星系——宇宙中的島嶼

晴朗的夏夜，人們抬頭就可以看到一條云霧狀的巨大光帶橫跨夜空，這就是銀河。我們賴以生存的太陽，只是銀河系上千億顆恒星中的普通一員。而銀河系之外，還有數(shù)不清的星系，像島嶼一樣，點綴著浩瀚的宇宙（所以說“星辰大海”嘛）。今天我們來了解一下銀河系之外的星系（以下簡稱河外星系）。

仙女座大星系M31 | 圖源: NASA and Robert Gendler

河外星系是怎么發(fā)現(xiàn)的？

早在十七世紀，天文學家就發(fā)現(xiàn)，浩瀚夜空中除了點狀的恒星之外，還有一些外形不太規(guī)則的云霧狀天體。天文學家當時并不了解這些天體的構(gòu)成是什么，所以將它們籠統(tǒng)稱為“星云”。十八世紀，德國的哲學家康德提出猜想，認為這些星云是類似我們銀河系的龐大恒星系統(tǒng)，并指出仙女座星云就是這樣的一個河外星系。然而，當時沒有任何靠譜的方法來測定這些星云的距離，觀測水平也不足以分辨出星云的組成物質(zhì)究竟有沒有恒星，因此這個猜想遲遲得不到證實。

星云的本質(zhì)是什么？這個問題的爭論持續(xù)了一百多年。1920年，美國科學院舉辦了一次專題辯論會。會議上，著名天文學家柯蒂斯（Heber D. Curtis）和沙普利（Harlow Shapley）對星云的本質(zhì)各抒己見，展開了激烈的辯論，最終也未能給出結(jié)論。

解決這個問題的關(guān)鍵在于星云距離的測量。如果星云的距離遠遠大于銀河系的尺度，而且又可以分辨為恒星，那么就可以肯定星云是河外星系。

1923年，年輕的天文學家哈勃（Edwin Powell Hubble）將當時世界最大的2.54米口徑望遠鏡對準了仙女座星云。在觀測到的高分辨率圖像上，哈勃發(fā)現(xiàn)仙女座星云的邊緣可以分解為一顆顆恒星。哈勃利用其中的一類特殊恒星（造父變星）的光變數(shù)據(jù)進行了詳細的計算，發(fā)現(xiàn)這些恒星離我們的距離超過100萬光年，顯著大于銀河系尺度（約30萬光年），證實了仙女座星云不可能是銀河系內(nèi)的天體。至此，河外星系的存在才被觀測證實，哈勃也因為這個偉大發(fā)現(xiàn)而家喻戶曉。后來，哈勃陸續(xù)對其他星云進行了觀測。他發(fā)現(xiàn)，只有部分星云距離我們足夠遠，是真正的河外星系。其它星云則仍是銀河系內(nèi)的天體，如星團、氣體云、超新星遺跡等。

哈勃在觀測深空 | 圖源: 網(wǎng)絡(luò)

河外星系距離地球多遠？

對于離地球比較近的河外星系，比如仙女座星云，天文學家還可以通過其中的造父變星，利用造父變星周光關(guān)系，得到它們到地球的距離。但是對于太遙遠的星系，即使利用目前最高分辨率的望遠鏡，也無法分辨出其中的單顆恒星，經(jīng)典的造父變星測距法也就無能為力了。天文學家想要測量出這些星系的距離，必須另辟蹊徑。

哈勃（對，又是他?。┰?929年發(fā)現(xiàn)，星系的退行速度，和星系與我們的距離成正比。換句話說，離我們越遠的星系，會以更大的速度遠離我們。如今，科學家知道星系退行是宇宙膨脹的結(jié)果。在實測中，星系的退行速度由星系的紅移來計算。如一個天體背離觀測者運動，則觀測者接收到此天體發(fā)出的光，會比它相對觀測者靜止時波長更長，這種觀測效應(yīng)叫做紅移。紅移越大的天體，它的退行速度也越大，距離地球也越遙遠。利用星系的紅移，結(jié)合宇宙學模型，可以計算星系到觀測者的距離。這是目前最廣泛使用的河外星系測距方式。

目前已知最遙遠的星系，是由哈勃空間望遠鏡發(fā)現(xiàn)的。該星系距離地球133億光年，紅移值高達11.1，距離大爆炸發(fā)生約4億年。在下一代空間望遠鏡詹姆斯·韋伯望遠鏡（JWST）升空之前，該星系有望長時間保持該項記錄。

觀測到的河外星系 | 圖源: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

銀河系有多少鄰居？

銀河系和它的鄰居們（目前發(fā)現(xiàn)約有五十個）組成了一個星系群體，稱為“本星系群”。本星系群的尺度覆蓋約1000萬光年的區(qū)域，其中最大的星系是仙女座星系M31，排行老二的是銀河系。大麥哲倫云和小麥哲倫云也是本星系群中比較著名的兩個星系，但是比起上面提到的兩位大佬，它們的個頭要小得多。這些小弟弟、小妹妹們的形態(tài)大多不太規(guī)則，離人們印象中經(jīng)典的盤狀或旋渦狀星系相去甚遠。

本星系群成員的三維分布 | 圖源: Andrew Z. Colvin

紫金山天文臺-中國科學技術(shù)大學2.5米大視場光學巡天望遠鏡概念圖 | 圖源: 紫金山天文臺

本星系群為研究星系的物理性質(zhì)，以及它們的“鄰里關(guān)系”提供了一個極佳的實驗室。因此，對本星系群做更加細致的觀測，搜尋更暗弱的成員星系，顯得尤為重要。紫金山天文臺和中國科學技術(shù)大學共建的2.5米口徑光學巡天望遠鏡（WFST），擁有7平方度的大視場和超強的巡天能力，三天就能夠?qū)Ρ碧靺^(qū)觀測一遍，觀測深度比已有的光學巡天深兩倍，是搜尋本星系群暗弱成員的利器。這架放在青海的望遠鏡目前正在建設(shè)當中，預計于2022年完工，2023年開始觀測。它的加入必會使我國在本星系群和近鄰宇宙結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域邁上一個新臺階。

星系在宇宙中是如何分布的？

現(xiàn)代宇宙學認為，宇宙由大約5%的普通物質(zhì)，27%的暗物質(zhì)和68%的暗能量構(gòu)成。暗物質(zhì)和暗能量是什么，暫且按下不表。剩下那5%的普通物質(zhì)，則主要分布在星系，以及它們周邊的稀薄星際介質(zhì)當中。假設(shè)普通物質(zhì)和暗物質(zhì)成協(xié)（即有一團普通物質(zhì)的地方，也會有一團暗物質(zhì)），那么，只要知道宇宙中星系的分布，就能夠推斷出宇宙物質(zhì)分布的大抵情況。這是宇宙學家研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)時常用的方法。

當然，想要用這種方法得到靠譜的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，需要有足夠大的星系樣本。斯隆數(shù)字巡天（Sloan Digital Sky Survey）是近鄰宇宙最大的一個星系紅移巡天項目。該項目獲得了80多萬個星系的在宇宙中的三維空間分布信息。利用斯隆巡天的星系樣本，天文學家發(fā)現(xiàn)宇宙中的物質(zhì)并不是均勻分布的，而是構(gòu)成一個復雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，稱為“宇宙網(wǎng)”（cosmic web）。在這個巨大的宇宙網(wǎng)絡(luò)中，每一個節(jié)點就是一個星系。天文學家相信，早期宇宙的氣體就是在這樣的巨大網(wǎng)絡(luò)中運動和傳輸，并最終聚集塌縮，形成星系。

星系在宇宙中的空間分布。圓球中心代表地球（觀測者）的位置，亮點代表星系。 | 圖源: SDSS

斯隆數(shù)字巡天觀測到的近鄰星系形態(tài) | 圖源: SDSS

根據(jù)在哈勃超級深場（HUDF）中找到的星系推算，目前人類可觀測的星系有大約?1000-2000?億個?？紤]到遙遠宇宙中有許多更為暗弱的星系未被觀測到，宇宙中星系的總數(shù)目可能會有上萬億個，而銀河系只不過是茫茫宇宙中的滄海一粟。

作者簡介

潘治政，中國科學院紫金山天文臺副研究員，研究方向：星系形成與演化。

主編：毛瑞青

輪值主編：蘇楊

編輯：王科超、高娜