第五章 星系的韵律

像 M87 那样的天体（前不久 HST 在其中发现存在大黑洞的证据），在距离地球几百万光年之外还有很多。它们远离我们银河系的周围，因而是不属于银河系的天体，完完全全是独立的星系。

有趣的是，只是在近代，天文学家才知道在银河系之外还存在着其他星系。过去的天文学家们对我们今天知道是星系的天体，他们认为是气体云，叫做星云。认为这些星云位于银河系的边界以内。通过望远镜可以看到这些朦朦胧胧、形态和大小各异的星云散布在整个天空。

直到本世纪 20 年代，年轻的天文学家哈勃测定出这些“星云”的距离时，才证明它们不可能是我们星系领域内的天体。在两次世界大战之间， 哈勃利用威尔逊山上的胡克望远镜测定并绘制出许多这类星云在天空的位置。在计算它们距离我们多远时，哈勃应用了叫做造父变星的技术。

造父变星具有在天文测量领域内所希望的特性，它们的光输出量周期性地增减，其变化率与它们的绝对亮度有关。测量其光变周期，便可计算出一颗造父变星的绝对亮度。然后将它的绝对亮度与视亮度做比较便可得出它距离我们有多远。因此，在天文学上常称造父变星为“标准烛光”； 它们的可预见的光输出量使得它们成为出色的距离指示器。

打个比喻，我们可以想像站在一条长通风回廊的一头，回廊里排列着许多闪烁的火把——每个火把发出同量的光。突然间，所有火把，除一个外，被一阵风刮灭了。将剩下的唯一火把的亮度与众火把的标准亮度相比较，便可计算出这个仍在燃烧的火把的距离。同理，天文学家用造父变星的亮度来测定它们的距离。

哈勃将造父变星方法应用到那时称做仙女座大星云的一个旋涡状天 体。1924 年，他在该星云中发现了一打造父变星，并利用这些变星的光变

特性测定它们的距离。其结果是，仙女座大星云距离我们约为 100 万光年，

10 倍于我们银河系的直径。这样，哈勃就证明了仙女座大星云必定比过去所认为的远得多，从而也大得多。重新估算它的大小，哈勃计算出它具有星系般的尺寸。由于哈勃的工作，我们将仙女座大星云考虑为离我们最近的在大小和外形都和我们银河系一样的星系。

还有许多比仙女座大星云为小，但却距我们较近的小星系。长期以来， 我们便相信有两个分别叫做大、小麦哲伦云的结构是最靠近银河系的“岛宇宙”。大麦哲伦云，两个中较近的一个，是一个小的不规则星系，距离我们约 17 万光年。它和小麦哲伦云都是我们的卫星系，由于引力作用被银河系束缚住，犹如狗被皮带缚住一样。

1994 年，剑桥大学的天文学家伊巴塔（Rodrigo Ibata）、欧文（Mike Irwin）和吉尔摩（Gerry Gilmore）用在澳大利亚的施密特望远镜发现了一个比麦哲伦云还要近的小星系。因其位于人马星座，故被称为人马座矮

星系，距银河系中心只有 5 万光年。由于它靠我们太近，正在向银河系下落并将在几亿年内被银河系吞食掉。

这一近邻星系为什么不能较早地被发现呢？由于此矮星系对太阳系而言位于我们银河系核球的另一侧，在核球中存在着大量的极大质量的恒 星，它们隐藏在厚厚的星际尘埃和气体的迷雾内。因此，位于这一拥挤天区那一边的任何天体就很难被发现了。

为了分辨出这个新的小星系，科学家们在望远镜的终端安装了多通道光纤摄谱仪。该仪器可通过测量远方恒星光谱线的频率位移（频移属多普勒效应，在第六章中我们将讨论这个效应）来确定这些恒星的视向速度（离开地球远去的速度）。

剑桥小组用上述装置测定了银河系核球内 100 多万颗恒星的速度。在

这些恒星中，一群约 100 颗星看来它们的运动是一致的。加之，这同一群星显得具有同样的基本组成，天文学家们从这些数据得出结论，认为它们不属于银河系，而是一个新的星系——人马座矮星系中的星。

我们已经提到过一些不同类型的星系：旋涡的、不规则的

银河系的形状

我们生活在银河系一个旋臂的外缘。因为天文学家不能超越这一有利地位并从太空俯视银河系，他们只能根据观测资料并凭工作经验从整体上猜测它的外貌。19 世纪的望远镜观测结果， 使科学家们认定银河系的形状像一个车轮。

但 1995 年，这一长期以来认为是明白无误的事实经受了一次挑战——一种新的叫做微型引力透镜的分析方法被应用到绘制银河系。由美、英及澳大利亚的一些科学家们组成的一个小组，用此方法发现银河系的核心不是卵蛋形而是棒状的。

引力透镜效应的理论根据是广义相对论：物质的存在使空间发生了弯曲，从而影响着光线传播的路径。这样，大质量物体如同一个巨大的透镜，使来自远方天体的光线被弯折并聚焦形成远方天体被畸变了的像。

和矮星系。前两类是就其形状而言，而第三类则是按其大小来说的。因此， 可以有矮旋涡星系和矮不规则星系，也有巨旋涡星系和巨不规则星系。

旋涡星系的特征是一个厚中心核球被一个车轮状的盘包围着。它们含有各种年龄的恒星——年轻的星族Ⅰ恒星和年

来自大麦哲伦云的光线在其到达地球的途中被中介恒星（我们银河系内的恒星）所弯折，从而稍微改变了大麦哲伦云的形象。这一由一颗恒星所产生的微型引力透镜效应被研究小组用于

绘制我们银河系的形状①。

老的星族Ⅱ恒星。仙女星系（有时仍称其为仙女座大星云）是这类星系中个头较大的一个。

类星体

我们会认为，拥有几十亿颗恒星的星系是宇宙中最明亮、能量最大的天体。其实不然，在宇宙深处，存在着许多能量喷泉—

—与星系相比，个头很小——但它们释放出来的能量却几百倍于星系。这些致密的光源曾被认为是以射电波形式辐射能量的天体，被称为类星体：类似恒星的射电源之简称（这一名称有时会被误解，因为有一些类星体并不发射无线电信号）。

类星体是荷兰天文学家施密特（Maarten Schmidt）于 1963 年发现的。在威尔逊山天文台工作的施密特在对一特殊明亮、高度聚焦的叫做 3C273 的射电源进行观测。原来，这一天体被认为是银河系里的一颗恒星。施密特证明它必定远在银河系之外，并估算出其距离为 20 亿光年。证实其确是一遥远的天体后，他估计其绝对亮度为恒星的数亿倍。此后，陆续发现了几百个类星体

①。

不规则星系则相反，如大、小麦哲伦云，具有不规则的外形。在许多情况下，它们向各个方向伸展。要不然，就是由于近邻星系的引力拖曳使它们失去了规则的外形。大、小麦哲伦

现在，还不能确切知道这些强大烽火能量的来源。比较使人信服的理论是：类星体是正在形成中的年轻星系的亮致密核心。在此模型中，类星体的强爆发能量来源于星系核中心的超大质量黑洞吸积周围的物质。当气体落入黑洞时，过剩的引力能量辐射出去。这一机制能说明为什么这么小体积的能源能发出如此大量的光。

云确实是被银河系的引力撕裂成不规则的形状。

按星系的外形分类，还有椭圆星系和棒旋星系。椭圆星系是最普遍的一类星系，外形似绕其轴旋转的卵蛋——换句话说，似星系足球。因为它

① 参见许梅《利用微型引力透镜效应搜寻银河系中的暗物质》，《天文爱好者》杂志 1995 年第 6 期 7～9

页。

① 已发现 7000 多个类星体。

们储存的气体较少，不足以形成新的恒星，它们差不多只含有较老的星族Ⅱ恒星。大多数椭圆星系属矮星系，巨大的椭圆星系相对地较少。M87 是一个巨椭圆星系。

棒旋星系，是规则星系类型中为数最少的一类。它与正常旋涡星系的区别，在于其存在着一个连接旋臂的中心亮棒。怎会出现这么个棒？至今尚未完全弄清楚。

银河系被描绘为一个普通的旋涡星系。它曾被认为与仙女星系的外形极其相似，但近来不少迹象表明它可能是一个棒旋星系。

直到前不久，天文学家认为宇宙中大约有 100 亿个星系。但由于 HST 的发射，在 1996 年星系计数的结果，认为宇宙中的星系至少有 500 亿个。这一卓越的结果，是位于巴尔的摩的空间望远镜科学研究所的科研人员， 用 HST 上的广视野照相机获得的。将北斗七星附近的一小长条天空放大， 他们见到了以前从未见到过的几千个星系。从统计的角度考虑，这表明宇宙中存在着比过去所认为的多得多的星系。

星系在空间的分布是不均匀的，而有成团的倾向。例如，在银河系附近，有许多不同形状和大小的星系，它们由于引力吸引而被松散地联系着。这些包括仙女星系，大、小麦哲伦云，人马座矮星系和几十个其他星系， 它们组成所谓的星系团。当这些成团的星系在空间运动时，它们倾向于一致地旅行，彼此间离得不太远。

宇宙中的大部分星系都是星系团的成员。以银河系和仙女星系为主体的星系团叫做本星系群。在天文学教科书中经常提到的星系团有室女座星系团（估计距离我们 5000 多万光年），有 1000 多个成员，和后发座星系团（估计距离我们 3～4.5 亿光年）。

星系和星系团是怎样形成的呢？它们是不是一直是我们现在所观测到的形状，或者它们是从更原始的实体演化而来的？要回答这些问题，需要考虑一下早期宇宙的情景。

宇宙学家相信，宇宙曾一度比现在小得多，也热得多。今日宇宙中千姿百态的细节正是从这个致密的熔炉里被美妙地煅造出来的。