走近天文之五：從銀河到銀河系、從星云到星系

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導  語

如果說宇宙像一個無邊無際的大海，那么星系就像大海中的一座座小島。宇宙中有幾千億個星系，而我們的銀河系是其中普普通通的一員。身在廬山中，難識真面目。那身在銀河系中的我們，是如何分析出我們所處銀河系的樣子呢？我們對銀河系之外的河外星系又有怎樣的認知歷程呢？接下來，請隨筆者一起簡要回溯我們對星系的認識歷程，從銀河到銀河系，從銀河系到河外星系。

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從銀河到銀河系

2.1 銀河

400多年前，伽利略首次將天文望遠鏡指向了銀河，發現銀河是由無數恒星構成的。然而，在伽利略的時代，甚至于在今天，很難通過直觀地觀察銀河和恒星，就推測出銀河系真實的樣子。對銀河系形狀首先做出正確推論的是英國天文學家托馬斯·賴特和德國著名哲學家伊曼努爾·康德。他們猜想，銀河系中的恒星整體上應該呈盤狀分布，太陽也位于其中，這樣就能解釋為什么我們看到的銀河像一條亮帶。但這只是基于哲學的猜想，并沒有直接的觀測證據加以證明。

2.2 赫歇爾的恒星計數

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從銀河系到河外星系

17世紀早期，天文學家在利用天文望遠鏡將銀河分解為一顆顆恒星的同時，還發現了另外一種云霧狀天體。這類天體在天文望遠鏡里無法分解為恒星，因此得名為“星云”。通過利用口徑更大、分辨率更高的天文望遠鏡，天文學家發現有一些彌漫星云能夠被分解為一顆顆恒星，這些星云通常是由很多恒星組成的星團。還有一些星云，無論在多大口徑的望遠鏡中都仍然是模糊一團。

1781年，法國天文學家查爾斯·梅西耶發表了著名的《星云星團表》最終版，其中包括103個星團和星云狀天體。這些天體就是今天我們常說的用M開頭編號的梅西耶天體，比如M31就是著名的仙女座星云的編號。值得一提的是，梅西耶的主要研究對象是彗星，他編著這個星表的目的是為了提醒大家不要把這些彌漫狀的天體和彗星混淆在一起。

那些仍然模糊一團的星云，是因為望遠鏡分辨能力有限而無法分辨的星團或星系，還是由氣體塵埃組成的星云？這些星云位于銀河系內，還是銀河系外？對于一些外形呈現出明顯的旋渦結構的星云，著名哲學家康德提出猜想，這些星云可能是和銀河系一樣巨大的恒星系統。宇宙就像是一個無邊無際的大海，這些巨大的星云和銀河系構成了宇宙中的一個個島嶼。康德的“宇宙島”猜想更多的是基于一種哲學的思辨，缺乏直接的科學證據。有關這些星云的問題和謎題一直持續到了20世紀。

3.1 有關旋渦星云本質的觀測角逐

故事要從一位富有的波士頓商人帕西瓦爾·洛厄爾說起。他認為自己看到了火星表面的運河，并出版了《生命的棲居地——火星》，提及在遙遠的過去，火星上曾出現過智慧生命。雖然他對火星做了過度解釋，但他對天文的熱情即將帶來一個大發現。

1894年，他搬到美國亞利桑那州的旗桿鎮，購建了一臺24英寸的反射式望遠鏡。1901年，他為這臺望遠鏡購置了一臺光譜儀，雇傭了一位天文學研究生維斯托·斯萊弗，讓他協助自己觀測。后來，斯萊弗成為了利用光譜儀觀測天體的專家。

將天體發出的光色散分解開來，從而展示成在各個不同顏色(頻率)處的發光情況。在某些特殊頻率處，天體光譜中呈現一條條“譜線”。如果將譜線對應的特征頻率比作是譜線發出的“聲音”的話，接下來就與聲音的多普勒效應進行類比：當天體朝向我們運動時，光譜向著頻率更高處移動(藍移)，就像譜線的聲音會變得更尖銳；當天體遠離我們運動時，光譜向著頻率更低處移動(紅移)，譜線的聲音會變得更低沉。將觀測到的譜線頻率與該譜線的特征頻率進行對比，就能得知該天體靠近或遠離我們的速度。

洛厄爾鼓勵斯萊弗去探索當時神秘的旋渦星云。終于，1910年12月，斯萊弗成功拍攝到仙女座星云的光譜。為了提高光譜儀的靈敏度，他對光譜儀進行了改進。1912年9月17日，斯萊弗利用改進的光譜儀發現，仙女座星云的光譜線有明顯的藍移，說明它正以相當快的速度向銀河系靠近。這是人類首次對銀河系外的宇宙所做的定量觀測。不過當時，斯萊弗肯定不知道自己的觀測結果有如此重要的意義。事實上，他對這個結果很擔憂。

1912年底，洛厄爾重復拍攝了仙女座星云并再次分析，他確認仙女座星云正以每秒300千米的速度向我們靠近。洛厄爾向斯萊弗表示祝賀，并勸他再測量一些旋渦星云。斯萊弗又拍攝了室女座里的草帽星系，結果讓他舒了一口氣。草帽星系正以每秒1000千米的速度遠離我們。這表明，光譜線的移動是由運動造成的，而且該運動速度遠遠超過了已知所有其他天體的運動速度。斯萊弗繼續拍攝其他旋渦星云的光譜，等到1914年夏天，他已經測量了14個旋渦星云。他發現，絕大多數星云都在遠離我們。

1914年8月，美國天文學會第17屆大會上，斯萊弗在大會上介紹了自己的發現。斯萊弗的驚人發現贏得了在場聽眾的起立鼓掌。當時，葉凱士天文臺的一名研究生就坐在觀眾席中，他就是埃德溫·哈勃。等到1917年，斯萊弗已經收集了25個旋渦星云的光譜，每個光譜都能測出譜線的多普勒移動^[5]。這些數據顯示，除了仙女座星云和3個小星云，其他21個星云都在遠離銀河系，最大的遠離速度可達每秒1100千米。

不過由于當時對于旋渦星云的本質存在爭議，斯萊弗未能指出該觀測現象的宇宙學暗示。他相信這些旋渦星云就像康德曾提出的“島宇宙”，之所以看到星云的運動，是因為銀河系在這些星云中穿行。在進行了十幾年的研究后，被測量誤差困擾的斯萊弗放棄了這個領域。

為了探究神秘星云的本質，當時利克天文臺的赫伯·柯蒂斯也一直利用36英寸折射式望遠鏡拍攝星云的光譜。1919年3月，柯蒂斯做了一個有關旋渦星云的學術報告。加利福利亞州的威爾遜山天文臺的臺長喬治·埃勒里·海耳聽到報告后，意識到這些結果意義重大，提議雙方合作。

“對旋渦星云展開廣泛調查”就成了一場多個天文臺共同角逐的觀測活動。時至今日，我們仍能感受到當時天文學家的興奮和好奇。

3.2 有關仙女座星云的大辯論

1920年4月26日，美國國家科學院召開了一次“宇宙的尺度”專題辯論會，辯論的焦點是類似仙女座星云的旋渦星云究竟是位于銀河系之內還是銀河系之外。這次專題討論會規模并不大，但是在歷史上卻被記錄為“Great Debate”。我們知道英文里面的Great是偉大的意思，比如我們的長城叫Great Wall，所以“Great Debate”指這是人類歷史上一次偉大的辯論。

這次辯論會指向了一個重要認知問題，即人類所處的銀河系在宇宙中處于一個怎樣的地位，旋渦星云究竟是銀河系內的氣態云團，還是遙遠的“島宇宙”？著名天文學家沙普利和柯蒂斯作為雙方代表發表意見。

沙普利曾經通過球狀星團計數分析得知太陽并非銀河系的中心，他在這次辯論中認為，銀河系尺度巨大，旋渦星云M31就位于銀河系中；而柯蒂斯則認為，這些旋渦星云不是銀河系內的天體，而是像銀河系那樣的島宇宙。在這次辯論會上，雙方都沒有說服彼此，也沒有最終得到明確的結論。不過由于雙方的演講風格，對于辯論的現場聽眾來說，柯蒂斯的演講略勝一籌。1921年，他們各自發表論文詳細闡述自己的觀點。

旋渦星云究竟位于銀河系之內還是銀河系之外？解決問題的關鍵在于要測定“星云”的距離，如果觀測到的“星云”的距離大于銀河系的尺度，而且可分解為恒星，那就證明這些星云是處于銀河系之外，而且是和銀河系差不多尺寸甚至更大的河外星系。

3.3 仙女座星云是仙女座星系

最終，揭開旋渦星云之謎、證實河外星系存在的是美國天文學家哈勃。1917年，美國威爾遜山上建成了口徑為100英寸(2.54米)的胡克望遠鏡，是當時世界上口徑最大的望遠鏡。1923年，哈勃和他的觀測助手米爾頓·赫馬森用這架望遠鏡觀測了仙女座星云。在高分辨率照片上，仙女座星云的外緣被分解成一顆顆恒星。哈勃在其中辨認出了一些被稱為造父變星的特殊恒星。

哈勃據此推算出仙女座星云的距離大約為100萬光年，遠遠超過了當時已知的銀河系的尺度。因此，仙女座星云無疑處于銀河系之外，而且自身是一個星系，故“仙女座星云”更名為“仙女座星系”。至此，我們便確認了河外星系的存在，仙女座星云位于銀河系之內還是之外的爭論也畫上了一個句號。1929年，哈勃對旋渦星系M31進行了詳細的匯總介紹，基于的部分數據如圖3所示。

圖3 1920年9月16日—17日，由100英寸胡克望遠鏡曝光9小時拍攝的M31中心區域的底片數據，其中1毫米對應16角秒。十字符號標記出新星(除去36和80之外)，以“V”開頭的編號指變星^[6]

順便提一句，銀河系與仙女座星系之間的距離約254萬光年。之所以哈勃測出的距離要比真實距離低，是因為哈勃不知道造父變星存在兩種類型，在用作標準燭光時應區別對待。發現造父變星存在兩種類型的科學家是曾與哈勃一起合作研究超新星和星系的科學家沃爾特·巴德。

巴德早年在威爾遜天文臺工作時，利用100英寸望遠鏡，首次在仙女座星系的內部分辨出單顆恒星。他提出星族的概念：一類是主要分布在星系旋臂中的年輕恒星，稱作星族I；另一類是主要分布在星系中心和暈中球狀星團里的年老恒星，稱為星族II。后來他在帕洛瑪山天文臺工作時，利用新的200英寸望遠鏡研究造父變星，發現兩個星族各自也都有獨特的造父變星族，兩類造父變星遵循不同的周期和光度的關系。

哈勃當年測量M31和銀河系之間距離時所觀測和使用的造父變星是星族I造父變星，但卻使用了星族II造父變星的周期—光度的關系，造成了對距離的低估。巴德利用正確的周光關系重新計算了M31和銀河系之間的距離，得到的結果是200萬光年，更接近真實值。1952年9月，年已花甲的巴德在國際天文學聯合會大會上指出了這點。

不管怎樣，哈勃這項劃時代的發現標志著一門新學科——星系天文學的誕生。為了紀念哈勃對星系天文學開創性的貢獻，美國國家航空航天局把1990年發射的太空光學望遠鏡命名為哈勃望遠鏡。

河外星系的發現讓人類意識到銀河系并非整個宇宙，在銀河系之外還有其他星系，讓人類對宇宙的認識實現了又一次跨越。

3.4 豐富多彩的星系世界

在證實了仙女座星云是銀河系之外的星系之后，哈勃觀測了更多的星系。1926年，哈勃將天文望遠鏡拍攝到的星系分成三大類：橢圓星系、旋渦星系和不規則星系，分別用E(elliptical)、S(spiral)和Irr(irregular)表示，形成了著名的哈勃音叉圖^[7]，如圖4所示。

圖4  星系音叉圖的示意圖(圖片版權：中國科學院上海天文臺)

橢圓星系(E)，外形呈正圓或橢圓形，亮度分布高度集中，沒有明顯子結構。而旋渦星系(S)帶有明顯旋渦結構，如果旋渦星系中心區域還呈現一個短棒狀結構，就進一步歸類為棒旋星系(SB)。那些外形不規則、沒有明顯的核和旋臂結構的星系統稱為不規則星系(Irr)。介于橢圓星系和旋渦星系之間，有一類沒有旋臂等子結構，但存在顯著核球的盤星系，稱作透鏡星系，用S0或SB0表示。

由于無法確定這些星系在空間中的取向，因此這種分類法只適用于從地球上所見的星系外形分類。從哈勃進行星系形態分類的“音叉”圖，可以看出，橢圓星系在最左端，按照橢圓程度形成一個序列；從橢圓星系向右，中心稠密恒星結構相對越來越小，呈盤狀的恒星結構和旋臂結構的顯著性加強；普通的旋渦星系和棒旋星系組成了“音叉”的兩個叉。

哈勃將橢圓星系和透鏡星系稱為“早型”星系，把旋渦星系和不規則星系稱作“晚型”星系。這樣的名稱容易讓人誤以為哈勃的星系序列反映了星系的演化順序。但實際上，哈勃在1927年曾這樣說過：“這種命名強調的是星系在序列中的位置，但容易讓人誤會它含有演化信息。這一整套星系分類純粹是依據我的經驗得來的，對星系的演化理論不帶任何偏見。”

哈勃的星系分類下，我們所在的銀河系就屬于棒旋星系，并非是普通的旋渦星系。雖然20世紀50年代就有觀測暗示銀河系中心存在一個棒，但確切的觀測證據是近20年才發現的。

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總  結

400多年前，伽利略將天文望遠鏡指向銀河，發現銀河由無數的恒星組成。約250年前，赫歇爾兄妹孜孜不倦地開展恒星計數，首次確認了銀河系呈盤狀結構，初步確認了銀河系的概念。約110年前，以勒維特、沙普利等為代表的科學家們發現了造父變星的秘密，并基于造父變星分析出銀河系中球狀星團分布，發現太陽只是銀河系中的一顆普通恒星，銀河系的中心不是太陽，而是位于人馬座區域。

自從300多年前發現“星云”，旋渦星云的本質之謎就一直纏繞在天文學家們的腦海中，終于到了20世紀，自從斯萊弗發現了多數旋渦星云正遠離銀河系，掀起了一場對旋渦星云的廣泛調查；1920年專門針對仙女座星云的本質展開了一次“大辯論”，最終哈勃基于觀測數據，證實了仙女座星云是在銀河系之外的星系，從此也讓人類真正意識到銀河系并非整個宇宙，銀河系之外還有其他星系。在這樣的歷程中，人類在宇宙中所處位置的特殊性被一步步消除。不過，也正因為此，宇宙的神秘帷幕才在人類的認知中被一步步揭開。

對星系的搜尋、分類和分析，揭開了豐富多彩的星系世界。而這不是結束，實際上，根據形態對星系分類只是星系研究的開始。不同的形狀反映了星系不同的形成和演化歷史。棒狀結構和旋渦狀都起源于盤星系自身的不穩定性，這種不穩定性的觸發有可能是星系內部的原因，也可能源于外部衛星星系的擾動。不同的擾動模式最終產生了不同的結構。橢圓星系的形成，通常認為是由于早期星系經歷了主并合過程，徹底破壞了原有的結構(如盤、旋臂等)，而產生了一個由無規運動主導的橢圓形星系。可以說，從星系形態的分類，到研究星系不同形態間的關系，這恰恰是星系研究中自然延伸出的一大步。