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(gè)天體表中的第31號(hào)--M31，在長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)世紀(jì)的時(shí)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(cè)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)M31具有恒星本質(zhì)，而長(zhǎng)時(shí)間的曝光使人們看見了它的螺旋結(jié)構(gòu)。通過觀測(cè)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(duì)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(shí)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(gè)與銀河系相似、包含千億恒星的河外星系，與此同時(shí)，天文學(xué)家的眼光從銀河系拓展到了整個(gè)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(yùn)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(gè)典型的旋渦星系，上面提到的仙女星系也是一個(gè)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(cè)，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)以億計(jì)的星系，最遠(yuǎn)可觀測(cè)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(shí)微信上，都有微信群，或三五好友組個(gè)群聊，或三五十同事組個(gè)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(dòng)”。
我們將由于引力作用而聚在一起的若干個(gè)星系，叫做星系群（Galaxy Group）。當(dāng)然星系群的成員們并不會(huì)聊天說笑，他們只會(huì)默默地彼此吸引，相互影響對(duì)方的運(yùn)動(dòng)。
我們的銀河系也在這么一個(gè)星系群里，因?yàn)槭窃蹅冏约核诘牡胤?，所以天文學(xué)家就簡(jiǎn)單直白地給它取名叫本星系群（Local Group）。這個(gè)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(gè)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(gè)個(gè)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(dòng)。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(gè)由5個(gè)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(gè)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(duì)比較高的節(jié)點(diǎn)。國(guó)家天文臺(tái)的科學(xué)家從國(guó)際公開發(fā)布的天文數(shù)據(jù)中證認(rèn)了近18萬個(gè)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(cè)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
