星系

周泺

一个半球形的苍穹笼罩在近似平坦的大地上，天空中镶嵌着日月星辰，地面上铺陈着山川河流——“天圆地方”是中国古人对我们所处世界的描述。随着天文学的发展，人们又提出了浑天说，认为苍穹不是半球，而是一个圆球，地球在其中，就如鸡蛋黄在鸡蛋内部一样。16 世纪，西方的麦哲伦通过环球旅行证明了地球是圆的。再后来，哥白尼、伽利略等人将地心说修正为日心说……近代以来，自然科学取得了飞速进步，人类对宇宙的探知边界也一再拓宽。现在我们意识到，太阳只是银河系里的众多恒星之一，而银河系也只是众多星系中的一个。

星系就像宇宙中不计其数的岛屿，散落在浩瀚的宇宙中。星系是如何被发现的？它们到底是什么东西？今天就让我们来了解一下这些“岛屿”，同时感受一下宇宙的浩瀚吧！

星系是如何被发现的

早在上古时期，世界各地的人们就已经发现了天空中有一条夺目的“银带”。中国古人称之为银河。人们也发现了银河不是一条连续的光带，而是由许多恒星构成的。伽利略在1610 年用望远镜观测银河时证明了这一点。

1750 年，英国天文学家托马斯· 莱特推测银河是由许多被引力束缚起来的恒星组成的旋转的整体，类似于一个被放大的太阳系，而我们所看到的银河是银河系的侧面——这就是星系最早的概念。

发现天王星的著名天文学家威廉· 赫歇尔在1785 年曾尝试构建出一幅银河系结构图，他用他发现天王星的那台反射式望远镜观测了天空中可以看到的每颗恒星，估算出它们与太阳系的距离和位置关系，画出了一个不规则的形状。在他描述的银河系中，太阳系在银河系的中心地带。之所以威廉· 赫歇尔得到了这个在我们今天看来奇怪的结果，是因为他没有考虑到不透明星云对星光的影响，也没有意识到不同恒星的质量和亮度差别很大。换言之，我们无法用星光的亮度来推断恒星到地球的距离。

今天我们知道宇宙里有无数个和银河系相似的星系，每个星系都是由数量众多的恒星系、星际尘埃等组成的运行系统，这个认知也是逐步建立的。18 世纪晚期，随着天文观测的发展，很多天文学家和哲学家都相信银河系外肯定有其他星系。到了1917 年，美國天文学家希伯· 柯蒂斯发现了来自仙女星系的超新星爆发比来自银河系内部的超新星爆发要暗淡，他估计仙女星系距太阳系有大概50 万光年，这说明仙女星系在银河系之外。于是他使用“岛宇宙”假说解释观测到的现象，主张宇宙有多个星系，星系之间的空间主要是虚空，而旋涡形星云则是其他星系。1920 年，希伯· 柯蒂斯与哈罗· 沙普利展开了激烈的辩论，辩论银河系是否为宇宙唯一的星系。几年后，哈勃观测造父变星的数据证明了希伯· 柯蒂斯的“岛宇宙”假说是正确的。

就这样，人们发现自己生活在一座无比浩瀚的宇宙的孤岛上，孤岛以外还有其他岛屿，我们所处的银河系并不是宇宙的全部。

星系长什么样

随着天文学的不断进步，人们发现了更多星系，也观察到星系有各种各样的形状。1926 年，哈勃首先提出根据形态的不同，星系可以分为椭圆星系、透镜星系、旋涡星系、棒旋星系和不规则星系5 种类型。这是目前天文学界广泛采用的一种星系分类法。

星系为什么会高速旋转

银河系外是否存在星系的问题被解决了，但是很快又有人提出了新的问题。1933 年，美籍瑞士天文学家弗里茨· 兹威基在研究后发座星系团时，发现后发座星系团中有星系以极快的速度旋转着，这些星系却没有在离心作用的影响下分裂。理论上后发座星系团没有足够的引力来维持星系这么高的转速。难道是万有引力的理论出了问题？当然不是。经过研究之后，兹威基总结出星系中蕴含着一种未知的物质，它会产生万有引力，却不与光发生任何反应。后人对兹威基的发现进行了验证，也证明了有一种神秘的物质存在。由于这种神秘物质不与光发生任何作用，所以它被称为暗物质。直到今天，暗物质仍是天文学的前沿课题和未解之谜之一。

1976 年，美国天文学家薇拉· 鲁宾在研究旋涡星系时，又发现了暗物质存在的观测证据。她发现靠近星系核心的恒星围绕星系核心的公转速度与预期的高速度相符，但是远离星系核心的恒星的公转速度却不比靠近星系核心的速度低——这个结果与开普勒三定律完全不符！在星系中离中心远的“边疆地区”的物质根本不足以产生足够大的引力来束缚住那里的恒星，按照牛顿运动定律，那些恒星早该飞出星系了。因此鲁宾推测，在这些“边疆地区”一定有一些不与光相互作用的暗物质。如今，暗物质较多的这些“边疆地区”被称为暗物质晕。这些暗物质晕和组成它们的暗物质存在于各个星系和星系团中。暗物质甚至比我们能观测到的普通物质还要多得多，占宇宙质能的25%。

神秘的暗物质

虽然我们不知道暗物质这个宇宙“幽灵”究竟是什么，但是我们知道它不太可能是什么。暗物质比普通物质要更疏散（密度小），否则它会形成可探测的天体；它不是普通物质，不然我们就可以探测到它的电磁波了；它也不是反物质，不然它会与普通物质发生湮灭，发出可探测的伽马射线；它不是黑洞，否则一个星系中的所有物质都将被黑洞吞噬……

我们知道暗物质是维持星系和宇宙结构的“材料”，而且是占多数的主要物质。没有暗物质，可能就没有星系、恒星、行星，也没有人。

我们的星系——银河系，只是宇宙大海中上万亿座岛屿中的一座孤岛。随着越来越多的星系被发现，我们会越来越觉得自己在浩瀚宇宙中是多么渺小。