宇宙之島——銀河系與河外星系

宋媛媛

Abe112744，又稱潘多拉星系團

銀河系的真面目

提到銀河，我們會想到牛郎織女的傳說——“迢迢牽牛星，皎皎河漢女”，牛郎與織女在銀河的阻隔下久久不能相見。在西方，人們想象銀河是希臘神話中天后赫拉灑在空中的乳汁，于是把銀河稱為“牛奶之路”。銀河看上去就像一條淡淡的白色光帶橫貫于夜空，在沒有望遠鏡的年代，人們以為銀河是一種大氣現象。直到1610年，伽利略第一次把望遠鏡指向銀河，才發現原來銀河是由無數顆恒星組成的天體系統。在20世紀20年代以前，大部分天文學家還認為銀河系包含了宇宙中所有的恒星。直到愛德文·哈勃通過觀測研究提出銀河系其實只是宇宙中眾多星系之一，人們才對宇宙的宏大有了更進一步的認知。

“不識廬山真面目，只緣身在此山中”，因為我們的地球家園處在太陽系之中，太陽系又包含在銀河系里，所以身處銀河系中的我們，很難窺探銀河系的全貌。不過，浩瀚的宇宙遍布著各種形態的星系，通過觀測研究它們的生命歷程，銀河系的面貌在我們的眼前逐漸清晰起來。

如果從側面觀察銀河系，銀河系大概像一個中間厚兩邊薄的飛碟，其中央凸起的扁球體叫作核球，核球的中心也就是整個銀河系的核心，叫作銀心;扁平的區域被稱為銀盤;銀盤的四周散布著球狀星團;這些球狀星團是銀河系中最年老的天體，繞著銀心旋轉，它們和其他一些物質組成了銀暈。

銀河系俯視圖

銀河系側視圖

如果俯視銀河系，銀河系看起來就像一個大旋渦，伸展著幾條旋臂。整個銀河系都在自轉，旋臂也在銀盤上轉動。旋臂是孕育恒星的搖籃，當塵埃、分子云等物質進入旋臂時，這些物質會被旋臂的旋渦密度波壓縮，形成擾動，這樣就有機會形成新的恒星了。

地球人眼中的銀河系

以太陽這顆恒星為中心的太陽系處于獵戶旋臂之中，圍繞銀河系中心轉動，速度大約是220千米/秒，周期大約是2.7億年。由于太陽系位于銀盤的邊緣，離銀心較遠，從地球上觀測，朝向銀盤方向的恒星多，垂直于銀盤面方向的恒星少，所以我們觀測到的銀河呈帶狀。

銀河系包含約2000億～4000億顆恒星和至少1000億顆行星。那么龐大的恒星集團，我們在地球上看應該十分明亮才對，但是為什么肉眼看去銀河只是淡淡的白色？通過相機長時間曝光拍攝到的銀河照片，我們可以看到無數恒星、星云的色彩被顯示出來。在照片中，我們還可以看到銀河中的黑色帶狀區域，看上去就像銀河的“裂縫”。這個黑色帶狀區域其實布滿了塵埃和分子云，就是它們將大部分恒星遮擋住，使銀河看上去暗淡了許多。

圖中紅色激光所指的是銀心方向

銀河中有什么？

目前，天文學家通過探測得出整個銀河系的質量大約是太陽質量的1.5萬億倍，其直徑約為10萬光年。不過，銀河系所有恒星、星團、星云等明亮天體的質量總和只占整個銀河系的10%，剩下的90%都是神秘的暗物質！我們目前還無法理解這些暗物質究竟是什么，它們仍然是天文學領域的未解之謎。不過，相信隨著天文學的發展，我們終將解開這個謎團。

銀河系中心假想圖

銀河系那么龐大的天體系統，它的中心到底是什么呢？在地球上觀測，銀心正好位于人馬座方向。不過由于銀盤中塵埃、氣體等物質的遮擋，我們無法通過肉眼或光學望遠鏡欣賞銀心的壯觀景象，只能通過其他波段望遠鏡進行探測。天文學家結合射電、紅外、X射線、伽馬射線的觀測資料，逐漸揭開了銀河中心的神秘面紗。

銀河系中心附近是銀河系恒星最密集的區域，這里聚集了大量的恒星群。此外，這里還有大量電離氣體和塵埃，天文學家探測到銀心處的電離氣體高速轉動，并證實了銀心處有一個超大質量的黑洞！其質量約為太陽質量的400萬倍，黑洞巨大的引力在吸引物質的過程中釋放出巨大的能量。正是因為黑洞產生的巨大引力，銀心附近的恒星才那么活躍，銀河系中心的亮度才那么高。

多姿多彩的河外星系

銀河系中有各種天體，但不可能再包含另一個星系，所以銀河系外的星系都被稱為河外星系。河外星系有很多種形態，有些和星云、星團很像。曾經，人們就誤把仙女座大星系看成了星云，還將其命名為仙女座星云。直到天文學家哈勃測定了這個天體的距離后，發現它遠在銀河系之外，是和銀河系一樣級別的龐大星系，人們才糾正了命名。隨后，哈勃在觀測了大量星系后，在1926年提出了星系分類法，按照形態將星系分成了四類：橢圓星系、旋渦星系、棒旋星系和不規則星系。

橢圓星系比較容易辨認，用字母E表示，搭配0～7的數字，表示了8種形狀。從E0到E7，星系的形狀由正圓逐漸變為橢圓。橢圓星系沒有旋臂，也沒有明顯的星系盤。比較常見的橢圓星系有M49、M59、M60、M87、NGC4125等。

M49橢圓星系（E2A）

旋渦星系有明顯的旋渦結構，星系中心為球狀或橢球狀，有兩條或兩條以上的旋臂。旋渦星系用字母S表示，根據核球的大小和旋臂松緊程度，分為Sa、Sb、Sc三個類型。通過觀察發現，Sa的核球最大，旋臂卷得最緊。Sc的核球比較小，旋臂最松散。上文提到的仙女座大星系就屬于旋渦星系，除此之外還有M74、M81、M101、M104、M51a、NGC300、NGC772等。

M81（Sa型）

M101風車星系（Sc型）

M104草帽星系（Sa型）

在E7橢圓星系和Sa旋渦星系之間還有一種過渡星系，被稱為透鏡星系，用S0表示。這種星系的核球比E7更扁，還沒有出現或剛要出現旋臂。

棒旋星系與旋渦星系的區別在于中心部分的形狀，旋渦星系的核球是球狀的，而棒旋星系的核球是棒狀的。同樣按照旋臂的松緊程度，棒旋星系可分為SBa、SBb和SBc三個類型。我們的銀河系曾一度被認為是旋渦星系，直到發現它的棒狀結構，人們才確定它是一個棒旋星系。那你認為銀河系是棒旋星系中的哪一類呢？通常，它會被歸類為SBb或SBc。除了我們所處的星系外，典型的棒旋星系還有M91、M95、NGC1097、NGC1300、NGC1672、NGC2536、NGC2903等。

M91（SBb類型）

NGC1672（SBb類型）

NGC2536（SBc類型）

不規則星系用字母Irr表示，這個類型包羅萬象，只要無法歸到上述三類星系的，都被歸為此類。不規則星系沒有中心核球，也沒有旋渦結構和旋臂，形狀多樣。比較典型的是曾經也被誤認為是星云的“大、小麥哲倫云”，除此之外還有M82、NGC1427A等。

大麥哲倫云

小麥哲倫云

M82雪茄星系

天文學家們統計已經觀測到的星系，發現不規則星系約占所有星系的3%，橢圓星系約占20%，其余都是旋渦星系或棒旋星系。可見，星系的主要形態就是旋渦狀或棒旋狀。

說到這里，你可能會問：為什么星系會呈現不同的形狀呢？目前，關于星系如何形成的物理理論尚無定論，不過科學界普遍認為絕大多數螺旋星系是由旋轉的氣體、塵埃云構成。萬有引力也會促使星系不斷旋轉，雜亂無章的體系就在旋轉過程中被拉成一個扁平的平面。隨著時間的推移，由于摩擦導致的能量損失以及萬有引力的作用，星系還會被迫收縮。當旋轉的物體收縮時，它會旋轉得更快。你可以想象花樣滑冰運動員在冰場上高速旋轉時，是不是越收縮身體旋轉得越快！旋臂的種類就與旋轉速率相關，旋轉速率越快的星系，其旋臂越緊密;而旋轉緩慢的星系則擁有更長且疏松的旋臂。

對于整個宇宙來說，銀河系猶如滄海一粟，而我們的地球更是萬分渺小、微不足道。不過，正是生活在“渺小”的地球上的人類，憑著智慧和日復一日的觀察研究，一點點展開了宇宙這幅巨大的天體畫卷。這幅畫卷還有多長，其中還蘊藏著多少玄機？未來，我們一起去探索吧！