星系的核心：当形状讲述宇宙的历史

星系和银河系 — 星系的形态：椭圆、螺旋、**透镜状**和**不规则**。
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科学摘要

该页面提供了星系的全景：它们的性质（恒星、气体、尘埃和通过旋转曲线揭示的主导暗物质）、根据哈勃序列分为四个家族——椭圆、螺旋、透镜状、不规则——以及合并和相互作用的过程塑造了它们的演化，通过具体案例（雪茄星系、天线星系、车轮星系）进行了阐述。专门有一节介绍类星体，这是星系核心活跃阶段，与超大质量黑洞的物质吸积相关，是年轻宇宙的特权见证者。文章最后将这些结构定位在大尺度上（星系团、超星系团、宇宙网），并提供了20个代表性星系的表格以及哈勃和JWST的参考文献和图像。

所有星系的共同点是什么？

所有星系的基本共同点在于它们都是由引力维系的系统，由恒星、气体、星际尘埃，尤其是暗物质组成，暗物质占据了它们质量的大部分。它们的形态多样性——螺旋、椭圆、透镜状或不规则——只是它们演化历史和相互作用的可见表现，但它们的凝聚力和动力学由同一种普遍力量支配：引力。许多星系的核心还存在一个超大质量黑洞，当其活动加强时，可以产生类星体，这是宇宙中最具能量的现象之一。

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什么是星系？

星系是一个由引力维系的系统，由恒星、星际物质（气体和尘埃）和暗物质组成，后者通常占据整个系统总质量的大部分，尽管它既不发射也不吸收光，只能通过其引力效应被检测到。

分为四大家族的分类

自从Edwin Hubble在1926年提出的分类以来，星系通常被区分为四大形态类型，有时被称为“哈勃序列”：

椭圆星系，形状为或多或少拉长的卵形，贫乏气体，主要由老年恒星组成
螺旋星系，其扁平盘具有富含气体和年轻恒星的螺旋臂，围绕一个中心核球组织；某些被称为棒旋星系的星系具有穿过核心的拉长棒状结构
透镜状星系，一种中间形式，具有像螺旋星系一样的盘，但没有可见的螺旋臂，恒星群体较为老化
不规则星系，没有定义的对称结构，通常是与其他星系引力相互作用或碰撞的结果

持续相互作用的结构

星系并非孤立的天体：在引力的作用下，它们相互之间会发生相互作用、相互变形，并最终可能合并，这一过程在星系形态随时间演化中起着重要作用。我们自己的星系——银河系——正处于与仙女座星系的碰撞轨道上，预计在几十亿年后发生合并。

大尺度的组织

在更大的尺度上，星系并非均匀分布在宇宙中：它们聚集成星系团，从几十个到几千个引力维系的星系，这些星系团本身又组织成超星系团。这些超星系团最终构成了一个由物质细丝分隔的巨大宇宙网，这是可观测宇宙中已知的最大结构。

特征星系表

20个代表性星系
通俗名称	指定	类型	星座	距离（光年）	近似直径
银河系	—	棒旋星系	(我们的星系)	—	≈ 10万光年
仙女座星系	M31 / NGC 224	螺旋星系	仙女座	≈ 250万	≈ 22万光年
三角座星系	M33 / NGC 598	螺旋星系	三角座	≈ 270万	≈ 6万光年
大麦哲伦云	LMC	不规则（矮星系）	剑鱼/山案	≈ 16万	≈ 1.4万光年
小麦哲伦云	SMC / NGC 292	不规则（矮星系）	杜鹃座	≈ 20万	≈ 7,000光年
涡状星系	M51 / NGC 5194	螺旋星系	猎犬座	≈ 2,300万	≈ 6万光年
草帽星系	M104 / NGC 4594	螺旋（侧视透镜状）	室女座	≈ 2,900万	≈ 5万光年
雪茄星系	M82 / NGC 3034	恒星爆发不规则星系	大熊座	≈ 1,200万	≈ 3.7万光年
波德星系	M81 / NGC 3031	螺旋星系	大熊座	≈ 1,200万	≈ 9万光年
风车星系	M101 / NGC 5457	螺旋星系	大熊座	≈ 2,100万	≈ 17万光年
黑眼星系	M64 / NGC 4826	螺旋星系	后发座	≈ 1,700万	≈ 5.4万光年
半人马座A	NGC 5128	特殊椭圆（射电星系）	半人马座	≈ 1,200万	≈ 6万光年
车轮星系	Cartwheel Galaxy / ESO 350-40	环状（碰撞结果）	玉夫座	≈ 5亿	≈ 15万光年
天线星系	NGC 4038 / NGC 4039	合并中的螺旋星系	乌鸦座	≈ 4,500万	≈ 10万光年（对）
梅西耶87	M87 / NGC 4486	巨椭圆星系	室女座	≈ 5,300万	≈ 24万光年
IC 1101	IC 1101	巨椭圆（cD星系）	巨蛇座	≈ 10.4亿	≈ 400万光年（已知最大之一）
小幽灵星系	NGC 6822	不规则（矮星系，本星系群）	人马座	≈ 160万	≈ 7,000光年
纺锤星系	NGC 891	侧视螺旋星系	仙女座	≈ 3,000万	≈ 10万光年
墨西哥帽子星系（棒旋）	NGC 1300	棒旋星系	波江座	≈ 6,100万	≈ 11万光年
蝌蚪星系	Tadpole Galaxy / UGC 10214	受扰动螺旋（带潮汐尾）	天龙座	≈ 4.2亿	≈ 28万光年（含潮汐尾）

螺旋星系

椭圆星系

透镜状星系

不规则星系

类星体的特殊情况：一个核心爆发的星系

类星体（类星射电源的缩写）并不是与上述研究的星系不同的天体，而是星系核心的一个特别明亮的阶段：当中心超大质量黑洞积极吸积物质时，星系的核心会比其数千亿颗恒星加起来还要明亮。

由超大质量黑洞驱动的中心引擎

向中心黑洞螺旋运动的物质（气体、尘埃，有时是恒星碎片）形成了一个因摩擦而被加热到极高温度的吸积盘，强烈地发射出可见光、紫外线和X射线。部分能量还可以被引导到垂直于吸积盘的相对论性喷流中，这是1960年代发现的首批类星体（如3C 273）的射电辐射的来源。

被核心光芒掩盖的寄主星系

类星体属于更广泛的活跃星系核（AGN）家族，是其中最明亮的形式。其亮度可以超过整个银河系的1000倍，几乎完全掩盖了寄主星系，长期以来直接观测寄主星系一直很困难；直到有了自适应光学和哈勃或JWST这样的望远镜，天文学家才能区分出这些寄主星系的螺旋或椭圆结构，这些星系通常带有最近合并的迹象。

年轻宇宙的特权见证者

最遥远的类星体被观测到的样子是大爆炸后不到10亿年，这表明数十亿太阳质量的超大质量黑洞已经在宇宙早期历史中形成，这对原始星系形成模型是一个强有力的约束。

类星体活动只是一个短暂的插曲，通常由两个星系的合并触发，突然将气体输送到中心：我们自己的银河系中心也有一个超大质量黑洞（人马座A*），目前处于静止状态，但过去可能经历过类似的活跃阶段。

参考文献

FAQ：关于星系的所有知识

螺旋、椭圆、透镜状和不规则星系的区别是什么？

螺旋星系（如银河系）具有一个带有螺旋臂的盘状结构，恒星在这里诞生，还有一个中心核球和晕。它们包含气体和尘埃，使持续的恒星形成成为可能。椭圆星系呈球形或椭球形，没有臂或盘，气体和尘埃很少；它们主要包含老年恒星，通常是星系合并的结果。透镜状星系是一种中间形式：它们像螺旋星系一样有盘，但没有可见的螺旋臂，恒星群体较为老化。不规则星系，如麦哲伦云，没有对称结构，通常展现出由于引力相互作用而形成的活跃恒星形成区域。

麦哲伦云是什么？为什么它们很重要？

大麦哲伦云和小麦哲伦云是银河系的两个不规则矮星系卫星。它们分别距离约16万和20万光年，并通过一个气体和恒星桥连接。它们的重要性在于距离近：它们使我们能够详细研究在类似早期宇宙的低金属丰度环境中的恒星形成。它们也是理解星系与其星系间介质相互作用的实验室，特别是通过麦哲伦流，这是一个延伸数十万光年的气体流。

当两个星系碰撞时会发生什么？

星系碰撞是持续数亿年的重大事件。虽然恒星通常不会碰撞（星际空间非常广阔），但潮汐力会使星系变形，形成桥和潮汐尾（如天线星系NGC 4038/4039）。气体云会碰撞，引发强烈的恒星爆发。从长远来看，合并可以将两个螺旋星系转变为一个椭圆星系，如果每个星系都有一个超大质量黑洞，那么两个黑洞将合并为一个更大的黑洞，如NGC 6240。

离银河系最近的星系是哪一个？为什么它很重要？

离银河系最近的星系是2003年发现的大犬座矮星系，距离太阳约25,000光年（目前正在被银河系“吞噬”）。然而，仙女座星系（M31）是最近的大星系，距离约250万光年。仙女座是一个与我们银河系相似的螺旋星系，但质量更大。它之所以重要，是因为它作为研究螺旋星系的结构和演化的实验室，并且它正处于与银河系的未来碰撞路径上：预计两个星系将在约45亿年后合并。

雪茄星系（M82）是什么？为什么它如此特别？

雪茄星系（M82）是一个距离约1,200万光年的不规则星系，以其异常高的恒星形成率（恒星爆发）而闻名。它与邻近的星系M81发生引力相互作用，这种相互作用压缩了其气体云，触发了数千颗大质量恒星的诞生。这些恒星非常炽热，发射出强烈的恒星风，并以高频率产生超新星。M82也是红外辐射和X射线的重要来源，使其成为研究极端恒星形成及其相关过程（如称为超级风的气体流出）的主要目标。

什么是暗物质？它在星系中的作用是什么？

暗物质是一种不发射、不吸收、不反射光的物质形式，因此它是不可见的。它仅通过对可见物质（恒星、气体）和光（通过引力透镜）的引力效应被检测到。在星系中，暗物质通常占总质量的大部分（约85%）。它形成一个球形晕，远远超出可见盘的范围，并通过增加引力质量来促进星系的凝聚。暗物质的存在是通过研究星系的旋转曲线等推断出来的：星系外围恒星的旋转速度过高，无法仅用可见质量来解释，这表明存在额外的质量（暗物质）。