更準(zhǔn)確地描述出來(lái)。射手座旋臂位于我們與銀河系中心之間，而英仙座旋臂從太陽(yáng)的外側(cè)繞過(guò)。

銀河系中心本身是一個(gè)相當(dāng)神秘的地方，它被塵埃和氣體云包裹，阻礙了對(duì)其內(nèi)容進(jìn)行觀察的清楚視野。可見(jiàn)光無(wú)法穿過(guò)這些云團(tuán)，因此天文學(xué)家只依靠對(duì)電磁輻射在其他波長(zhǎng)上的觀測(cè)。天空中最強(qiáng)烈的一個(gè)無(wú)線電輻射源來(lái)自一個(gè)被稱為射手座A*的天體，它位于銀河系中心，是一種被稱為黑洞的奇異天體。進(jìn)一步的證據(jù)來(lái)自于銀河系中心發(fā)射出來(lái)的一束反物質(zhì)輻射的發(fā)現(xiàn)，它暗示著強(qiáng)烈的高能量進(jìn)程。

毫無(wú)疑問(wèn)，銀河系是一個(gè)平均大小的螺旋星系，但它究竟屬于哪種類型的螺旋星系還處在爭(zhēng)議中。多年以來(lái)，它被認(rèn)為是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的螺旋星系，但是在銀河系旋臂與核心之間幾乎必然存在著一條連接它們的短棒狀結(jié)構(gòu)，所以銀河系應(yīng)當(dāng)是一個(gè)棒旋星系。銀河系外形的另一個(gè)有趣的特點(diǎn)是：它的恒星盤不是平坦的而是彎曲的。

與許多大型星系一樣，銀河系有很多環(huán)繞其旋轉(zhuǎn)的小星系。麥哲倫星云是兩個(gè)不規(guī)則的衛(wèi)星星系，另外還存在著許多更小的受銀河系引力影響而被捕獲的矮星系。在它的巨大影響之外，銀河系是名為本星系群的星系組合中其他星系的引力邊界。本星系群包含了21個(gè)已知的成員，其中三個(gè)是螺旋星系（銀河系、仙女座星系和M33星系），其余的星系都是橢圓星系，包括了巨大的橢圓星系梅菲I星系和矮星系。

相互作用中的星系

星系始終處在運(yùn)動(dòng)中（它們之間以及與相鄰天體間的引力作用導(dǎo)致），所以有時(shí)可能每上億年一次，星系團(tuán)中的星系運(yùn)行到極近的距離上，從而發(fā)生劇烈的相互作用。如果兩個(gè)星系具有相近的質(zhì)量，相互作用的結(jié)果與一個(gè)星系比另一個(gè)大很多的情況將很不一樣。星系的接近程度同樣也影響到最終的結(jié)果。一些星系擦肩而過(guò)，在距離很遠(yuǎn)的地方影響到對(duì)方，而另一些相互碰撞并發(fā)生合并。

如果兩個(gè)具有相近質(zhì)量的螺旋星系相向運(yùn)動(dòng)，隨著它們逐漸接近，它們會(huì)開(kāi)始攪擾對(duì)方內(nèi)部。它們將對(duì)方的恒星從原有的軌道上拉開(kāi)，慢慢地，兩個(gè)星系會(huì)失去它們的螺旋形狀。一些恒星從星系中被拉出，在星系間的空間中形成很長(zhǎng)的“尾巴”；其他的恒星開(kāi)始減速并向兩個(gè)星系的共同質(zhì)心落去。如果兩個(gè)星系距離足夠近，它們會(huì)合并成一個(gè)星系。當(dāng)星系以這種方式相撞時(shí)，它們所包含的恒星實(shí)際上并不互相接觸：恒星間的空間非常大，以至于甚至在星系合并中發(fā)生碰撞的概率也很小。

如果兩個(gè)相撞的星系大小差別較大，其中的一個(gè)會(huì)受到很大影響，而另一個(gè)基本不變。如果一個(gè)小的致密星系與一個(gè)大的螺旋星系相遇，螺旋星系相對(duì)不受影響，而小的致密星系將會(huì)發(fā)生極大的變化。但是，如果致密星系穿過(guò)了螺旋星系，它會(huì)使螺旋星系形成環(huán)狀，就像是池塘中的水波一樣。

星系間相互作用的影響對(duì)星系中的氣體云來(lái)說(shuō)是很不相同的。作用于氣體云上的新引力常常會(huì)引發(fā)崩塌，從而導(dǎo)致極大量的恒星形成——一種被稱為星暴的現(xiàn)象。一個(gè)很典型的例子就是M82星系，它受到了鄰近大的M81螺旋星系引力的影響，盡管較小的星系發(fā)生明顯的形變，而在它的中心附近也發(fā)生了劇烈的恒星生成過(guò)程。

當(dāng)星系合并時(shí)，它們中的塵埃和氣體被剝除，形成了新恒星。因此合并后的系統(tǒng)不能產(chǎn)生新的恒星。恒星的運(yùn)動(dòng)同樣也受到了影響，因而它們不可能處在盤狀星系所需的有序狀態(tài)。恒星軌道的隨機(jī)性使得星系變?yōu)闄E球狀，它們具體是球形還是橢球形取決于軌道的隨機(jī)性。如果軌道的傾角是完全隨機(jī)的，星系系統(tǒng)將是球形的；如果軌道的傾角存在偏向，星系將是蛋形的。