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星系——宇宙中的岛屿

晴朗的夏夜,人们抬头就可以看到一条云雾状的巨大光带横跨夜空,这就是银河。我们赖以生存的太阳,只是银河系上千亿颗恒星中的普通一员。而银河系之外,还有数不清的星系,像岛屿一样,点缀着浩瀚的宇宙(所以说“星辰大海”嘛)。今天我们来了解一下银河系之外的星系(以下简称河外星系)。

仙女座大星系M31 图源 | NASA and Robert Gendler


河外星系是怎么发现的?

早在十七世纪,天文学家就发现,浩瀚夜空中除了点状的恒星之外,还有一些外形不太规则的云雾状天体。天文学家当时并不了解这些天体的构成是什么,所以将它们笼统称为“星云”。十八世纪,德国的哲学家康德提出猜想,认为这些星云是类似我们银河系的庞大恒星系统,并指出仙女座星云就是这样的一个河外星系。然而,当时没有任何靠谱的方法来测定这些星云的距离,观测水平也不足以分辨出星云的组成物质究竟有没有恒星,因此这个猜想迟迟得不到证实。

星云的本质是什么?这个问题的争论持续了一百多年。1920年,美国科学院举办了一次专题辩论会。会议上,著名天文学家柯蒂斯(Heber D. Curtis)和沙普利(Harlow Shapley)对星云的本质各抒己见,展开了激烈的辩论,最终也未能给出结论。

解决这个问题的关键在于星云距离的测量。如果星云的距离远远大于银河系的尺度,而且又可以分辨为恒星,那么就可以肯定星云是河外星系。

1923年,年轻的天文学家哈勃(Edwin Powell Hubble)将当时世界最大的2.54米口径望远镜对准了仙女座星云。在观测到的高分辨率图像上,哈勃发现仙女座星云的边缘可以分解为一颗颗恒星。哈勃利用其中的一类特殊恒星(造父变星)的光变数据进行了详细的计算,发现这些恒星离我们的距离超过100万光年,显著大于银河系尺度(约30万光年),证实了仙女座星云不可能是银河系内的天体。至此,河外星系的存在才被观测证实,哈勃也因为这个伟大发现而家喻户晓。后来,哈勃陆续对其他星云进行了观测。他发现,只有部分星云距离我们足够远,是真正的河外星系。其它星云则仍是银河系内的天体,如星团、气体云、超新星遗迹等。

哈勃在观测深空 图源 | 网络


河外星系距离地球多远?

对于离地球比较近的河外星系,比如仙女座星云,天文学家还可以通过其中的造父变星,利用造父变星周光关系,得到它们到地球的距离。但是对于太遥远的星系,即使利用目前最高分辨率的望远镜,也无法分辨出其中的单颗恒星,经典的造父变星测距法也就无能为力了。天文学家想要测量出这些星系的距离,必须另辟蹊径。

哈勃(对,又是他!)在1929年发现,星系的退行速度,和星系与我们的距离成正比。换句话说,离我们越远的星系,会以更大的速度远离我们。如今,科学家知道星系退行是宇宙膨胀的结果。在实测中,星系的退行速度由星系的红移来计算。如一个天体背离观测者运动,则观测者接收到此天体发出的光,会比它相对观测者静止时波长更长,这种观测效应叫做红移。红移越大的天体,它的退行速度也越大,距离地球也越遥远。利用星系的红移,结合宇宙学模型,可以计算星系到观测者的距离。这是目前最广泛使用的河外星系测距方式。

目前已知最遥远的星系,是由哈勃空间望远镜发现的。该星系距离地球133亿光年,红移值高达11.1,距离大爆炸发生约4亿年。在下一代空间望远镜詹姆·伯望远镜(JWST)升空之前,该星系有望长时间保持该项记录。

观测到的河外星系 图源 | NASA, ESA, and A. Feild (STScI)


银河系有多少邻居?

银河系和它的邻居们(目前发现约有五十个)组成了一个星系群体,称为“本星系群”。本星系群的尺度覆盖约1000万光年的区域,其中最大的星系是仙女座星系M31,排行老二的是银河系。大麦哲伦云和小麦哲伦云也是本星系群中比较著名的两个星系,但是比起上面提到的两位大佬,它们的个头要小得多。这些小弟弟、小妹妹们的形态大多不太规则,离人们印象中经典的盘状或旋涡状星系相去甚远。

 

左:本星系群成员的三维分布 图源 | Andrew Z. Colvin

右:紫金山天文台-中国科学技术大学2.5米大视场光学巡天望远镜概念图 图源 | 紫金山天文台

本星系群为研究星系的物理性质,以及它们的“邻里关系”提供了一个极佳的实验室。因此,对本星系群做更加细致的观测,搜寻更暗弱的成员星系,显得尤为重要。紫金山天文台和中国科学技术大学共建的2.5米口径光学巡天望远镜(WFST),拥有7平方度的大视场和超强的巡天能力,三天就能够对北天区观测一遍,观测深度比已有的光学巡天深两倍,是搜寻本星系群暗弱成员的利器。这架放在青海的望远镜目前正在建设当中,预计于2022年完工,2023年开始观测。它的加入必会使我国在本星系群和近邻宇宙结构研究领域迈上一个新台阶。


星系在宇宙中是如何分布的?

现代宇宙学认为,宇宙由大约5%的普通物质,27%的暗物质和68%的暗能量构成。暗物质和暗能量是什么,暂且按下不表。剩下那5%的普通物质,则主要分布在星系,以及它们周边的稀薄星际介质当中。假设普通物质和暗物质成协(即有一团普通物质的地方,也会有一团暗物质),那么,只要知道宇宙中星系的分布,就能够推断出宇宙物质分布的大抵情况。这是宇宙学家研究宇宙大尺度结构时常用的方法。

当然,想要用这种方法得到靠谱的宇宙大尺度结构,需要有足够大的星系样本。斯隆数字巡天(Sloan Digital Sky Survey)是近邻宇宙最大的一个星系红移巡天项目。该项目获得了80多万个星系的在宇宙中的三维空间分布信息。利用斯隆巡天的星系样本,天文学家发现宇宙中的物质并不是均匀分布的,而是构成一个复杂的网状结构,称为“宇宙网”(cosmic web)。在这个巨大的宇宙网络中,每一个节点就是一个星系。天文学家相信,早期宇宙的气体就是在这样的巨大网络中运动和传输,并最终聚集塌缩,形成星系。

 

左:星系在宇宙中的空间分布。圆球中心代表地球(观测者)的位置,亮点代表星系 右:斯隆数字巡天观测到的近邻星系形态 图源 | SDSS

根据在哈勃超级深场(HUDF)中找到的星系推算,目前人类可观测的星系有大约‪1000-2000‬亿个。考虑到遥远宇宙中有许多更为暗弱的星系未被观测到,宇宙中星系的总数目可能会有上万亿个。



作者简介

潘治政,中国科学院紫金山天文台副研究员,研究方向:星系形成与演化。



撰稿:潘治政

轮值主编:苏杨

编辑:王科超、高

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