另一種“星云”
在幾世紀(jì)以前，人類把夜空中彌漫的天體，都叫做星云，例如前面介紹過的蟹狀星云、獵戶星云等。十八世紀(jì)著名天文學(xué)家夏爾·梅西耶還編制了梅西耶天體表，里面包含了大量被稱為“星云”的彌漫天體，其中就包括這個天體表中的第31號--M31，在長達(dá)幾個世紀(jì)的時間里，都被認(rèn)為是銀河系內(nèi)天體的仙女星系。后來的觀測陸續(xù)發(fā)現(xiàn)M31具有恒星本質(zhì)，而長時間的曝光使人們看見了它的螺旋結(jié)構(gòu)。通過觀測M31內(nèi)的新星，天文學(xué)家更是發(fā)現(xiàn)之前大大低估了M31的距離，因此部分天文學(xué)家對M31是否為銀河系內(nèi)天體產(chǎn)生了懷疑。1920年，天文學(xué)家還因M31到底是河內(nèi)還是河外天體進(jìn)行了一次世紀(jì)大辯論。
直到1925年，天文學(xué)家埃德溫·哈勃從M31的照片中發(fā)現(xiàn)了一顆造父變星，故事才有了轉(zhuǎn)折。通過造父變星的周光關(guān)系，使得M31的真實距離得以確認(rèn)，原來M31不僅不是由氣體塵埃組成的普通星云，而且是一個與銀河系相似、包含千億恒星的河外星系，與此同時，天文學(xué)家的眼光從銀河系拓展到了整個宇宙。
圖1 梅西耶天體“全家?！?拍攝：Michael Phillips）
星系
那么什么是星系呢？從字面意思來看就是恒星組成的系統(tǒng)。天文學(xué)上的定義是指在引力的作用下，由恒星和星際物質(zhì)組成的運行系統(tǒng)。星系通常包含上千萬到數(shù)萬億顆恒星，是構(gòu)成宇宙的基本單位。天文學(xué)家一般根據(jù)星系的形狀進(jìn)行分類，最常見的是旋渦星系、橢圓星系和不規(guī)則星系，我們所在的銀河系就是一個典型的旋渦星系，上面提到的仙女星系也是一個旋渦星系，仙女星系盡管并不是距離銀河系最近的星系，但它是人類不使用望遠(yuǎn)鏡，肉眼可見的最遠(yuǎn)天體。
在宇宙中，有著形形色色的星系，目前通過大規(guī)模觀測，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)以億計的星系，最遠(yuǎn)可觀測到的星系甚至遠(yuǎn)在百億光年之外。
圖2 距離我們約250萬光年的仙女星系（拍攝：Adam Evans）
星系群和星系團(tuán)
大家平時微信上，都有微信群，或三五好友組個群聊，或三五十同事組個工作群，同樣，星系們也有群。
前面提到，星系是在引力的作用下將恒星以及星際物質(zhì)匯集在一起形成的，那么星系之間是否也存在引力束縛呢？答案是肯定的，盡管星系之間距離很遠(yuǎn)，但是超大的質(zhì)量還是使得星系之間能夠有“互動”。
我們將由于引力作用而聚在一起的若干個星系，叫做星系群（Galaxy Group）。當(dāng)然星系群的成員們并不會聊天說笑，他們只會默默地彼此吸引，相互影響對方的運動。
我們的銀河系也在這么一個星系群里，因為是咱們自己所在的地方，所以天文學(xué)家就簡單直白地給它取名叫本星系群（Local Group）。這個小群由銀河系、仙女星系、三角星系等巨頭，以及一系列矮星系共同構(gòu)成。大家耳熟能詳卻又難以在北半球親見的大小麥哲倫星系也是這個群的成員。而這其中距離我們最近的，是4.2萬光年外的大犬矮星系。
除了本星系群，我們發(fā)現(xiàn)的大量其它星系也各自構(gòu)成了一個個星系群，如圖3中的摩羯座和巨蛇座星系群，這些星系群的成員彼此之間有著熱烈的互動。有些星系群的成員甚至正在發(fā)生碰撞和并合，圖4中的NGC4038和NGC4039就是正在并合的星系，它們同屬于一個由5個星系構(gòu)成的星系群。
圖3：左：摩羯座HCG87星系群（攝影：Judy Schmidt）；右：巨蛇座六重奏星系群（圖片來源：HST/NASA/ESA）
圖4 并合中的NGC4038（上方星系）和NGC4039（下方星系），又叫做觸須星系（圖片來源：HST/NASA/ESA）
日常溝通交流的微信群，有人數(shù)多少之分，星系群里的成員數(shù)當(dāng)然也存在差異。我們一般把由50個以上的星系構(gòu)成的星系集合，叫做星系團(tuán)（Galaxy Cluster）。星系團(tuán)是宇宙中由星系、熱氣體和暗物質(zhì)組成的引力束縛系統(tǒng), 它們的典型質(zhì)量為 101?～101?倍太陽質(zhì)量。它們的成分由暗物質(zhì)主導(dǎo)(～80%)，15%～17%為星系團(tuán)內(nèi)介質(zhì)，剩下的只有極少部分 (3%～5%)的質(zhì)量存在于成員星系中。根據(jù)目前的宇宙結(jié)構(gòu)理論，宇宙中物質(zhì)稠密的區(qū)域形成纖維狀結(jié)構(gòu), 星系團(tuán)就形成于這些纖維狀結(jié)構(gòu)的交匯處，因此，星系團(tuán)是宇宙大尺度結(jié)構(gòu)中密度相對比較高的節(jié)點。國家天文臺的科學(xué)家從國際公開發(fā)布的天文數(shù)據(jù)中證認(rèn)了近18萬個星系團(tuán)，這是目前世界上最大的星系團(tuán)樣本。
圖5 距離我們約40億光年的星系團(tuán)Abell S1063（圖片來源：HST/NASA/ESA）
在星系團(tuán)之上，還有超星系團(tuán)，超星系團(tuán)之上還有更大的結(jié)構(gòu)。這一切都是我們的宇宙的組成部分之一。下一期，我們一起來探究可觀測宇宙。
參考文獻(xiàn)：
1，星系團(tuán)的發(fā)現(xiàn)和星系團(tuán)及成員星系的物理性質(zhì)，韓金林等，科學(xué)通訊，2019年，第64卷，第15期，1583-1597
