天上的星系,居然和地下的城市如此相似

以下根據戴昱老師2020年9月5日在高山大學、GMIC以及騰訊公益基金會聯合出品的「科學公益直播」的課程整理而成，經老師審核後公開發布。※全文6303字丨5分鐘閱讀※整理丨張明※編輯丨朱珍

授課老師：戴昱，中國科學院國家天文臺研究員。

戴昱

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01什麼是星系？

星系是由千百億顆恆星以及分布在恆星間的星際介質共同構成的巨大天體系統。換言之，在星系覆蓋的區域裡面，受它的引力束縛的所有物質包括恆星、氣體、塵埃、星際介質都是屬於該星系的。

需要注意的是，太陽系雖然也用了「系」這個詞，但太陽系並不是一個星系，它只是一個恆星系統。

幾千億顆類似太陽的恆星和恆星系統共同構成了銀河系這個星系。

02如何觀測星系？

1、紅移

如果坐在警車裡，聽到的警笛聲基本是一樣的；但如果在路邊，隨著警車的靠近和離開，頻率會在耳朵中顯示出不同的效應，這種效應叫做都卜勒效應。

警車靠近的時候，聽到的頻率會比本身的頻率高，聲音急促；警車遠去的時候，聽到的頻率會變低，聲音被拉長。這兩種效果分別對應了藍移（靠近的時候）和紅移（遠去的時候）。

哈勃最早系統測量了星系的紅移，證實了星系的存在，因此被稱為「星系天文學之父」。

2、多波段觀測天文學

如何在不解剖的情況下，證明一個人身上有肋骨呢？

在一般用相機拍出來的光學照片裡，我們可以看到人的皮膚、肌肉的紋理，但是看不到肋骨的，只能看到最表面的反射光的東西。

如果換成紅外相機，看到的是人身體上的溫度分布。如果再換成CT掃描，可以看到不同截面的人體組織器官，但還是看不到肋骨。最終，我們需要用X射線才可以清晰地看到一個人的骨骼組織。

同樣，要了解一個星系的全貌，也需要整合多波段的觀測。不僅要看到星系的皮膚，也要看到星系的肋骨。

在天文學中還有一個變數就是紅移的存在。在一個遙遠星球上發出的光會隨著紅移變到了其他波段，所以要看到那個星球發出的可見光，我們需要用的也許是紅外望遠鏡。

把星系中恆星的現在、過去、未來疊加在一起形成的合成圖可以幫助我們了解星系中的恆星已經和正在什麼區域形成、之後可能在哪裡形成的整個過程。

03銀河系是特別的嗎？

想像一下，假如有一臺巨大的無人機或者一個外星人，從足夠遠的某個角度看到的銀河系是什麼樣的呢？很可能是這樣的：

銀河系形狀，圖自NASA官網

銀河系中含有1000-4000億顆恆星，直徑大概在10-20萬光年。太陽只是銀河系中小小的一員。

銀河系的年齡可能有135億歲，這是根據銀河系中目前測到的最古老的恆星的年齡來推測的。

太陽位於銀河系的獵戶座旋臂上，距離銀河系的中心大概有26000光年。太陽的年齡估計是46億歲，正值壯年。根據模型推測，太陽或許還有50億年可以燃燒。

如果從側面看，銀河系呈陀螺狀，繞著中間緩慢旋轉。銀河系的中心位於它的核球，大部分的恆星位於核球、銀盤和旋臂上，還有一些散落在銀暈上。

太陽繞銀河系中心的速度大概是200公裡每秒，可是我們身在其中不覺得它快。

銀河系就其本身來說當然是特別的，因為它是我們目前唯一的家園。而且在天文學中也是把銀河系和所有其它的星系分開來學習的。用銀河系和河外星系區分了這一個星系與其它上萬億個星系，可見銀河系當然是非常特別的。

但是從星系研究的角度，銀河系又確實只是芸芸眾星系中的一員。

04已經發現的深空天體有哪些？

18世紀初就有大量觀測發現了河外星系，但浩瀚太空中，有多少個不同的星系，又分別有些什麼特點呢？

我們常聽到的深空星體的命名很多來自 「梅西耶星表」。

梅西耶是法國天文學家，他一開始要尋找的主要是彗星，並不是星系。他當時把不像彗星的天體都稱為星雲，整合成了一個「梅西耶星表」，這個星表包括了110個「奇怪」的深空天體。

在天文學裡，深空天體一般指的是地球、太陽系、銀河系之外的天體，也可以籠統地說有一定紅移的天體。

在業餘愛好者中廣為人知的還有星雲星團新總表（以NGC開頭編號），星雲星團新總表有7500多個星體，包括了幾乎所有的深空天體。梅西耶表中的著名非星系星體有：

1、星雲

（1）蟹狀星雲（M1）

蟹狀星雲（M1），圖自維基百科

蟹狀星雲是一個超新星爆發後殘留下來的星際介質。距離地球大概6500光年，而且它正在以每秒1000多公裡的速度在膨脹。在宋代就有詳細記載，「晝見如太白，芒角四出，色赤白，凡見二十三日。」（見《宋會要》）

這個超新星位於金牛座的天觀星附近，歷史上也被叫做天觀客星。

（2）環狀星雲（M57）

環狀星雲（M57），圖自NASA官網

環狀星雲（M57）是位於天琴座的一個行星狀星雲。這種天體是一個紅巨星（恆星的一種演化階段）在演化成白巨星的最後階段，它會把氣體的殼層驅散到周圍，然後電離形成這樣一種美麗的星雲的狀態。

（3）獵戶座大星雲（M42）

獵戶座大星雲（M42），圖自維基百科

獵戶座大星雲（M42）是獵戶座的瀰漫星雲在最接近地球的恆星形成區，距地球1300多光年，是肉眼可見的一個星體。它的氣體塵埃形成非常漂亮的瀰漫狀的形態。

不僅業餘的天文愛好者喜歡，很多研究恆星形成的天文學家也經常用望遠鏡對準獵戶座大星雲觀測恆星的形成、行星的形成等現象。

2、星系

梅西耶星表中差不多有一小半其實是星系，即最早發現的那一批星系。

對星系最經典的分類方法是是哈勃提出來的，根據它的形態分類，所以也叫星系的哈勃分類。

根據星系的形狀從年長到年輕可以劃分為橢圓星系、透鏡星系、旋渦星系或棒旋星系、不規則星系這五種。透鏡星系、旋渦星系或者棒旋星系等也叫盤星系。

（1）橢圓星系

橢圓星系M87，圖自CFHT

橢圓星系M87非常有名，距離地球5500萬光年，它的大小與銀河系差不多。但核心質量是銀河系的兩倍，總質量可能有銀河系的200倍。

人類拍攝到的第一張黑洞照片就是M87的黑洞。這個黑洞的質量約是太陽的65億倍，是一個非常大質量的黑洞。

人類拍攝到的第一張黑洞的照片 圖自EHT

另外，M87是一個E0的星系（橢圓星系按照橢率分為E0-E7，E0-E7代表從圓到扁，不同橢率的橢圓星系形態上會更扁更長）。

（2）透鏡星系

紡錘星系（M102/NGC5866），圖自ESA/HS

M102是一個紡錘星系，它也有NGC的編號——NGC5866。它的形態非常扁長，因為在地球上看這個星系是從側面看過去的，形狀像紡錘，所以叫紡錘星系。

它最特別的一點是有一個延展的塵埃盤。所以天文學家還有另外一種想法，覺得它可能不是一個透鏡星系，而是一種環狀的、側面對著我們的旋渦星系，目前還在研究中。

（3）旋渦星系

仙女座星系（M31）

仙女座星系（M31）有核區、旋臂，是很經典的旋渦星系。直徑與銀河系差不多，有10-20萬光年。外表酷似銀河系，是我們重點研究的一個星系。

仙女座星系的質量大約是銀河系的兩倍，但銀河系比仙女座星系的恆星形成率更高。仙女座星系每年可以造出大概1個太陽質量的恆星，銀河系則每年可以造出3-5個太陽質量的恆星。按照這個速度，銀河系的質量在未來是有可能追上仙女座星系的。

（4）棒旋星系

NGC1300，圖自ESA/HST

NGC1300是一個「教科書級」的棒旋星系。

NGC1300距離地球6100多萬光年，直徑大概是11萬光年，比銀河系稍微大一點。它的漂亮的旋臂貫穿了整個星系，穿過了盤、核球、核心，結構非常清楚。

塵埃的分布（上圖中條紋狀的東西）顯示了盤面的結構，還有一些棒上的精細結構，非常美麗。

（5）不規則星系

雪茄星系（M82），圖自NASA官網

雪茄星系（M82）是一個不規則星系。上圖中顯示的綠色部分是雪茄星系在可見光下的觀測到的樣子，紅色部分表示紅外波段下觀測的結果，藍色部分則是X射線下的情況。

如果只看可見光的時候，它就是古巴雪茄的形狀，所以叫雪茄星系。

十幾年前在近紅外下的觀測中發現，雪茄星系可能也有對稱的螺旋的旋臂，也有可能是不規則星系中的旋渦星系。

雪茄星系中進行著非常劇烈的恆星形成，它是一個星暴星系，恆星在其中爆炸般快速生長。它每年可以產生幾十個太陽的恆星質量。同時，它也是一個擁有超大質量黑洞的星系。

美杜莎星系（NGC4194），圖自NASA官網

美杜莎星系（NGC4194）是一個併合星系。

上面的星光像美杜莎頭像上的蛇，中間的亮圈是一個直徑大概500光年、不含氣體的高速的恆星形成區，也叫「美杜莎之眼」。流向「美杜莎之眼」的氣體正在觸發大量的恆星形成，恆星會發光，所以就顯得特別的明亮。上面的「美杜莎蛇」裡也有一些藍色的比較年輕的恆星剛剛形成。

這一個併合星系可能處於大星系吞噬掉小星系過程中，在這一過程中拋射出了大量的物質和恆星，形成了一些不規則的形態。

3、星系團與星系群

星系在太空中的分布是不均勻的，它們往往聚集成團，少則三兩成群，多則幾百個聚集在一起，就是星系群和星系團（星系群是50個左右的星系集團，擁有更多星系的集團是星系團）。

星系群和星系團與宇宙大尺度結構是有關係的。

銀河系所處的星系群叫本星系群，大概有50個成員，包括銀河系、仙女座星系、三角座星系。本星系群的質心大概位於銀河系與仙女座星系之間的某處。所以銀河系是處於本星系群比較中心的地位。

笑臉星系團

笑臉星系團的兩個眼睛是兩個非常亮的星系，其中一個可能是橢圓星系，另一個看上去是一個不規則星系。它的微笑其實不是宇宙中真實存在的形態，而是由強引力透鏡產生的光弧，也叫「愛因斯坦環」。

笑臉星系團的紅移在0.26-0.56之間，距離地球約30-50億光年。

引力透鏡，圖自維基百科

引力透鏡是由於星系團的存在（星系團基本是宇宙中質量最大的結構），遙遠星系的光在經過星系團的時候會受到星系團的強引力作用，這個強引力作用會彎曲時空造成引力透鏡效應，會放大、變形、彎曲光。

4、星系對

其實大量的星系並不孤單，它們在與其它的星系進行著雙人舞或多人舞。

NGC2623，圖自NASA官網

NGC2623是位於巨蟹座的星系，它是兩個星系在強烈碰撞之後形成的形態。它就像兩朵花一樣，兩個花心碰到了一起，劇烈的碰撞會提高兩個中心區的恆星形成率，相當於在兩朵花的花心之間又綻放出了新的花朵（見上圖中亮藍色的斑點）。

NGC2623已經處於星系併合的最後階段了，我們叫它後併合時期的星系對。

史蒂芬五重奏星系，圖自NASA官網

上圖是一個多重共舞的景象，是史蒂芬五重奏星系。它由5個不同的星系組成，後面4個星系在同一個紅移，最亮的成員旋渦星系NGC7320其實是一個前景星系。從顏色也能看出它和其它幾個成員不一樣，它裡面的紅色和藍色的小點是活躍的恆星形成區。

05星系是如何形成的？

1、星系的形成與宇宙的演化

星系的形成要從宇宙的幼兒時代說起，也就是從130億年以前說起。

宇宙誕生在大約138億年以前。大爆炸時期大量的物質在以超光速發生暴漲後形成氣體雲，物質密度的擾動打破了平衡，所以在宇宙微波背景輻射以後產生了第一批的恆星，這些恆星最終匯聚成最初的星系。

在這個過程之後，我們發現星系的分布有一些特別的形態。

歐洲南方天文臺的VIPERS巡天觀測結果繪製了全天星系的分布，用到了55000個星系，大概是宇宙中期（紅移1左右，到現在宇宙年齡一半的時候）。大尺度結構我們看到有網狀結構或泡沫狀結構，這是實際觀測的結果。

2、星系與超大質量黑洞

最初星系的形成是由很多很小的星系一點一點併合，最終產生大質量的星系。不管是哪種形態的星系，都是緊密結合在高密度的中心核球區域的。

觀測和理論共同認為，幾乎所有的星系中心都存在超大質量黑洞。超大質量黑洞與星系的形成和演化有非常重要的關係。

黑洞的強引力場會導致光無法溢出，但我們可以通過其他的波段推測黑洞的存在。

對黑洞最開始認識的是在1970年左右發現了中子星，我們認為它是恆星坍縮以後形成的恆星級的黑洞。然後有人認為這些小的黑洞不斷併合最終成為了超大質量黑洞。

上周新聞報導了編號為GW190521的引力波事件，探測到了目前最大質量的恆星級黑洞，也是第一個中等質量的黑洞，這是非常重要的發現。

可以想像，如果這種類型的黑洞繼續併合下去，最終有可能會成為位於星系中心的超大質量黑洞的種子。

尋找中等質量黑洞是天文學中的一個熱點。

上圖是銀河系中心的超大質量黑洞位置示意圖，位於人馬座，將近10年的觀測發現，其它的星體繞著它運動，但它自己是不動的。說明它是這些環繞的質量的中心。

人馬座A*黑洞質量估計為400萬個太陽，是銀河系中的超大質量黑洞。但銀河系中的超大質量黑洞可能不止一個。

06學習星系和日常生活有關係嗎？

學習天文學對我們理解社會是有幫助的，因為很多統計學和社會學的手段也被運用到天文學中。

1、星繫結構與城市分布

如果把宇宙中的星系類比為人類聚居的城鎮，我們發現二者的分布十分相似。

上圖中左邊是對星系的形成造成的結構的模擬圖，從最初的比較密集到開始疏散，放大以後到網狀結構，再放大可能就是星系團，然後再到星系群。這是星系的一個行為。

因為星系是宇宙原初的密度擾動，局部的密度增加以後產生恆星和星系。城鎮也是一樣的，人口密度和數量超過一定的臨界值以後城市就產生了。雖然尺度的差別非常大，但星系的分布和城市的分布有非常高的相關性。

在數學的表述上，星系團和城市分布都可以用密率分布的兩點相關函數來進行描述。

天文學家王濤博士曾有一段非常精彩的論述：「人們向大中城市的聚居行為很大程度上可以用類似引力的特性描述，比如城市吸引力大小與城市規模成正比，與城市的距離成反比。所以我們可以通過類比星系來推斷決定人類的城市分布模式的最可能要素。」

2、基尼係數與人類社會、星系

基尼係數在社會學中是用來描述人類社會財富分配的平等程度。基尼係數越高說明財富差距越大、社會越不平等，社會越可能發生動蕩甚至發生變革。

基尼係數很早就被運用在星系的分析中了。天文學家發現星系的面亮度也可以用基尼係數來表示，然後通過基尼係數的大小可以區分年輕和年老的星系。基尼係數越小、越平均的那些星系相對更年輕，基尼係數越大、越不平均的星系相對更年老。

年輕和年老的星系它們的差大概在基尼係數0.5-0.6的範圍內，這就把兩類星系區分開來了。物質分布更平均，就更容易產生新的恆星，然後星系持續生長；反之，星系就失去生長恆星的能力，進入衰老的狀態，甚至死亡。

我們發現，人類社會也是在基尼係數0.5-0.6的範圍內發生了有趣的變動。如果把去年和今年發生騷亂的地區標紅了一下，有美國、智利等，它們的基尼係數都是在0.5以上的範圍內，與星系區分年輕、年老的指標很相似。

圖自國家天文臺公眾號

3、恆星形成密度與人口密度類比

另外一個有趣的對比是恆星形成的密度與人口的密度類比。當恆星形成的密度（叫做比恆星形成率）太高的時候，整個星系的星系的生長速度就會降下來。

我們發現這一點在人類社會中也有。隨著人口密度的增加、種族的密度過高，就會導致它的繁衍速度降低。中國沿海地區的人口密度很高，但是生育率是全國最低的。

種族密度過高導致繁衍速度降低同時存在於星系和人類社會中。

4、小結

以上都是一些有趣的類比，是人類認知社會的一個手段，但它本身並不是科學論證。合理的類比可以幫助我們舉一反三、抽絲剝繭，指明科學論證可能的方向。

希望大家能夠通過學習、通過對天體物理現象的思考，見微知著；當然天體物理中應該是見著知微、觸類旁通，對於「學習星系，和我們的日常生活有關係嗎？」這一問題找到和日常生活有關聯的、專屬於自己的答案。