第312章 星系（1/2）

星系是由恒星、恒星遗骸（如白矮星、中子星、黑洞）、星际气体、尘埃和暗物质等组成，并通过引力相互束缚的巨大天体系统。它们是宇宙的基本结构单元，规模和形态多样。以下是关于星系的关键知识点：

1.主要类型

螺旋星系（SpiralGaxies）

具有旋臂结构，中心通常有核球（如银河系、仙女座星系M31）。

细分：棒旋星系（旋臂源自中心棒状结构，如银河系）和普通螺旋星系。

椭圆星系（EllipticalGaxies）

呈椭圆形或球形，恒星分布均匀，缺乏旋臂（如M87）。

多为老年恒星，星际物质较少。

不规则星系（IrregurGaxies）

形状不对称，无明确结构（如大麦哲伦云）。

通常富含气体和尘埃，恒星形成活跃。

2.星系组成

可见物质：恒星、行星、星云等（仅占星系总质量的约1020%）。

暗物质：不可见但通过引力效应证实存在，占比约80%以上。

星际介质：气体（氢、氦为主）和尘埃，是恒星形成的原料。

3.尺度与距离

大小：直径从数千光年（矮星系）到数十万光年（巨大椭圆星系）不等。

距离：最近的星系是仙女座星系（约250万光年），最远观测到的星系如GNz11（约134亿光年）。

4.活动星系

类星体（Quasars）：中心超大质量黑洞吸积物质释放巨额能量，亮度极高。

射电星系：喷发强烈射电波（如半人马座A）。

星暴星系：恒星形成率极高（如M82）。

5.银河系（MilkyWay）

类型：棒旋星系，直径约10万光年，含亿颗恒星。

太阳位置：位于猎户座旋臂，距中心约2.6万光年。

中心：存在超大质量黑洞人马座A。

6.星系演化

通过合并（如银河系与仙女座约40亿年后碰撞）或吸积周围物质增长。

形态可能因环境改变（如螺旋星系合并后形成椭圆星系）。

7.观测与研究

工具：光学望远镜（哈勃空间望远镜）、射电望远镜（ALMA）、红外及X射线观测。

红移现象：星系远离我们时光谱红移，支持宇宙膨胀理论（哈勃定律）。

8.未解之谜

暗物质的本质、星系初始形成的详细过程、超大质量黑洞的起源等。

一、螺旋星系（SpiralGaxy）是宇宙中最具标志性的一类星系，以其优雅的旋臂结构、活跃的恒星形成和丰富的星际物质闻名。以下是关于螺旋星系的详细解析：

1.基本特征

旋臂结构：由年轻恒星、星团和电离气体（HⅡ区）组成的螺旋状亮带，是恒星形成的主要区域。

星系盘：扁平盘状结构，含大量气体和尘埃，旋臂从中心向外延伸。

核球（Bulge）：中心隆起区域，多为年老的恒星，少数存在超大质量黑洞（如银河系的人马座A）。

暗物质晕：不可见的暗物质包裹星系，提供额外引力维持结构稳定。

2.分类（哈勃序列）

普通螺旋星系（Sa/Sb/Sc）

Sa型：旋臂紧密缠绕，核球显着，星际物质较少（如Saxy）。

Sb型：旋臂较松散，核球中等（如仙女座星系M31）。

Sc型：旋臂宽展，核球小，气体和尘埃丰富（如三角座星系M33）。

棒旋星系（SBa/SBb/SBc）

中心存在由恒星组成的棒状结构，旋臂从棒端延伸（如银河系、NGC1300）。

占比约2/3，可能因星系内部动力学演化形成。

3.旋臂的形成与维持

密度波理论：旋臂是恒星和气体在引力密度波中周期性压缩的区域（类似交通拥堵带），而非固定物质结构。

自传播恒星形成：超新星爆发触发周围气体坍缩，形成新恒星，连锁反应沿旋臂蔓延。

4.恒星形成与物质分布

旋臂：富含低温分子云（如CO），是恒星诞生的摇篮（如猎户座星云）。

星系盘：平均温度较低，气体占比约1015%（以氢、氦为主）。

核球：老年恒星（富金属星）集中，恒星形成率低。

5.典型代表

银河系（MilkyWay）

类型：SBc型棒旋星系，4条主旋臂（英仙臂、盾牌半人马臂等）。

太阳位于猎户支臂，绕银心公转周期约2.3亿年。

仙女座星系（M31）

距离地球约250万光年，直径22万光年，正与银河系接近，未来将合并。

风车星系（M101）

Sc型螺旋星系，旋臂不对称，恒星形成剧烈。

6.演化与特殊现象

合并事件：与其他星系碰撞可能导致旋臂扭曲或形成环状结构（如车轮星系）。

活动星系核（AGN）：若中心黑洞吸积物质，可能激发类星体或赛弗特星系活动。

星系旋臂的消失：气体耗尽后，旋臂可能逐渐消散，演化为透镜状星系（S0型）。

7.观测要点

光学波段：旋臂中的年轻蓝巨星和电离氢区（Hα辐射）突出。

红外波段：透过尘埃观测恒星形成区（如斯皮策太空望远镜）。

射电波段：追踪中性氢（HI）分布，揭示旋臂外延结构。

8.未解问题

旋臂的长期稳定性机制是否存在其他解释？

棒状结构如何影响星系演化？

为何某些螺旋星系（如M74）旋臂对称性极高？

螺旋星系不仅是宇宙的“恒星工厂”，也是研究引力动力学和星际介质相互作用的天然实验室。

二、椭圆星系（EllipticalGaxy）

椭圆星系是宇宙中最常见的一类星系，以其平滑、无结构的椭圆形状和老年恒星为主的特点着称。它们通常存在于星系团中心，是星系演化的重要终点之一。以下是关于椭圆星系的详细解析：

1.基本特征

（1）形态与结构

形状：从近乎圆形（E0）到高度拉长（E7），数字越大表示越扁（如E0=球形，E7=长椭圆）。

无旋臂/盘状结构：缺乏螺旋星系的旋臂或星际气体盘，恒星分布均匀。

核球主导：中心区域恒星密集，可能包含超大质量黑洞。

（2）恒星组成

老年恒星（PoputionII）：以低金属丰度的红巨星、红矮星为主，恒星形成率极低。

缺乏星际物质：气体和尘埃含量少（＜1%），难以形成新恒星。

（3）尺度与质量

大小：直径从几千光年（矮椭圆星系）到数十万光年（巨椭圆星系，如M87）。

质量范围：10?~1013M☉（太阳质量），部分巨椭圆星系是宇宙中最大单体结构之一。

2.分类（哈勃序列）

椭圆星系在哈勃分类中被标记为至，数字代表椭率（扁度）：

E0接近球形M89

E3中等椭圆M32（仙女座伴星系）

E7高度拉长NGC4889（后发座超巨椭圆星系）

特殊子类：

矮椭圆星系（dE）：质量小，常为较大星系的卫星星系（如天炉座矮椭圆星系）。

超巨椭圆星系（cD星系）：位于星系团中心，质量极大（如M87），可能由多次合并形成。

3.形成与演化

（1）主要形成理论

星系合并：

两个螺旋星系碰撞后，引力扰动破坏旋臂结构，气体被快速消耗，形成椭圆星系（如“湿合并”）。

多次合并可形成巨椭圆星系（如后发座NGC4889）。

单极坍缩模型：早期宇宙中巨大气体云直接坍缩成椭圆星系（较少支持）。

（2）演化路径

1.年轻椭圆星系：可能仍含少量气体，短暂恒星形成（如“复活椭圆星系”）。

2.老年椭圆星系：气体耗尽，恒星逐渐冷却（红序主导）。

3.环境影响：

星系团中心的椭圆星系通过“星系harassnt”（频繁引力扰动）失去气体。

孤立椭圆星系可能保留少量冷气体。

4.典型代表

星系类型特点

M87E0室女座超巨椭圆星系，中心黑洞质量65亿M☉，喷流明显（事件视界望远镜拍摄目标）。

NGC4889E4后发座最亮星系，质量约2×1013M☉，可能含宇宙最大黑洞之一。

M32E2仙女座伴星系，高表面亮度，可能曾是螺旋星系被剥离后残余。

5.观测特征

光学波段：平滑光分布，颜色偏红（老年恒星主导）。

X射线：热气体晕（巨椭圆星系周围可能含百万度高温气体）。

射电波段：少数活动椭圆星系（如M87）有喷流辐射。

6.未解之谜

椭圆星系的“核心问题”：部分椭圆星系中心光度曲线异常（如“核心”或“缺核”结构）。

少数椭圆星系含冷气体：来源可能是吸积或卫星星系剥离。

早型星系（E/S0）的精确分界：某些椭圆星系与透镜星系（S0）难以区分。

7.椭圆星系vs.螺旋星系

特征椭圆星系螺旋星系

形状椭圆（E0E7）盘状+旋臂（SaSc）

恒星年龄老年（PoputionII）混合（年轻+老年）

气体含量极低（＜1%）丰富（1020%）

恒星形成几乎无活跃（旋臂中）

典型位置星系团中心孤立或群组

椭圆星系是宇宙中“星系养老院”，代表恒星形成已近终结的演化阶段。它们的形成机制、与暗物质的关系（如为何某些椭圆星系暗物质比例低）仍是研究热点。

椭圆星系（EllipticalGaxy）深度解析

椭圆星系是哈勃序列中早型星系的典型代表，以其光滑的光度分布和缺乏显着结构着称。这类星系在宇宙演化中扮演着独特角色，以下是系统的专业分析：

1.形态学特征

形状分类体系：

德沃库勒尔分类：E0（圆形）至E7（最大扁率0.7）

实际观测中极少发现E7以上（动力学不稳定）

三维形状研究显示多数为三轴椭球体（a≠b≠c）

光度分布：

遵循deVauuleursR1/?律：表面亮度随半径1/4次方递减

核心区域存在两类特殊结构：

核心型（red）：光度平台（如M87）

幂律型（powerw）：持续陡峭上升（如M32）

典型参数：

有效半径（Re）：1100kpc

中心速度弥散：k/s

质量光度比：普遍高于螺旋星系（M☉/L☉）

2.动力学与内部结构

恒星轨道特性：

各向异性明显（σr≠σθ≠σφ）

径向轨道主导（尤其外围）

存在少量规则旋转（V/σ＜0.7）

暗物质分布：

暗物质晕占比：5090%（随半径增加）

典型质量分布：

```ath

ρ(r)∝r^{γ}(1+r/r_s)^{γ3}(γ≈12)

```

特殊子结构：

壳层结构（如NGC3923）：次要合并遗迹

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