书城科普读物探究式科普丛书-宇宙中的岛屿:星系
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第3章 天外飞仙——星系(3)

平均而言,每个星系团内的成员数约为130个。有时又把成员数较多的星系团称为富星系团,但贫、富的划分标准也是相对的。尽管不同星系团内成员星系的数目相差悬殊,但星系团的线直径最多相差一个数量级,平均直径约为500万秒差距。

2.形态各异——星系团的分类

星系团按形态结构大致可分为规则星系团和不规则星系团两类。

规则星系团以后发座星系团为代表,大致具有球对称的外形,有点像恒星世界中的球状星团,所以又可以叫球状星系团。它主要由椭圆星系构成。

规则星系团往往有一个星系中心高度密集的中心区,团内常常包含有几千个成员星系,其中至少有1000个的绝对星等亮于-16等。

规则星系团内的成员星系全部或几乎全部都是椭圆星系或透镜型。近来发现这种星系团往往又是X射线源。

不规则星系团,又称疏散星系团。它们结构松散,没有一定的形状,也没有明显的中央星系集中区。它包括除椭圆星系外的各种星系,例如武仙星系团。星系群都是不规则星系团。不规则星系团里各种类型的星系都有,它们的数目比规则星系团更多。

大的不规则星系团的成员星系数多达2500个以上;小的只包含几十个甚至更少的成员星系,本星系群就属这一类。范围比较大的不规则星系团可以有几个凝聚中心,在团内形成一种次一级的成群结构。整个团就是这些较小群的松散集合体,又可称为星云或超星系。

不规则星系团总是各种类型星系的混合体,其中往往以暗星系占绝对优势,这也是与规则星系团的不同之处。另外,就目前所知,只有少数不规则星系团发射X射线。

3.哈勃定律——星系团的运动特征

星系团的运动特征可以从两个方面来认识,即从整个团的视向运动和团内各成员星系间的随机性相对运动。

星系团作为整体的视向速度同星系团的距离满足哈勃定律,即距离越远视向速度越大。例如较近的室女星系团离我们约19百万秒差距,视向速度为1180千米/秒;而长蛇Ⅱ星系团离地球约有1000百万秒差距,视向速度则高60000千米/秒。

一个星系团内不同成员星系间的相对运动情况可用速度弥散度来表示。一般说来,随着星系团的范围的扩大和成员数的增加,速度弥散度也就越来越大。小星系团的速度弥散度约为250千米/秒~500千米/秒;大星系团的速度弥散度高达2000千米/秒。

星系团的速度弥散度在天文学研究方面具有重要的意义。一方面根据速度弥散度,人们可以利用维里定理来估算团内每个星系的平均质量;另一方面,速度弥散度的研究,对星系团内部运动和探索星系团的稳定性问题密切相关。目前对这一问题有两种相反的看法:一种看法认为,整个星系团的能量是负的,因而星系是一种稳定的天体系统;另一种看法认为,星系团内成员星系的速度弥散度很大,整个系统的能量是正的,因此它们是不稳定的,整个团正处在膨胀、瓦解之中。

星系团中还聚集了大量的高温气体,也就是星系际介质。这些气体的质量相当于(甚至超过了)星系团中所有星系质量的总和。

它们发出的X射线是宇宙中主要的弥漫X射线源。

人类通过光学和X射线的观测了解到星系团的许多性质。研究结果发现:星系团的位力质量比团中的星系和星系际气体的质量总和还要大得多,多达5~10倍。这些质量来源的物质,天文学上称之为暗物质。它们除了引力效应之外,没有其他任何信息可以直接探测到。

星系团是星系、气体和大量的暗物质由于引力作用而聚集在一起的更加庞大的天体系统。至于它们神秘的起源与演化过程,以及它们又是如何集结在一起组成超星系团的,则是宇宙学研究中最基本的问题之一。

在天文学领域,星系团的形成至今还是个谜。不久前,一个由法国、荷兰、德国和美国科学家组成的研究小组宣布,发现了一个远在135亿光年的正在形成的星系团。这是迄今人类发现的最远的星系团。

第六节群居天体——星系群

星系一般不单独存在,有成团的倾向。星系在自成独立系统的同时,以一个成员星系的身份参加星系团的活动。超过100个星系的天体系统称作“星系团”,100个以下的称为“星系群”。

由于万有引力的影响,巨大的星系往往会聚集在一起,成群出现,构成星系群或星系团。而且,星系的这种“群居”习惯比恒星更甚。绝大部分星系(至少85%以上)都是出现在星系团中的。

当然,这样的“部落”大小不一,包含的星系个数相差极为悬殊。小的只有十几个或几十个,也称为星系群,如银河系所在的本星系群。多的可以有几千个,甚至上万个成员星系,如后发星系团。像这样的大“部落”一般都有一个或几个“首领”——巨椭圆星系,它位于团中央,四周聚集着它的“亲信”——椭圆星系或透镜星系,而旋涡星系和不规则星系则散布在更加外围的区域。通常,这些星系“部落”在空间分布上也会三五成群,形成“群落”,这就是所谓的超星系团了。

银河系便属于一个以它为中心的星系群,称本星系群。它包括仙女星系、麦哲伦星云和三角星系等约40个星系。星系团还可构成更高一级的成团结构-超星系团。本星系群即是以室女星系团为中心的包括50个左右星系团和星系群组成的本超星系团的一个成员。

第七节斗转星移——星系的演化

1.年复一年——星系的形成过程

星系的起源和演化是一个从认识到认知、再到形成理论的漫长过程,这与宇宙诞生早期的演化密切相关。一般看法认为:当宇宙从猛烈的爆发中产生时,大量的物质被抛射到空间中,形成宇宙中的“气体云”。这些气体云本身处在平衡之中,但是在某种作用下,平衡被打破了,物质聚集在一起,质量高达太阳质量的上千亿倍。

这些物质团后来在运动中分裂开,并最终形成无数颗恒星。与此同时,原始的星系也就随之形成了。据估计星系形成的时间大约在一百亿年前。

星系的演化,天文学上曾经一度把星系形态的序列当成演化的序列。人们曾经提出这样的星系演化序列:星系从椭圆形开始,再逐渐发展成透镜型、旋涡型、棒旋型,最后变成不规则型。

也有人认为是沿着相反的途径演化的。这种观点今天已经基本上被推翻。目前的看法认为这一过程与恒星形成的力学机理相关,但也仍然停留在假说的阶段。

2.宇宙往事——人们对星系形成的认识

随着人们对宇宙星系的深入研究和逐步认识,关于星系的演化过程,现在最流行的一种观点是“宇宙大爆炸理论”。这个理论已经成形,并被人们所接受。

按照宇宙大爆炸理论,第一代星系大概形成于大爆炸发生后十亿年。在宇宙诞生的最初瞬间,有一次原始能量的爆发。随着宇宙的膨胀和冷却,引力开始发挥作用,然后,幼年宇宙进入一个称为“暴涨”的短暂阶段。原始能量分布中的微小涨落随着宇宙的暴涨也从微观尺度急剧放大,从而形成了一些“沟”,星系团就是沿着这些“沟”形成的。

随着暴涨的转瞬即逝,宇宙又回复到通常的膨胀速率。在宇宙诞生后的第一秒钟,随着宇宙的持续膨胀冷却,在能量较为稠密的区域,大量质子、中子和电子从背景能量中凝聚出来。一百秒后,质子和中子开始结合成氦原子核。在不到两分钟的时间内,构成自然界的所有原子的成分就都产生出来了。大约再经过30万年,宇宙就已冷却到氢原子核和氦原子核足以俘获电子而形成原子了。这些原子在引力作用下缓慢地聚集成巨大的纤维状的云。不久,星系就在其中形成了。

大爆炸发生过后10亿年,氢云和氦云开始在引力作用下集结成团。随着云团的成长,初生的星系即原星系开始形成。那时的宇宙较小,各个原星系之间靠得比较近,因此相互作用很强。

于是,在较稀薄较大的云中凝聚出一些较小的云,而其余部分则被邻近的云所吞并。

同时,原星系由于氢和氦的不断落入而逐渐增大。

原星系的质量变得越大,它们吸引的气体也就越多。一个个云团各自的运动加上它们之间的相互作用,最终使得原星系开始缓慢自转。这些云团在引力的作用下进一步坍缩,一些自转较快的云团形成了盘状,其余的大致成为椭球形。

这些原始的星系在获得了足够的物质后,便在其中开始形成恒星。星系成群地聚集在一起,镶嵌在宇宙空间浩瀚的气体云中。这样的星系团和星系际气体伸展成纤维状的结构,长度可以达到数亿光年。

如此大尺度的星系的群集在广阔的空间呈现为球形。

关于宇宙星系数十亿年来的形成演变理论,近来出现了一个全新说法:星系事实上是由大量的低温气流相互碰撞融合而成的。这一观点与此前学界的主流观点大相径庭,仍有待于科学家进一步研究论证。

以往天文界公认的星系演化理论模式认为,星系的形成在一定程度上需借助更为古老的恒星团相互碰撞、混合、吞噬。冷暗物质能吸引足够的尘埃和气体,使自身结构依层级增长,而在连续和逐级增长的过程中,少量的物质先塌缩和合并在一起,再通过吞并附近的星系不断演变,融合成越来越巨大的结构,形成宇宙中的大型星系。根据该理论,这种融合演化的过程在初始时非常缓慢,但在体积增大之后,其速度会剧增。

到目前为止,星系的演化还是一个没有解决的问题。

3.开天辟地——宇宙大爆炸理论

宇宙大爆炸理论是认识星系的基本天体知识。

人类对于宇宙的认识是随着人类文明的进步和科学技术的发展而逐步加深的,并开始科学地探讨宇宙的起源。20世纪初期,科学家提出了“宇宙大爆炸理论”。

提出并完善这一理论的代表人物是伽莫夫和霍金。大爆炸理论的主要观点是:我们的宇宙有开端,是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的。很久很久以前,宇宙还是一个质量非常大但体积非常小的点。突然这个点爆炸了,中子、质子、电子产生了。这时的温度高达100亿度以上。随着这个点的迅速膨胀,其温度也逐渐降低,这些基本粒子就形成了各种元素。这些物质微粒相互吸引、融合,形成越来越大的团块。这些团块又逐渐演化成星系、恒星、行星,在个别的天体上还出现了生命现象,形成了宇宙。时空从这一刻开始,物质和能量也由此产生。

这就是目前有关宇宙历史最可能的一种解释。最初那次爆发就被称为“宇宙大爆炸”。这一关于宇宙起源的理论,形成了“宇宙大爆炸理论”。

宇宙大爆炸理论在它诞生前后得到了一系列天文观测事实的支持,是有实际依据的。星系红移、微波背景辐射、宇宙元素的丰度、宇宙的年龄等都是大爆炸理论的重要证据,尤其星系红移就是宇宙膨胀的反映,微波背景辐射就是宇宙大爆炸高温的直接遗迹。这些观测事实都使宇宙大爆炸理论越来越受到世人的关注。