宇宙的本質(第十八章星系)

在讨论过恒星演化之后，我们会讨论一些更大的天体─ 星系。星系是可见宇宙结构的基本单位，例如人类、太阳以至整个太阳系便皆处身于我们称为银河系的一个典型旋涡星系里面。

银河系
银河系包含了2000 亿颗恒星，大部分皆位于 银盘内 ，事实上，差不多所有我们肉眼可见的星皆处身银河系之内。银河系直径十万光年，厚度却只有一千光年，换言之，银河系是十分薄的，下图事实上夸张了银河系的厚度。

位于银河系中心的是一个半径约二万光年的 银核 ，整个银盘连同银核被一个比银盘更大的球状 银冕 所包围。银冕内主要为年老的星，它们有些在球状星团内，有些则在星际物质中游荡。

银河系另一个重要的特征便是它的旋臂，这些旋臂由中心延展至银盘边缘，包含了无数年青的恒星。有趣的是，根据力学定律，这些旋臂是不稳定的，由于外围恒星比近核心恒星走得慢，最终会使旋臂结构毁灭。

旋臂为甚么仍能存在呢？最广为天文学界所接受的说法是 密度波理论 。这个理论认为虽然恒星会以不同速度移动，但星际物质的密度会产生波动，在密度最高的波阵面会催生出新的恒星，这解释了为何通常在旋臂会找到新生恒星，而在其他地方只有古老恒星的原因。

太阳位于银河系的猎户臂，距离银心约为半径的三分之二。要了解银河系的旋臂结构一点也不容易，原因有二：

正所谓「不识庐山真面目，只缘身在此山中。」我们身处在银河系中，不能从远方把银河系结构看清楚；
散布在银河系中的大量 气体尘埃 ，阻碍了我们的视线。

为了把旋臂的结构勾勒出来，方法是找出旋臂中特别丰富的氢气分布情况。在旋臂中的氢气分子云，会发射出波长为21 厘米的无线电波，只要探测这些无线电波在天空中的强度分布，便可推算出旋臂的结构。另外﹐ 其他分子发出的无线电波也可帮助我们找寻旋臂的所在。

从地球遥望天际，银河仿佛是一条镶满繁星的云带。由于银河上的星星实在太密太多，古人以为银河是一条天河。银河系中心方向位于夏季星座人马座附近，所以夏天比冬天的银河更璀璨而美丽。要欣赏「银河落九天」的景象，便要在晴朗的日子，找一处远离城市灯光的地方观看。假若你有幸看见漂亮的银河，可别忘了找出尘埃线，这些暗黑区域是尘埃阻掩背后星光所造成的。

除了可以看得见的部分，我们相信银河系有不少天体是不发光的，统称为 暗黑物质 ，虽然它们肉眼不能见，但引力却暴露了它们的存在。天体的公转速度，取决于在它轨道内的物质的总质量，如果所有物质都是看得见的，那么绕着银河系旋转的轨道，理应如红线所示，但是天文学家却发觉它们比想像中走得更快，暗示银河系的质量比所见的大。我们相信暗黑物质不仅存在于银河系中，并且充斥整个宇宙，这些物质究竟是什么东西，可惜到目前仍然所知有限。

星系的分类
宇宙中约有1000 亿个星系，若我们把所有可见星系在天空的方向绘在图上，我们会得到以下结果：

图中中间的水平线标示出银河系平面，银河系的气体尘埃除了掩盖了背景星光，亦同时遮蔽了遥远的星系，撇除了这个因素，我们会发觉星系在天空的分布是颇为平均的。

其它星系是甚么模样的呢？星系有不同的大小和形状，可以分为三种类型：椭圆星系、旋涡星系和不规则星系。

椭圆星系 ：图中的是M87 星系，是一个典型的椭圆星系。它们通常包含较年老的恒星，有些矮椭圆星系只有约一千万颗星，和大球状星团相差不远。在不久之前，我们相信这是最普遍的星系，但现在我们认为不规则星系才是最普遍的星系。

鸣谢﹕ NASA.

旋涡星系 ：旋涡星系同时拥有年老和年青的恒星，它们通常比椭圆星系光。旋涡星系可细分为两种：普通的旋涡星系和棒旋星系。棒旋星系的核球呈长型，有点像一根棒，这是棒旋星系名称的由来。上图为M31 仙女座大星系，它是一个普通的旋涡星系，距离地球只有二百万光年，下图的是一个棒旋星系。

鸣谢﹕ STScI.

不规则星系 ：顾名思义，这种星系形状是不规则的，近南天极的大小麦哲伦云是银河系的伴星系，虽然它们肉眼可见，可惜位于北半球的香港看不见。

椭圆及旋涡星系皆可根据天文学家哈勃首创的方法再细分为次型，有如下图所示。要注意的是不要以为这图显示了星系的演化方式，事实上我们对星系如何演化仍不大了解。

星系的距离
二十年代之前，人类并不知道星系是非常遥远的天体，还以为它们只不过位于银河系之内。今天，我们主要用两种方法量度星系的距离，第一种是我们在第十三章已谈过的造父变星，而另一种便是依靠I 型超新星。还记得I 型超新星是足以令中心白矮星炸毁的新星爆发吗？科学家发现原来所有这种超新星爆发的光度都是差不多的，所以我们只要找到这种超新星，便可以由它的视亮度推算出它和地球的距离，从而得知它所处身星系的距离。

I 型超新星比造父变星光亮，所以能够量度更遥远星系的距离，唯一缺点是不经常有I 型超新星爆发。基本上这两种量度星系距离的方法有各自的优缺点，无论如何，它们都是天文学家不可或缺的 量天尺 。

星系碰撞
星系的平均距离是它们大小的20 - 40 倍( 相对于恒星距离和大小的比例是数千万) ，因此星系发生碰撞的机会十分大。

即使星系发生碰撞，它们之间的恒星会发生碰撞的机会差不多等于零，但相互的引力作用会改变了恒星的分布。大量恒星会随喷流抛出，而两个星系最终会结合为一，有些拥有多重星系核的星系，可能便是过去星系碰撞所造成的结果。星系碰撞也会催生新的恒星。

鸣谢﹕ STScI.

星系碰撞亦可能形成了 活动星系 ，这种不寻常的星系会由星系中心放射出大量的红外线、紫外线及X 射线，所以我们称它的核心为 活动星系核 。其实我们仍不大清楚活动星系的形成过程，亦不知道星核放射出大量辐射的机制。最流行的理论是星系中心有一个特大质量黑洞，当星系物质流进黑洞的时候，就会产生出大量的能量，而中心内的黑洞可能便是星系碰撞时形成的。

另一类有趣的天体便是 类星体 ，在可见光波段看来，它们非常细小及暗淡，有如普通恒星一样，但是在红外线及无线电波段，它们却很光亮。它们的频谱有极大的红移﹐ 显示它们离我们极之遥远( 请参阅第十九章 ) ﹐ 我们可以肯定它们所发出的能量非常惊人，甚至比附近的活动星系更厉害，它们可能是中心有特大质量黑洞的年青星系。

鸣谢﹕ NOAO/NSF.

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