3 星系和类星体

星系在大爆炸后的10亿年中出现，它们来自于因为自身的引力发生崩塌的巨大物质云。随着它们的成形，它们所累生的物质也开始崩塌。在这持续的碎片化过程中，较小的物质团形成了恒星。于是星系在它们内部恒星形成的同时形成了。

星系是大量恒星以及其他较暗物质的集合。一些星系只包含了老年恒星；有的星系中则存在不断生成新恒星的区域。星系可能包含数百万颗恒星，也有着多种形状。

太阳属于银河系，银河系里的恒星分布在一个平坦的螺旋盘状结构中。在没有仪器辅助下我们肉眼所能看到的每颗星星都属于银河系。只有三个星系（除了银河系外）能通过裸眼看到，其中两个——大、小麦哲伦星云，是银河系的卫星星系。第三个可见星系看上去就像一颗暗淡的恒星，但实际是一个邻近的螺旋状星系，被称为仙女座星系。天文学家通过望远镜观测的大多数星系都位于极遥远的地方，它们看上去就像模糊的旋涡状光斑，其中的恒星并不能被单独辨认出来。

星系是怎样形成的

大爆炸后大约30万年，物质与能量去耦以后，在宇宙微波背景辐射释放的过程中，引力成为宇宙中的支配力，并把物质云团拉到一起。这一崩塌被认为是“无尺度”过程，其中大小物质云团都受到同样的影响。最小的区域最早结束崩塌，因为它们所包含的被聚集到一起的物质较少。事实上，那些最大的物质集合——超星系团，至今仍可以被观测到处于崩塌过程中。

去耦以后的时期被称为宇宙历史中的黑暗时期，这个名字的由来是因为这个时期宇宙中不存在恒星。但是随着初生星系的形成，恒星自然地形成并发光。

对这一过程的计算机仿真模拟说明：小块的不规则星系最先形成，它们相互碰撞或者从周边环境中逐渐累积更多的物质。在发生碰撞的状况中，星系组成中的恒星将会被甩到随机方向的轨道上去，从而产生一个椭圆星系。而那些逐渐累积物质的星系将会发展成为美丽的螺旋星系。然而，任何时候，如果一个螺旋星系与另一个类似大小的星系相撞，它脆弱的螺旋臂将被毁坏，从而形成一个椭圆星系。

哈勃天文望远镜的观测表明：大多数星系都在宇宙初始的几十亿年中形成，并且从那时起，星系改变不大。现在，大量证据还表明：大多数星系中心都存在着一个超大质量的黑洞。目前的一个研究的中心就是关于黑洞是什么时候形成的。超大质量黑洞不像超新星爆炸中形成的黑洞，它并非极端致密且只有几千米宽，它们大约和我们的太阳系一样大，密度和水差不多。然而，在它们吞噬恒星时，会释放出大量的能量，这造成了它们所在星系中心的剧烈活动，使星系成为活动星系。

深入观测星系形成期对全世界的天文研究小组来说都是一个很大的挑战，因为他们所探测的天体所发出的光线需要数百万年才能到达地球。目前，望远镜还不能很好地完成这项任务，但一系列的新型空间望远镜正在设计建造中，以观测到更多黑暗时期的信息。名为赫歇尔的一架空间望远镜已于2009年发射，而NASA/ESA合作的下一代空间望远镜（NGST）将会是一台直径达6米的仪器，它们对于红外波长都更加敏感，这使得它们能追溯回宇宙的黑暗时期，以看到最早的恒星和星系。

星系有几种

已发现的星系外形和大小各异，但是大部分能够按照它们的外观分为两个主要的类别——几乎所有的星系在外观上是椭圆的或螺旋的。

分类一般是按照形状进行的，运用一种叫“音叉”图的方式，它在20世纪20年代由美国天文学家埃德温·哈勃最早设计出来。椭圆星系是巨大的恒星集合，其形状范围包括了从完美的球形到雪茄状的扁平椭圆形。已知宇宙中的最大星系是巨大的椭圆星系，它们处在致密星系团的中心，据估计包含着数千亿颗恒星。

看起来这些星系都是依靠吸收周围离得太近并被它们的巨大引力场所捕获的小星系而变得如此之大的。另一方面，椭圆矮星系是已知的一些最小的恒星系统，只拥有大约100万颗恒星。一般认为存在着大量的这类星系，但因为它们小且暗，因此很难被探测到。椭圆星系中的所有恒星都是很老的，并且目前也没有新的恒星在其中形成。

螺旋星系是美丽的天体，就像风车一样，它表现出当前存在并且持续下去的恒星形成的迹象。它们包含了由老年恒星组成的中央凸起部位——核，围绕着持续形成新恒星的物质的盘。恒星在盘状物质中形成的地方发出强烈的光芒，并且环绕着核形成螺旋形的图样。这些螺旋的“臂”随着产生新恒星的盘状物质的被压缩区域逐渐环绕星系旋转。

螺旋星系有很多种类，通常根据它旋臂缠绕的紧密程度以及核的大小来区分。大约所有目前被辨识出来的螺旋星系中的一半都有着附加的可区分特征，这就是从星系核中释放出来并延伸到星系盘中的一个由恒星构成的直的棒状结构，一般的旋臂将会从这些棒状结构的末端开始缠绕。这种星系被称为棒旋星系。与螺旋星系一样，它们也可以根据旋臂缠绕的紧密程度和核的大小进一步分为不同的类型。棒状结构的产生看起来与螺旋转动的恒星引力的相互作用有关。

透镜星系构成了一种中间状态的星系类型，介于椭圆星系与螺旋星系之间，它们有着核凸以及恒星构成的薄盘状结构，但是没有螺旋臂。有时候透镜星系也有棒状结构。

没有明显的结构或者核的星系被称为不规则星系。I型不规则星系显示了旋臂曾以某种方式分布的迹象；II型不规则星系则纯粹是一团混乱的恒星。有证据证明，这种类型的很小的星系比如矮星系，可能是因为更大的星系间碰撞时抛出的物质落入星系间空间而形成的。与螺旋星系一样，不规则星系正处在恒星形成的过程中。

走进星系内部

螺旋星系的可见区域曾一度被认为代表了它的整个系统。天文学家现在相信：形成恒星的物质仅仅是包含在星系中所有物质的极小部分，其余的质量以灰暗物体的形式存在，它们太暗，以至于我们无法从观测星系时看到，或者甚至这些我们无法探测到的物质形式就是暗物质。

在从地球无法看到的昏暗物质中，螺旋星系盘中含有大量不发光的尘埃与气体线。有时候尘埃线能被看到是因为它们挡住从旋臂上发出的光，从而使我们能看到它们的轮廊。星系盘中同样包含着许多的更暗、更老的恒星，因为它们的光芒被旋臂上年轻明亮的恒星掩盖，所以无法被看到。恒星围绕螺旋星系的旋转为我们提供了许多关于星系中包含的比可见部分更多物质的重要线索。恒星移动得很快，以阻止星系飞离天文学家们相信的围绕着螺旋星系的巨大、隐藏着的球状物质晕。

从可见的证据上来，星系的质量与太阳系一样，似乎集中在它的核内。这也许意味着，随着星系的旋转，离核心较远的恒星要比距离较近的恒星移动得慢。但是，实际观测并不支持这点。相反，星系的质量更像是存在于它的可见区域之外，包含在巨大的球状物质晕中。

晕中的物质被认为包括了好几种不同的物体，例如星系盘中逃逸出来的灰暗恒星；失败的恒星，它们被称为矮褐星；恒星崩塌、死亡之后的遗迹形成了包括中子星、黑洞在内的物体。气体云可能也存在于星系晕中。除了灰暗物体之外，星系晕也包含了名为球状星团的发光体。

球状星团类似于椭圆星系，它们是被相互间的引力束缚在一起的恒星的球形集合物。在球状星团中没有恒星产生，它们环绕着自己的母星系，并且界定出一个球状区域，这被认为代表着星系晕边界。

球状星团包含了非常老的恒星——大部分被认为是在100亿年前形成的。然而一些恒星甚至更老，有着估计和宇宙一样的年龄。最大的球状星团包含了几百万颗恒星。典型的螺旋星系有大约150个球状星团，而椭圆星系可能包含上千个。一般认为气体云团崩塌形成星系时，孤立区域会各自崩塌并形成球状星团。

许多天文学家相信，在星系晕之外，还存在着一个甚至更大的球形区域，这被称为冕。星系冕可能有星系晕的4倍大的直径，可能包含了奇特的暗物质粒子，它们的行为特征与五种稳定的基本粒子大不相同。受到技术的限制，甚至使用目前最先进的设备也探测不到这些粒子，然而它们的存在却可以通过它们对星系中发光物质的引力作用推测出来。一些天文学家提出，星系冕可能占据了多达星系总物质量90%的比例。

璀璨银河

传统上，当人们认为的银河是横跨夜空的那条模糊光带。意大利天文学家伽利略（1564～1642）是第一个使用望远镜观察银河的人，他发现银河是由无数的昏暗恒星组成的。在之后的三个世纪中，天文学家认识到这条昏暗的光带是我们所看到的自己所在的星系。它之所以与其他星系看起来很不相同，是因为我们是从银河的内部观察它。

银河系是一个螺旋星系，因此相对扁平并呈盘状。如果我们观看盘面，我们可以看到比侧视时更多的恒星。太阳并不位于银河系的中心，而是处在一条旋臂上。银河系的中心位于射手座的方向上。

尽管银河系是在100亿到150亿年前形成的，但太阳只是在大约45亿年前诞生于一条旋臂上，并且从那时起开始在围绕银河系的中心的轨道上旋转，它已经绕了大约21圈，并且现在正处于猎户座旋臂的尾缘，猎户座旋臂是包含了猎户座中大部分恒星的一条旋臂。对银河系的一些测绘表明，猎户座可能实际上并不是一条完整的旋臂，而只是一条连接射手座旋臂和英仙座旋臂的分支。如果确实如此，我们所处的位置就能以位于猎户座桥或分支中的形式更准确地描述出来。射手座旋臂位于我们与银河系中心之间，而英仙座旋臂从太阳的外侧绕过。

银河系中心本身是一个相当神秘的地方，它被尘埃和气体云包裹，阻碍了对其内容进行观察的清楚视野。可见光无法穿过这些云团，因此天文学家只依靠对电磁辐射在其他波长上的观测。天空中最强烈的一个无线电辐射源来自一个被称为射手座A*的天体，它位于银河系中心，是一种被称为黑洞的奇异天体。进一步的证据来自于银河系中心发射出来的一束反物质辐射的发现，它暗示着强烈的高能量进程。

毫无疑问，银河系是一个平均大小的螺旋星系，但它究竟属于哪种类型的螺旋星系还处在争议中。多年以来，它被认为是一个标准的螺旋星系，但是在银河系旋臂与核心之间几乎必然存在着一条连接它们的短棒状结构，所以银河系应当是一个棒旋星系。银河系外形的另一个有趣的特点是：它的恒星盘不是平坦的而是弯曲的。

与许多大型星系一样，银河系有很多环绕其旋转的小星系。麦哲伦星云是两个不规则的卫星星系，另外还存在着许多更小的受银河系引力影响而被捕获的矮星系。在它的巨大影响之外，银河系是名为本星系群的星系组合中其他星系的引力边界。本星系群包含了21个已知的成员，其中三个是螺旋星系（银河系、仙女座星系和M33星系），其余的星系都是椭圆星系，包括了巨大的椭圆星系梅菲I星系和矮星系。

相互作用中的星系

星系始终处在运动中（它们之间以及与相邻天体间的引力作用导致），所以有时可能每上亿年一次，星系团中的星系运行到极近的距离上，从而发生剧烈的相互作用。如果两个星系具有相近的质量，相互作用的结果与一个星系比另一个大很多的情况将很不一样。星系的接近程度同样也影响到最终的结果。一些星系擦肩而过，在距离很远的地方影响到对方，而另一些相互碰撞并发生合并。

如果两个具有相近质量的螺旋星系相向运动，随着它们逐渐接近，它们会开始搅扰对方内部。它们将对方的恒星从原有的轨道上拉开，慢慢地，两个星系会失去它们的螺旋形状。一些恒星从星系中被拉出，在星系间的空间中形成很长的“尾巴”；其他的恒星开始减速并向两个星系的共同质心落去。如果两个星系距离足够近，它们会合并成一个星系。当星系以这种方式相撞时，它们所包含的恒星实际上并不互相接触：恒星间的空间非常大，以至于甚至在星系合并中发生碰撞的概率也很小。

如果两个相撞的星系大小差别较大，其中的一个会受到很大影响，而另一个基本不变。如果一个小的致密星系与一个大的螺旋星系相遇，螺旋星系相对不受影响，而小的致密星系将会发生极大的变化。但是，如果致密星系穿过了螺旋星系，它会使螺旋星系形成环状，就像是池塘中的水波一样。

星系间相互作用的影响对星系中的气体云来说是很不相同的。作用于气体云上的新引力常常会引发崩塌，从而导致极大量的恒星形成——一种被称为星暴的现象。一个很典型的例子就是M82星系，它受到了邻近大的M81螺旋星系引力的影响，尽管较小的星系发生明显的形变，而在它的中心附近也发生了剧烈的恒星生成过程。

当星系合并时，它们中的尘埃和气体被剥除，形成了新恒星。因此合并后的系统不能产生新的恒星。恒星的运动同样也受到了影响，因而它们不可能处在盘状星系所需的有序状态。恒星轨道的随机性使得星系变为椭球状，它们具体是球形还是椭球形取决于轨道的随机性。如果轨道的倾角是完全随机的，星系系统将是球形的；如果轨道的倾角存在偏向，星系将是蛋形的。