太阳系外漫游③：星系与星系团 | 观天者说
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原创 郑捷 中国科学院国家天文台 2020-06-11
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大家好，我是中科院国家天文台的郑捷。上一期大家领略了绚烂的星云，今天，让我带大家一起来看看银河系的外面有什么。
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另一种“星云”
在几世纪以前，人类把夜空中弥漫的天体，都叫做星云，例如前面介绍过的蟹状星云、猎户星云等。十八世纪著名天文学家夏尔·梅西耶还编制了梅西耶天体表，里面包含了大量被称为“星云”的弥漫天体，其中就包括这个天体表中的第31号--M31，在长达几个世纪的时间里，都被认为是银河系内天体的仙女星系。后来的观测陆续发现M31具有恒星本质，而长时间的曝光使人们看见了它的螺旋结构。通过观测M31内的新星，天文学家更是发现之前大大低估了M31的距离，因此部分天文学家对M31是否为银河系内天体产生了怀疑。1920年，天文学家还因M31到底是河内还是河外天体进行了一次世纪大辩论。
直到1925年，天文学家埃德温·哈勃从M31的照片中发现了一颗造父变星，故事才有了转折。通过造父变星的周光关系，使得M31的真实距离得以确认，原来M31不仅不是由气体尘埃组成的普通星云，而且是一个与银河系相似、包含千亿恒星的河外星系，与此同时，天文学家的眼光从银河系拓展到了整个宇宙。
图1 梅西耶天体“全家福”(拍摄：Michael Phillips）
星系
那么什么是星系呢？从字面意思来看就是恒星组成的系统。天文学上的定义是指在引力的作用下，由恒星和星际物质组成的运行系统。星系通常包含上千万到数万亿颗恒星，是构成宇宙的基本单位。天文学家一般根据星系的形状进行分类，最常见的是旋涡星系、椭圆星系和不规则星系，我们所在的银河系就是一个典型的旋涡星系，上面提到的仙女星系也是一个旋涡星系，仙女星系尽管并不是距离银河系最近的星系，但它是人类不使用望远镜，肉眼可见的最远天体。
在宇宙中，有着形形色色的星系，目前通过大规模观测，人类已经发现了数以亿计的星系，最远可观测到的星系甚至远在百亿光年之外。
图2 距离我们约250万光年的仙女星系（拍摄：Adam Evans）
星系群和星系团
大家平时微信上，都有微信群，或三五好友组个群聊，或三五十同事组个工作群，同样，星系们也有群。
前面提到，星系是在引力的作用下将恒星以及星际物质汇集在一起形成的，那么星系之间是否也存在引力束缚呢？答案是肯定的，尽管星系之间距离很远，但是超大的质量还是使得星系之间能够有“互动”。
我们将由于引力作用而聚在一起的若干个星系，叫做星系群（Galaxy Group）。当然星系群的成员们并不会聊天说笑，他们只会默默地彼此吸引，相互影响对方的运动。
我们的银河系也在这么一个星系群里，因为是咱们自己所在的地方，所以天文学家就简单直白地给它取名叫本星系群（Local Group）。这个小群由银河系、仙女星系、三角星系等巨头，以及一系列矮星系共同构成。大家耳熟能详却又难以在北半球亲见的大小麦哲伦星系也是这个群的成员。而这其中距离我们最近的，是4.2万光年外的大犬矮星系。
除了本星系群，我们发现的大量其它星系也各自构成了一个个星系群，如图3中的摩羯座和巨蛇座星系群，这些星系群的成员彼此之间有着热烈的互动。有些星系群的成员甚至正在发生碰撞和并合，图4中的NGC4038和NGC4039就是正在并合的星系，它们同属于一个由5个星系构成的星系群。
图3：左：摩羯座HCG87星系群（摄影：Judy Schmidt）；右：巨蛇座六重奏星系群（图片来源：HST/NASA/ESA）
图4 并合中的NGC4038（上方星系）和NGC4039（下方星系），又叫做触须星系（图片来源：HST/NASA/ESA）
日常沟通交流的微信群，有人数多少之分，星系群里的成员数当然也存在差异。我们一般把由50个以上的星系构成的星系集合，叫做星系团（Galaxy Cluster）。星系团是宇宙中由星系、热气体和暗物质组成的引力束缚系统, 它们的典型质量为 10¹⁴～10¹⁵倍太阳质量。它们的成分由暗物质主导(～80%)，15%～17%为星系团内介质，剩下的只有极少部分 (3%～5%)的质量存在于成员星系中。根据目前的宇宙结构理论，宇宙中物质稠密的区域形成纤维状结构, 星系团就形成于这些纤维状结构的交汇处，因此，星系团是宇宙大尺度结构中密度相对比较高的节点。国家天文台的科学家从国际公开发布的天文数据中证认了近18万个星系团，这是目前世界上最大的星系团样本。
图5 距离我们约40亿光年的星系团Abell S1063（图片来源：HST/NASA/ESA）
在星系团之上，还有超星系团，超星系团之上还有更大的结构。这一切都是我们的宇宙的组成部分之一。下一期，我们一起来探究可观测宇宙。
参考文献：
1，星系团的发现和星系团及成员星系的物理性质，韩金林等，科学通讯，2019年，第64卷，第15期，1583-1597
主讲人简介
郑捷，理学博士，中国科学院国家天文台助理研究员，主要从事多波段恒星测光巡天以及天文软件研发工作。
主编：石硕
轮值主编：姜晓军
文稿撰写：郑捷
音频后期：杨帆
栏目监制：万昊宜、宋雅娟
编辑：赵宇豪、柒柒
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