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星系

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位於后髮座的NGC 4414是一个典型的螺旋星系,直径55,000光年,距離6,520萬光年。圖片來源:哈柏太空望遠鏡NASAESA
弧形的银河系照耀帕瑞纳天文台[1]

星系的英语詞galaxy源自於希臘语的γαλαξίας (galaxias)。廣義上星系指無數的恆星系(當然包括恆星的自體)、塵埃(如星雲)組成的運行系統。指參考我們的銀河系,是一個包含恆星、星團、星雲、氣體的星際物質宇宙塵暗物質,並且受到重力束縛的大質量系統,通常距離都在幾百萬光年以上。星系平均有數百億顆恆星,是構成宇宙的基本單位[2][3]。典型的星系,從只有數千萬(107)顆恆星的矮星系[4]到上兆(1012)顆恆星的橢圓星系都有[5],全都環繞著質量中心運轉。除了單獨的恆星和稀薄的星際物質之外,大部分的星系都有數量龐大的多星系統星團以及各種不同的星雲

歷史上,星系是依據它們的形状分類的(通常指它們視覺上的形狀)。最普通的是橢圓星系[6],有橢圓形狀的明亮外觀;螺旋星系是圓盤的形狀,加上彎曲塵埃的旋渦臂;形狀不規則或異常的,通常都是受到鄰近的其他星系影響的結果。鄰近星系間的交互作用,也許會導致星系的合併,或是造成恆星大量的產生,成為所謂的星爆星系。缺乏有條理結構的小星系則會被稱為不規則星系[7]

在可以看見的可觀測宇宙中,星系的總數可能超過一千億(1011)個以上。[8]大部分的星系直徑介於1,000至100,000[5] 秒差距,彼此間相距的距離則是百萬秒差距的數量級。[9] 星系際空間(存在於星系之間的空間)充滿了極稀薄的電漿,平均密度小於每立方公尺一個原子。多數的星系會組織成更大的集團,成為星系群或團,它們又為聚集成更大的超星系團。這些更大的集團通常被稱為薄片纖維,圍繞在宇宙中巨大的空洞週圍。 [10]

雖然我們對暗物質的了解很少,但在大部分的星系中它都佔有大約90%的質量。觀測的資料顯示超重黑洞存在於星系的核心,即使不是全部,也佔了絕大多數,它們被認為是造成一些星系有著活躍的核心的主因。銀河系,我們的地球太陽系所在的星系,看起來在核心中至少也隱藏著一個這樣的物體。[11]

特征[编辑]

星系大小差异很大。椭圆星系直径在3300光年到49万光年之间;漩涡星系直径在1.6万光年到16万光年之间;不规则星系直径大约在6500光年到2.9万光年之间。

星系的质量一般在太阳质量的100万到1兆倍之间。

星系内部的恒星在运动,而星系本身也在自转,整个星系也在空间运动。传统上,天文学家认为星系的自转,顺时针方向和逆时针方向的比率是相同的。但是根据一个星系分类的分布式参与项目星系動物園的观察结果,逆时针旋转的星系更多一些[12]

星系具有红移现象,说明这些星系在空间视线方向上正在离我们越来越远。这也是大爆炸理论的一个有力证据。

星系在大尺度的分布上是接近均匀的;但是小尺度上来看则很不均匀。例如大麦哲伦星系小麦哲伦星系组成双重星系,它们又和银河系组成三重星系。

觀測簡史[编辑]

銀河系[编辑]

銀河系的銀心.

對我們自己的銀河系和其他星系的調查開始於詹姆斯·畢倪和邁克爾·馬黎·費爾德的報告書:星系天文學(Galactic astronomy)。[13]

在1610年,伽利略使用他的望遠鏡研究天空中明亮的帶狀物,也就是當時所知的銀河,並且發現它是數量龐大但光度暗淡的恆星聚集而成的。在1755年的一篇論文,伊曼努尔·康德,借鑒更早期由托馬斯·懷特工作完成的素描圖,推測(正確的)星系可能是由數量龐大的恆星轉動體,經由重力的牽引聚集在一起,就如同我們的太陽系,只是規模更為龐大。恆星聚集成盤狀,我們由盤內透視的效果,將會看成一條在夜空中的光帶。康德也猜想某些在夜空中看見的星雲可能是獨立的星系。

羅斯勳爵在1845年的漩渦星系素描圖。

與其他星雲的區別[编辑]

在18世紀接近尾聲時,梅西爾完成了梅西爾目錄,收錄了103個明亮的星雲。不久之後,威廉·赫協爾也完成了收錄多達5,000個星雲的目錄。在1845年,羅斯勳爵建造了一架新的望遠鏡,能夠區分出橢圓星系和螺旋星系,他也在這些星雲中找到了一些獨立的點,為康得早先的說法提供了證據。但是,星雲仍未能獲得一致認同是遙遠的星系,直到1920年代早期哈柏使用新的大望遠鏡才獲得確認。哈柏分辨出螺旋星系外圍中單獨的恆星,並且辨認出其中有些是造父變星,因而可以估計出這些星雲狀天體的距離:她們的距離實在太遠,以致不可能是銀河系的一部分。在1936年,哈柏制定了現在被稱為哈柏序列,並仍被使用的星系分類法。 第一位嘗試描述銀河系的形狀和太陽位置的天文學家是威廉·赫協爾,他在1785年小心的計算天空中在不同區域的恆星數目,得到了太陽系在中心的橢圓星系的圖像,這與1920年卡普坦得到的結果非常類似,只是比較小些(直徑大約15,00秒差距)。哈洛·夏普利使用另一種不同的方法,建立在球狀星團的分布上,得到了一幅完全不同的圖像:一個直徑約70,000秒差距的扁平盤狀,而且太陽在遠離中心的位置上。但兩者的分析都沒有考慮到星際塵埃在銀河盤面上造成的光線的吸收的量;一旦羅伯特·朱利葉斯·莊普勒在1930年經由研究疏散星團確定了這個作用之後,我們現在所認知的銀河系圖樣就浮現出來了。

現代研究[编辑]

在1944年,亨德力克·赫爾斯特預言原子會輻射出21公分波長微波,結果在1951年便發現來自星際原子的輻射線。這條輻射線允許對星系做更深入的研究,因為他不會被星際塵埃吸收,並且來自他的都卜勒位移能夠映射出星系內氣體的運動。這些觀測導致轉動的假定,分辨出在星系中心的棒狀結構,配合無線電望遠鏡,在其他星系的原子也能被追蹤到。在1970年,維拉·魯賓的研究發現星系可見的總質量(恆星和氣體)不能適當的說明星系中氣體的轉動速度。如今星系自轉問題已經用於解釋未能觀察到的大量暗物質

從1990年代開始,哈柏太空望遠鏡提高了觀測的效益,尤其是,他確認了神祕的暗物質不可能是在星系中的暗弱小天體。哈柏深空,對天空的一個區域進行極長時間的曝光,提供了宇宙中可能有多達1,750億個星系的可能證據。在不可見光的光譜偵測技術上的改進(無線電望遠鏡、紅外線攝影機、X射線望遠鏡),讓人類可以見到連哈柏太空望遠鏡也看不見的其他星系。特別是,對天空中隱匿帶(天空中被銀河系遮蔽的部分)的星系巡天,揭露了相當數量的新星系。

星系分類[编辑]

根據哈柏分類法,星系的類型E表示橢圓星系S螺旋星系SB棒旋星系

星系主要分成三類:橢圓星系螺旋星系不規則星系。對星系類型更明確與廣泛的描述會在哈柏序列的條目中敘述。因為哈柏序列是根據視覺的型態,他也許會錯過某些星系的重要特徵,例如恆星形成率(在星爆星系活躍星系的核心)。[7]

橢圓星系[编辑]

哈柏分類法根據橢圓星系橢率的估計進行分類,從E0,接近圓形的,到E7,非常瘦長的。這些星系,不論視線的角度是如何,都有著橢圓形的外觀。她們看似沒有任何的結構,而且相對來說星際物質的成分也很少。通常這些星系會有少量的疏散星團和少量新形成的恆星,取而代之的是老年的,與以各種不同方向環繞星系的中心,已經成熟的恆星為主。她們的一些性質類似小了許多的球狀星團[14]

大部分的星系都是橢圓星系,許多橢圓星系相信是經由星系的交互作用,碰撞或是合併,產生的。她們可以長成極大的體積(與螺旋星系比較)而且巨大的橢圓星系經常出現在星系群的中心區域。[15]星爆星系是星系碰撞後的結果,可能導致巨大橢圓星系的形成。[14]

螺旋星系[编辑]

渦狀星系(左)是螺旋星系的一個例子。

在螺旋星系,螺旋臂的形狀近似對數螺線,在理論上顯示這是大量恆星一致轉動造成的一種干擾模式。像恆星一樣,螺旋臂也繞著中心旋轉,但是旋轉的角速度並不是常數,這意味著恆星會穿越過螺旋臂,螺旋臂則是高密度區或是密度波。當恆星進入螺旋臂,他們會減速,因而創造出更高的密度;這就類似波將在高速公路上的車速延緩一樣。螺旋臂能被看見,是因為高密度促使恆星在此處誕生,因而螺旋臂上有許多明亮和年輕的恆星。

NGC 1300是棒旋星系的一個例子。

我們自己的星系,銀河系,有時就簡稱為銀河,是一個有巨大星系盤的棒旋星系,直徑大約三萬秒差距或是十萬光年,厚度則約為三千光年;擁有約三千億顆恆星(3×1011)和大約六千億顆太陽的質量。

矮星系[编辑]

儘管橢圓星系和螺旋星系是很明顯與突出的,宇宙中大部分的星系都是矮星系,這些微小的星系都不到銀河系百分之一的大小,只擁有數十億顆的恆星。許多矮星系可能都會環繞著單獨的大星系運轉,我們的銀河至少就有一打這樣的矮星系。矮星系依樣可以分成橢圓螺旋不規則。因為矮橢圓星系外觀上與大的橢圓星系有一點相似,因此她們經常被稱為矮橢球星系來取代。

活躍星系[编辑]

有部分被我們觀察到的星系被分類為活躍星系,也就是說,來自星系的總能量除了恆星、塵埃和星際介質之外,還有另一個重要的來源。像這樣的活躍星系核的標準模型,根據能量的分佈,認為是物質掉落入位在核心區域的超重質量黑洞造成的。

X射線的形式,輻射出高能量的星系被分類為西佛星系類星體、或蠍虎座BL型天體。從由核心噴發出的相對論性噴流發射出無線電頻率的活躍星系被分類為電波星系。在統一場論的星系模型中,這些不同類的星系被解釋為從不同角度觀察所得到的結果。

不尋常的動態和活動[编辑]

交互作用[编辑]

觸鬚星系正在發生碰撞,這將導致它們最終合併。

星暴星系[编辑]

活動星系核[编辑]

大尺度結構[编辑]

非常少數的星系是單獨存在的,這些通常都被認為是視場星系。許多星系和一定數量的星系之間有重力的束縛。包含有50個左右星系的集團叫做星系群,更大的包含數千個星系,橫跨數百萬秒差距空間的叫做星系集團。星系集團通常由一個巨大的橢圓星系統治著,他的潮汐力會摧毀鄰近的衛星星系,並將質量加入星系中。超星系集團是巨大的集合體,擁有數萬個星系,其中有星系群、星系集團和一些孤單的星系;在超星系集團尺度,星系匯排列成薄片狀細絲,環繞著巨大的空洞。在上述的尺度中,宇宙呈現出各向同性均質

我們的銀河是本星系群中的一員,相對來說是一個直徑大約1022百萬秒差距的小星系群[來源請求]。銀河和仙女座星系是這個群中最大的兩個星系,許多其他的矮星系都是這兩個的衛星星系。[來源請求]本星系群是以室女座星系團為中心的巨大星系群與星系集團集合體的一部分。[16]

星系在宇宙中呈网状分布。从大尺度看,星系包围着一个个像气泡一样的空白区域,在整体上形成类似蜘蛛网神经网络的结构,称之为宇宙大尺度分布[17]

星系的形成和演化[编辑]

星系之形成和演化向來都眾說紛紜,有些已經被廣泛接受,但仍然有不少人質疑。

星系的形成包含了兩方面,一是上下理論,二是下上理論。上下理論是指:星系乃由一次宇宙大爆炸中形成,發生在數億年前。另一個學說則是指:星系乃由宇宙中旳微塵所形成。原本宇宙有大量的球狀星團(globular cluster),後來這些星體相互碰撞而毁滅,剩下微塵。這些微塵經過組合,而形成星系。

雖然在今時今日,關於星系形成的學問有不少人質疑,但大抵在星系形成研究方面,隨著研究的深入,已伸展至星系演化方面。在天文物理學中,有關星系形成和演化的問題有:

  • 在一個均質的宇宙中,我們是否居住在一個獨特而與眾不同的場所?
  • 星系是如何形成的?
  • 星系是如何隨著時間改變的?

参见[编辑]

参考文献[编辑]

引用[编辑]

  1. ^ A Milky Arc Over Paranal. ESO Picture of the Week. [10 April 2014]. 
  2. ^ L. S. Sparke, J. S. Gallagher III. Galaxies in the Universe: An Introduction. Cambridge: Cambridge University Press. 2000. ISBN 0-521-59704-4. 
  3. ^ Hupp, E.; Roy, S.; Watzke, M. NASA Finds Direct Proof of Dark Matter. NASA. August 21, 2006 [2007-04-17]. 
  4. ^ Unveiling the Secret of a Virgo Dwarf Galaxy. ESO. 2000-05-03 [2007-01-03]. 
  5. ^ 5.0 5.1 Hubble's Largest Galaxy Portrait Offers a New High-Definition View. NASA. 2006-02-28 [2007-01-03]. 
  6. ^ Hoover, Aaron. UF Astronomers: Universe Slightly Simpler Than Expected. Hubble News Desk. June 16, 2003 [2007-02-05]. 
  7. ^ 7.0 7.1 Jarrett, T.H. Near-Infrared Galaxy Morphology Atlas. California Institute of Technology. [2007-01-09]. 
  8. ^ Mackie, Glen. To see the Universe in a Grain of Taranaki Sand. Swinburne University. 2002-02-01 [2006-12-20]. 
  9. ^ D. Gilman. The Galaxies: Islands of Stars. NASA WMAP. [2006-08-10]. 
  10. ^ Galaxy Clusters and Large-Scale Structure. University of Cambridge. [2007-01-15]. 
  11. ^ D. Finley, D. Aguilar. Astronomers Get Closest Look Yet At Milky Way's Mysterious Core. National Radio Astronomy Observatory. 2005-11-02 [2006-08-10]. 
  12. ^ Roger Highfield. Amateur stargazers map a 'lopsided' universe. Telegraph. 15/10/2007 [2007-12-05]. 
  13. ^ James Binney and Michael Merrifield: Galactic astronomy, Princeton University Press, 1998
  14. ^ 14.0 14.1 M.A. Barstow. Elliptical Galaxies. Leicester University Physics Department. 2005 [2006-06-08]. 
  15. ^ Galaxies. Cornell University. 2005-10-20 [2006-08-10]. 
  16. ^ R. B. Tully. The Local Supercluster. Astrophysical Journal. 1982, 257: 389–422. 
  17. ^ Ignacio Trujillo, Conrado Carretero; Santiago G. Patiri. Detection of the Effect of Cosmological Large-Scale Structure on the Orientation of Galaxies (PDF). Astrophys J Lett. 2006, (640): L111–L114 [2007-06-27]. doi:10.1086/503548. 

书籍[编辑]

  • Terence Dickinson: The Universe and Beyond(Fourth Edition), Firefly Books Ltd. 2004, 2004

外部鏈接[编辑]