第二章 星云、星系和類星體

星云

自古至今，觀測者只要仰頭凝望夜空，就可以看到恒星之間存在一些較小而且微弱，幾乎像云朵一樣的塊狀物。這些天體被稱為星云（nebulae），拉丁語的意思為“云”，源自于它們像煙云一樣的外表。

沒有人確切知道星云里面正在發生什么變化，所以人們對這些云狀物的真正特性并不了解。當望遠鏡變得足夠強大，人們發現有些星云實際上是星系，仙女座星云就屬于這種情況，現在我們稱之為仙女座星系。另外一些星云被證實是真正的星云，也就是由塵埃和氣體組成的區域。這些星云被分為以下類別。

發射星云：這是最明亮的一類星云，它們發光是因為它們內部嵌有熾熱的恒星，這些恒星發出的輻射使周圍的氣體受熱發光。發射星云有的很大，事實上它們內部有大量的氣體和塵埃，足以形成恒星和行星，因此是星星的滋生地。用肉眼最容易看到的一個發射星云是獵戶座星云M42。

反射星云：正如名稱所顯示的那樣，這些“云彩”之所以看得見，只是因為它們反射附近恒星的光芒。恒星不能夠使這些氣體發光，是因為恒星溫度比較低，沒有那么大能量，結果是反射星云就暗淡得多。金牛座的昴宿星團周圍有一個暗弱的星云圍繞著，但是只有借助高倍望遠鏡才能看得見。

暗星云：氣體和塵埃附近沒有恒星就不發光，我們之所以能夠看到它們，是因為它們擋住了它們背后所有的東西。這一類別包括獵戶座的馬頭星云（你需要借助望遠鏡），以及更大一些的位于南半球的南十字座煤袋星云，它用肉眼可以很容易看到。

行星狀星云：一些恒星在生命的晚期噴發掉它們的外層，只剩下一顆較小的恒星，但是很熱，能量充足。那些脫離的外層向外擴張，因從中心的恒星發出的輻射而發光，這一點有些像發射星云。透過望遠鏡看去，這層“外殼”看起來有點兒像行星，由此得名。天琴座的環狀星云就是個典型的例子。

星系的形成

大爆炸后大約30萬年，物質與能量去耦以后，在宇宙微波背景輻射釋放的過程中，引力成為宇宙中的支配力，并把物質云團拉到一起。這一崩塌被認為是“無尺度”過程，其中大小物質云團都受到同樣的影響。最小的區域最早結束崩塌，因為它們所包含的被聚集到一起的物質較少。事實上，那些最大的物質集合——超星系團，至今仍可以被觀測到處于崩塌過程中。

去耦以后的時期被稱為宇宙歷史中的黑暗時期，這個名字的由來是因為這個時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光。

對這一過程的計算機仿真模擬說明：小塊的不規則星系最先形成，它們相互碰撞或者從周邊環境中逐漸累積更多的物質。在發生碰撞的狀況中，星系組成中的恒星將會被甩到隨機方向的軌道上去，從而產生一個橢圓星系。而那些逐漸累積物質的星系將會發展成為美麗的螺旋星系。然而，任何時候，如果一個螺旋星系與另一個類似大小的星系相撞，它脆弱的螺旋臂將被毀壞，從而形成一個橢圓星系。

哈勃天文望遠鏡的觀測表明：大多數星系都在宇宙初始的幾十億年中形成，并且從那時起，星系改變不大。現在，大量證據還表明：大多數星系中心都存在著一個超大質量的黑洞。目前的一個研究的中心就是關于黑洞是什么時候形成的。超大質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系一樣大，密度和水差不多。然而，在它們吞噬恒星時，會釋放出大量的能量，這造成了它們所在星系中心的劇烈活動，使星系成為活動星系。

深入觀測星系形成期對全世界的天文研究小組來說都是一個很大的挑戰，因為他們所探測的天體所發出的光線需要數百萬年才能到達地球。目前，望遠鏡還不能很好地完成這項任務，但一系列的新型空間望遠鏡正在設計建造中，以觀測到更多黑暗時期的信息。名為赫歇爾的一架空間望遠鏡已于2009年發射，而NASA/ESA合作的下一代空間望遠鏡（NGST）將會是一臺直徑達6米的儀器，它們對于紅外波長都更加敏感，這使得它們能追溯回宇宙的黑暗時期，以看到最早的恒星和星系。

星系的分類

已發現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行的，運用一種叫“音叉”圖的方式，它在20世紀20年代由美國天文學家埃德溫·哈勃最早設計出來。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的中心，據估計包含著數千億顆恒星。

看起來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，只擁有大約100萬顆恒星。一般認為存在著大量的這類星系，但因為它們小且暗，因此很難被探測到。橢圓星系中的所有恒星都是很老的，并且目前也沒有新的恒星在其中形成。

螺旋星系是美麗的天體，就像風車一樣，它表現出當前存在并且持續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，圍繞著持續形成新恒星的物質的盤。恒星在盤狀物質中形成的地方發出強烈的光芒，并且環繞著核形成螺旋形的圖樣。這些螺旋的“臂”隨著產生新恒星的盤狀物質的被壓縮區域逐漸環繞星系旋轉。

螺旋星系有很多種類，通常根據它旋臂纏繞的緊密程度以及核的大小來區分。大約所有目前被辨識出來的螺旋星系中的一半都有著附加的可區分特征，這就是從星系核中釋放出來并延伸到星系盤中的一個由恒星構成的直的棒狀結構，一般的旋臂將會從這些棒狀結構的末端開始纏繞。這種星系被稱為棒旋星系。與螺旋星系一樣，它們也可以根據旋臂纏繞的緊密程度和核的大小進一步分為不同的類型。棒狀結構的產生看起來與螺旋轉動的恒星引力的相互作用有關。

透鏡星系構成了一種中間狀態的星系類型，介于橢圓星系與螺旋星系之間，它們有著核凸以及恒星構成的薄盤狀結構，但是沒有螺旋臂。有時候透鏡星系也有棒狀結構。

沒有明顯的結構或者核的星系被稱為不規則星系。I型不規則星系顯示了旋臂曾以某種方式分布的跡象；Ⅱ型不規則星系則純粹是一團混亂的恒星。有證據證明，這種類型的很小的星系比如矮星系，可能是因為更大的星系間碰撞時拋出的物質落入星系間空間而形成的。與螺旋星系一樣，不規則星系正處在恒星形成的過程中。

星系的結構

螺旋星系的可見區域曾一度被認為代表了它的整個系統。天文學家現在相信：形成恒星的物質僅僅是包含在星系中所有物質的極小部分，其余的質量以灰暗物體的形式存在，它們太暗，以至于我們無法從觀測星系時看到，或者甚至這些我們無法探測到的物質形式就是暗物質。

在從地球無法看到的昏暗物質中，螺旋星系盤中含有大量不發光的塵埃與氣體線。有時候塵埃線能被看到是因為它們擋住從旋臂上發出的光，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，因為它們的光芒被旋臂上年輕明亮的恒星掩蓋，所以無法被看到。恒星圍繞螺旋星系的旋轉為我們提供了許多關于星系中包含的比可見部分更多物質的重要線索。恒星移動得很快，以阻止星系飛離天文學家們相信的圍繞著螺旋星系的巨大、隱藏著的球狀物質暈。

從可見的證據上來，星系的質量與太陽系一樣，似乎集中在它的核內。這也許意味著，隨著星系的旋轉，離核心較遠的恒星要比距離較近的恒星移動得慢。但是，實際觀測并不支持這點。相反，星系的質量更像是存在于它的可見區域之外，包含在巨大的球狀物質暈中。

暈中的物質被認為包括了好幾種不同的物體，例如星系盤中逃逸出來的灰暗恒星；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的發光體。

球狀星團類似于橢圓星系，它們是被相互間的引力束縛在一起的恒星的球形集合物。在球狀星團中沒有恒星產生，它們環繞著自己的母星系，并且界定出一個球狀區域，這被認為代表著星系暈邊界。

球狀星團包含了非常老的恒星——大部分被認為是在100億年前形成的。然而一些恒星甚至更老，有著估計和宇宙一樣的年齡。最大的球狀星團包含了幾百萬顆恒星。典型的螺旋星系有大約150個球狀星團，而橢圓星系可能包含上千個。一般認為氣體云團崩塌形成星系時，孤立區域會各自崩塌并形成球狀星團。

許多天文學家相信，在星系暈之外，還存在著一個甚至更大的球形區域，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粒子，它們的行為特征與五種穩定的基本粒子大不相同。受到技術的限制，甚至使用目前最先進的設備也探測不到這些粒子，然而它們的存在卻可以通過它們對星系中發光物質的引力作用推測出來。一些天文學家提出，星系冕可能占據了多達星系總物質量90%的比例。

銀河

傳統上，人們認為的銀河是橫跨夜空的那條模糊光帶。意大利天文學家伽利略（1564～1642年）是第一個使用望遠鏡觀察銀河的人，他發現銀河是由無數的昏暗恒星組成的。在之后的3個世紀中，天文學家認識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很不相同，是因為我們是從銀河的內部觀察它。

銀河系是一個螺旋星系，因此相對扁平并呈盤狀。如果我們觀看盤面，我們可以看到比側視時更多的恒星。太陽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，但太陽只是在大約45億年前誕生于一條旋臂上，并且從那時起開始在圍繞銀河系的中心的軌道上旋轉，它已經繞了大約21圈，并且現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。對銀河系的一些測繪表明，獵戶座可能實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確地描述出來。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的外側繞過。

銀河系中心本身是一個相當神秘的地方，它被塵埃和氣體云包裹，阻礙了對其內容進行觀察的清楚視野。可見光無法穿過這些云團，因此天文學家只能依靠對電磁射在其他波長上的觀測。天空中最強烈的一個無線電輻射源來自一個被稱為射手座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。進一步的證據來自于銀河系中心發射出來的一束反物質輻射的發現，它暗示著強烈的高能量進程。

毫無疑問，銀河系是一個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議中。多年以來，它被認為是一個標準的螺旋星系，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構，所以銀河系應當是一個棒旋星系。銀河系外形的另一個有趣的特點是：它的恒星盤不是平坦的而是彎曲的。

與許多大型星系一樣，銀河系有很多環繞其旋轉的小星系。麥哲倫星云是兩個不規則的衛星星系，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個已知的成員，其中3個是螺旋星系（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。

星系團和巨洞

幾乎所有的星系都通過引力與其他星系相關聯，這樣的聯合就被稱為星系群或星系團——取決于包含的星系的數量。我們所在的星系——銀河系是本星系群中的一員，本星系群包含了大約20個不同大小的星系。超過數十個星系組成的聯合稱為星系團，它們有不同的形狀和大小：有的是球形的，有些則是不規則的，并且蜿蜒著穿過宇宙。不同的星系團類型包含了不同種類的星系，通過研究所包含的星系類型，天文學家能夠了解星系的形狀是怎么演化的，尤其是螺旋星系如何形成橢圓星系的。

在球狀星系團中，大部分星系是橢圓星系。這些星系團類似于圓球形星團——組成方式相同，只是規模大得多。它們不是由單個的恒星組成，而是由不同的星系組成。這些星系團環繞著一個星系十分集中的中心按照固定的橢圓軌道運行，這些軌道周期性地將它們帶到這些致密的區域中。一旦到那里，螺旋星系就會與其他的星系碰撞形成橢圓星系。在一些情況下，星系團的中心部分是一個巨大的橢圓星系，這些就是cD型星系，它們被認為是由多個較小的星系的連續合并產生。不規則星系團主要由螺旋星系組成，沒有固定的形狀或者引力中心，它們的成員星系間很少能夠相互接觸。

星系團同樣會因為引力與別的星系團束縛在一起。通過澳大利亞的2dF與美國的斯隆數字空間探測器望遠鏡等儀器，天文學家繪制了數十萬的星系的位置和紅移，表明這些星系并不是均勻地分布在宇宙中，而是構成了掃過整個宇宙的名為超星系團的鏈狀結構。本星系群屬于一個超星系團，被稱為處女座超星系團，它的直徑超過了1億光年。超星系團看起來似乎聚集在一個超大的球狀巨洞周圍。這可能與對宇宙背景輻射的研究中探測到的原始物質中的“粗塊”有關。最大的超星系團是一個被稱為長城的薄片，它覆蓋了超過2.5億乘以7.5億光年的區域。

星系團內引力往往能夠抵消宇宙的膨脹。星系也就按照它們之間的引力作用而移動。但是超星系團極其大，它內部空間正如哈勃流所示那樣應當正在膨脹。由于引力的影響，這不再是一種簡單的膨脹性運動。不同于各處的均勻生長，超星系團隨著宇宙的膨脹逐漸地被拉長。

活動星系

盡管在銀河系的中心發現了一些奇怪的能量化現象，它們仍無法與所謂的活動星系中觀測到的現象相比。10%的星系是活動星系，活動星系的核心通常具有很高的亮度，從而蓋過了星系其他部分發出的星光，這又是由物質落向星系中心的超大質量黑洞產生的。活動星系有很多種類型，每種都有自己的特征。

第一種被發現的活動星系是以它的發現者卡爾·塞弗特命名的塞弗特星系。塞弗特星系是具有非常明亮星系核的螺旋或棒旋星系。通過分光鏡分析，塞弗特星系展現出由高溫氣體云所發出的強發射譜線。盡管它們并不都輻射無線電波，塞弗特星系還是紅外輻射的強發射源。Ⅰ型塞弗特星系的發射譜線表明，它們是由圍繞星系中心高速旋轉的氫氣云產生的；Ⅱ型塞弗特星系的光譜中盡管具有氫線，但似乎并沒有這種快速運動的氣體云。

類星體（QSOs）被認為與塞弗特星系十分相似——除了核心活動更為劇烈。它們在天空中看起來就像是與恒星一樣發光的點（因此被稱為類星體），但通過分光鏡研究能夠發現它們明顯不是恒星。根據它們譜線中的紅移現象可知：它們大都位于極遙遠的地方，是宇宙中已知的最遙遠天體之一。與塞弗特星系相同，它們可以是“射電噪的”（在這一情況下被稱為“類星射電源”）或者是“射電靜的”（傳統QSO）。類星體的亮度可以是普通星系的1000倍，類星體的周圍星系結構比活動星系核區域暗很多，在高敏感圖片上，能夠看到它周圍環繞的物質，它顯示類星體是經常性相撞的星系。各種種類的活動星系常被稱為活動星系核（AGNs）。

活動星系的另一種類型是射電星系，如它的名字所指示，這類星系在電磁波譜無線電波段的輻射最強。不同于點輻射源，輻射從這類星系兩側的巨大輻射瓣上發出。典型的螺旋星系直徑大約為10萬光年，而這一輻射源的瓣到瓣距離能夠跨過數千萬光年。活動星系的最后一種類型被稱為耀變體，同樣也被稱為蝎虎座BL天體。耀變體與類星體在許多方面十分接近，只是它不具有譜線。

大部分活動星系都位于極遙遠距離的事實表明它們是宇宙中的年輕天體，因為它們的光要經過數百萬乃至數十億年才能到達地球。這使天文學家們認為可能所有星系都經歷過這種活動階段。

能量機制

不同類型的活動星系——塞弗特星系、類星體、射電星系和耀變體——看起來相互之間都存在著巨大差異。然而，現在許多天文學家相信它們大體上是同一類天體，之所以看起來不同是因為在地球上我們看它們的角度不同。

活動星系得需要某種類型的中心“引擎”以產生供給它們輻射的大量能量。盡管存在很多能產生大量能量的過程，但物體落入勢阱的效率最高。這使得大多數天文學家相信，在活動星系的中心，能量由于物質被吸入超大質量的黑洞而被釋放。黑洞是宇宙中致密到沒有任何東西能夠逃出它的天體——連光也一樣。由于黑洞有著如此強的引力場，以至于任何過于靠近的恒星、氣體云和其他物質都將被它吞沒，并且再也看不見。

落入黑洞的物質并不會沿直線下落，星系的旋轉使得物質被甩入一個被稱為吸積盤的盤狀結構中，物質從這里完成其在黑洞內部的旅程。吸積盤中的物質高速旋轉，使得它溫度升高并且釋放出X射線和其他種類的電磁輻射。由于吸積盤很厚，輻射并不能很容易地穿過，取而代之地，它沿著吸積盤的軸，也就是阻礙最小的路徑射出。亞原子粒子也沿著這條軸加速，形成噴流，它們與星系間介質中的原子相碰撞，并使它們成為發射出無線電波長的輻射，射電星系中被探測到的就是這些無線電輻射瓣。

吸積盤的周圍是一個由塵埃和氣體組成的面包圈狀結構，名為環狀圓盤。環狀圓盤由吸積盤發出的短波散射加熱，其中的物質隨后將這些輻射以更長的波長再次發射出去。環繞中心引擎旋轉的氣體云同樣也被吸積盤加熱，并發出能夠以光譜線形式探測到的輻射。

塞弗特星系與類星體之間的區別僅僅在于內核所產生的輻射的強度。它們與其他類型的活動星系的區別與觀測角度有關。當活動星系核從沿著吸積盤的角度觀測時，明亮的中心引擎被周圍的環狀圓盤所遮掩，只有輻射瓣能夠被看見，因而我們“看到”了一個射電星系。但如果它是沿圓盤軸被觀測的，很可能就是往下看到噴流，而這個方向上的輻射強度是最強的。隨著高溫氣體沿噴流加速，造成了亮度的變化，也就導致它在觀測者看來是一個耀變體。在耀變體和射電星系間的觀測角度上，中心引擎的散射和可能的噴流能夠被看到。同樣的，高溫氣體云的散射也能被看見，這時的天體就是類星體。

這一關于活動星系的統一理論至今仍未被證實，但它至少給出了一個較模糊的解釋。

相互作用中的星系

星系始終處在運動中（它們之間以及與相鄰天體間的引力作用導致），所以有時可能每上億年一次，星系團中的星系運行到極近的距離上，從而發生劇烈的相互作用。如果兩個星系具有相近的質量，相互作用的結果與一個星系比另一個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果。一些星系擦肩而過，在距離很遠的地方影響到對方，而另一些相互碰撞并發生合并。

如果兩個具有相近質量的螺旋星系相向運動，隨著它們逐漸接近，它們會開始攪擾對方內部。它們將對方的恒星從原有的軌道上拉開，慢慢地，兩個星系會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的“尾巴”；其他的恒星開始減速并向兩個星系的共同質心落去。如果兩個星系距離足夠近，它們會合并成一個星系。當星系以這種方式相撞時，它們所包含的恒星實際上并不互相接觸：恒星間的空間非常大，以至于甚至在星系合并中發生碰撞的概率也很小。

如果兩個相撞的星系大小差別較大，其中的一個會受到很大影響，而另一個基本不變。如果一個小的致密星系與一個大的螺旋星系相遇，螺旋星系相對不受影響，而小的致密星系將會發生極大的變化。但是，如果致密星系穿過了螺旋星系，它會使螺旋星系形成環狀，就像是池塘中的水波一樣。

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

當星系合并時，它們中的塵埃和氣體被剝除，形成了新恒星。因此合并后的系統不能產生新的恒星。恒星的運動同樣也受到了影響，因而它們不可能處在盤狀星系所需的有序狀態。恒星軌道的隨機性使得星系變為橢球狀，它們具體是球形還是橢球形取決于軌道的隨機性。如果軌道的傾角是完全隨機的，星系系統將是球形的；如果軌道的傾角存在偏向，星系將是蛋形的。