宇宙之島——銀河系與河外星系

宋媛媛

Abe112744，又稱潘多拉星系團(tuán)

銀河系的真面目

提到銀河，我們會(huì)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(yuǎn)鏡的年代，人們以為銀河是一種大氣現(xiàn)象。直到1610年，伽利略第一次把望遠(yuǎn)鏡指向銀河，才發(fā)現(xiàn)原來銀河是由無數(shù)顆恒星組成的天體系統(tǒng)。在20世紀(jì)20年代以前，大部分天文學(xué)家還認(rèn)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(cè)研究提出銀河系其實(shí)只是宇宙中眾多星系之一，人們才對(duì)宇宙的宏大有了更進(jìn)一步的認(rèn)知。

“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中”，因?yàn)槲覀兊牡厍蚣覉@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(tài)的星系，通過觀測(cè)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(cè)面觀察銀河系，銀河系大概像一個(gè)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(gè)銀河系的核心，叫作銀心;扁平的區(qū)域被稱為銀盤;銀盤的四周散布著球狀星團(tuán);這些球狀星團(tuán)是銀河系中最年老的天體，繞著銀心旋轉(zhuǎn)，它們和其他一些物質(zhì)組成了銀暈。

銀河系俯視圖

銀河系側(cè)視圖

如果俯視銀河系，銀河系看起來就像一個(gè)大旋渦，伸展著幾條旋臂。整個(gè)銀河系都在自轉(zhuǎn)，旋臂也在銀盤上轉(zhuǎn)動(dòng)。旋臂是孕育恒星的搖籃，當(dāng)塵埃、分子云等物質(zhì)進(jìn)入旋臂時(shí)，這些物質(zhì)會(huì)被旋臂的旋渦密度波壓縮，形成擾動(dòng)，這樣就有機(jī)會(huì)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(zhuǎn)動(dòng)，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(yuǎn)，從地球上觀測(cè)，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(cè)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(tuán)，我們?cè)诘厍蛏峡磻?yīng)該十分明亮才對(duì)，但是為什么肉眼看去銀河只是淡淡的白色？通過相機(jī)長(zhǎng)時(shí)間曝光拍攝到的銀河照片，我們可以看到無數(shù)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(qū)域，看上去就像銀河的“裂縫”。這個(gè)黑色帶狀區(qū)域其實(shí)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(xué)家通過探測(cè)得出整個(gè)銀河系的質(zhì)量大約是太陽質(zhì)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(tuán)、星云等明亮天體的質(zhì)量總和只占整個(gè)銀河系的10%，剩下的90%都是神秘的暗物質(zhì)！我們目前還無法理解這些暗物質(zhì)究竟是什么，它們?nèi)匀皇翘煳膶W(xué)領(lǐng)域的未解之謎。不過，相信隨著天文學(xué)的發(fā)展，我們終將解開這個(gè)謎團(tuán)。

銀河系中心假想圖

銀河系那么龐大的天體系統(tǒng)，它的中心到底是什么呢？在地球上觀測(cè)，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(zhì)的遮擋，我們無法通過肉眼或光學(xué)望遠(yuǎn)鏡欣賞銀心的壯觀景象，只能通過其他波段望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行探測(cè)。天文學(xué)家結(jié)合射電、紅外、X射線、伽馬射線的觀測(cè)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(qū)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(xué)家探測(cè)到銀心處的電離氣體高速轉(zhuǎn)動(dòng)，并證實(shí)了銀心處有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞！其質(zhì)量約為太陽質(zhì)量的400萬倍，黑洞巨大的引力在吸引物質(zhì)的過程中釋放出巨大的能量。正是因?yàn)楹诙串a(chǎn)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(gè)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(tài)，有些和星云、星團(tuán)很像。曾經(jīng)，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(xué)家哈勃測(cè)定了這個(gè)天體的距離后，發(fā)現(xiàn)它遠(yuǎn)在銀河系之外，是和銀河系一樣級(jí)別的龐大星系，人們才糾正了命名。隨后，哈勃在觀測(cè)了大量星系后，在1926年提出了星系分類法，按照形態(tài)將星系分成了四類：橢圓星系、旋渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系。

橢圓星系比較容易辨認(rèn)，用字母E表示，搭配0～7的數(shù)字，表示了8種形狀。從E0到E7，星系的形狀由正圓逐漸變?yōu)闄E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(jié)構(gòu)，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(jù)核球的大小和旋臂松緊程度，分為Sa、Sb、Sc三個(gè)類型。通過觀察發(fā)現(xiàn)，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(fēng)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(xiàn)或剛要出現(xiàn)旋臂。

棒旋星系與旋渦星系的區(qū)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(gè)類型。我們的銀河系曾一度被認(rèn)為是旋渦星系，直到發(fā)現(xiàn)它的棒狀結(jié)構(gòu)，人們才確定它是一個(gè)棒旋星系。那你認(rèn)為銀河系是棒旋星系中的哪一類呢？通常，它會(huì)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(guī)則星系用字母Irr表示，這個(gè)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(guī)則星系沒有中心核球，也沒有旋渦結(jié)構(gòu)和旋臂，形狀多樣。比較典型的是曾經(jīng)也被誤認(rèn)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(xué)家們統(tǒng)計(jì)已經(jīng)觀測(cè)到的星系，發(fā)現(xiàn)不規(guī)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(tài)就是旋渦狀或棒旋狀。

說到這里，你可能會(huì)問：為什么星系會(huì)呈現(xiàn)不同的形狀呢？目前，關(guān)于星系如何形成的物理理論尚無定論，不過科學(xué)界普遍認(rèn)為絕大多數(shù)螺旋星系是由旋轉(zhuǎn)的氣體、塵埃云構(gòu)成。萬有引力也會(huì)促使星系不斷旋轉(zhuǎn)，雜亂無章的體系就在旋轉(zhuǎn)過程中被拉成一個(gè)扁平的平面。隨著時(shí)間的推移，由于摩擦導(dǎo)致的能量損失以及萬有引力的作用，星系還會(huì)被迫收縮。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的物體收縮時(shí)，它會(huì)旋轉(zhuǎn)得更快。你可以想象花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員在冰場(chǎng)上高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，是不是越收縮身體旋轉(zhuǎn)得越快！旋臂的種類就與旋轉(zhuǎn)速率相關(guān)，旋轉(zhuǎn)速率越快的星系，其旋臂越緊密;而旋轉(zhuǎn)緩慢的星系則擁有更長(zhǎng)且疏松的旋臂。

對(duì)于整個(gè)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(fù)一日的觀察研究，一點(diǎn)點(diǎn)展開了宇宙這幅巨大的天體畫卷。這幅畫卷還有多長(zhǎng)，其中還蘊(yùn)藏著多少玄機(jī)？未來，我們一起去探索吧！