26.2: 星系的类型
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学习目标
在本节结束时，您将能够：
- 描述椭圆星系、螺旋星系和不规则星系的特性和特征
- 解释什么可能导致星系的外观随着时间的推移而发生变化
在确定了其他星系的存在之后，哈勃和其他星系开始更仔细地观察它们，记录它们的形状、内容以及他们所能测量的尽可能多的其他特性。 在 20 世纪 20 年代，这是一项艰巨的任务，因为获得一张星系的单张照片或光谱可能需要一整夜的不懈观察。 如今，更大的望远镜和电子探测器使这项任务变得不那么困难，尽管观测最遥远的星系（那些向我们展示宇宙最早阶段的星系）仍然需要付出巨大的努力。
尝试理解一种新型物体的第一步通常是简单地描述它。 请记住，理解恒星光谱的第一步就是根据外观对它们进行排序（参见 Analysing Starlight）。 事实证明，最大和最亮的星系有两种基本形状之一：要么它们更平坦，有螺旋臂，比如我们自己的银河系，要么看起来像椭圆形（飞艇形或雪茄形）。 相比之下，许多较小的星系具有不规则的形状。
螺旋星系
我们自己的银河系和仙女座星系是典型的大型螺旋星系（参见第 26.1 节\(26.1.1\)中的图）。 它们由中央凸起、光环、圆盘和螺旋臂组成。 星际物质通常散布在螺旋星系的圆盘中。 明亮的发射星云和炎热的年轻恒星存在，尤其是在螺旋臂中，这表明新的恒星仍在形成。 磁盘通常满是灰尘，这在我们看来几乎处于边缘状态的系统中尤其明显（图\(\PageIndex{1}\)）。
在我们正面看到的星系中，明亮的恒星和发射星云使螺旋的手臂像七月四日的风车一样脱颖而出。 在更近的螺旋的怀抱中可以看到开放的星团，而球状星团通常在其光环中可见。 螺旋星系包含年轻恒星和老恒星的混合体，就像银河系一样。 所有螺旋都在旋转，它们的旋转方向如此之大，以至于手臂看起来像船尾一样在跟踪。
附近约有三分之二的螺旋星系有方形或花生形的恒星条穿过其中心（图\(\PageIndex{2}\)）。 天文学家称这些星系为封闭的螺旋形星系，表现出极大的独创性。
正如我们在银河系章节中指出的那样，我们的 Galaxy 也有一个适度的门槛（参见第 25.2 节\(25.2.1\)中的图）。 螺旋臂通常从杆的末端开始。 条形如此普遍这一事实表明它们的寿命很长；可能是大多数螺旋星系在演化过程中的某个时刻形成了条形。
在封闭和无限制的螺旋星系中，我们观察到一系列不同的形状。 在一个极端，中央凸起又大又明亮，手臂微弱且盘绕得很紧，明亮的发射星云和超级巨星不显眼。 哈勃开发了按形状对星系进行分类的系统，将这些星系命名为 Sa。 处于这种极端的星系可能没有清晰的螺旋臂结构，从而形成镜头般的外观（它们有时被称为透镜状星系）。 这些星系与椭圆星系共享的属性似乎与螺旋星系的属性一样多
在另一个极端，中央凸起很小，手臂松散地缠绕。 在这些 Sc 星系中，发光的恒星和发射星云非常突出。 我们的银河系和仙女座星系都介于两个极端之间。 图中显示了螺旋星系的照片，说明了不同的类型\(\PageIndex{3}\)，以及用于比较的椭圆星系。
螺旋星系的发光部分的直径似乎从大约20,000光年到超过100,000光年不等。 最近的研究发现，可能有大量的银河物质远远超出了星系的表观边缘。 这种物质似乎是稀薄的冷气体，在大多数观测中很难检测到。
根据现有的观测数据，螺旋星系可见部分的质量估计在10亿到1万亿个太阳（\(10^9\)到\(10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\)）之间。 大多数螺旋的总亮度在太阳亮度的1亿至1000亿倍之间（\(10^8\)到\(10^{11}\)\(L_{\text{Sun}}\)）。 随着螺旋的发展，我们的Galaxy和M31相对较大和庞大。 星系内部和周围还有大量暗物质，就像银河系中一样；我们从银河系外部恒星在其轨道上移动的速度推断出它的存在。
椭圆星系
椭圆星系几乎全部由旧恒星组成，其形状为球体或椭球体（有点压扁的球体）（图\(\PageIndex{4}\)）。 它们不含螺旋臂的痕迹。 它们的光线以较老的红色恒星（《银河系》中讨论的种群 II 恒星）为主。 在附近较大的椭圆形中，可以识别出许多球状星团。 尘埃和发射星云在椭圆星系中并不显眼，但许多星云确实含有少量的星际物质。
椭圆星系表现出不同程度的扁平化，从近似球形的系统到接近螺旋平度的系统。 稀有的巨型椭圆机（例如图中的 ESO 325-G004\(\PageIndex{4}\)）的亮度为\(10^{11}\)\(L_{\text{Sun}}\)。 巨型椭圆机中的质量可以大到\(10^{13}\)\(M_{\text{Sun}}\). 这些大型星系的直径超过数十万光年，比最大的螺旋大得多。 尽管单个恒星绕椭圆星系的中心运行，但轨道并不像螺旋状那样朝着相同的方向发展。 因此，椭圆机似乎没有系统地旋转，因此很难估计它们含有多少暗物质。
我们发现椭圆星系的范围从刚才描述的巨星一直到矮星系，后者可能是最常见的星系。 矮椭圆机（有时称为矮球体）在很长一段时间内都没有引起我们的注意，因为它们非常微弱且难以看见。 矮椭圆机的一个例子是图中所示的 Leo I Dwarf Spheroidal 星系\(\PageIndex{5}\)。 这种典型矮星的亮度与最亮的球状星团的亮度差不多。
介于巨型和矮椭圆星系之间的是诸如M32和M110之类的系统，它们是仙女座星系的两个同伴。 虽然它们通常被称为矮椭圆体，但这些星系比像 Leo I 这样的星系要大得多
不规则星系
哈勃将不具有与我们刚才描述的类别相关的规则形状的星系分类为不规则星系的包罗万象的垃圾箱，我们将继续使用他的术语。 通常，不规则星系的质量和亮度低于螺旋星系。 不规则星系通常显得混乱，许多星系正在经历相对激烈的恒星形成活动。 它们既包含年轻种群 I 星星，也包含老种群 II 星星。
两个最著名的不规则星系是大麦哲伦云和小麦哲伦云（图\(\PageIndex{6}\)），它们的距离略高于16万光年，是我们最近的银河系外邻居之一。 他们的名字反映了这样一个事实，即费迪南德·麦哲伦和他的船员在环球旅行时是第一批注意到他们的欧洲旅行者。 尽管在美国和欧洲看不到，但这两个系统在南半球很突出，在南半球，它们看起来像夜空中的细云。 由于它们的距离只有仙女座星系的十分之一左右，因此它们为天文学家提供了在另一个星系环境中研究星云、星团、变星和其他关键物体的绝佳机会。 例如，大麦哲伦云包含 30 Doradus 复合体（也称为狼蛛星云），这是所有星系中已知的最大、最明亮的超级巨星群之一。
小麦哲伦云的体积比大麦哲伦云小得多，而且比宽度长六倍。 这种狭窄的物质像箭一样直接指向我们的银河系。 小麦哲伦云很可能是通过与银河系的引力相互作用而扭曲成当前形状的。 银河系和小麦哲伦云之间的这种相互作用产生的大量碎片散落在天空中，被视为一系列以异常高速移动的气云，被称为麦哲伦流。 我们将看到，星系之间的这种相互作用将有助于解释整类小星系的不规则形状。
银河演化
受恒星H-R图（参见分析星光）成功的鼓舞，研究星系的天文学家希望找到某种可比的方案，在这种方案中，外观的差异可能与星系生命中的不同进化阶段有关。 例如，如果每个椭圆星系都演变成螺旋星系，就像每颗主序列恒星都演变成红色巨人一样，那不是很好吗？ 人们尝试了几个这样的简单想法，其中一些是哈勃本人尝试的，但没有一个经得起时间（和观察）的考验。
由于找不到将一种星系演变为另一种星系的简单方案，因此天文学家倾向于采取相反的观点。 有一段时间以来，大多数天文学家认为所有星系都是在宇宙历史的早期形成的，它们之间的差异与恒星的形成速度有关。 椭圆星系指所有星际物质都被迅速转化为恒星的星系。 螺旋是在银河系的整个生命周期中恒星形成缓慢发生的星系。 事实证明这个想法也太简单了。
今天，我们知道，自宇宙诞生以来的数十亿年中，至少有一些星系已经改变了类型。 正如我们将在后面的章节中看到的那样，星系之间的碰撞和合并可能会极大地将螺旋星系转变为椭圆星系。 即使是孤立的螺旋（看不到相邻星系）也会随着时间的推移改变其外观。 当它们消耗气体时，恒星的形成速度会减慢，螺旋臂将逐渐变得不那么显眼。 因此，在很长一段时间内，螺旋开始看起来更像图中间的星系\(\PageIndex{3}\)（天文学家称之为 S0 类型）。
在过去的几十年中，研究星系在宇宙生命周期中如何演变已成为最活跃的天文学研究领域之一。 我们将在《星系的演变与分布》中更详细地讨论星系的演变，但让我们首先更详细地了解不同的星系是什么样的。
摘要
大多数明亮的星系要么是螺旋星系，要么是椭圆星系。 螺旋星系既包含老恒星，也包含年轻恒星以及星际物质，其典型质量在\(10^9\)到之间\(10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\)。 我们自己的银河系是一个大螺旋。 椭圆体是球形或稍微细长的系统，几乎全部由旧恒星组成，星际物质很少。 椭圆星系的大小不等，从比任何螺旋都要大的巨星到质量只有大约的矮星不等\(10^6\)\(M_{\text{Sun}}\)。 矮椭圆可能是附近宇宙中最常见的星系类型。 形状更加混乱的星系中有一小部分被归类为不规则星系。 由于与其他星系的碰撞或恒星形成速度的变化，星系的外观可能会随着时间的推移而改变。
词汇表
- 椭圆星系
- 一个形状为椭圆且不含明显星际物质的星系
- 不规则星系
- 没有任何明确对称性或图案的星系；既不是螺旋星系也不是椭圆星系
- 螺旋星系
- 一个扁平、旋转的星系，有风车般的星际物质和年轻恒星的手臂，从中心凸起处蜿蜒而出