初识宇宙世界（二）天体系统及其演化
天体系统体系
l星系团、星系群、星系
字宙中的天体数目众多，但它们并非均匀地分布于宇宙空间，而是具有结群现象。一定数量的天体结合在一起，构成了天体体系，各种等级的天体体系，构成了一个多等级的天体系统体系。最高级别的天体体系称为星系团，一个星系团包括几百个甚至几千个星系。在星系团所在的空间区域，星系特别密集。目前已经发现的星系团约有2700个，其中最著名的是室女座星系团，距离我们约6000万光年，它也是距我们最近的星系团，具有850万光年的直径，包含有2500个星系。次一级的天体体系称为星系群，它是由一些相互邻近的星系结合而成的天体体系。我们所处的星系群称为本星系群，由50多个星系所组成。再次一级的天体体系称为星系，是由大量恒星系统组成的天体系统。在目前的观测技术所能观察的宇宙范围内，有星系约10亿个，其中我们所在的星系是银河系，其余的统称为河外星系。从外表上看，河外星系都表现为天空中的模糊光点，因而有时也称为河外星云。河外星系中重要的有大麦哲伦云和小麦哲伦云，它们是除了太阳、月球和银河外天空中最显著的观察目标，与我们的距离分别是17万光年和20万光年，是银河系最近的近邻。但是，由于它们位于南极附近的上空，北纬20度以北地区的人们是无法看到的。1519至1522年，葡萄牙航海家麦哲伦（FernaodeMagalhaes）受西班牙国王之命，率船队进行历史上第一次环球航行时发现了这两个星系，因而以他的名字命名。本星系中距离我们最近的星系是仙女座大星云，它是一个肉眼就可看见的星系，距离我们220万光年。
l恒星、星座
恒星是由致密的物质聚集而成的天体。由于它们距地球都极其遥远，在我们看来它们的相对位置似乎保持不变，故而称其为“恒星”。宇宙中恒星的数量繁多，肉眼能见的就约有6000颗，占黑夜所见天体的绝大多数。银河系内有恒星1000亿～2000亿颗，太阳就是其中之一。
在天空中，恒星看起来都是光点，仅在亮度和星光颜色方面有所差别，因此人们很难辨别它们。但是它们在天空中的相对位置几乎不变，相邻恒星构成的图形几乎固定，所以，人们就把相邻几个恒星所构成的图形称为星座，并据此来辨别它们。在人们可以观测得到的范围内，整个空间共有88个座星，每一个星座都有自己独特的形状。例如，大熊座像个勺子，仙后座像个字母W，仙女座像个“一”字，天鹅座像个“十”字，猎户座像个正方形。在恒星的周围，都有数颗围绕它运动的行星，它们构成了恒星系统，如太阳与其八大行星共同构成了太阳系。行星一般都还有自己的卫星，如地球的卫星月球。此外，宇宙中还有数种小天体。虽然它们的质量很小，但数量巨大，如太阳系中约有70万颗小行星、数十亿颗彗星、数万亿计的流星颗粒等。
星系的形成
20世纪初，哈勃根据星系的形状提出了一个星系分类系统。他把星系分为三类（见图1）：
1.椭圆星系（E）。这是构成星系的一个主要类型，占所观测到的星系的25％。其恒星分布的空间范围呈椭圆形，轮廓边沿光滑，没有旋臂。按它平虚的程度，用0～7来标记。
2.旋涡星系（S）。旋涡星系都有一个轮廓明确的核心和巨大的球状晕圈，核心呈圆盘状，并分出数条旋臂，由许多明亮而年轻的恒星组成。按照星系的凸起和旋臂缠绕的紧密程度，再进一步细分。巨大而明亮的星系的70％以上是旋涡星系，银河系即是一个典型的旋涡星系。旋涡星系中的30％是棒状星系。棒状星系是旋涡星系的一种特殊类型，它们的臂不是朝向中心缠绕，而是接在中心棒的端点。在其他方面，棒状星系类似于旋涡星系。
3.透镜状星系。这是上述两类星系之间的一种中间类型。此类星系与旋涡星系类似，只是没有星际尘埃和旋臂。
此外，还有一类不规则星系。
在各类星系中，有这样一个规律，即椭圆星系不如旋涡星系和棒状星系明亮，这说明椭圆星系比旋涡星系和棒状星系的年龄大。这就意味着，在椭圆星系中，极为明亮的年轻的恒星已经完成了它们的演化过程，并结束了它们作为能源的生涯，只剩下那些质量较小、光度较弱的恒星。椭圆星系几乎不含有气体和尘埃，这也表明新恒星的形成早已停止。哈勃当初曾认为，不同的类型可能代表星系不同的演化阶段。某些天文学家认为，所有星系初始都是椭圆形的，然后逐渐演化为更加开放的旋涡形。也有天文学家提出相反的星系演化方案，认为开放的旋涡星系是年轻的星系，后来它们的旋臂围绕着星系的核心越转越紧，最终演化为椭圆星系。可是，观测发现，无论是旋涡星系，还是椭圆星系，其中都有非常年老的恒星。所以，星系的形状与其年龄的大小并无关系，每一星系的形态在其诞生时就基本固定下来了。在以后的演化过程中，它们仍然保持着原来的椭圆形或旋涡形。可以认为，星系在开始时是一团巨大弥漫的气体云。它们在自身引力的影响下，逐渐地凝聚起来，形成“原星系”。当原星系的物质变得足够致密时，它开始分裂成质量大约相当于10万个太阳质量的云团。在这些云团中，恒星开始形成。在后来的演化过程中，由于演化过程的差异，逐渐形成了不同类型的星系。在椭圆星系中，恒星的形成进行得相当快。当原始的气体云仍在继续坍缩时，实际上它所有的物质都已经破碎成更小的云团，它们凝聚成一个个独立的恒星。这个过程在开始时产生一个由大量的球状星团构成的一个星系。由于这些星团彼此相距很近，因而在引力的作用下，这些星团将很快地失去它们各自的特性。由于所有的尘埃和气体在恒星形成的最初阶段即已用完，因此，自此之后在这样的一个星系中既不会存在年轻的恒星，也不会有新的恒星产生。所以，整个星系都是由年老的恒星构成的。如果原星系旋转速度较小，它的形状变扁的程度将很小，甚至不会变扁，从而演化成球形的EO星系；如果原星系旋转较快，其形状则在恒星的形成和演化之后就明显地变得较为扁平，继而发展成为扁球形的E6或E7星系。在旋涡星系中，恒星的形成进行得较为缓慢，星系的坍缩较快，原始星系云中有相当多的一部分物质在有机会凝聚成恒星之前，就已经坍缩到星系的赤道平面，这些物质形成了星系圆盘和旋臂里的年轻的恒星。在晕中没有气体或尘埃保存下来，所有这些物质或者用于形成球状星团，或者沉于星系圆盘，因而在这一区域中不存在年轻的恒星。
总之，几乎所有的星系在形状上基本上都是球体。椭圆星系与旋涡星系之间的根本差别，在于后者有一个由气体、尘埃和年轻恒星组成的扁平的圆盘。这一区别形成的原因，在于这两类星系凝聚和恒星形成的相对速度不同。
星系的坍缩
旋转的气体云在它坍缩的时候将趋向扁平，这是角动量守恒所引起的。假如有一团巨大弥漫的气体云，正围绕着它的竖轴缓慢地旋转。在这团星系云的赤道平面上靠近周边的某一区域的气体将受到它本身和整个云团之间引力吸引的作用，这个作用力的方向指向星系云的中心。在这个作用力的作用下，这个区域的气体将向内运动，离中心越来越近。由于没有外力作用，所以在整个坍缩过程中，该云团的角动量保持不变，这意味着随着云团体积变得越来越小，旋转必定越来越快。云团旋转速度的逐渐变快，使得云团物质飞离到宇宙空间的趋势越来越大。要保持云团的完整，就需要越来越大的向心力。这个力是靠引力提供的。
由于万有引力与距离的平方成反比，当云团收缩时，引力就迅速地增加。然而，为了保持在圆周轨道上的云团的物质，所需要的向心力甚至增加得更迅速，它与该物质到云团中心的距离的立方成反比。所以，该区域的物质向内降落时，它最终将达到这样一个位置：在这点上它所受到的引力正好能把它保持在正圆形的转道上。但它不可能离中心更近，因为这需要比引力所能提供的更大的向心力，而这是不可能的。这就表明，原星系云的自转将限制它在赤道平面方向坍缩。在云团中高于和低于赤道平面的那些部分的物质，根据同样的理由，绕转中心的距离也有一个限度。然而，它在平行于自转轴的方向上的向上或向下的运动（即朝向赤道平面的运动）是没有限度的。万有引力的作用，将使越来越多的原星系云中的物质越来越多地降落到赤道平面，结果，本来大致呈球形的云团将随着时间的推移而逐渐地变成了一个圆盘的形状。
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