书城科普青少年应该知道的星系
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第12章 宇宙“吉尼斯”——河外星系之最

目前,已发现10亿个河外星系。最著名的河外星系有:仙女座河外星系、猎犬座河外星系、大麦哲伦星系、小麦哲伦星系和室女座河外星系等。

1.最大的星系——仙女座星系

仙女座星系,因位于仙女座内而得名,是位于仙女星座的一个巨型旋涡星系,旧称“仙女座大星云”。它是银河系的近邻,视星等为3.5等,直径是16万光年,为银河系直径的一倍,是本星系群中最大的一个星系,距离地球大约220万光年。

仙女座星系是在地球北半球用肉眼可见的最亮且距我们最近的大星系。肉眼看去,形状如暗弱的椭圆小光斑。仙女座河外星系的赤道面和视线成15°左右的交角,自转周期约为1800万年,视向速度可达600千米/每秒。

仙女座星系在天文学史上有着重要的地位。1786年,威廉·赫歇耳第一个将仙女座星系列入能分解为恒星的星云;1914年皮斯探知仙女座星系有自转运动;1924年,哈勃在照相底片上证认出仙女座星系旋臂上的“造父变星”,并根据周光关系算出距离,确认它是银河系之外的恒星系统;1939年以来历经巴布科克等人的研究,测出从中心到边缘的自转速度曲线,并由此得知星系的质量。

据目前估计,仙女座星系的质量不小于3.1×1011个太阳质量,比银河系大一倍以上,是本星系群中质量最大的一个。1944年,巴德又分辨出仙女座星系核心部分的天体,证认出其中的星团和恒星,并指明星族的空间分布与银河系相似。近年来还发现,M31成员的重元素含量,从外围向中心逐渐增加。

仙女座河外星系和银河系共同主宰着本星系群,对二者的对比研究,能为了解银河系的运动、结构和演化提供重要的线索。

仙女座星系是距离银河系最近的大星系,它的构造与银河系类似,有密集的核、旋臂、星系盘和星系晕,包含有3亿~4千亿颗恒星,还有明亮的恒星云和暗黑区域,另有许多变星、星团和新星等特殊天体。仙女座大星系弥漫的光线是由数千亿颗恒星成员共同贡献而成的。几颗围绕在仙女座大星系影像旁的亮星,其实是银河系里的星星,比起背景物体要近得多了。星云中的恒星可以划分成约20个群落,这意味着它们可能来自仙女座星系“吞噬”的较小星系。

由于人类身处银河系,无法观测到银河系的全貌,但天文学家想象银河系也是一个类似于仙女座星系的螺旋星系。仙女座河外星系和它附近河外星系的两个矮椭星系,共同构成了“仙女座三重星系”。这个三重星系和银河系、三角星系以及大小麦哲伦星云等约40个星系,一起构成了一个“星系群”。银河系和仙女座星系正在相互靠近对方,在大约30亿年后两者可能会碰撞,在融合过程中将会暂时形成一个明亮、结构复杂的混血星系。一系列恒星将被抛散,星系中大部分游离的气体也将会被压缩产生新的恒星。大约再过几十亿年后,星系的旋臂将会消失,两个螺旋星系将会融合成一个巨大的椭圆星系。

不过,两星系的碰撞、融合只发生在遥不可及的未来,人类大可不必为此“杞人忧天”。

2.最有生命力的星系——猎犬座星系

猎犬座星系是河外星系的代表之一,是距离地球较近的旋涡星系。

猎犬座星系位于猎犬座北面,距离我们约1400万光年。猎犬座星系也属于旋涡星系,从它的照片上可以明显地看到旋涡臂,这种形态显示它是在旋转着。天文学家认定,位于猎犬座旋涡星系中一颗围绕恒星运转的行星,很有可能生存着地外智慧生命。这颗类似于太阳的恒星,其周围的行星看起来具有一切生命和高级文明得以发展的先决条件。这颗恒星距离地球有26万光年。

3.最明亮的星系——麦哲伦星系

麦哲伦星系是南半球最著名的天体,作为银河系的两个伴星系,在北纬20°以南的地区升出地平面。它们是南天银河附近两个肉眼清晰可见的云雾状天体,大麦哲伦星系在剑鱼座和山案座,约6°大小,相当于12个月球视直径;小麦哲伦星系在杜鹃座,张角约2°,相当于4个月球视直径;两个云在天球上相距约20°。

10世纪阿拉伯人和15世纪葡萄牙人远航到赤道以南时,都曾注意到南天星空中这两个云雾状天体,称之为“好望角云”。葡萄牙航海家麦哲伦于1521年环球航行时,首次对它们作了精确描述,后来就以他的姓氏命名。大云叫大麦哲伦星云,简称大麦云;小云叫小麦哲伦星云,简称小麦云,合称麦哲伦云。1912年,美国天文学家勒维特发现小麦云的造父变星的周光关系,赫茨普龙和沙普利随即测定了小麦云的距离,成为最早确认的河外星系。大麦云的距离是16万光年,小麦云是19万光年,它们在空间上相距5万光年。

大小麦星系属于最近的星系之列,这使我们能周密地分析它们的成员天体,因而它们是重要的天文观测对象,也是星系天体物理资料的重要来源。

麦哲伦云像我们的银河一样,也包括气体和恒星。大麦云属矮棒旋星系或不规则星系,质量为银河系的1/20.小麦云属不规则星系或不规则棒旋矮星系,质量只及银河系的1/100.麦哲伦云中的气体含量丰富,中性氢质量分别占它们总质量的9%和32%,都比银河系的大得多。它们的演化程度不如银河系高,星际尘埃含量比银河系中的少。此外,还有新星、超新星遗迹、X射线双星等天体存在,它的超新星最大亮度是太阳的2.5亿倍,被认为是宇宙中最亮的星系。

麦哲伦云围绕着银河系的轨道每15亿年转一圈。每到离银河较近时,它的恒星和气体都会在银河系引力作用下发生变化。小麦哲伦云现在已被撕裂,它的恒星将成为银河系的一部分。大麦哲伦云最终也将是这种命运。

4.最美丽的星系——室女座星系

室女星系是最美丽的著名河外星系之一,又称“草帽星系”,从侧面看中央突出呈球形,赤道边缘呈盘状,四周有旋臂。这是一个极具特色的巨大旋涡星系,距离地球大约为4000万光年。由于其宽大的边缘,看上去它颇像是一顶墨西哥人佩戴的大沿儿草帽,因此得名“草帽星系”。

最早发现草帽星系的是法国天文学家梅襄,他于1781年5月11日发现了它。梅襄在给另外一位天文学家的信中这样写道:“我在乌鸦座的上方发现了一个星云,它似乎不含有恒星”。

草帽星系的质量很大,约为13000亿个太阳质量。其线直径为14万光年。从这个星系的照片上我们可以看出它有一个显著的特征:那就是有一个暗条横穿星系核。这个暗条是由于分布在星系盘中的尘埃和气体的吸光作用造成的。星系周围有一个由球状星团组成的星系晕,其中亮的红色恒星呈球状分布。它还是一个射电源,它的射电星等为6.3等,比它的光学视星等亮2等。它的绝对星等是-22.1等。

英国著名天文学家威廉·赫歇尔也注意到这个天体,并在自己的观测日记中留下了“一个暗弱的弥漫的卵形的天体,有一暗条将星云的核心和整个星云分隔开”的生动记述。后来,德雷耶尔在星云星团新总表中收入了这个天体。由于草帽星系的奇特和有趣,法国著名天文学家弗拉马利翁又建议把它列人梅西叶天体表中,一直沿用至今。

草帽星系在人类认识河外星系的历程中曾起过关键性作用。

1755年德国哲学家康德提出,在宇宙中存在着无数个像我们银河系一样的天体系统,认为当时所发现的星云就是这样的天体系统。德国天文学家洪堡提出了“宇宙岛理论假说”大大扩展了人们探索宇宙的视野空间,引起天文学家的广泛关注。威廉·赫歇尔通过观测星云,证实一些星云就是遥远的河外星系。但英国天文学家哈金斯用光谱仪观测有些星云却是稀薄的气体云。对星云的本质问题曾经长期得不到解决。1913年美国天文学家斯里弗从光谱线的红移推算出草帽星系的退行速度大约为1100千米/秒,说明它是远在银河系以外的天体。20世纪20年代美国天文学家哈勃通过对其他旋涡星云的观测研究,终于证明它们的确都是河外的天体系统。

2003年5~6月,哈勃空间望远镜对这个美丽的星系进行了观测,拍摄了六张照片,通过合成最后得到了完美的“草帽”。哈勃望远镜清晰地从草帽星系中分辨出富饶的球状星团,估计数量大约有2000个,这个数量是围绕着银河系的球状星团数量的10倍。这些球状星团的年龄范围在100亿~150亿年之间,与银河系中的球状星团的年龄相仿。

2004年6月和2005年1月,斯必泽红外空间望远镜两次观测了草帽星系。拍摄到的草帽星系的红外照片,向我们展示了这个美丽星系的一幅全新的面目,在可见光波段这个星系酷似一顶“草帽”,而在红外波段它更像是一只大“牛眼”。它观测看到了环绕星系的明亮而光滑的尘埃环。而暗的尘埃环在红外波段却发出明亮的光芒。全景观测显示,“草帽”星系的星系盘存在着翘曲,它可能是由于与另一个星系交会所造成。在红外波段,成团的尘埃也变得透明了,因此可清晰地看到被厚厚的尘埃带所环绕的由恒星组成的明亮的球状核心,以及隐藏在尘埃环内部的恒星盘。

总之,“斯必泽”不仅为我们提供了一个更加美丽的“草帽”,而且为我们提供了有关“草帽”的更多信息。

1.谁是离我们最近的河外星系?

与银河系的距离仅次于大、小麦哲伦星系的,是鼎鼎大名的仙女座星系。它距银河系超过200万光年,直径约16万光年,包含的恒星数估计在3000亿~4000亿颗。而大、小麦哲伦星云离我们银河系最近。因为它们离我们的距离有约17万至20万光年。从宇宙尺度来看,它们就在我们银河系的“家”门口,是银河系的伴星系。大、小麦哲伦云是最早被确认的两个河外星系。如果按星系计算,应该是仙女座星系,如果按星云计算,就是大、小麦哲伦星云了。

2.邻近银河系的河外星系有哪些?

因为星系有“物以类聚”的成群现象。银河系和邻近的若干星系共同组成了本星系群。自然,邻近银河系的河外星系就是本星系群的成员。

它们是:仙女座星系、三角座星系、仙后座星系、小麦哲伦星系、大麦哲伦星系、双鱼座矮星系、鲸鱼座星系、凤凰座矮星系、狮子座、六分仪座、长蛇座星系、人马座不规则矮星系、巴纳德星系、宝瓶座矮星系、印第安座星系、飞马座矮星系、鲸鱼座矮星系、玉夫座矮星系、天炉座矮星系、船底座矮星系、唧筒座矮星系、六分仪座矮星系、小熊座矮星系、天龙座矮星系、人马座椭圆矮星系、杜鹃座矮星系、仙后座矮星系、飞马座球状矮星系、大熊座矮星系、鹿豹座不规则星系、鹿豹座不规则星系等。

这其中最著名的是大麦哲伦星系、小麦哲伦星系和仙女座河外星系。前两个是银河系的附属星系,在南半球肉眼可见,它们和银河系一起构成银河系次群。后面仙女座河外星系的是距离银河系次群最近的河外星系,距离为大约250万光年。