星系天文學

1888年出版的《星雲星團新總表》(NGC)及其《補編》(IC)刊載了13，226個非恆星天體和非單星天體，後來判明其中絕大多數是河外星系，這為星系天文學的誕生準備了基本資料。1919年，哈勃用當時最大的1.5米和2.5米反射望遠鏡發現了近距星系──仙女星系NGC 224(M31)、三角星雲NGC 598(M33)、人馬座星雲NGC 6822中的造父變星，並根據周光關係，測定了距離，證明它們在銀河系之外，並且指出當時統稱為星雲的天體，大多是和銀河系同一等級的恆星系統，把它們命名為河外星系，簡稱星系。接著，哈勃在前人發現的基礎上，還揭示了星繫世界普遍有譜線紅移效應以及星系距離和紅移大小成正比的規律，從而建立了星系天文學。五十年代以前，星系天文學主要沿著兩個方向發展。一是研究以10年為演化尺度的星系(即所謂正常星系)的形態、結構、運動和物理狀況；建立形態分類系統，把大多數星系納入旋渦、棒旋、透鏡、橢圓和不規則五大形態框架；通過星系的自轉以及星系群的運動，測定星系的質量，表明從10～10太陽質量的矮星系、10～10太陽質量的巨星系、直到10～10太陽質量的超巨星系，大小可差7個量級；用測光方法和光譜方法探討星系的恆星成分和氣體成分，以及星族的劃分和分佈等。另一方向的進展是，建立並改進星系距離尺度，通過星系的空間分佈、成團現象和紅移效應，探索大尺度宇宙結構，描述今日所公認的百億光年範圍的可觀測宇宙等。近三十年來，逐步打開了射電、紅外線、紫外線、X射線和γ射線“天窗”；發現了短於10年的激擾活動和高能現象；探測到射電星系、類星體等形形色色的特殊河外天體；這些發現都向天體物理學和傳統觀念提出了嚴重的挑戰。今天的星系和星系際空間的研究已成為天文學最活躍的領域之一。研究星系的起源和星系的演化、宇宙物質的蟪叨冉峁購陀鈧嬤械母唚芑疃?o可以推動天文學和天體物理學不斷向前發展。

用中等口徑的光學望遠鏡，可對本星系群的一些成員(如大小麥哲倫雲、仙女星系)的星系盤、旋臂、星系核、星系暈和星系冕進行分部觀察，並對其成員天體(星團、電離氫區、行星狀星雲、超巨星、紅巨星、新星、造父變星)作光度測量和光譜分析。然而，除少數近距星系外，絕大多數星系因距離遙遠，呈現為暗弱的小面光源，其微小程度甚至接近於點源。要取得它們的光學觀測資料，必須用大口徑望遠鏡和高效能輻射接收裝置，而對百億光年的深空探索還得配備強光力廣角設備。要掌握河外天體的射電天圖，則必須有大型的射電煜擤o並且還要具備能與光學成像相稱的射電分辨技術。河外星繫世界的非熱輻射和高能過程，正吸引著全球的大型射電儀器和空間探測裝置。當代威力強大的各個波段的望遠鏡都把河外天體作為重要的觀察對象，以期在這方面獲得更大的進展和突破。星系天文學的主要研究手段是天體物理方法和射電天文方法。此外，星系動力學和統計天文學也是重要的研究工具。

美國天文學家愛德溫·哈勃(Edwin P. Hubble)（1889～1953）開闢了河外星系和大宇宙的研究，被譽為“星系天文學之父”。提到哈勃，使我們想起1990年4月24日，美國“發現號”太空梭把一架大型天文望遠鏡送入環繞地球運動的軌道。這架“空間望遠鏡”也叫“哈勃空間望遠鏡”，就是為紀念這位著名天文學家的。1926年，哈勃根據星系的形狀等特徵，系統地提出星系分類法，這種方法一直沿用至今。他把星系分為三大類：橢圓星系、旋渦星系和不規則星系。旋渦星系又可分為正常旋渦星系和棒旋星系。除此之外，也還有其它分類。對星系分類，是研究星系物理特徵和演化規律的重要依據。

橢圓星系的大小差異很大，直徑在3300多光年至49萬光年之間；旋渦星系的直徑一般在1.6萬光年至16萬光年之間；不規則星系直徑一般在6500光年至2．9萬光年之間。當然，由於星系的亮度總是由中心向邊緣漸暗，外邊緣沒有明顯界線，往往用不同的方法測得的結果也是不一樣的。

星系質量一般在太陽質量的100萬至10000億倍之間。橢圓星系的質量差異很大，大小質量差竟達1億倍。相比之下，旋渦星系質量居中，不規則星系一般較小。

星系內的恆星在運動，星系本身也有自轉，星系整體在空間同樣在運動。星系的紅移現象，所謂星系的紅移現象，就是在星系的光譜觀測中，某一譜線向紅端的位移。為什麼有這種位移呢？這種位移現象說明了什麼呢？根據物理學中的多普勒效應，紅移表明被觀測的天體在空間視線方向上正在遠離我們而去。1929年，哈勃發現星系紅移量與星系離我們的距離成正比。距離越遠，紅移量越大。這種關係被稱之為哈勃定律。這是大爆炸宇宙學的實測依據。

星系在宇宙空間的總體分佈是各個方向都一樣，近於均勻。但是從小尺度看，星系的分佈又是不均勻的，與恆星的分佈一樣，有成團集聚的傾向，大麥哲倫星系和小麥哲倫星系組成雙重星系。它們又和銀河系組成三重星系。加上仙女座大星系等構成了本星系群。

作為龐大的天體系統來說，星系也是有形成、發展到衰亡的演化過程。星系從形態序列看有橢圓星系、旋渦星系和不規則星系。這種形態上的差別是否代表它們演化階段的不同呢？誰屬年輕？誰是中年？誰算老年？這些問題仍未有結論，尚處於探索之中。橢圓星系：外形呈正圓形或橢圓形，中心亮，邊緣漸暗。按外形又分為E0到E7八種次型。E0型橢圓星系、E1型橢圓星系、E7型橢圓星系、旋渦星系：外形呈旋渦結構，有明顯的核心，核心呈透鏡形，核心球外是一個薄薄的圓盤，有幾條旋臂，在旋渦星系中有一類的核心不是球形，而是棒狀，旋臂從棒的兩端生出，稱為棒旋星系。Sc型旋渦星系，仙女座大星雲是一個Sb型旋渦星系，正向的Sb型旋渦星系，SBb型棒旋星系，不規則星系：外形沒有明顯的核心和旋臂，看不出旋轉的對稱性結構，呈不規則的形狀。大麥哲倫雲小麥哲倫雲，除上述哈勃分類以外，也還有特殊星系，特殊星系主要表現在星系核有明顯的活動。