太陽系外漫遊③：星系與星系團

2020-08-10 光明科普

大家好，我是中科院國家天文臺的鄭捷。上一期大家領略了絢爛的星雲，今天，讓我帶大家一起來看看銀河系的外面有什麼。

另一種「星雲」

在幾世紀以前，人類把夜空中瀰漫的天體，都叫做星雲，例如前面介紹過的蟹狀星雲、獵戶星雲等。十八世紀著名天文學家夏爾·梅西耶還編制了梅西耶天體表，裡面包含了大量被稱為「星雲」的瀰漫天體，其中就包括這個天體表中的第31號--M31，在長達幾個世紀的時間裡，都被認為是銀河系內天體的仙女星系。後來的觀測陸續發現M31具有恆星本質，而長時間的曝光使人們看見了它的螺旋結構。通過觀測M31內的新星，天文學家更是發現之前大大低估了M31的距離，因此部分天文學家對M31是否為銀河系內天體產生了懷疑。1920年，天文學家還因M31到底是河內還是河外天體進行了一次世紀大辯論。

直到1925年，天文學家埃德溫·哈勃從M31的照片中發現了一顆造父變星，故事才有了轉折。通過造父變星的周光關係，使得M31的真實距離得以確認，原來M31不僅不是由氣體塵埃組成的普通星雲，而且是一個與銀河系相似、包含千億恆星的河外星系，與此同時，天文學家的眼光從銀河系拓展到了整個宇宙。

圖1 梅西耶天體「全家福」(拍攝：Michael Phillips）

星系

那麼什麼是星系呢？從字面意思來看就是恆星組成的系統。天文學上的定義是指在引力的作用下，由恆星和星際物質組成的運行系統。星系通常包含上千萬到數萬億顆恆星，是構成宇宙的基本單位。天文學家一般根據星系的形狀進行分類，最常見的是旋渦星系、橢圓星系和不規則星系，我們所在的銀河系就是一個典型的旋渦星系，上面提到的仙女星系也是一個旋渦星系，仙女星系儘管並不是距離銀河系最近的星系，但它是人類不使用望遠鏡，肉眼可見的最遠天體。

在宇宙中，有著形形色色的星系，目前通過大規模觀測，人類已經發現了數以億計的星系，最遠可觀測到的星系甚至遠在百億光年之外。

圖2 距離我們約250萬光年的仙女星系（拍攝：Adam Evans）

星系群和星系團

大家平時微信上，都有微信群，或三五好友組個群聊，或三五十同事組個工作群，同樣，星系們也有群。

前面提到，星系是在引力的作用下將恆星以及星際物質匯集在一起形成的，那麼星系之間是否也存在引力束縛呢？答案是肯定的，儘管星系之間距離很遠，但是超大的質量還是使得星系之間能夠有「互動」。

我們將由於引力作用而聚在一起的若干個星系，叫做星系群（Galaxy Group）。當然星系群的成員們並不會聊天說笑，他們只會默默地彼此吸引，相互影響對方的運動。

我們的銀河系也在這麼一個星系群裡，因為是咱們自己所在的地方，所以天文學家就簡單直白地給它取名叫本星系群（Local Group）。這個小群由銀河系、仙女星系、三角星系等巨頭，以及一系列矮星系共同構成。大家耳熟能詳卻又難以在北半球親見的大小麥哲倫星系也是這個群的成員。而這其中距離我們最近的，是4.2萬光年外的大犬矮星系。

除了本星系群，我們發現的大量其它星系也各自構成了一個個星系群，如圖3中的摩羯座和巨蛇座星系群，這些星系群的成員彼此之間有著熱烈的互動。有些星系群的成員甚至正在發生碰撞和併合，圖4中的NGC4038和NGC4039就是正在併合的星系，它們同屬於一個由5個星系構成的星系群。

圖3：左：摩羯座HCG87星系群（攝影：Judy Schmidt）；右：巨蛇座六重奏星系群（圖片來源：HST/NASA/ESA）

圖4 併合中的NGC4038（上方星系）和NGC4039（下方星系），又叫做觸鬚星系（圖片來源：HST/NASA/ESA）

日常溝通交流的微信群，有人數多少之分，星系群裡的成員數當然也存在差異。我們一般把由50個以上的星系構成的星系集合，叫做星系團（Galaxy Cluster）。星系團是宇宙中由星系、熱氣體和暗物質組成的引力束縛系統, 它們的典型質量為 10¹⁴～10¹⁵倍太陽質量。它們的成分由暗物質主導(～80%)，15%～17%為星系團內介質，剩下的只有極少部分 (3%～5%)的質量存在於成員星系中。根據目前的宇宙結構理論，宇宙中物質稠密的區域形成纖維狀結構, 星系團就形成於這些纖維狀結構的交匯處，因此，星系團是宇宙大尺度結構中密度相對比較高的節點。國家天文臺的科學家從國際公開發布的天文數據中證認了近18萬個星系團，這是目前世界上最大的星系團樣本。

圖5 距離我們約40億光年的星系團Abell S1063（圖片來源：HST/NASA/ESA）

在星系團之上，還有超星系團，超星系團之上還有更大的結構。這一切都是我們的宇宙的組成部分之一。下一期，我們一起來探究可觀測宇宙。

參考文獻：

1，星系團的發現和星系團及成員星系的物理性質，韓金林等，科學通訊，2019年，第64卷，第15期，1583-1597

主講人簡介：鄭捷，理學博士，中國科學院國家天文臺助理研究員，主要從事多波段恆星測光巡天以及天文軟體研發工作。

[ 責編：趙宇豪 ]

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  • 本星系群又與其他星系群組成了本星系團,本星系團之後是什麼呢?
    恆星通過引力組成了星系，而星系也會通過引力組成更大的宇宙結構，這就是星系群。銀河系是一個尺寸較大的星系，在其周圍有其他小型的衛星星系環繞。位於254萬光年之外的仙女座星系是一個尺度比銀河系更大的星系，它的周圍也有衛星星系環繞。
  • 人類能離開本超星系團嗎？
    後來，人們漸漸發現了，地球不過是太陽系中的一顆行星，再後來，人類又逐漸有了銀河系的概念。現在，我們已經知道了，人類在宇宙中渺小如星塵，從地球、太陽繫到銀河系，一層套著一層，並最終屬於本超星系團，它和其他眾多的超星系團一起組成了宇宙。
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    後來，人們漸漸發現了，地球不過是太陽系中的一顆行星，再後來，人類又逐漸有了銀河系的概念。現在，我們已經知道了，人類在宇宙中渺小如星塵，從地球、太陽繫到銀河系，一層套著一層，並最終屬於本超星系團，它和其他眾多的超星系團一起組成了宇宙。巨大的本超星系團銀河系雖然巨大，但也只是宇宙中的眾多星系之一。
  • 在150億光年外，發現一個星系團的中心，黑洞噴出了等離子射流！
    數十億年前，在150億光年外的一個星系團中心，一個黑洞噴出了等離子射流。當等離子體衝出黑洞時，它推開了物質，形成了兩個相距180度的大空穴。
  • 浩瀚的星空外到底被什麼包圍著?室女座超星系團一直在自轉嗎?
    浩瀚的星空外到底被什麼包圍著？室女座超星系團一直在自轉嗎？我們晚上抬頭一看，總是能夠看到漫天的行星，不知道你有沒有感受到宇宙的浩瀚和自己的渺小，似乎這外面還有著無數的物質包圍，事實是這個樣子嗎？在很久之前我們都覺得地球是宇宙的中心，其他的星體都是圍繞著我們旋轉的，那個時候由於技術不發達，所以一直這麼錯誤的任務，但是事實證明了，地球只是太陽系裡很普通的巖石行星，真正的是太陽才是宇宙的主宰。那事實上真的是太陽是宇宙的中心嗎？
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  • 仙女座大星系：距離地球最近的河外星系，被稱為銀河系的「鏡子」
    ，就像太陽系行星中的水星、金星和火星都是類地行星，很多性狀和我們地球相似。，核心之外是一個薄薄的圓盤，有幾條巨大的旋臂向外延伸，很像是河流中的旋渦，所以稱為旋渦星系。在旋渦星系中有一類中心核心並不是呈現球形，而是呈現棒狀，旋臂從棒的兩端向外延伸，我們稱為棒旋星系，是旋渦星系的一種。
  • 拉尼亞凱亞超星系團,是怎樣的存在?
    太陽系的上級天體結構，是擁有數千億顆恆星的銀河系銀河系和周圍的50多個星系，一起組成了直徑超過1000萬光年的本星系群，但本星系群在宇宙也只是「小型系統」而已。在本星系群之上，上百個星系群與星系團，又組成了室女座超星系團，也叫本超星系團，而這種直徑1.1億光年左右的宇宙結構，天文學家已經在可觀測宇宙內，發現了數百萬個，所以說本超星系團，在宇宙中只能算是「中型系統」而已。
  • 該現象在150億光年外的星系團發生
    相信大家都有看過關於黑洞的文章或報導，大多數的報導都說黑洞在不斷的吞噬宇宙中的物質，但你有沒有聽說過黑洞往外噴東西呢？在數十億年前，在一個離我們有150億光年外的星系團中心，一個黑洞噴出了等離子射流！發表在《天體物理學》期刊上的新研究中，卡爾扎迪拉和合著者研究了星系團SPT-CLJ0528-5300的噴發。將置換氣體的體積和壓力與兩個大空穴的年齡結合起來，就可以計算出噴出的總能量，目前遙遠星系團中發現的最強大噴發就是超過10^54焦耳的能量。宇宙中點綴著星系團，而這些星系團聚集了成千上萬個充斥著熱氣和暗物質的星系。
  • 30億光年外,4個星系團快速接近,時速超300萬公裡,或已撞上
    當然，整個太陽系也不是靜止不動，一直在運轉中，即使是巨大無比的銀河系這類星系也不例外。既然都在運動，難免會出現相遇、碰撞的情況。對於我們來說，劇烈的碰撞事件還是很罕見的，因為我們太陽系已經經過億萬年的沉澱，形成了一個相對較穩定的狀態，基本上不可能出現行星碰撞的可能。但是，我們太陽系在運行的過程中，可能會遇上其他的星系。如果發生兩大星系碰撞事件，會是怎樣的呢？