第二章 星云、星系和类星体

星云

自古至今，观测者只要仰头凝望夜空，就可以看到恒星之间存在一些较小而且微弱，几乎像云朵一样的块状物。这些天体被称为星云（nebulae），拉丁语的意思为“云”，源自于它们像烟云一样的外表。

没有人确切知道星云里面正在发生什么变化，所以人们对这些云状物的真正特性并不了解。当望远镜变得足够强大，人们发现有些星云实际上是星系，仙女座星云就属于这种情况，现在我们称之为仙女座星系。另外一些星云被证实是真正的星云，也就是由尘埃和气体组成的区域。这些星云被分为以下类别。

发射星云：这是最明亮的一类星云，它们发光是因为它们内部嵌有炽热的恒星，这些恒星发出的辐射使周围的气体受热发光。发射星云有的很大，事实上它们内部有大量的气体和尘埃，足以形成恒星和行星，因此是星星的滋生地。用肉眼最容易看到的一个发射星云是猎户座星云M42。

反射星云：正如名称所显示的那样，这些“云彩”之所以看得见，只是因为它们反射附近恒星的光芒。恒星不能够使这些气体发光，是因为恒星温度比较低，没有那么大能量，结果是反射星云就暗淡得多。金牛座的昴宿星团周围有一个暗弱的星云围绕着，但是只有借助高倍望远镜才能看得见。

暗星云：气体和尘埃附近没有恒星就不发光，我们之所以能够看到它们，是因为它们挡住了它们背后所有的东西。这一类别包括猎户座的马头星云（你需要借助望远镜），以及更大一些的位于南半球的南十字座煤袋星云，它用肉眼可以很容易看到。

行星状星云：一些恒星在生命的晚期喷发掉它们的外层，只剩下一颗较小的恒星，但是很热，能量充足。那些脱离的外层向外扩张，因从中心的恒星发出的辐射而发光，这一点有些像发射星云。透过望远镜看去，这层“外壳”看起来有点儿像行星，由此得名。天琴座的环状星云就是个典型的例子。

星系的形成

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。

星系的分类

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。

星系的结构

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。

银河

传统上，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年）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3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，因此天文学家只能依靠对电磁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3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。

星系团和巨洞

几乎所有的星系都通过引力与其他星系相关联，这样的联合就被称为星系群或星系团——取决于包含的星系的数量。我们所在的星系——银河系是本星系群中的一员，本星系群包含了大约20个不同大小的星系。超过数十个星系组成的联合称为星系团，它们有不同的形状和大小：有的是球形的，有些则是不规则的，并且蜿蜒着穿过宇宙。不同的星系团类型包含了不同种类的星系，通过研究所包含的星系类型，天文学家能够了解星系的形状是怎么演化的，尤其是螺旋星系如何形成椭圆星系的。

在球状星系团中，大部分星系是椭圆星系。这些星系团类似于圆球形星团——组成方式相同，只是规模大得多。它们不是由单个的恒星组成，而是由不同的星系组成。这些星系团环绕着一个星系十分集中的中心按照固定的椭圆轨道运行，这些轨道周期性地将它们带到这些致密的区域中。一旦到那里，螺旋星系就会与其他的星系碰撞形成椭圆星系。在一些情况下，星系团的中心部分是一个巨大的椭圆星系，这些就是cD型星系，它们被认为是由多个较小的星系的连续合并产生。不规则星系团主要由螺旋星系组成，没有固定的形状或者引力中心，它们的成员星系间很少能够相互接触。

星系团同样会因为引力与别的星系团束缚在一起。通过澳大利亚的2dF与美国的斯隆数字空间探测器望远镜等仪器，天文学家绘制了数十万的星系的位置和红移，表明这些星系并不是均匀地分布在宇宙中，而是构成了扫过整个宇宙的名为超星系团的链状结构。本星系群属于一个超星系团，被称为处女座超星系团，它的直径超过了1亿光年。超星系团看起来似乎聚集在一个超大的球状巨洞周围。这可能与对宇宙背景辐射的研究中探测到的原始物质中的“粗块”有关。最大的超星系团是一个被称为长城的薄片，它覆盖了超过2.5亿乘以7.5亿光年的区域。

星系团内引力往往能够抵消宇宙的膨胀。星系也就按照它们之间的引力作用而移动。但是超星系团极其大，它内部空间正如哈勃流所示那样应当正在膨胀。由于引力的影响，这不再是一种简单的膨胀性运动。不同于各处的均匀生长，超星系团随着宇宙的膨胀逐渐地被拉长。

活动星系

尽管在银河系的中心发现了一些奇怪的能量化现象，它们仍无法与所谓的活动星系中观测到的现象相比。10%的星系是活动星系，活动星系的核心通常具有很高的亮度，从而盖过了星系其他部分发出的星光，这又是由物质落向星系中心的超大质量黑洞产生的。活动星系有很多种类型，每种都有自己的特征。

第一种被发现的活动星系是以它的发现者卡尔·塞弗特命名的塞弗特星系。塞弗特星系是具有非常明亮星系核的螺旋或棒旋星系。通过分光镜分析，塞弗特星系展现出由高温气体云所发出的强发射谱线。尽管它们并不都辐射无线电波，塞弗特星系还是红外辐射的强发射源。Ⅰ型塞弗特星系的发射谱线表明，它们是由围绕星系中心高速旋转的氢气云产生的；Ⅱ型塞弗特星系的光谱中尽管具有氢线，但似乎并没有这种快速运动的气体云。

类星体（QSOs）被认为与塞弗特星系十分相似——除了核心活动更为剧烈。它们在天空中看起来就像是与恒星一样发光的点（因此被称为类星体），但通过分光镜研究能够发现它们明显不是恒星。根据它们谱线中的红移现象可知：它们大都位于极遥远的地方，是宇宙中已知的最遥远天体之一。与塞弗特星系相同，它们可以是“射电噪的”（在这一情况下被称为“类星射电源”）或者是“射电静的”（传统QSO）。类星体的亮度可以是普通星系的1000倍，类星体的周围星系结构比活动星系核区域暗很多，在高敏感图片上，能够看到它周围环绕的物质，它显示类星体是经常性相撞的星系。各种种类的活动星系常被称为活动星系核（AGNs）。

活动星系的另一种类型是射电星系，如它的名字所指示，这类星系在电磁波谱无线电波段的辐射最强。不同于点辐射源，辐射从这类星系两侧的巨大辐射瓣上发出。典型的螺旋星系直径大约为10万光年，而这一辐射源的瓣到瓣距离能够跨过数千万光年。活动星系的最后一种类型被称为耀变体，同样也被称为蝎虎座BL天体。耀变体与类星体在许多方面十分接近，只是它不具有谱线。

大部分活动星系都位于极遥远距离的事实表明它们是宇宙中的年轻天体，因为它们的光要经过数百万乃至数十亿年才能到达地球。这使天文学家们认为可能所有星系都经历过这种活动阶段。

能量机制

不同类型的活动星系——塞弗特星系、类星体、射电星系和耀变体——看起来相互之间都存在着巨大差异。然而，现在许多天文学家相信它们大体上是同一类天体，之所以看起来不同是因为在地球上我们看它们的角度不同。

活动星系得需要某种类型的中心“引擎”以产生供给它们辐射的大量能量。尽管存在很多能产生大量能量的过程，但物体落入势阱的效率最高。这使得大多数天文学家相信，在活动星系的中心，能量由于物质被吸入超大质量的黑洞而被释放。黑洞是宇宙中致密到没有任何东西能够逃出它的天体——连光也一样。由于黑洞有着如此强的引力场，以至于任何过于靠近的恒星、气体云和其他物质都将被它吞没，并且再也看不见。

落入黑洞的物质并不会沿直线下落，星系的旋转使得物质被甩入一个被称为吸积盘的盘状结构中，物质从这里完成其在黑洞内部的旅程。吸积盘中的物质高速旋转，使得它温度升高并且释放出X射线和其他种类的电磁辐射。由于吸积盘很厚，辐射并不能很容易地穿过，取而代之地，它沿着吸积盘的轴，也就是阻碍最小的路径射出。亚原子粒子也沿着这条轴加速，形成喷流，它们与星系间介质中的原子相碰撞，并使它们成为发射出无线电波长的辐射，射电星系中被探测到的就是这些无线电辐射瓣。

吸积盘的周围是一个由尘埃和气体组成的面包圈状结构，名为环状圆盘。环状圆盘由吸积盘发出的短波散射加热，其中的物质随后将这些辐射以更长的波长再次发射出去。环绕中心引擎旋转的气体云同样也被吸积盘加热，并发出能够以光谱线形式探测到的辐射。

塞弗特星系与类星体之间的区别仅仅在于内核所产生的辐射的强度。它们与其他类型的活动星系的区别与观测角度有关。当活动星系核从沿着吸积盘的角度观测时，明亮的中心引擎被周围的环状圆盘所遮掩，只有辐射瓣能够被看见，因而我们“看到”了一个射电星系。但如果它是沿圆盘轴被观测的，很可能就是往下看到喷流，而这个方向上的辐射强度是最强的。随着高温气体沿喷流加速，造成了亮度的变化，也就导致它在观测者看来是一个耀变体。在耀变体和射电星系间的观测角度上，中心引擎的散射和可能的喷流能够被看到。同样的，高温气体云的散射也能被看见，这时的天体就是类星体。

这一关于活动星系的统一理论至今仍未被证实，但它至少给出了一个较模糊的解释。

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。