星系和宇宙

    银河系是由众多恒星、星云和星际物质组成的天体系统，那么宇宙间是否仅此一个“系统”呢？不是。在浩瀚的宇宙空间，像我们银河系一样的天体系统有许多，它们叫河外星系，简称星系。目前，已发现约10亿个河外星系。
    河外星系也是由无数的恒星、星云和星际物质组成的。河外星系本身也在运动。它们的大小不一，直径从几千光年至几十万光年不等。我们的银河系在星系世界中只是一个普通的星系。

星  系

    星系的结构和外观是多种多样的，被分为旋涡星系、棒旋星系、椭圆星系、不规则星系四种。
    旋涡星系：是指具有旋涡状结构的河外星系。从外表上看，它是在绕着核心旋转，有旋臂从核心螺旋地伸向空间。其中心区为透镜状，周围围绕着扁平的圆盘，因此，又称为透镜星系。旋涡星系的旋涡形状，最早是在1845年，观测猎犬座星系M51时发现的。这一星系的照片如左所示 。它离我们有一千四百多万光年，是离我们较近的河外星系之一。从照片上可清楚看到它的涡外还有一个伴系，整个形状显示它是在旋转的。
    旋涡星系又可分为正常涡旋星系和棒旋星系。正常涡旋星系又可分为三种，分别用a、b、c表示。Sa型中心区最大，旋臂紧卷；Sb中心区较小，悬臂开展；Sc中心区成为一个小亮核，悬臂松弛。旋涡星系通常有一个结构稀疏的晕，叫做星系晕，笼罩着整个星系，再往外可能还有更稀疏的气体球，称作星系冕.星系的质量大约是太阳质量的10亿到1000亿倍。典型的旋涡星系是仙女座星系M31，它距我们约220万光年 ，用肉眼能看到它象飘浮着的薄云，星系的中间部分象固体轮子那样在旋转，距离中心越远，旋转速度越低。星系的直径大约在18万光年左右，其质量大约为太阳质量的4000亿倍，其中可能有4000亿颗恒星。我们的银河系也是一个巨型的旋涡星系。
    棒旋星系：是指具有一个由恒星组成的棒贯穿其核心部分的旋涡星系。它的臂旋从棒的两端延伸开去，在旋臂里可以看到明亮的星云物质、疏散星团和一些黑暗的物质带。棒体和核心部分似乎连成一体旋转，旋臂则好象是托在棒和核的后面旋转。棒旋星系一般用字母SB表示，按照旋臂从紧卷到展开的次序 ，又可分为SBa、SBb、SBc三种次型。距离我们最近的大麦哲伦星云、小麦哲伦星云都是棒旋星云，这是1518--1520年，麦哲伦作环球航行时在南半球发现的。
    它们在银河系外，前者距我们17万光年，后者距我们20万光年，直径分别为银河系的四分之一和十分之一，质量分别为银河系的10%和2%。大麦哲伦星云内有一个剑鱼座S星，光度为太阳的100万倍；另有一个蜘蛛状星云 ，它是我们观测到的最大的亮星云。大、小麦哲伦星云之间被由氢原子组成的气体“桥”联接起来。
    在旋涡星系和棒旋星系之间有一个过渡类型，称为透镜星系。分为无臂旋涡星系和无臂棒旋星系两类。他们的外形像侧视的透镜。两者的主要区别是：前者有旋臂，后者则无。
    椭圆星系：是指形状成圆球形或椭圆形的河外星系。他们看起来很象球状星团，但规模更大。其中心区最亮，向边缘逐渐变暗。含有的恒星很多，但没有或仅有少量星际气体和星际尘埃。质量差别很大，质量最小的矮星系（指光度最弱的一类星系 ，有的是椭圆星系，也有的是不规则星系，质量只有太阳系质量的100万到10亿倍）与球状星团相当；质量最大的超巨型星系可能是宇宙中最大的恒星系统，达10万亿个太阳质量。椭圆星系用字母E表示 ，后面用数码表示椭圆的级别。E0表示星系呈圆形的盘面，E7是最扁的椭圆星系。研究得比较详细的巨椭圆星系是室女座星系团中的M87，它不仅有固定的喷射流现象，也有四面八方的喷射流现象。他的中心有一个极亮的核心，颜色较蓝，表明其中心有一个大质量的十分致密的天体，很可能是黑洞。
    不规则星系：是外形不规则，没有明显的核和旋臂，也没有旋转对称的星系。这类星系用字母Irr表示。在全天最亮的星系中只占5%。该星系分为两类：IrrI类有隐约可见、不规则的棒状结构；IrrII类具有无定型的外貌，分辨不出恒星星团等组成部分，且往往带有明显的尘埃带。有些IrrII星系可能是爆发后的星系，如M82。有天文学家认为，大、小麦哲伦星云也属不规则星系。不规则星系气体含量多，质量不大，常不超过10¹⁰太阳质量。
    星系的空间分布也是不均匀的，星系也有成双或成团存在的。我们银河系和它周围30多个星系组成一个集团，叫本星系团。其中离我们银河系最近的有大麦哲伦星系、小麦哲伦星系和仙女座星系等，它们都是我们银河系的近邻。目前已知的星系团就有1万多个。通过对星系质量、形态、结构、运动、空间分布、内部恒星和气体的成分等方面的观测研究，进而促进对恒星和大尺度的宇宙结构的研究，是当代天文学中最活跃的领域。
    这些众多的星系和星际物质容纳在称之为宇宙的系统中。
    宇宙是非常巨大而空虚的，平均每立方厘米只包含有1克物质。宇宙中的物质并不是均匀分布的，它们成团结块，集结成一些实体，即我们上面称为恒星和星系的天体。 为了对宇宙的尺度有个印象，我们来认识三个不同的比例尺度的模型。
    （1）太阳系模型：把地球缩为一个直径为10厘米的球，也就是一只柚子大小，这时月亮相当于3米外的一颗李子。太阳是一个直径为11米的大球，同“柚子”的距离为1.2公里。
    （2）银河系模型：把太阳系缩小到10厘米大小，此时地球直径只有0.0001厘米，同细菌的大小差不多。太阳这时像是一粒尘埃，肉眼勉强能看见，离地球只有1/8厘米。最近的恒星位于1/3公里处，最近的河外星系则更加遥远。
    （3）宇宙的模型：把整个银河系缩小到10厘米，这时，银河系内相邻两恒星的间隔只有0.0002厘米，离我们最近的河外星系大约只有一臂之长，而目前已测得的最远的天体在10公里远处。这是我们目前已认识的宇宙的“边缘”。
    按现在的研究，宇宙有开始的那一刻，有一段从热到冷的演化史。
    根据大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在100亿度以上；物质密度极大，此时宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质；随着整个体系的不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。
    大爆炸模型能统一说明以下几个观测事实：
    1、大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应短于温度下降到今天这一段时间，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。
    2、观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。
    3、在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30％。用恒星核反应机制不足以说明为什么又如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。
    4、根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。1965年，果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度大约为3K。这一结果无论在定性上或者定量上都与大爆炸理论的预言相符。但是，在星系的起源和各向同性分布等方面，大爆炸宇宙学还存在一些未解决的困难问题。
    过去认为，宇宙是唯一的，但现在的理论支持宇宙也不是唯一的。