那么,这许多星系在宇宙中是如何分布的呢?有什么特征呢?
首先,让我们把目光投向最近的邻居。天文学家把看起来比较大的星系,或者其中恒星比较容易分辨的星系,看作近邻,并把近邻星系组成的星系系统称为本星系群。
麦哲伦在南半球航海时发现的大、小麦哲伦云就是两个近邻星系,但由于不同星系的亮暗相差悬殊,有些近而暗的邻居发现得很晚。1937年,沙普利首先发现本星系群中的一个“矮子”——玉夫座星系,它的距离只有麦哲伦云的三分之一。第二年找到了另一个“矮子”——天炉座星系,20世纪50年代起又先后发现狮子座I、狮子座Ⅱ、大熊座、天龙座等矮星系。1977年才发现的船底座星系非常暗弱,如果把它移到猎户座成四边形的几颗恒星旁边,它连这些恒星的亮度也比不上,这是目前所知的最暗的一个星系。大小麦哲伦云,连同这些更小的矮星系,都围绕在比它们亮得多的银河系的近旁。
在本星系群中能与银河系媲美的另一个明亮星系是仙女座大星云,它比上述矮星系和麦哲伦云都远得多,它本身也被一些较暗的星系包围。与银河系周围的大小麦哲伦云相当,仙女座大星云也有两个较大的近邻:M32和NGC205,稍远还有NGCl47、NGCl85、M33等更暗一些本星系群的总质量约是太阳质量的1000亿倍,是宇宙间的巨无霸。
的星系。在银河系周围有许多矮星系的启发下,1972年范登堡在仙女座大星云附近也发现了仙女座Ⅰ、仙女座Ⅱ、仙女座Ⅲ等矮星系。这些矮星系连同上述M32、M33等簇拥着巨大的仙女座大星云,组成了另一小群。
本星系群就是由分别以银河系和仙女座大星云为中心的两个小群所组成的,共包括约三四十个星系,半径约百万秒差距。仙女座大星云和银河系有很多类似之处:都是旋涡星系,质量和光度巨大,有矮星系包围。它们在彼此引力的吸引下围绕着一个共同的中心旋转,形成一个巨大的星系对,这种星系成对的现象在宇宙中并不罕见,有趣的是,银河系和仙女座大星云的自转方向刚好相反,一个顺时针,一个逆时针,看来不像是两个毫不相关的星系的偶然相遇,有人推测,它们或许是在大致相同的时间,由同一原始气体云内的两个相邻的旋涡发展演化而成的。
与本星系群类似的星系群在宇宙中比比皆是,它们的共同特点是结构比例不规则,主要由旋涡星系和不规则星系构成,很少出现巨大的椭圆星系或透镜星系。
与星系群大小相仿的另一种星系的集合叫做小星系团,它们与星系群不同的是,团中有一个密集的核心,多数情况下没有旋涡星系,主要由椭圆星系和透镜星系组成。
星系团是宇宙中最大的引力束缚体系,它吸引了成百上千个星系。
在比本星系群大10倍的空间范围内,除了在银河平面附近难以看到河外星系外,已对所有星系群或小星系团都作了仔细的观测研究,共找到约55个星系集团,结果表明,只有10%到20%的星系是单独出现的,多数星系分别归属各星系群或小星系团,结果还表明,星系群的大小并不相同,有大有小,有的群与群还会靠近而形成更大一些的结构。
在室女星座的北部,与后发星座毗连,有许多星系,在这一小块天区内,仅明亮的星系就有200多个,被称为星云之地。这就是离我们最近的比星系群或小星系团大得多的一个星系团——室女座星系团,它是由3000个以上星系组成的,其中约78%为旋涡星系,少数是不规则星系,椭圆星系占星系总数19%。有趣的是,椭圆星系数量虽小,但最亮的四个星系都是椭圆星系,其中包括著名的活动星系M87,室女星系团结构松散,看不出密度很大的明显中心,称为不规则星系团,类似的还有武仙座星系团。
在天空方位上离室女座星系团不远,但却比室女座星系团远7倍的是后发座星系团,它是由成千个巨大的星系和一万个以上的矮星系组成的,估计团中85%以上是椭圆星系和透镜星系,团中心有两个非常明亮非常巨大的星系,通常称为超巨椭圆星系。围绕着它们,有一个明显的星系密度较高的中心区域,以此为中心,大量星系对称地规则地分布在四周,后发星系团的这些特征是许多巨大的星系团所共有的,通常称为规则星系团(与称为不规则星系团的室女座星系团不同)。这类规则星系团虽然很壮观,但实际上只比星系群大三倍左右。
星系是怎样分类的
星系的分类方法主要有以下两种波段分类,将星系划分为正常星系和活动星系;形态取名则可将星系划分为椭圆星系,漩涡星系及其他。
(1)按波段分类可划分为正常星系和活动星系。
1923年哈勃用威尔逊山天文台的2.5米望远镜开拓了河外天文学的研究,60多年来,对河外星系的研究取得了极大的进展,在宇宙中已经发现了数亿个星系。目前,用大望远镜看到的最远星系,估计离我们达300亿到500亿秒差距之遥。对于许多星系,人们还用射电望远镜空间卫星等进行多波段的观测,有许多令人惊讶的重大发现。
几千年来,人们一直靠肉眼观测天空。近几百年才用光学望远镜扩大视野,观测的波段限于可见光。射电望远镜,空间卫星的多波段观测只是近几十年的新进展。因此,长期以来人们习惯于恒星高悬天空的现象,很自然地把那些辐射主要来自其中各个恒星的星系称为正常星系。其余能在可见光外其他波段发出更强辐射的星系,则统统称之为活动星系。其实,每个正常星系都有不同规模的活动,也可能都经历过活动的阶段,所以,这种分类带有一定的任意性。
近百年来,对正常星系研究的结果表明,虽然星系非常庞大,又有着恒星、星际气体和尘埃等多种组成成分,但它们的结构和形状却有着惊人的单纯性。如果忽略细微的差别,绝大多数星系都可以简单地归为椭圆星系和旋涡星系两大类,不能归入这两大类的星系即所谓不规则星系不超过星系总数的3%。
(2)以貌取名可划分为椭圆星系、旋涡星系及其他。
星系形态的研究始于20世纪20年代,所谓星系形态,就是通过肉眼或照片观测到的星系整体的几何形状。哈勃最早对星系作了大量观测,并于1926年提出了第一个按形态划分的星系分类系统。随后几十年中,虽然有人提出过其他分类方法,类型更多更细致,但哈勃的基本思想至今仍然是星系分类的基础。
哈勃提出的第一类星系是椭圆星系(E)。它们看起来都很相似,显不出任何结构,在天球上呈圆形或椭圆形。早期分类中,进一步按观测所见的椭圆星系的扁度,即长短轴之比而分为次型。但是看到的扁度并不代表椭圆真正的扁平程度,因为观测的结果与椭圆星系在天空中的方位,即与它的长短轴在天空的指向有关。更有物理意义的是把椭圆星系按照光度的大小记为矮椭星系(dE或E-),一般椭圆星系(E)和巨椭圆星系(cE或E+)。巨椭圆星系可能是最大的星系,矮椭星系往往很小甚至与球状星团的大小和质量相当,从椭圆星系中心往四周看去,相当缓慢地逐渐变暗。
第二大类是旋涡星系(S),银河系就是一个典型代表,它们因在照片上呈现出明显的旋臂结构而得名。其实从物质分布来看,臂与相邻臂之间的对比并不很悬殊,但旋臂上有许多明亮的年轻恒星,眼睛或照相底片对它们特别敏感,因而容易显现出来。旋臂开始于核球部分的称为正常旋涡星系(S),它的旋臂沿核球边缘的切线向外螺旋状伸展出去。另外一种情况是,旋臂开始于横跨核球的一个棒状结构且通常旋臂与棒垂直,这称为棒旋星系(SB)。还有的旋臂沿着核球外面一个环状结构的切线方向发出,在分类时注上r字母,以便与正常情况(注字母S)相区别。但是,旋涡星系性质的研究表明,SA、SB的区别,r、S的变态,可能都是较为次要的细节。星系内含的物理性质主要随旋涡星系所处阶段的不同而不同。至于星系所处阶段,则按(1)核球与银盘的相对大小,(2)旋臂卷紧的程度,可区分为Sa(或SBa)型,Sb(或SBb)型和Sc(或SBc)型三类,Sa(或SBa)型中心区大,旋臂紧卷;Sb(或SBb)型中心区较小,旋臂较大而舒展;Sc(或SBc)型中心区为一小亮核,旋臂大而松弛。近年来又发现一些星系,它们与旋涡星系一样,也有扁平的银盘,但是不存在旋臂结构,人们称之为透镜星系,介于哈勃分类的椭圆星系和旋涡星系之间,记为SO或SBO。
旋涡星系的核球看起来很相似,其光强也是由中心向外逐渐变暗,银盘向外显著变暗,因此外边缘更为明显。
哈勃把不能划归椭圆星系或旋涡星系的少数星系称为不规则星系,它们不存在核球,也没有确定的旋臂系统,主要由圆盘状结构组成,但其表面亮度较低,而且在亮度分布上有很多不规则结构。
下面将会看到,虽然上述分类主要根据星系形态,但星系的一些重要物理性质,往往与形态有关。一般,把上述分类记为:
E-SO<E—Sa—Sb—ScSBa—SBb—SBc
并把这一从左到右(也叫从“早”到“晚”)的次序称为哈勃序列。
有趣的“鼠尾”、“环”状星系
星系很少单独存在,往往成群成团,也有的组成星系对、三星系、四星系等(与恒星类似),1940年霍姆堡首先研究了多重星系出现的几率,大体上说,n个星系组成系统的几率为2-n。
特别有趣的是观察两个很靠近的星系,一个最明显的例子是近邻的M51和NGC5195,M51是旋涡星系,星系盘几乎正面对着我们,旋臂结构清晰可见,是天空中最美丽的旋涡星系之一,它的近邻NGC5195,侧面对着我们,它的结构受M51的引力作用而畸变,一般归属为不规则星系。可以清楚地看出,M51靠近伴星系的旋臂,受伴星系的强烈扰动作用,显然偏离了正常位置,直奔伴星系而去。其实,NGC5195离我们更远一些,但它在几亿年前曾非常靠近M51,由此造成了两者形状的畸变。在靠近伴星系的M51的旋臂上有特别多的年轻恒星,它们很可能就是两星系靠近时引力对星际云作用的结果,计算机可以很好地模拟这两个星系碰撞的过程,结果发现成百万个恒星会在“碰撞”过程中从星系中拉出去,遗弃在星系际空间,假如太阳就是这种被遗弃在星系际空间的恒星之一,那么地球上看到的夜空就会逊色许多,天上几乎没有什么闪烁的星星,只能看到两个闪亮的星系,一边是巨大的车轮状的M51,另一边是像打破了的盘子似的NGC5195。
新近发生过星系相互作用的另一个例子是M81—M82星系对。M81与银河系差不多大小,离它几万秒差距处就是M82。M82可能是一个把侧面对着我们的旋涡星系,但外形十分奇特,许多亮的和暗的星云状物分布在远离星系盘面的地方,好像星系受到了很强的震动,因此它曾经作为爆发星系的典型例子。现在认为,M82本是一般的小旋涡星系,在两亿年前走近了比它重10倍以上的巨大星系M81,受到了极强的引力扰动,结果使得成百万颗恒星离开了自己原来的位置,同时很多星系际云因坍缩而形成大量年青恒星,也有很多星际云或因受M81吸引或因众多超新星爆发的推动而离开星系盘,当它们在M82的引力作用下重返星系盘时,又会形成大量恒星。天文学家估计,可能在4000万年以前,曾有大量恒星形成,而在星系中心区域,现在还有大量恒星正在形成之中,如果确实如此,那么M81—M82星系对的情况表明,星系中发生的最壮观事件很可能与星系及其近邻星系的相互作用有关。
“鼠尾”星系NGC4038/4039和NGC2623的形状很奇怪。两个星系非常邻近,各自的另一侧都有很长的尾巴,尾巴是由恒星和星际物质组成的,在空间一直延伸到几个星系直径远的地方。
还有一种奇怪的“车轮”环状星系,看起来很像一个烟圈,它占据的空间和银河系一样大,类似的环状星系很多,附近都能找到一个伴星系。
除了尾、环状星系之外,相互作用星系还会出现各种各样有趣的结构。在恒星世界几乎有三分之一的恒星组成双星,但在星系世界显示出相互作用或距离很近的星系对的数目并不太多,已经把这样的星系汇集成表。
怎样理解这些现象呢?其实,这些天体的奇形怪状是潮汐作用的结果。乍一听,似乎很难理解,因为由于月球和地球间的引力造成的潮汐无法在地球背对月球的一侧“长”出一个长长的尾巴来。但是,星系的尺度和质量决不是地月系统所能比拟的,它们之间的引力强得多,结果也就大不相同。当然,真正理解这些现象还是在用大型计算机作了数值模拟之后,托姆尔汀关于互相靠近的两个盘状星系的数值模拟结果最为有趣。
如果两个星系一大一小相互接近,则小星系能从大星系的近侧曳出物质,形成把两个星系联接在一起的“桥”。如果两个质量近似相同的星系在高椭率的椭圆轨道上组成星系对,那么彼此足够接近的时间并不长,但就在接近的期间,两星系靠近一侧的数十亿颗恒星就会从它们原来的轨道上拖曳出来,从而使星系的质量减小。同时,在远离伴星系的另一侧,原来被星系引力曳住的恒星会因星系质量的减小造成的引力减弱,而被留在星系后面,结果就会逐渐形成长尾巴的星系。
另外一种情形是,如果一个大的星系和一个小的星系或者星系际气体云正面相撞,由于星系内恒星实际上分布得很稀疏,因此相撞的两个星系将会相互穿越而过。但是当两星系因相撞而靠近时,星系中心的恒星数目会因两星系的靠近而增加,中心恒星密度和引力的增加,将使星系外围的恒星向星系中心跑去。
当这些外围恒星趋近星系中心时,却发现吸引它们前来的星系靠近的“精彩表演”已经结束。前来相会的另一个星系已经穿越而过,同时也把造成的额外引力带走了,所以这些跑向中心的恒星又会反弹回去,形成一个向外扩张的环。在这个混乱过程中造成的冲击波又会促使星际介质坍缩而形成许多新的恒星,它们使向外扩张的环更加明亮,这就是环状星系形成的过程。