晴朗的夏夜，人們(men) 抬頭就可以看到一條雲(yun) 霧狀的巨大光帶橫跨夜空，這就是銀河。我們(men) 賴以生存的太陽，隻是銀河係上千億(yi) 顆恒星中的普通一員。而銀河係之外，還有數不清的星係，像島嶼一樣，點綴著浩瀚的宇宙（所以說“星辰大海”嘛）。今天我們(men) 來了解一下銀河係之外的星係（以下簡稱河外星係）。

仙女座大星係M31 | 圖源: NASA and Robert Gendler

河外星係是怎麽(me) 發現的？

早在十七世紀，天文學家就發現，浩瀚夜空中除了點狀的恒星之外，還有一些外形不太規則的雲(yun) 霧狀天體(ti) 。天文學家當時並不了解這些天體(ti) 的構成是什麽(me) ，所以將它們(men) 籠統稱為(wei) “星雲(yun) ”。十八世紀，德國的哲學家康德提出猜想，認為(wei) 這些星雲(yun) 是類似我們(men) 銀河係的龐大恒星係統，並指出仙女座星雲(yun) 就是這樣的一個(ge) 河外星係。然而，當時沒有任何靠譜的方法來測定這些星雲(yun) 的距離，觀測水平也不足以分辨出星雲(yun) 的組成物質究竟有沒有恒星，因此這個(ge) 猜想遲遲得不到證實。

星雲(yun) 的本質是什麽(me) ？這個(ge) 問題的爭(zheng) 論持續了一百多年。1920年，美國科學院舉(ju) 辦了一次專(zhuan) 題辯論會(hui) 。會(hui) 議上，著名天文學家柯蒂斯（Heber D. Curtis）和沙普利（Harlow Shapley）對星雲(yun) 的本質各抒己見，展開了激烈的辯論，最終也未能給出結論。

解決(jue) 這個(ge) 問題的關(guan) 鍵在於(yu) 星雲(yun) 距離的測量。如果星雲(yun) 的距離遠遠大於(yu) 銀河係的尺度，而且又可以分辨為(wei) 恒星，那麽(me) 就可以肯定星雲(yun) 是河外星係。

1923年，年輕的天文學家哈勃（Edwin Powell Hubble）將當時世界最大的2.54米口徑望遠鏡對準了仙女座星雲(yun) 。在觀測到的高分辨率圖像上，哈勃發現仙女座星雲(yun) 的邊緣可以分解為(wei) 一顆顆恒星。哈勃利用其中的一類特殊恒星（造父變星）的光變數據進行了詳細的計算，發現這些恒星離我們(men) 的距離超過100萬(wan) 光年，顯著大於(yu) 銀河係尺度（約30萬(wan) 光年），證實了仙女座星雲(yun) 不可能是銀河係內(nei) 的天體(ti) 。至此，河外星係的存在才被觀測證實，哈勃也因為(wei) 這個(ge) 偉(wei) 大發現而家喻戶曉。後來，哈勃陸續對其他星雲(yun) 進行了觀測。他發現，隻有部分星雲(yun) 距離我們(men) 足夠遠，是真正的河外星係。其它星雲(yun) 則仍是銀河係內(nei) 的天體(ti) ，如星團、氣體(ti) 雲(yun) 、超新星遺跡等。

哈勃在觀測深空 | 圖源: 網絡

河外星係距離地球多遠？

對於(yu) 離地球比較近的河外星係，比如仙女座星雲(yun) ，天文學家還可以通過其中的造父變星，利用造父變星周光關(guan) 係，得到它們(men) 到地球的距離。但是對於(yu) 太遙遠的星係，即使利用目前最高分辨率的望遠鏡，也無法分辨出其中的單顆恒星，經典的造父變星測距法也就無能為(wei) 力了。天文學家想要測量出這些星係的距離，必須另辟蹊徑。

哈勃（對，又是他！）在1929年發現，星係的退行速度，和星係與(yu) 我們(men) 的距離成正比。換句話說，離我們(men) 越遠的星係，會(hui) 以更大的速度遠離我們(men) 。如今，科學家知道星係退行是宇宙膨脹的結果。在實測中，星係的退行速度由星係的紅移來計算。如一個(ge) 天體(ti) 背離觀測者運動，則觀測者接收到此天體(ti) 發出的光，會(hui) 比它相對觀測者靜止時波長更長，這種觀測效應叫做紅移。紅移越大的天體(ti) ，它的退行速度也越大，距離地球也越遙遠。利用星係的紅移，結合宇宙學模型，可以計算星係到觀測者的距離。這是目前最廣泛使用的河外星係測距方式。

目前已知最遙遠的星係，是由哈勃空間望遠鏡發現的。該星係距離地球133億(yi) 光年，紅移值高達11.1，距離大爆炸發生約4億(yi) 年。在下一代空間望遠鏡詹姆斯·韋伯望遠鏡（JWST）升空之前，該星係有望長時間保持該項記錄。

觀測到的河外星係 | 圖源: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

銀河係有多少鄰居？

銀河係和它的鄰居們(men) （目前發現約有五十個(ge) ）組成了一個(ge) 星係群體(ti) ，稱為(wei) “本星係群”。本星係群的尺度覆蓋約1000萬(wan) 光年的區域，其中最大的星係是仙女座星係M31，排行老二的是銀河係。大麥哲倫(lun) 雲(yun) 和小麥哲倫(lun) 雲(yun) 也是本星係群中比較著名的兩(liang) 個(ge) 星係，但是比起上麵提到的兩(liang) 位大佬，它們(men) 的個(ge) 頭要小得多。這些小弟弟、小妹妹們(men) 的形態大多不太規則，離人們(men) 印象中經典的盤狀或旋渦狀星係相去甚遠。

本星係群成員的三維分布 | 圖源: Andrew Z. Colvin

紫金山天文台-中國科學技術大學2.5米大視場光學巡天望遠鏡概念圖 | 圖源: 紫金山天文台

本星係群為(wei) 研究星係的物理性質，以及它們(men) 的“鄰裏關(guan) 係”提供了一個(ge) 極佳的實驗室。因此，對本星係群做更加細致的觀測，搜尋更暗弱的成員星係，顯得尤為(wei) 重要。紫金山天文台和中國科學技術大學共建的2.5米口徑光學巡天望遠鏡（WFST），擁有7平方度的大視場和超強的巡天能力，三天就能夠對北天區觀測一遍，觀測深度比已有的光學巡天深兩(liang) 倍，是搜尋本星係群暗弱成員的利器。這架放在青海的望遠鏡目前正在建設當中，預計於(yu) 2022年完工，2023年開始觀測。它的加入必會(hui) 使我國在本星係群和近鄰宇宙結構研究領域邁上一個(ge) 新台階。

星係在宇宙中是如何分布的？

現代宇宙學認為(wei) ，宇宙由大約5%的普通物質，27%的暗物質和68%的暗能量構成。暗物質和暗能量是什麽(me) ，暫且按下不表。剩下那5%的普通物質，則主要分布在星係，以及它們(men) 周邊的稀薄星際介質當中。假設普通物質和暗物質成協（即有一團普通物質的地方，也會(hui) 有一團暗物質），那麽(me) ，隻要知道宇宙中星係的分布，就能夠推斷出宇宙物質分布的大抵情況。這是宇宙學家研究宇宙大尺度結構時常用的方法。

當然，想要用這種方法得到靠譜的宇宙大尺度結構，需要有足夠大的星係樣本。斯隆數字巡天（Sloan Digital Sky Survey）是近鄰宇宙最大的一個(ge) 星係紅移巡天項目。該項目獲得了80多萬(wan) 個(ge) 星係的在宇宙中的三維空間分布信息。利用斯隆巡天的星係樣本，天文學家發現宇宙中的物質並不是均勻分布的，而是構成一個(ge) 複雜的網狀結構，稱為(wei) “宇宙網”（cosmic web）。在這個(ge) 巨大的宇宙網絡中，每一個(ge) 節點就是一個(ge) 星係。天文學家相信，早期宇宙的氣體(ti) 就是在這樣的巨大網絡中運動和傳(chuan) 輸，並最終聚集塌縮，形成星係。

星係在宇宙中的空間分布。圓球中心代表地球（觀測者）的位置，亮點代表星係。 | 圖源: SDSS

斯隆數字巡天觀測到的近鄰星係形態 | 圖源: SDSS

根據在哈勃超級深場（HUDF）中找到的星係推算，目前人類可觀測的星係有大約‪1000-2000‬億(yi) 個(ge) 。考慮到遙遠宇宙中有許多更為(wei) 暗弱的星係未被觀測到，宇宙中星係的總數目可能會(hui) 有上萬(wan) 億(yi) 個(ge) ，而銀河係隻不過是茫茫宇宙中的滄海一粟。

作者簡介

潘治政，中國科學院紫金山天文台副研究員，研究方向：星係形成與(yu) 演化。

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