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星系的各种形态

  由几十亿至几千亿颗恒星以及星际气体和尘埃物质等构成,占据几千光年至几十万光年的空间的天体系统。我们的银河系就是一个普通的星系。银河系以外的星系称为河外星系,一般称为星系。

目录

研究简史

  十七世纪望远镜发明以后,人们陆续观测到一些云雾状的天体,称之为星云。十八世纪,德国的康德、瑞典的斯维登堡和英国的赖特都曾猜想这些云状天体是像银河一样由星群构成的宇宙岛,只是因为距离太远而不能分辨出一颗一颗的星来。但是,它们到底有多远,直到二十世纪初才找到线索。1917年美国天文学家G.W.里奇在威尔逊山天文台所摄的星云 NGC6946的照片中发现了一颗新星,随后柯蒂斯也有类似的发现。因为这些新星极其暗弱,他们认为星云应该极其遥远,是银河系以外的天体。1924年,美国天文学家哈勃,用威尔逊山天文台的 2.5米大望远镜在仙女座星云、三角座星云和星云 NGC6822中发现造父变星,并且根据造父变星的周光关系定出这几个星云的距离,终于肯定了它们是银河系以外的天体系统,于是称它们为河外星系。

形态和分类

  星系的外形和结构是多种多样的。1926年哈勃按星系的形态进行分类,把星系分为椭圆星系旋涡星系不规则星系三大类。后来又细分为椭圆、透镜、旋涡、棒旋和不规则五个类型。椭圆星系的外形近似于椭圆,记为E型,后面标以阿拉伯数字表示椭圆的扁度,从0到7,数字越大,椭圆越扁。旋涡星系外形像旋涡,记为S型。大多数都有两条沿相反方向旋卷的螺线形旋臂,其中有一些在核心部分有一棒状结构,称为棒旋星系,没有棒状结构的则称为正常旋涡星系。棒旋星系记为SB型。型号后面附以英文字母 a、b、c表示旋臂缠卷的松紧程度,a型最紧,b型次之,c型最松。旋涡星系是扁平的盘状星系,在椭圆星系中比E7型更扁并开始出现旋涡特征的星系归为透镜型。不规则星系的形状没有规则,记为Irr型。

  除上述普通的星系外,近二、三十年来又发现了许多特殊星系。有些旋涡星系,具有十分明亮的中心区,光谱中有强而宽的发射线,称为塞佛特星系。有些星系具有很亮的近于星状的核心,称为N型星系。还有些星系看起来完全象恒星,只有在光谱中才显示其星系的性质,称为致密星系。有的星系,如M82,不仅在外形上显示出爆发形成的喷射纤维,而且喷射物还在以每秒 1,000公里的速度运动,这种星系称为爆发星系。以上几种星系都是活动激烈的星系,往往统称为激扰星系。此外,还有一种超巨型椭圆星系,它们是最大的星系,往往出现于星系团的中心,而且多半是射电源。这种星系称为cD星系。

  有人也把类星体归入星系。类星体的性质特别重要,但是人们对它不够了解,所以有人主张应该把它作为一种特殊类型的天体看待。

分布

  1934年哈勃对44,000多个星系的视分布进行了研究,证实星系的数目有规律地从银极向银道递减。银道方向星系很少,形成一个隐带。这种视分布是由银河系星际物质吸光造成的。实际上从大尺度来看,星系在各个方向都是一样的。星系的空间分布也是近于均匀的,但到了18星等以下,观测到的数目要比按均匀分布的数目为少。

  从较小的尺度来看,星系的分布是不均匀的,有星系成团的倾向。有的是两个结成一对;多的可能几百以至几千个星系聚成一团。离银河系最近的星系是大麦哲伦云和小麦哲伦云,距离分别约为16万和19万光年。银河系同麦哲伦云仙女星系以及其他30多个星系构成一个集团,称为本星系群。一般的星系集团称为星系团。星系团有两种,一种是规则星系团,因为有球对称性而且中心密集度高,又称为球状星系团;另一种为不规则星系团,或疏散星系团。前者主要由椭圆星系构成,后者则包括各类星系。星系团内星系之间的距离约为百万光年量级。本星系群和室女星系团等星系团又构成更高级的集团──本超星系团,其长径约1~2.5亿光年,其总质量约为太阳的千万亿倍。现在观测到的星系团已有一万个,最远的星系团距离银河系约70亿光年。

运动和质量

  星系内部的恒星在运动,而星系作为一个整体也在运动。恒星在星系内部的运动有两种,一是围绕星系核心的旋转运动,一是弥散运动。呈扁平状的星系都有旋转运动,旋转的特点是较差自转,角速度随到中心的距离而不同。弥散运动是迭加在旋转运动上的随机运动,根据对银河系的观测,弥散运动的速度是遵循类似麦克斯韦分布的椭球分布律的。星系整体也有各种运动。成对出现的星系(即双重星系,又名星系对)彼此围绕公共质心转动。在星系团中,星系间有随机的相对运动。此外,1929年哈勃还发现星系的红移同距离成正比的关系(见哈勃定律)。按照红移的径向多普勒效应解释,这表明星系之间距离在逐渐加大,这就是宇宙膨胀运动。

  从星系的运动可得知星系的质量。根据牛顿定律,转动着的星系内任一点的离心力必须同该点轨道以内所有物质对它的引力相平衡,这就可由速度-距离的实测曲线得出星系的质量分布和总质量。用此法求出的星系质量一般为太阳的109~1011倍,例如仙女星系的质量为太阳质量的3×1011倍。对于双重星系,可用类似于测定双星质量的方法,根据它们的速度求出质量。用这种方法求出的椭圆星系质量要比旋涡星系质量大一个数量级。按照恒星在星系内的速度弥散度,由维里定理可求得星系的质量;类似这个方法按照星系在星系团内随机运动的速度弥散度,由维里定理也可求出星系的平均质量,称为维里质量。用这种方法求出星系团内星系的质量往往比由其他方法定出的质量大一个数量级(见短缺质量)。

物理性质和演化

  各类星系的主要物理特性可以归纳如表。

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  从表中可以看出,从椭圆星系到旋涡星系再到不规则星系,似乎有质量递减、气体含量增加、老年恒星减少的趋势。其中,旋涡星系本身随着旋涡由紧到松,也有相应的序列变化。

  因此人们曾经提出这样的星系演化序列:由椭圆星系到旋涡星系,由紧旋涡逐渐旋开变为松旋涡以至成为不规则星系。也有人认为是沿着相反的途径演化的。因为不同类型星系的质量和角动量有量级的差异,难以解释在演化中总质量和角动量变化很大的现象,所以现在越来越多的人认为星系分类的序列并不是演化序列,而只是初始条件的反映。密度较大的原云,角动量密度较小,因而恒星形成率高,自转较慢,成为星多气少的椭圆星系;密度低而角动量密度高的原云,恒星形成率低,未形成恒星的气体多,在快速自转中变为扁盘形,从中产生旋臂,并不断产生新的恒星。到目前为止,星系的演化还是一个没有解决的问题。(见彩图)

  参考书目

  A.Sandage et al., Galaxies and Universe,Univ.of Chicago Press, Chicago,1975.

  K. C. Jacobs, Extragalactic Astronomy, Govt.Printing Office,Washington,1976.

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