星系演化方法（形成与演化探索与研究）

图为仙女座星系（M31），摄于P. LeFevre家后院，曝光时间为12小时。© iStockphoto/Paul LeFevre

星系通常被定义为一些星星或是星际物质的集合，由于重力的影响而被束缚在一起从而形成一个庞大的系统。系统和系统之间是独立的，星系之间间隔数百万光年，由数以万计的星体组成，例如星团，星云……等等，质量加起来是太阳的数万亿倍。星系的种类可以有很多种，不过总的来说，它们可以被归为四类——椭圆星系(elliptical)、透镜状星系(lenticular)、旋涡星系(spiral)、不规则星系(irregular)。

这个包含地球的星系被称为银河系，因为如果你用肉眼观察的话，它看起来像一个由许多难辨的物质组成的浑浊环带。我们的星系是旋涡形的，像圆盘一样扁平。到目前为止，我们在银行系中已经计算到的质量大约是太阳质量的数万亿倍，其中的一千亿倍质量是包括太阳在内的恒星的质量。我们最近的邻居是距离我们10万光年的矮星系(其中一些已经和银河系融合了)。然而，距离我们最近的和我们差不多的大型星系是仙女座星系(M31)，距离我们200万到300万光年。

星系的四种类型

旋涡星系(Spiral)

旋涡星系的形状像大而平的圆盘（有时带有棒形结构），通常在中心会有一个椭圆形的突起。这些星系通常都有沿着外边缘向外延伸的明亮星系臂。旋涡星系中所包含的星际物质可分为第一星族(population I)和第二星族(population II)。第一星族包括年轻的恒星和星团，而第二星族则是由较老的恒星和恒星物质组成，通常位于星系中心的凸起处。星系的亮度和质量各不相同，这也促进了星系分类的发展。在旋涡星系内部发现的规律并不是恒定不变的，可能是由于邻近星系之间的引力相互作用造成的。

透镜状星系(Lenticular)

透镜星系一开始其实是朝着旋涡星系的方向发展的，但在形成的过程中星际物质逐渐耗尽，使得它们看起来像平滑的圆盘(没有星系臂)，而只有属于第二星族的恒星。在观察者看来，透镜状星系的形状和内容物质与椭圆星系非常相似。

椭圆星系(Elliptical)

椭圆星系呈椭球形或卵状，其亮度轮廓平滑。它们主要由第二星族物质组成，看起来就像被压成了一个球。这些星系看起来似乎不旋转（或移动得很少）。不过内部恒星和其他恒星体可能有径向轨道或公转轨道。椭圆星系比旋涡星系要小得多，而且由于缺乏形成新星所需的气体，恒星的形成率很低，几乎没有疏散星团或年轻恒星。

不规则星系(Irregular)

由于邻近星系的引力作用，会形成许多形状各异的星系。它们独特的形状使得很难将它们分类为圆盘状或椭球体，因此这种分类是一个大杂烩。

星系搜索

1755年，伊曼努尔·康德(Immanuel Kant)使用“岛宇宙”(Island Universes)一词，来描述天文学家在银河系外发现的星云。实际上，人类早在此之前就已经知道了其他星系的存在，早在埃德温·鲍威尔·哈勃证实仙女座星系存在的几百年前。

一些研究学者推测，巴比伦人可能在公元前1300年就发现了仙女座星系并进行了记录。不过，首次确定的对仙女座进行记录是在公元964年，由古波斯天文学家阿尔·苏菲(Al Suf)完成。苏菲还观测了银河系的邻居矮星系——大麦哲伦云(LMC)。在17世纪初，麦哲伦(Magellan)和韦斯普奇(Vespucci)发现了大麦哲伦云和小麦哲伦云(SMC)。

随着科技的发展，望远镜变得越来越精密和复杂，这使得天文学家终于能够更清晰地观察夜空，意识到往后还有数以亿计的星系正等待着被研究。1654年，意大利牧师兼天文学家霍迪尔纳(G.B. Hodierna)发现了三角星系(Triangulum Galaxy)。1752年，法国天文学家尼古拉斯·路易斯·德·拉卡耶(Nicholas-Louis de Lacaille)发现了M83星系，这是我们所在星系群之外的发现的第一个星系。

法国天文学家查尔斯·梅西耶(Charles Messier) ，他的成就在于给星云、星团和星系都编上了号码，并制作了著名的“梅西耶星团星云列表”。他首次发现星系是在1771年，梅西耶在室女星系团中发现了一个椭圆星系并命名为M49。

到1774年，他的第一版《梅西耶星团星云列表》总共包含了45个深空天体，包括星云和星团。然而，等到了1802年，出生在德国的英国天文学家威廉·赫歇尔(William Herschel)已经记录了超过2500个星体，其中大约2100个是星系。不甘示弱的是，丹麦-爱尔兰天文学家约翰·路易斯·埃米尔·德雷尔(John Louis Emil Dreyer)在他的《星云星团新总表》(New General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars)中列出了6000多个星系，而他的《星云星团新总表续编》(Index Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars)中也有近4000个星系。

2009年，斯隆数字化巡天计划(Sloan Digital Sky Survey)记录了100万个星系，但科学家们经过计算认为仅仅是在宇宙可观测的部分就还有数千亿个星系正等待着被发现。

星系分类

根据星系的外观特点，可以把它们分为旋涡星系、透镜星系、椭圆星系和不规则星系四大类，接着可以根据一些其他的特征对它们进行进一步分类。例如，它们是否有星系棒或者它们是否是稳定的椭圆。更多关于哈勃分类系统(Hubble Classification Scheme)的信息可以在网上找到。另外，根据过时的恒星演化模型，星系有时也被划分为早期星系或晚期星系，这种分类方法倾向于将椭圆星系和透镜星系归到早期星系的类别中，而一些旋涡星系和不规则星系则被归到了晚期星系中

星系特征

尽管星系的形状、大小和外观各不相同，但它们有一点很像人类:星系之间有许多共同之处。星系里有很多恒星（多达数万亿颗），其中许多星系拥有两个太阳或多个太阳系。大多数星系都包含了以下部分或全部的星体：

球状星团(Globular Star Clusters)：由数百万颗恒星组成，其质量通常与小星系的大小相似。这些星体非常古老，形成了自己的系统，出现在各种形状和大小的星系中。

星云遗迹(Nebulous Remnants)：当恒星形成时，它们通常会留下一些废弃物质，星际残留物，漂浮在太空中，因引力作用而被卷入其他星系。

赤道云(Equatorial Clouds)：第二星族的恒星更有可能形成椭圆形凸起，气体和尘埃聚集在赤道盘附近的云中。这种云通常能被观察到。

星际云(Interstellar Clouds)：也被称为产星星云，这里也是星团里的恒星发展壮大的“摇篮”。

星系核(Galactic Nucleus)：通常包含质量极大甚至可以被标记为黑洞候选的物体。科学家们怀疑，一些星系核是较小星系的原子核被较大星系吞噬后的残余。

像仙女座这样的巨型星系也比最小的星系大数百万倍，范围也比最小的矮星系广数万亿倍。不同的星系周长也相差很大。有些只有星系只有几千光年宽，而另一些星系则需要几十万年才能穿过。梅西耶星团星云列表中最大的星系是仙女座星系和Ⅱ型赛弗特星系。银河系也是重量级选手，它的质量至少有2500亿 (甚至可能多达7500亿)，直径为10万光年。

在无垠宇宙中闪耀是星系最擅长的一件事之一。它们会发射各种波长的光，包括长波、微波、紫外线、X射线和伽玛射线。星际物质的温度普遍非常低，射电和红外频率是最佳观测波段。温度最高的超新星残骸，可以在电磁光谱的上端观测到。高效率的产星星系在红外频率上更容易被观测到。

活动星系核(AGNs)是一种非常强烈的光源，可以发出所有波长的光。关于AGNs的主流理论表明这种现象是由超大型中心物体与气态物质相互作用而引起的。有些星系被称为赛弗特星系(Seyfert galaxy)，它们的星系核中有超大型物体与气体物质在进行快速相互作用，导致它们发射出了非常明亮的光。而另一些星系被称为射电星系，它们只能在射电频率上安静地或响亮地发出自己的光。

一些星系核排列非常紧凑，亮度极高，甚至比星系本身还要亮。这些星系核被称为类星体。这些天体看起来和赛弗特星系核很像，但它们非常罕见，只有在宇宙深处才能够找到。距离我们最近的一个类星体位于室女星系团中，距离我们20亿光年。最后，赫克曼(Heckman)于1980年发现了低电离星系核星系。这些星系的核光度通常较低。

有时恒星会变成超新星(supernova），在这个过程中星体的光度会突然增加，以至于可能比星体所在的整个星系都要亮。超新星能达到的最大星等是19到20。这个过程吸引了不少像亚哈船长一样在宇宙中寻找超新星“巨鲸”的天文学家。梅西耶星团星云列表中也罗列了一些包含了超新星的星系。

星系的形成和演化

目前，天文学家们致力于研究星系究竟是如何形成的。起初，关于星系的形成只有两种对立的理论: 自上而下式(top-down)和自下而上式(bottom-up)。自上而下理论认为，星系形成于宇宙开始膨胀时最初的10亿年间。而自下而上理论认为，小的星际物质团首先形成，然后逐渐增加，形成越来越大的物质团，最终形成星系。

近年来，通过利用哈勃太空望远镜和其他技术所进行的观测，研究人员得以整理出大概的宇宙时线，并发现了一些能够指向星系可能的形成过程的证据。在我们的附近，所有的星系看起来都是相同或相似的类型，而且似乎都是在过去30到40亿年里形成的。大约50亿年前，拥有旋臂或棒状结构的星系少之又少。更早之前，大约60亿年前，不规则形状的星系在星系相互作用和合并出现的频率更高。

根据这些观测结果可以看出，似乎大约在100亿至150亿年前，星系的组成部分从含有氢和氦的原始气云中分离了出来，这些组成部分在自身重力的作用下开始坍缩，形成了原始星系。暗物质、大质量的中心核以及与邻近星系的碰撞看来也在现代星系的形成和演化中扮演着重要的角色。

梅西耶星系

梅西耶星表中的星系根据它们能在地球上不同的地方以及什么时候可以被观测到而被分为两个类别:北方的春天/南方的秋天 和 北方的秋天/南方的春天。

北方的秋天/南方的春天星系类别包括以下星系：

本星系群：M31, 星系群(M31, M32, M110), 以及M33, M74, M77

北方的春天/南方的秋天星系类别则包括以下星系：

室女星系团：M49, M58, M59, M60, M61, M84, M85, M86, M87, M88, M89, M90, M91, M98, M99, M100

位于狮子座内部的星系：M66, 星系群 (M65, M66), M96, 星系群 (M95, M96, M105)

位于大熊星座内部和周围的星系: M81, 星系群(M81, M82), M101, M102, M108, M109, M51 星系群(M51, M63),M94, M106, M64

位于南方的星系：M83, M104

星系团

有些星系没有邻居，孤零零地漂浮在空旷的宇宙里。然而，通常情况下，星系团聚集在一起形成包含多达数千个星系的群。它们中的许多都在引力作用下相互作用，随着时间的推移，引力作用会渐渐影响它们的“模样”。

直到本世纪，人类才真正理解了这个包围着我们的星系的本质。它被称为银河系。我们的恒星，太阳，只是构成这个巨大漩涡结构的数十亿恒星之一。在任何一个夜晚你所能用肉眼观察到的星星都属于银河系。银河系自转得非常慢，实际上，上次位于我们现在所处的位置是在2亿5千万年前。在天文爱好者的望远镜里，大多数星系在黑色背景下看起来就像暗淡的小光点。即使是通过大型望远镜看到的景象也不像大多数星系照片中的壮丽多彩。

哈勃太空望远镜可以拍摄壮观的照片，可以收集遥远星系的数据，这些有价值的数据甚至能迫使天文学家改变他们关于星系形成的想法和理论的数据。接下来就是类星体了。它们究竟是什么?它们的存在是因为星系中心的巨大黑洞吗？抑或是因为其他一些神秘的、未知的过程而存在。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. 赵雨儿8-河合桃子- thetimenow

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