星系

一、什么是星系

“星系”這個(gè)詞在英語(yǔ)中的詞源來(lái)自希臘語(yǔ)，意思是滿天繁星。星系從廣義來(lái)說(shuō)指的是由無(wú)數(shù)恒星系和星際物質(zhì)組成的運(yùn)行系統(tǒng)。就像我們身處的銀河系一樣，包含約1000億顆恒星，數(shù)不清的星際物質(zhì)、宇宙塵埃和暗物質(zhì)，并且受到重力的束縛，圍繞著銀河系的核心緩慢旋轉(zhuǎn)。星系在旋轉(zhuǎn)時(shí)有兩種方式，一種是眾多質(zhì)量小的星球圍繞著一個(gè)質(zhì)量巨大的核心運(yùn)行，還有一種是星球之間具有一個(gè)共同的質(zhì)心，星球們圍繞著這個(gè)質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)。宇宙中的多數(shù)星系都是以第一種方式運(yùn)行的。

星系的種類有很多，矮星系中只有幾千萬(wàn)顆恒星，橢圓星系則可能有成兆顆恒星。但是它們的共同點(diǎn)是都具有一個(gè)質(zhì)量核心，并且繞著它進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。一個(gè)星系中通常不但包含單獨(dú)的恒星和星際物質(zhì)，還包含數(shù)量眾多的雙星乃至多星系統(tǒng)，以及星團(tuán)和星云。

在星系之間的廣大區(qū)域，是極其稀薄的等離子體。這些等離子體具有宇宙的纖維狀結(jié)構(gòu)，并且比宇宙的平均密度要高。我們將這樣的物質(zhì)稱作星系際介質(zhì)。這些介質(zhì)通常是氫元素發(fā)生電離后形成的，含有等量的電子和質(zhì)子。星系際介質(zhì)的密度通常能夠達(dá)到宇宙平均密度的10～100倍，在一些富星系團(tuán)內(nèi)能夠達(dá)到平均密度的1000倍以上。

以地球的觀察角度來(lái)說(shuō)，星系際介質(zhì)通常是被電離的氣體。這些介質(zhì)具有很高的溫度。當(dāng)宇宙中的氣體從空曠的宇宙空間進(jìn)入星系際介質(zhì)時(shí)，溫度會(huì)提高到10開，這個(gè)溫度能夠使氫原子相撞時(shí)產(chǎn)生自由電子。像這樣具有溫度的星系際介質(zhì)被稱為溫?zé)嵝窍惦H介質(zhì)。通過(guò)使用數(shù)學(xué)模型在電腦上模擬這一過(guò)程，我們可以發(fā)現(xiàn)宇宙中大約一半的物質(zhì)都可能是以這種具有一定溫度的低密度狀態(tài)存在的。氣體從溫?zé)嵝窍惦H介質(zhì)進(jìn)入星系團(tuán)后，溫度會(huì)繼續(xù)升高，達(dá)到100開以上。

在人類能夠觀測(cè)到的宇宙范圍內(nèi)，擁有超過(guò)1000億個(gè)星系。這些星系能夠形成龐大的星系群或者星系團(tuán)，這些星系團(tuán)又會(huì)形成更大的超星系團(tuán)。從遠(yuǎn)處看它們像纖維狀的薄片一樣，在宇宙中圍繞著某個(gè)巨大的空洞旋轉(zhuǎn)。

星系中還存在著許多暗物質(zhì)。雖然我們對(duì)暗物質(zhì)還沒有深入的了解，但是能夠推算出在很多星系中這些暗物質(zhì)所占的質(zhì)量都超過(guò)90%。同時(shí)，根據(jù)我們的觀測(cè)，大多數(shù)星系的核心都有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，這些黑洞能夠解釋為什么有些星系的核心非常活躍。我們太陽(yáng)系所在的銀河系，也具有一個(gè)隱藏著的黑洞核心。

星系的大小往往具有很大的差距。小型的不規(guī)則星系通常直徑在6500光年到2.9萬(wàn)光年之間。銀河系這樣的旋渦星系的直徑通常在1.6萬(wàn)光年至16萬(wàn)光年之間。橢圓星系的體形較大，最大的橢圓星系的直徑能夠達(dá)到49萬(wàn)光年。星系中擁有數(shù)千億顆恒星，具有的質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量的100倍至1萬(wàn)億倍。星系內(nèi)部的恒星進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，星系本身圍繞核心自轉(zhuǎn)，星系作為一個(gè)系統(tǒng)在宇宙中也進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在過(guò)去，天文學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為，星系的自轉(zhuǎn)沿順時(shí)針方向和沿逆時(shí)針方向的概率相同，但是經(jīng)過(guò)觀察，我們可以看到沿逆時(shí)針方向自轉(zhuǎn)的星系數(shù)量更多。

星系在宇宙微波背景上具有紅移現(xiàn)象，這就說(shuō)明在空間方向上這些星系是在逐漸遠(yuǎn)離我們的。這個(gè)現(xiàn)象從一個(gè)角度上證明了宇宙大爆炸理論，也能說(shuō)明宇宙正在膨脹。

從大尺度上來(lái)說(shuō)，星系是基本均勻的。但是從更小的尺度上來(lái)看，星系內(nèi)部十分不均勻。大麥哲倫星系與小麥哲倫星系組成了雙重星系，這個(gè)系統(tǒng)與銀河系一起又形成了一個(gè)三重星系。

很少有星系在宇宙中是單獨(dú)存在的，通常來(lái)說(shuō)星系都被看做視場(chǎng)星系。很多星系和其他星系之間存在著重力的相互作用。如果有50個(gè)左右的星系在一起形成一個(gè)群落，這樣的星系群落就被稱為星系群。規(guī)模更大、包含星系更多的群落則被稱為星系集團(tuán)。這樣的集團(tuán)通常以一個(gè)巨大的橢圓星系作為核心。這個(gè)星系的巨大引力會(huì)將鄰近的星系撕碎，加入自己的星系中。在更大的尺度上，還存在著超星系集團(tuán)，其中包含數(shù)萬(wàn)個(gè)星系、星系群和星系集團(tuán)。在這個(gè)尺度上，星系仿佛一個(gè)薄片，在各個(gè)方向都呈現(xiàn)出同性和均質(zhì)。

二、星系的形成和演化

星系的形成和演化說(shuō)法不一，其中的一些理論被普遍接受，另一些還存在爭(zhēng)議。關(guān)于星系的形成有兩種不同的理論。其中一種理論認(rèn)為，星系是和宇宙一起誕生的，始于137億年前的宇宙大爆炸。還有一種理論認(rèn)為，星系是由宇宙塵埃的結(jié)合形成的。該理論認(rèn)為，宇宙本來(lái)具有很多球狀星團(tuán)，這些星團(tuán)發(fā)生碰撞并毀滅，留下了很多宇宙塵埃，這些塵埃經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的歲月，就形成了星系。直到今天，關(guān)于“星系究竟是如何形成的”這一問題還沒有出現(xiàn)一個(gè)統(tǒng)一的理論。

根據(jù)宇宙大爆炸理論，宇宙中最古老的星系應(yīng)該形成于爆炸發(fā)生后的10億年左右。宇宙剛出現(xiàn)的時(shí)候，經(jīng)歷了能量的巨大爆發(fā)，隨著宇宙溫度的降低和膨脹，引力的作用越來(lái)越明顯。這個(gè)時(shí)期的宇宙進(jìn)入了一個(gè)能量暴漲的階段。隨著這個(gè)暴漲的過(guò)程，原始能量中的微小漲落被放大了，在宇宙空間形成了一些溝狀的結(jié)構(gòu)，在這些溝里就形成了最早的星系團(tuán)。

宇宙的暴漲持續(xù)時(shí)間很短，轉(zhuǎn)瞬即逝。之后，宇宙的膨脹速度又恢復(fù)到了正常水平，和今天的水平類似。宇宙誕生的第一秒鐘，在宇宙溫度降低和膨脹作用的雙重影響下，一些能量密度較大的區(qū)域中，出現(xiàn)了大量的質(zhì)子、中子和電子。100秒之后，這些質(zhì)子和中子彼此結(jié)合，形成了氦原子核。在接下來(lái)不到2分鐘的時(shí)間里，構(gòu)成所有物質(zhì)的成分都出現(xiàn)了。從這時(shí)起又經(jīng)過(guò)了30萬(wàn)年，宇宙的溫度繼續(xù)下降，氫原子核和氦原子核已經(jīng)能夠俘獲電子，并且形成氫原子和氦原子。這些原子通過(guò)引力聚集起來(lái)，形成纖維狀的宇宙物質(zhì)云。

在宇宙大爆炸發(fā)生之后的10億年，這些原子云結(jié)合成更為致密的云團(tuán)。原始星系就在這些云團(tuán)中逐漸形成了。這時(shí)，宇宙的尺度還不是太大，原始星系之間的距離很小，所以相互之間具有很強(qiáng)的作用。一些規(guī)模較大但是密度很小的云團(tuán)中，逐漸凝聚出更小的云，其他部分會(huì)被別的云撕碎并吸引過(guò)去。由于引力不斷吸引氫原子和氦原子，原始星系的質(zhì)量不斷增大，引力也隨之增大，就會(huì)吸引更多氣體云。隨著時(shí)間的推移，每個(gè)云團(tuán)的運(yùn)動(dòng)和彼此之間的相互作用終于使整個(gè)原始星系開始了自轉(zhuǎn)。在巨大的引力下，云團(tuán)開始坍縮。自轉(zhuǎn)速度快一些的星系形成了盤狀，慢一些的形成了橢圓狀。

這些原始星系從宇宙中吸引了大量物質(zhì)之后，恒星就在其中逐漸形成了。這時(shí)候，宇宙看起來(lái)已經(jīng)與今天的樣貌有些相似。星系在宇宙中的氣體云中成群結(jié)隊(duì)地出現(xiàn)，仿佛地球的海洋上點(diǎn)綴著的群島。很多星系組成巨大的星系團(tuán)，在星系際介質(zhì)的包圍下，形成長(zhǎng)達(dá)數(shù)億光年的纖維狀結(jié)構(gòu)。這些星系群在大尺度空間下，形成一個(gè)球形。

在宇宙中，星系的分布呈現(xiàn)出網(wǎng)狀。從更大的尺度上來(lái)看，星系的中央是類似氣泡的空白區(qū)，整體上形成的是類似神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣的結(jié)構(gòu)，這就是宇宙的大尺度分布。人類所在的銀河系，是一個(gè)星系群中的一分子。這個(gè)星系群的規(guī)模不大，其中最大的兩個(gè)星系分別是銀河系和仙女座星系。星系群中的其他矮星系是這兩個(gè)大星系的衛(wèi)星星系。

三、星系的種類

在對(duì)星系的觀測(cè)中，我們通常是以能夠觀察到的星系的形狀來(lái)進(jìn)行分類的。宇宙中最常見的星系是橢圓星系，這樣的星系呈橢圓狀，十分明亮。螺旋星系的形狀是圓盤狀的，具有彎曲的旋臂。還有一些星系的形狀不規(guī)則，造成這種情況的原因多數(shù)是附近的星系的引力影響。兩個(gè)相鄰的星系之間產(chǎn)生相互作用時(shí)，可能造成大量的恒星，形成星爆星系，甚至造成兩個(gè)星系合并在一起，最終形成一個(gè)更大的星系。還有一些小型的星系，不具備穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這就是不規(guī)則星系。下面，我們介紹宇宙中存在的幾種主要的星系。

1．橢圓星系

橢圓星系從外觀上來(lái)看呈現(xiàn)出正圓形或者橢圓形，核心十分明亮，相對(duì)來(lái)說(shuō)邊緣比較暗淡。盡管同屬于一個(gè)類型，但是橢圓星系在質(zhì)量上存在很大的差別，根據(jù)哈勃星系分類法，橢圓星系能夠被分為從E0到E7的八個(gè)次型。其中，E0型接近于正圓形，而E7型是最扁的。通常來(lái)說(shuō)，橢圓星系誕生于宇宙形成的早期，其中的恒星大部分已經(jīng)定型并且開始衰老，盡管也會(huì)有新的恒星誕生，但是數(shù)量很少。橢圓星系一般來(lái)說(shuō)會(huì)發(fā)出紅色或黃色的光，這一點(diǎn)與螺旋星系有很大的差別。螺旋星系的旋臂上有很多表面溫度很高的年輕恒星，發(fā)出淡藍(lán)色的光芒。

質(zhì)量最小的矮橢圓星系和球狀星團(tuán)相當(dāng)，超巨型橢圓星系質(zhì)量最大，在宇宙中也可能屬于最大的恒星系統(tǒng)，在質(zhì)量上大約是太陽(yáng)的千萬(wàn)倍到百萬(wàn)億倍，在光度幅度上從絕對(duì)星等-9等到-23等。橢圓星系質(zhì)量光度比大約是50～100，而螺旋星系的質(zhì)量光度比大約是2～15。這說(shuō)明在產(chǎn)能效率上橢圓星系要比旋渦星系低很多。橢圓星系的直徑范圍在1～150千秒差距。總光譜型為K型，具有紅巨星的光譜特征。在顏色上，橢圓星系要比旋渦星系發(fā)紅，這表明其年輕的成員星要比螺旋星系的少，由星族Ⅱ天體組成，星際氣體和星際塵埃非常少或沒有，典型的星族Ⅰ天體藍(lán)巨星在橢圓星系中是不存在的。

在關(guān)于星系是如何形成的這個(gè)問題上，一些科學(xué)家持有一種觀點(diǎn)，他們認(rèn)為當(dāng)兩個(gè)螺旋星系發(fā)生碰撞和合并時(shí)，就會(huì)形成橢圓星系。通過(guò)天文觀測(cè)我們能夠知道，螺旋星系中的恒星都很年輕，但是在橢圓星系中則有完全不同的情況，那里的恒星都已經(jīng)走向了衰老。這就意味著，螺旋星系是先誕生的，而后發(fā)生了合并，形成了橢圓星系。有科學(xué)家在計(jì)算機(jī)上模擬了這種理論，得到的結(jié)果表明，兩個(gè)螺旋星系發(fā)生碰撞后，是有可能形成橢圓星系的。這個(gè)過(guò)程會(huì)形成一個(gè)新的星系，呈橢圓形，并且有一個(gè)和橢圓星系高度類似的星系盤的核心。橢圓星系出現(xiàn)在具有緊密的星系群的星系團(tuán)中，并且通常靠近星系團(tuán)的核心。在一些橢圓星系中發(fā)現(xiàn)了發(fā)出藍(lán)色光芒的年輕恒星，這種情況通常被認(rèn)為是橢圓星系和其他星系發(fā)生了合并，并形成了新的恒星。

加拿大天文學(xué)家考門迪經(jīng)過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在有些大于普通橢圓星系質(zhì)量的巨型橢圓星系中心，其亮度分布會(huì)呈現(xiàn)出異常的現(xiàn)象，并且在星系的中心部分似乎還存在另外一個(gè)核。考門迪認(rèn)為造成這種情況的原因可能是巨型橢圓星系將另一個(gè)質(zhì)量較小的橢圓星系吞噬了。這種形態(tài)的星系在宇宙形成的早期發(fā)生合并的現(xiàn)象可能很普遍，發(fā)生的頻率也很高。較小的星系發(fā)生合并，會(huì)涉及兩個(gè)質(zhì)量不同的星系，對(duì)于橢圓星系的質(zhì)量來(lái)說(shuō)是沒有限制的。在銀河系中，有一個(gè)小的星系就正在進(jìn)行著合并。

橢圓星系的質(zhì)量和尺度的范圍非常廣泛，一個(gè)小型的橢圓星系的質(zhì)量可能僅為107倍太陽(yáng)的質(zhì)量，但是大型的橢圓星系能夠達(dá)到接近1013億倍太陽(yáng)的質(zhì)量。與典型的球狀星團(tuán)相比，最小的矮橢圓星系是個(gè)不折不扣的小個(gè)子，但它所擁有的暗物質(zhì)數(shù)量龐大，因此不能將它歸入星團(tuán)一類。矮橢圓星系不一定就是真的橢圓星系，從特征上看，它們很像是不規(guī)則星系與晚期的螺旋星系，它們常被天文學(xué)家稱為“矮橢球”，至于它們屬于哪種星系，目前還存在爭(zhēng)議。

在物理類型上橢圓星系可分為兩種，其一是“盒狀的”巨大橢圓星系，它的出現(xiàn)是因?yàn)橐恍﹨^(qū)域的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)比其他區(qū)域明顯，其二是“盤狀的”橢圓星系，它的質(zhì)量和體積都屬于普通大小，亮度低，有著各向同性的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，并且能夠被星系自轉(zhuǎn)拉平。

遠(yuǎn)古的巨大橢圓星系，有可能孕育了生命，矮星系孕育生命的概率最低，而銀河系則處于這兩者之間。科學(xué)家們對(duì)于最有可能孕育生命的星系的研究，已經(jīng)在逐漸縮小勘測(cè)的范圍。英國(guó)達(dá)勒姆大學(xué)帕拉蒂卡·達(dá)亞爾在這類研究中，將不同星系與存在生命形式的銀河系做了對(duì)比，認(rèn)為宜居星系的重要條件是擁有大量行星環(huán)繞的恒星，同時(shí)恒星的數(shù)量較少，這樣能夠降低超新星數(shù)量。在宇宙中對(duì)生命體威脅最大的區(qū)域就是帶有大量新生恒星的矮星系，因?yàn)樵谶@類星系內(nèi)會(huì)發(fā)生定期的超新星爆炸，對(duì)整個(gè)星系造成災(zāi)難。超新星的爆炸對(duì)附近的星體有可能造成物種的滅絕，近代恒星形成的數(shù)量較低，這說(shuō)明超新星引爆的可能性也相應(yīng)降低。

經(jīng)過(guò)對(duì)銀河系內(nèi)超新星的比例的觀測(cè)，達(dá)亞爾認(rèn)為，巨型橢圓星系的質(zhì)量是銀河系的兩倍多，但不穩(wěn)定，年輕恒星的數(shù)量卻很少，不足銀河系的十分之一。假如在銀河系內(nèi)有一顆行星宜居，巨型橢圓星系所擁有的宜居行星就會(huì)達(dá)到上萬(wàn)顆。

對(duì)這個(gè)問題，美國(guó)內(nèi)華達(dá)州立大學(xué)的一位科學(xué)家做了進(jìn)一步的研究，他說(shuō)：“我們并非僅需要考慮超新星，伽馬射線暴同樣限制了生命的誕生。科學(xué)家們通常認(rèn)為，地球在過(guò)去的5億年里僅出現(xiàn)過(guò)一次伽馬射線暴，就可能導(dǎo)致了4.4億年前奧陶紀(jì)物種大滅絕，相比之下，同一時(shí)間表內(nèi)活躍矮星系中的類地行星可能已經(jīng)遭受了100次伽馬射線暴。”

2．不規(guī)則星系

不規(guī)則星系，指的是具有不規(guī)則的形狀，內(nèi)部沒有明顯的星系核或者旋臂，不具有盤狀的對(duì)稱結(jié)構(gòu)也不具有螺旋對(duì)稱性的星系。在哈勃序列中，起初并不包含不規(guī)則星系。因?yàn)檫@些星系雖然也是恒星的群落，但是通常沒有旋渦或者對(duì)稱的橢圓狀形態(tài)。這些星系的外觀十分不規(guī)則，而且不存在一個(gè)明顯的星系核心。不規(guī)則星系的尺度通常較小，直徑在0.65萬(wàn)光年到2.9萬(wàn)光年之間。在天空中可以被觀察到的所有星系中，不規(guī)則星系的數(shù)量大約為5%。

這些星系可以用Irr來(lái)表示。按照星系分類的標(biāo)準(zhǔn)，不規(guī)則星系還可以進(jìn)一步細(xì)分為IrrⅠ型和IrrⅡ型兩種。Ⅰ型不規(guī)則星系是具有一般特征的不規(guī)則星系，其中的一部分呈棒狀結(jié)構(gòu)，并且這一結(jié)構(gòu)也是不規(guī)則的。這些星系都屬于矮星系，質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)質(zhì)量的1億倍到10億倍。當(dāng)然，也存在一些較大的星系，能夠達(dá)到太陽(yáng)質(zhì)量的100億倍。這些星系的體積非常小，組成星系的星族與螺旋星系十分接近。Ⅱ型不規(guī)則星系則可能是正在發(fā)生爆炸或者爆炸剛剛結(jié)束的星系，還有一些是受附近的星系的引力干擾發(fā)生扭曲，形成不規(guī)則星系。所以這兩種類型的星系具有完全不同的起源，不能混為一談。

在距離我們不到1000萬(wàn)光年的地方，有一個(gè)名為NGC2366的不規(guī)則星系。它的內(nèi)部有兩個(gè)星團(tuán)，其中正要形成新生的恒星。其中一個(gè)星團(tuán)位于下方，年齡僅為200萬(wàn)年，處于一片宇宙塵埃和氣體云中，是剛剛誕生的幼年星團(tuán)。還有一個(gè)星團(tuán)位于該星系頂端，年齡稍大，大約為400萬(wàn)～500萬(wàn)年。這個(gè)星團(tuán)中的恒星發(fā)出了強(qiáng)烈的能量輻射，把星團(tuán)中的氣體幾乎吹了個(gè)干凈。和太陽(yáng)相比，這兩個(gè)星團(tuán)中正在形成的恒星的質(zhì)量都很大，所以壽命會(huì)很短。其中最明亮的一顆恒星呈現(xiàn)出明亮的藍(lán)色，質(zhì)量相當(dāng)于太陽(yáng)的30～60倍。這樣的大型恒星，會(huì)發(fā)生十分劇烈的亮度變化。通過(guò)哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)這個(gè)星團(tuán)進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)的結(jié)果表明，在三年的時(shí)間里，這顆藍(lán)色恒星的亮度增加了40倍，是這個(gè)星系中最明亮的恒星。

3．螺旋星系

在人類已經(jīng)觀測(cè)到的星系中，要數(shù)螺旋星系的數(shù)量最多、外觀最美麗。它們是由恒星和大量的宇宙塵埃和星際氣體云組成的，是一種具有旋臂的扁平狀星系。螺旋星系具有旋渦狀的結(jié)構(gòu)，在哈勃星系分類標(biāo)準(zhǔn)中，用S來(lái)表示。科學(xué)家是于1845年對(duì)獵犬座星系M51進(jìn)行觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)螺旋星系具有螺旋結(jié)構(gòu)的。

這類星系之所以被稱為螺旋星系，是因?yàn)樾窍当P上從核球向外具有呈對(duì)數(shù)的螺旋結(jié)構(gòu)，而且具有由恒星組成的旋臂。有些螺旋星系的旋臂因?yàn)榫哂袇采男踅Y(jié)，所以分辨起來(lái)會(huì)有些困難。但是根據(jù)旋臂這個(gè)特征，可以和具有星系盤結(jié)構(gòu)但是沒有旋臂的透鏡星系區(qū)分開來(lái)。在螺旋星系的星系盤外，經(jīng)常會(huì)包裹著龐大的球形星系暈。這些星系暈中主要的組成部分是Ⅱ星族恒星，同樣的恒星還會(huì)出現(xiàn)在圍繞星系核運(yùn)動(dòng)的球狀星團(tuán)內(nèi)。

無(wú)論在形態(tài)結(jié)構(gòu)上還是在恒星成分上，螺旋星系都和橢圓星系存在區(qū)別，只是螺旋星系的核部有個(gè)橢圓形的外觀。大量的藍(lán)巨星、疏散星團(tuán)和氣體星云存在于螺旋星系的旋臂內(nèi)，其中最有代表性的就是仙女座星系M31，它距離銀河系非常近，就像一片薄薄的云彩飄在空中，我們用肉眼就能隱約發(fā)現(xiàn)它。

通過(guò)使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在看起來(lái)十分美麗的螺旋星系，在誕生的早期都曾經(jīng)是丑小鴨。科學(xué)家們通過(guò)分析認(rèn)為，在宇宙中剛形成星系時(shí)，螺旋星系的模樣和如今有很大區(qū)別，呈現(xiàn)出一種丑陋且畸形的形狀，后來(lái)才隨著時(shí)間的推移進(jìn)化為螺旋狀。

在60億年前，我們的銀河系也呈現(xiàn)出一種奇異的形狀，后來(lái)這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。科學(xué)家們通常認(rèn)為，從80億年前開始，星系的碰撞就已經(jīng)不再頻繁出現(xiàn)了，但是直到40億年前，這樣的事件仍然時(shí)有發(fā)生。

有一種獲得普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)，那就是星系的碰撞和合并將會(huì)形成橢圓星系。但是另一種觀點(diǎn)與之完全相反，一些科學(xué)家認(rèn)為，星系之間發(fā)生合并的結(jié)果是產(chǎn)生螺旋星系。銀河系的形成相對(duì)來(lái)說(shuō)比較平靜，它似乎躲開了一些十分劇烈的撞擊。但是距離銀河系不遠(yuǎn)的仙女座星系的命運(yùn)就比較曲折，它經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的進(jìn)化和改造過(guò)程。

螺旋星系的旋臂是由星系的核心延伸出來(lái)的旋渦和短棒組成的區(qū)域，這些長(zhǎng)且薄的區(qū)域類似旋渦。一個(gè)具有星系核的星系在宇宙中運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果遇到了另一個(gè)具有星系核的星系，并且它們具有相近的運(yùn)動(dòng)速度，就會(huì)發(fā)生互相吞噬和融合的情況，組成一個(gè)大星系。兩個(gè)星系的星系核碰到一起之后，會(huì)形成一個(gè)共同質(zhì)心并且圍繞著這個(gè)質(zhì)心相互轉(zhuǎn)動(dòng)，組成一個(gè)更大的星系核。這個(gè)星系核會(huì)向兩極發(fā)射強(qiáng)大的能量，就如一個(gè)星系發(fā)電機(jī)一樣。星系核越大，噴射的能量就越大，噴出的粒子流也就更遠(yuǎn)。當(dāng)星系核向外噴射粒子時(shí)，內(nèi)部的能量會(huì)被大量消耗。但是，當(dāng)它和其他星系發(fā)生融合時(shí)，能量就會(huì)得到補(bǔ)充。星系核的能量減小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)兩條噴射的粒子流形成的光帶。如果星系核的磁軸圍繞著自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，噴流會(huì)發(fā)生彎曲，形成星系的旋臂，旋臂中是恒星能夠大量誕生的活躍區(qū)域。

科學(xué)家們?cè)?jīng)十分不理解旋臂為何能夠存在，因?yàn)楫?dāng)星系進(jìn)行自轉(zhuǎn)時(shí)，外層的恒星運(yùn)動(dòng)速度要大于距離核心更近的恒星運(yùn)動(dòng)速度。實(shí)際上，并不是恒星的運(yùn)動(dòng)形成了螺旋臂結(jié)構(gòu)，而是螺旋中的密度波造成了恒星的大量出現(xiàn)。因此，雖然螺旋臂因?yàn)閾碛泻芏鄤傉Q生的恒星而非常明亮，但是并非是恒星的運(yùn)動(dòng)形成了螺旋臂。

螺旋星系的核球十分巨大，它們存在于螺旋星系的中心，身邊緊緊圍繞著大批恒星。核球的組成部分大多是Ⅱ星族的恒星，它們都已經(jīng)十分衰老，體積很小，溫度也很低，呈現(xiàn)出紅色。這些恒星的年齡和整個(gè)星系一樣大，都有數(shù)十億年了。只有這些小型的低溫恒星能夠具有如此漫長(zhǎng)的壽命。

還有一些核球中存在年輕的Ⅰ星族藍(lán)色恒星，它們和紅色的年老恒星混合在一起。雖然我們目前無(wú)法對(duì)這種現(xiàn)象做出圓滿的解釋，但是通常認(rèn)為這代表了星系的融合。當(dāng)星系互相碰撞和吞噬時(shí)，新的宇宙氣體云會(huì)進(jìn)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盤面上運(yùn)行，要么就是圍繞星系的核球在常規(guī)軌道上運(yùn)行。還有一些形成了星系扁球體，同時(shí)圍繞核球運(yùn)行。這些星系扁球體通常都是集中在星系中間的，目前對(duì)它們的運(yùn)行軌道仍然存在爭(zhēng)議。這些球體的運(yùn)行方向十分雜亂，有些是順時(shí)針運(yùn)行，有些是逆時(shí)針運(yùn)行，還有一些具有很高的傾斜角，在不規(guī)則軌道上運(yùn)行。這些星系扁球體中的恒星可能原本并不屬于這個(gè)星系，而是外來(lái)者，是因?yàn)樾窍档呐鲎埠腿诤喜胚M(jìn)入這個(gè)星系的。比如，銀河系正在吞噬人馬座的橢圓矮星系，觀測(cè)顯示，銀河系的銀暈中出現(xiàn)了來(lái)自這個(gè)星系的恒星。

與星系盤不同的是，星系的外暈中的星際塵埃可能處于自由狀態(tài)。如果更深入地進(jìn)行對(duì)比，那么可以發(fā)現(xiàn)星系暈中都是Ⅱ星族恒星，而且恒星具有的金屬元素含量遠(yuǎn)低于星系盤中的Ⅰ星族恒星。在星系暈中存在很多球狀星團(tuán)。

星系暈中的恒星可能在運(yùn)行過(guò)程中和星系盤發(fā)生交叉。離太陽(yáng)系不遠(yuǎn)的一些紅矮星通常被看做是來(lái)自星系暈的恒星。因?yàn)樗鼈儑@星系運(yùn)行的軌道十分不規(guī)則，所以總是會(huì)出現(xiàn)一些看似不正常的運(yùn)動(dòng)軌跡。

下面我們來(lái)介紹螺旋星系的幾種代表星系：

（1）渦狀星系

前面提到的人類發(fā)現(xiàn)的首個(gè)螺旋星系是渦狀星系，也被稱為M51。這個(gè)星系位于獵犬座，在北方的天空中可以觀察到它。這個(gè)星系距離地球2300萬(wàn)光年，直徑約為65000光年。

1773年，法國(guó)天文學(xué)家梅西耶發(fā)現(xiàn)了渦狀星系。1781年，天文學(xué)家梅香又發(fā)現(xiàn)了它的伴星系，并命名為NGC5159。它的螺旋結(jié)構(gòu)是威廉·帕森斯發(fā)現(xiàn)的，他使用了一臺(tái)位于愛爾蘭的大口徑發(fā)射望遠(yuǎn)鏡取得了這個(gè)發(fā)現(xiàn)成果。2005年，天文學(xué)家又在該星系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一顆超新星爆發(fā)，最大亮度達(dá)到14星等。

（2）向日葵星系

向日葵星系，同樣位于獵犬座，和M51屬于同一個(gè)星系群，也是一個(gè)螺旋星系。1779年，天文學(xué)家梅香發(fā)現(xiàn)了這個(gè)星系，后來(lái)被梅西耶收入星表中，并編號(hào)為M63。這個(gè)星系是在19世紀(jì)中期被確認(rèn)為螺旋星系的，是第一個(gè)被確定結(jié)構(gòu)的星系。

（3）三角座星系

三角座星系，也被稱為M33。這是一個(gè)螺旋星系，和地球之間的距離為314萬(wàn)光年。三角座星系在銀河系所在的星系群中是第三大的，前兩名分別是仙女座和銀河系。三角座星系雖然可能受到仙女座的引力影響，但是仍然可以稱作是一個(gè)較大的螺旋星系。這個(gè)星系的伴星系是雙魚座矮星系，又被稱為L(zhǎng)GS3。

如果天空中的觀測(cè)環(huán)境良好，我們能通過(guò)肉眼直接觀察到三角座星系。它是為數(shù)不多的不憑借其他設(shè)備就可以觀測(cè)的星系，但是容易被誤認(rèn)為附近的NGC752。

2005年，科學(xué)家們使用超長(zhǎng)基線陣列對(duì)三角座星系的角動(dòng)量和自轉(zhuǎn)進(jìn)行了估算，計(jì)算的結(jié)果是三角座星系正在向仙女座星系靠近，運(yùn)動(dòng)速度約為190±60千米/秒。

（4）仙女座星系

仙女座星系是銀河系所在的星系群中最大的星系。這個(gè)星系還被稱為M31，距離地球約250萬(wàn)光年。在人類肉眼可見的星體中，仙女座星系是體積最大的。通過(guò)美國(guó)國(guó)家航空航天局發(fā)射的深空望遠(yuǎn)鏡史匹哲太空望遠(yuǎn)鏡，我們能夠發(fā)現(xiàn)仙女座擁有將近1兆顆恒星，比我們的銀河系擁有的恒星數(shù)量——約為1000億顆——要多得多。在2006年，經(jīng)過(guò)重新估算，科學(xué)家們認(rèn)為，銀河系的質(zhì)量大約僅為仙女座星系的一半。

仙女座星系在適宜的觀測(cè)條件下可以用肉眼看到，但是這僅限于在偏遠(yuǎn)的小鎮(zhèn)和荒無(wú)人煙的地區(qū)，遠(yuǎn)離人口集中區(qū)和光污染區(qū)，才能清晰地看到仙女座星系。在肉眼觀測(cè)下，仙女座星系顯得非常小，因?yàn)樗挥兄行膮^(qū)的亮度足夠高，但是這個(gè)星系的角直徑實(shí)際上比滿月在天空的直徑還要大上7倍。

（5）大螺旋星系

大螺旋星系，又被稱為NGC123。這個(gè)巨大的星系的迷人之處在于，它包含著大量美麗的藍(lán)色恒星。這些藍(lán)色的星體在星際塵埃和氣體云中形成旋渦，而不為人所知的暗物質(zhì)在旋渦的邊緣隱藏著。

4．棒旋星系

作為旋渦星系的核心，棒旋星系有明亮的恒星凝聚成的短棒，這條短棒從星系的中心穿越，而星系的旋臂就像從短棒的末端涌到星系中。相比之下，對(duì)于一般的螺旋星系來(lái)說(shuō)，恒星是從核心直接涌出的。從星系的分類看，為了與正常螺旋星系S相區(qū)別，棒旋星系用符號(hào)SB表示。

棒旋星系在全天的亮星系中大約占了15%。而在較暗的星系中，它的比例會(huì)提高到25%。從質(zhì)量、光度、光譜以及成員天體的星族類型、氣體和塵埃的分布、星系盤和星系暈的結(jié)構(gòu)以及空間分布的特點(diǎn)等方面看，棒旋星系與正常的螺旋星系都是相似的。按照哈勃分類法和沃庫(kù)勒分類法，棒旋星系可分為三類：第一類是正常棒旋星系，第二類是透鏡型棒旋星系，第三類是不規(guī)則棒旋星系。

所謂正常棒旋星系，最明顯的特征就是棒狀的結(jié)構(gòu)，旋臂從棒端伸出，一般來(lái)說(shuō)和棒體形成90度。根據(jù)旋臂的不同，這一類棒旋星系可以被分為三個(gè)次型，前兩種次型的棒旋星系具有光滑的棒狀結(jié)構(gòu)，但是第三種次型的棒體和旋臂中，存在一些能夠被明顯觀測(cè)到的亮星、亮節(jié)或者亮團(tuán)。

透鏡型棒旋星系沒有旋臂，這是和正常棒旋星系之間的顯著區(qū)別。透鏡型棒旋星系的外形看起來(lái)與希臘字母Θ十分相似。這一類星系的中心區(qū)有一個(gè)明亮的星系核心，核外是一圈亮度較暗的星系盤。星系的棒狀結(jié)構(gòu)的兩端和星系盤的邊緣交匯在一起，但是無(wú)法形成旋臂。

不規(guī)則棒旋星系根據(jù)其旋臂結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性分為幾種。我們現(xiàn)在還無(wú)法確定的是，這一類棒旋星系的棒狀結(jié)構(gòu)是否同樣位于星系的核心區(qū)域。這些星系的棒狀結(jié)構(gòu)在整個(gè)星系中的光度大約為10%～20%，并且顏色與旋臂相比顯得更紅一些。

棒旋星系在運(yùn)動(dòng)方面具有如下幾個(gè)較為主要的特征：第一，通常來(lái)說(shuō)，棒旋星系具有一個(gè)質(zhì)量很大的核心，這個(gè)核心具有十分復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)的速度很快，并且運(yùn)動(dòng)形態(tài)也很復(fù)雜。第二，在棒狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，以及該結(jié)構(gòu)附近的恒星和星系介質(zhì)會(huì)進(jìn)行非圓周運(yùn)動(dòng)。第三，在棒旋星系的外側(cè)，星系盤是最主要的結(jié)構(gòu)，在整個(gè)星系中占有很大的質(zhì)量，星系盤圍繞星系進(jìn)行角差運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)科學(xué)家們的分析和推測(cè)，當(dāng)螺旋星系在引力作用下將大量星際氣體云送入星系的中心地帶時(shí)，就會(huì)在核心產(chǎn)生一個(gè)棒狀結(jié)構(gòu)，其中會(huì)孕育出許多新的恒星。另外，在大多數(shù)星系中都存在一個(gè)大質(zhì)量的黑洞，這個(gè)黑洞也會(huì)吞噬星際氣體云。

棒旋星系中，年齡較大的紅色恒星的數(shù)量遠(yuǎn)比藍(lán)色的年輕恒星要多。科學(xué)家們認(rèn)為，當(dāng)一個(gè)星系中央出現(xiàn)了棒狀結(jié)構(gòu)，就說(shuō)明該星系已經(jīng)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夠發(fā)現(xiàn)棒狀結(jié)構(gòu)，但是到了現(xiàn)在，已經(jīng)有超過(guò)三分之二的螺旋星系變成了棒旋星系。這個(gè)觀測(cè)結(jié)果，與科學(xué)家之前做出的預(yù)測(cè)是相符的。

5．矮星系

在宇宙中的眾多星系中，矮星系的亮度是最弱的。通常來(lái)說(shuō)，矮星系的絕對(duì)星等只有-8等到-16等。一些矮星系屬于不規(guī)則星系，還有一些屬于小型的橢圓星系。這兩類矮星系的規(guī)模都不大，包含的恒星數(shù)量也很少。橢圓矮星系是所有橢圓星系中體積和質(zhì)量最小的，還有一些矮星系與球狀星團(tuán)相似，但是直徑要更大一些，大約為球狀星團(tuán)直徑的10倍。

我們的銀河系所處的星系群中，總共有40個(gè)星系，其中矮星系的數(shù)量就達(dá)到了20個(gè)。這個(gè)現(xiàn)象能夠說(shuō)明，在全部星系中，矮星系所占的比例是相當(dāng)大的。因?yàn)榘窍档牧炼群艿停园窍捣浅ｋy以被觀測(cè)到，但是它們的數(shù)量卻比大型星系多出許多。在銀河系附近的星系團(tuán)中也發(fā)現(xiàn)了大量矮星系。

矮星系雖然在整個(gè)宇宙的尺度屬于小型的天體系統(tǒng)，但是在宇宙的進(jìn)化過(guò)程中，矮星系發(fā)揮了十分重要的作用。一些天文學(xué)家認(rèn)為，矮星系是宇宙中最先形成的星系形式，較大的星系是由矮星系組成的。到目前為止，宇宙中數(shù)量最多的星系形式就是矮星系，其中的天體也是宇宙中最多的。這些矮星系是宇宙最基本的組成部分。用來(lái)模擬宇宙進(jìn)化的模型顯示出了宇宙中矮星系的數(shù)量很多，所以在宇宙中的實(shí)際數(shù)量可能比科學(xué)家之前預(yù)想的要多得多。

6．活動(dòng)星系

除了普通的正常星系以外，還有很多星系存在著劇烈的活動(dòng)，尤其是這些星系的核心部分，活動(dòng)相當(dāng)劇烈。因此，這些星系和星系核就被稱為活動(dòng)星系和活動(dòng)星系核。活動(dòng)星系包括類星體（QSO）、塞弗特星系、射電星系、蝎虎座BL型天體等。

絕大多數(shù)活動(dòng)星系和我們銀河系的距離都十分遙遠(yuǎn)。這從某種程度上可以表明，我們觀察到的現(xiàn)象發(fā)生在它們剛誕生不久的時(shí)候，因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的光線需要經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年乃至數(shù)億年才能來(lái)到地球。所以這讓很多天文學(xué)家斷定，在星系形成的早期，都會(huì)經(jīng)歷類似的過(guò)程。

活動(dòng)星系的最大特點(diǎn)是，在這類星系的中央有一個(gè)極小但是亮度極高的核心，這就是活動(dòng)星系核。活動(dòng)星系核存在著劇烈的活動(dòng)和爆發(fā)。科學(xué)家通過(guò)觀測(cè)其各個(gè)波段，根據(jù)射電、紅外、光學(xué)以及X射線光度的變化，估算出各個(gè)輻射區(qū)域的大小，長(zhǎng)度一般為幾十個(gè)光分、幾個(gè)光小時(shí)，最長(zhǎng)的也僅僅達(dá)到光年量級(jí)。因此，與整個(gè)活動(dòng)星系相比，核活動(dòng)的區(qū)域是極其微小的。然而，雖然核活動(dòng)的區(qū)域非常小，但它釋放出來(lái)的能量卻極其大，例如，一顆類星體所釋放出來(lái)的能量比銀河系一生所釋放出來(lái)的能量總和還要大。

活動(dòng)星系還具有強(qiáng)大的非熱連續(xù)光譜，光譜中的發(fā)射型很寬。一些活動(dòng)星系的光變十分迅速，時(shí)標(biāo)為幾小時(shí)。還有些活動(dòng)星系中存在噴流等爆發(fā)現(xiàn)象。類星體和蝎虎座BL型天體這一類活動(dòng)星系的輻射，大部分源自活動(dòng)星系核，其他區(qū)域幾乎不具有能量輻射。活動(dòng)星系的總數(shù)大約相當(dāng)于所有普通星系總數(shù)的1%，能夠存活的時(shí)間大約為1億年。人們對(duì)這種星系還知之甚少，所以關(guān)于活動(dòng)星系的研究正在成為天文學(xué)和天體物理研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

我們?cè)趯?duì)活動(dòng)星系核的特征進(jìn)行總結(jié)時(shí)，主要的分類依據(jù)是觀測(cè)時(shí)使用的手段，與星系核本身的關(guān)系不大，因此很多活動(dòng)星系的特征是相互混雜的。但是即便是這樣，仍然可以大致分成幾類。

塞弗特星系是人類發(fā)現(xiàn)的第一種活動(dòng)星系，因?yàn)樗陌l(fā)現(xiàn)者是美國(guó)天文學(xué)家卡爾·塞弗特，所以被命名為塞弗特星系。這種星系具有一個(gè)十分明顯的核，是一個(gè)螺旋星系。該星系能夠發(fā)出很強(qiáng)的電離射線，具有很寬的譜線。這類星系通常都不發(fā)射無(wú)線電波，但是能夠發(fā)射出很強(qiáng)的紅外線。根據(jù)發(fā)出的射線寬度，能夠?qū)⑷ヌ匦窍捣譃棰裥秃廷蛐汀＂裥腿ヌ匦窍档纳渚€具有很寬的譜線，根據(jù)測(cè)算能夠得出它是由高速旋轉(zhuǎn)的氫氣云形成的。Ⅱ型塞弗特星系的發(fā)射譜線很窄，雖然含有氫氣體，但是并未形成高速的氣體云。

類星體與塞弗特星系非常相似，但是類星體中心的核的運(yùn)動(dòng)更加劇烈。在天空中，這些星系的核心看起來(lái)就像是恒星一樣，所以才被稱作類星體。但是使用分光鏡進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這些發(fā)光點(diǎn)并非恒星。從這些星系發(fā)射的光譜譜線產(chǎn)生的紅移能夠知道，它們距離地球都十分遙遠(yuǎn)，是已知的離我們最為遙遠(yuǎn)的天體之一。和塞弗特星系的相同點(diǎn)是，它們既可能保持射電靜默，也可能成為射電源。通常情況下，類星體的亮度都很高，是普通星系亮度的1000倍左右。

1963年，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了類星體。從宇宙局部的照片來(lái)看，類星體只是一顆普普通通的恒星，但如果把這顆類星體放大，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它與恒星是不同的。因?yàn)樗耐鈱影茽畹臍怏w物質(zhì)，同時(shí)還會(huì)發(fā)生噴流現(xiàn)象。類星體所含的元素與地球上的元素是相同的，但從光譜來(lái)看，它們二者的光譜線并不在同一個(gè)位置上，這是因?yàn)榧t移的影響，只要把地球元素的光譜線乘以紅移系數(shù)，就與類星體的光譜線重合了。最早被確認(rèn)為紅移的類星體是3C273，其紅移達(dá)到了0.158，距離地球大約20億光年。

射電星系正如它的名稱所示，無(wú)線電波段具有最強(qiáng)的輻射強(qiáng)度。和其他星系的點(diǎn)輻射源不同，這種星系從位于星系兩側(cè)的巨大輻射瓣中發(fā)出射線。星系中通常具有兩個(gè)輻射源，所以也被稱為雙源性射電星系。這些星系大多是橢圓星系，根據(jù)發(fā)射的譜線寬度不同，分為寬線射電星系和窄線射電星系。

蝎虎座BL型天體具有一個(gè)非常明亮的星系核，如果進(jìn)行短時(shí)間曝光，和普通的恒星十分相似。這類星體具有快速光變，射電輻射的偏振也十分強(qiáng)烈。它發(fā)出的射線光譜中，都沒有發(fā)射線和吸收線，所以只能從它的宿主星系發(fā)出的光譜中推斷出它的紅移。

光學(xué)劇變類星體的光度變化十分明顯，而且通常是很強(qiáng)的射電源。這類星體和蝎虎座BL型天體有一個(gè)統(tǒng)稱，被稱為耀變體。耀變體在很多方面與類星體十分相似，但是不同點(diǎn)在于沒有譜線。低電離核發(fā)射線區(qū)的星系核的亮度不強(qiáng)，而且它的核發(fā)射線區(qū)是低電離的。這樣的星系有時(shí)也被看做是低光度的Ⅱ型塞弗特星系。

窄線X射線星系能夠發(fā)出高電離射線，這一點(diǎn)與塞弗特星系相似。但是這類星系的亮度很低。也可以被看做是光譜受到星系內(nèi)塵埃消光的塞弗特星系。

星爆星系中有很大的恒星形成區(qū)，與發(fā)出的可見光相比，它的紅外線光度更強(qiáng)。這種星系多數(shù)是螺旋星系，雖然被稱為活動(dòng)星系，但是與星系核的關(guān)系目前還不能確定。

除此之外，活動(dòng)星系還包括N星系、茲威基星系、高偏振類星體（HPQ）、低光度活躍星系核（MAGN）、熱星體（Warmer）等。根據(jù)星系發(fā)出的射線的波段，還能夠分為射電靜星系核與射電噪星系核兩種。射電靜星系核中包括塞弗特星系等，而射電噪星系核包括耀變體和射電星系。

四、對(duì)星系的探索和發(fā)現(xiàn)

早在1610年，意大利科學(xué)家伽利略就自己制造了天文望遠(yuǎn)鏡，并且利用望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)天空中的明亮光帶，這個(gè)光帶就是銀河系。通過(guò)觀測(cè)，伽利略發(fā)現(xiàn)這個(gè)光帶由數(shù)量眾多但是亮度不高的恒星組成。康德曾經(jīng)提到，他利用托馬斯·懷特繪制的星圖，推測(cè)星系可能是由大量的恒星在引力作用下組合在一起形成的。它的本質(zhì)與我們所處的太陽(yáng)系一樣，但是規(guī)模更大。這些恒星形成一個(gè)盤狀，當(dāng)我們身處這個(gè)盤狀物的內(nèi)部時(shí)，它看起來(lái)就像是一條光帶。同時(shí)康德還認(rèn)為，天空中星云也可能是星系。

到了18世紀(jì)后期，法國(guó)天文學(xué)家梅西耶繪制了星表，其中包含103個(gè)亮度很高的星云。過(guò)了沒多久，英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇爾也發(fā)表了一份包含5000個(gè)星云的目錄。進(jìn)入19世紀(jì)之后，1845年，科學(xué)家羅斯使用更為先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡，能夠在宇宙中分辨出螺旋星系和橢圓星系，并且在很多星云中發(fā)現(xiàn)了獨(dú)立的光點(diǎn)，初步驗(yàn)證了康德的猜想。但是這時(shí)的科學(xué)家們尚未一致認(rèn)為星云是距離遙遠(yuǎn)的獨(dú)立星系。

哈勃于1936年制定了哈勃序列，這個(gè)方法至今仍在被使用著。哈羅·夏普里建立了一個(gè)模型，認(rèn)為銀河系是一個(gè)扁平的盤狀，太陽(yáng)系距離這個(gè)盤狀的核心非常遙遠(yuǎn)。1930年，天文學(xué)家羅伯特利用疏散星團(tuán)分析了星際塵埃在銀河系盤狀的面上對(duì)光線的吸收，得出了銀河系的實(shí)際圖景。1944年，亨德里克對(duì)氫原子的輻射進(jìn)行了預(yù)測(cè)，到了1951年，來(lái)自星際空間的氫原子輻射就被發(fā)現(xiàn)了。通過(guò)這種輻射，我們能夠?qū)τ钪嫖镔|(zhì)和星系進(jìn)行更深入的研究，因?yàn)檫@些輻射不會(huì)被宇宙塵埃干擾，能夠反映出星系中的氣體移動(dòng)。這些觀測(cè)結(jié)果讓科學(xué)家做出了轉(zhuǎn)動(dòng)的假設(shè)，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了星系中央的棒狀結(jié)構(gòu)。在射電望遠(yuǎn)鏡的配合下，科學(xué)家們陸續(xù)追蹤到了一些河外星系中的氫原子。1970年，維拉·魯賓發(fā)現(xiàn)星系中能夠被觀察到的物質(zhì)總量無(wú)法解釋星系中的氣體的移動(dòng)速度，這個(gè)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致人們提出了暗物質(zhì)的理論。

20世紀(jì)90年代，哈勃太空望遠(yuǎn)鏡升空了。因?yàn)闆]有了大氣層的干擾，人們對(duì)太空的觀測(cè)效率大大提高了。而且通過(guò)哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果能夠確定，很多神秘的天體不只是宇宙中的暗弱天體。著名的哈勃深空就說(shuō)明了這一點(diǎn)。哈勃望遠(yuǎn)鏡對(duì)太空中的一個(gè)區(qū)域進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)的曝光，發(fā)現(xiàn)在一小塊區(qū)域就存在大量星系和星系團(tuán)，進(jìn)而得出宇宙中可能存在的星系總量可能多達(dá)1750億個(gè)。科學(xué)家們又改進(jìn)了光譜探測(cè)技術(shù)，能夠在不可見光波段對(duì)太空進(jìn)行觀察，能夠找到哈勃望遠(yuǎn)鏡無(wú)法直接觀測(cè)到的遙遠(yuǎn)星系。尤其是使用這些儀器對(duì)太空中被銀河系遮蔽的部分進(jìn)行觀測(cè)，找到了為數(shù)眾多的新星系。

2011年，歐洲宇航局召開新聞發(fā)布會(huì)，宣稱一個(gè)研究小組發(fā)現(xiàn)了一個(gè)古老的星系。這個(gè)星系的壽命據(jù)稱已經(jīng)有135.5億年，是我們目前能夠發(fā)現(xiàn)的最古老的星系。這個(gè)發(fā)現(xiàn)能夠幫助我們更好地了解宇宙經(jīng)歷的所謂黑暗時(shí)代。根據(jù)宇宙大爆炸理論，宇宙是由一個(gè)奇點(diǎn)發(fā)生爆炸形成的，爆炸發(fā)生在距今137億年前。爆炸發(fā)生后，宇宙開始向外膨脹，溫度也逐漸下降，在38萬(wàn)年后，能量凝結(jié)成了物質(zhì)，宇宙中出現(xiàn)了大量彌漫的氫元素。這時(shí)因?yàn)橛钪嬷袥]有能夠發(fā)光的物質(zhì)，所以此時(shí)的宇宙一片黑暗。后來(lái)盡管出現(xiàn)了最早的恒星和星系，但是它們發(fā)出的光被宇宙中的氫氣云遮掩，所以仍然很暗。直到宇宙誕生10億年后，星系開始大量出現(xiàn)，它們產(chǎn)生的電磁輻射驅(qū)散了氫氣云，宇宙才開始逐漸變得明亮起來(lái)。這長(zhǎng)達(dá)10億年的時(shí)間就是宇宙的黑暗時(shí)代。當(dāng)今天文學(xué)和宇宙學(xué)研究的一個(gè)重點(diǎn)就是黑暗時(shí)代，而在這一時(shí)期誕生的星系能夠幫助我們對(duì)這個(gè)時(shí)代的情況得到更多的了解。

2012年，一個(gè)天文學(xué)研究小組使用哈勃望遠(yuǎn)鏡又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)古老星系。這個(gè)星系形成于宇宙剛剛誕生的2億年內(nèi)。這個(gè)古老的星系同樣能夠使我們對(duì)宇宙誕生早期的景象和結(jié)構(gòu)獲得更多的認(rèn)識(shí)。

以美國(guó)天文學(xué)家理查德·埃里斯為首的一些天體物理學(xué)家在加州理工學(xué)院發(fā)現(xiàn)了目前已知的與地球的距離最為遙遠(yuǎn)的星系。這個(gè)星系距離我們極其遙遠(yuǎn)，距離地球約為130億光年。這個(gè)星系尺度很小，直徑只有2000光年左右。相比之下，我們的銀河系的直徑有10萬(wàn)光年。

研究人員使用兩個(gè)天文望遠(yuǎn)鏡來(lái)對(duì)這個(gè)星系進(jìn)行觀測(cè)，并最終發(fā)現(xiàn)了它。除了使用這兩個(gè)巨大的天文望遠(yuǎn)鏡外，科學(xué)家們還利用了阿貝爾2218星系團(tuán)的引力透鏡作用，找到了這個(gè)星系發(fā)出的光線。引力透鏡作用是愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)光線在宇宙中傳播時(shí)，會(huì)在巨大的引力作用下發(fā)生扭曲，產(chǎn)生類似透鏡的效果。通常來(lái)說(shuō)，我們感覺不到這種作用帶來(lái)的影響，但是如果光線是來(lái)自數(shù)十億光年之外，那么就會(huì)產(chǎn)生非常明顯的效果。一位天文物理學(xué)家表示，這樣遙遠(yuǎn)并且尺度很小的星系，如果沒有引力透鏡作用，是根本不可能被我們發(fā)現(xiàn)的。

哈佛大學(xué)的天體物理學(xué)家羅伯特認(rèn)為，此次發(fā)現(xiàn)的最遙遠(yuǎn)星系對(duì)天文學(xué)的研究將起到重要的作用，因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)能夠證實(shí)許多科學(xué)家過(guò)去進(jìn)行的猜測(cè)，還能讓人們知道宇宙中究竟是什么時(shí)候開始發(fā)出光亮的。理查德表示，科學(xué)家們?cè)?jīng)認(rèn)為在宇宙誕生的初期形成的星系內(nèi)包含的恒星和現(xiàn)代的星系中的恒星存在巨大區(qū)別；但是通過(guò)對(duì)這一星系的觀測(cè)我們可以發(fā)現(xiàn)，宇宙的黑暗時(shí)代形成的恒星與后來(lái)誕生的恒星并沒有多大的差異。