有多少个星系？天文学家正在揭示宇宙的浩瀚

这个故事发表在2020年6月号，题为《一个星系宇宙》。订阅《Discover》杂志，阅读更多此类故事。

1923年10月4日晚上，在洛杉矶附近，一位年轻的天文学家坐上汽车，开始驾车前往威尔逊山。在那里，他抵达了天文台，里面安置着当时世界上最大的100英寸胡克望远镜。

埃德温·哈勃是威尔逊山天文台的四年级天文学家；他喜欢使用胡克望远镜，因为他有兴趣研究螺旋状“星云”等。这些神秘的气体云散布在天空中，没有人了解它们的性质。在1920年代早期，哈勃给自己分配了弄清楚它们的任务。

他将巨大的望远镜对准了他最喜欢的物体：仙女座星云，M31。在晴朗无月的夜空下，肉眼隐约可见这个螺旋状的星云。然后他用照相底片捕捉了它的图像。哈勃对结果感到兴奋。在底片上，他发现了一颗疑似新星，一颗爆发的恒星。第二天晚上，他又拍摄了M31，希望捕捉到这颗新星，并在更好的大气稳定性下记录它。第二张底片确实记录了这颗新星，但他不知道的是，他还捕捉到了一张将在科学史上具有传奇意义的底片。

观测时间结束后，他回到办公室分析成果。突然，哈勃有了一个惊人的发现：那颗新星根本不是新星，而是一种亮度会变化的特殊类型的恒星，一颗造父变星。检查了早期的底片后，他得以证实这一点，并意识到这颗恒星的暗淡程度具有不可思议的意义。

这颗恒星以及它所包含的星云，一定位于一百万光年之外——是当时任何人认为整个宇宙大小的三倍。如今，由于改进的测量，天文学家知道这个物体距离地球250万光年。

在维斯托·M·斯莱弗早期工作和他的同事米尔顿·休马森的帮助下，哈勃立即发现宇宙比任何人想象的都要大得多，而且像仙女座这样的螺旋星云实际上是遥远的星系。它们是恒星和气体组成的完整系统，与我们自己的银河系相距遥远。

早在1912年，在亚利桑那州的洛厄尔天文台，斯莱弗就记录了螺旋星云的视速度，而现在通过哈勃的工作，宇宙正在膨胀——星系随着时间推移相互飞离。宇宙不仅比任何人之前相信的要大得多，而且随着时间的推移还在不断增长。

到1929年，天文学家们已经勾勒出了宇宙过去的图景。如果将许多星系的历史时间倒推，这意味着宇宙起源于一个微小、无限稠密的点。这项研究是比利时天文学家乔治·勒梅特最初工作的延伸。天文学家将这个宇宙的起源点，后来称为大爆炸，理解为宇宙的开端，他们计算出，它一定发生在数十亿年前。大爆炸开启了膨胀，随着时间的推逝，这股膨胀力将所有星系彼此推开。整个宇宙似乎都在四分五裂。

在20世纪30年代，哈勃开始研究和分类星系，将它们归入各种所谓的形态类型，即天文学家在照片中看到的结构。他最终将他观测到的星系类型组装成一个音叉形的图表。它包含了螺旋星系、棒旋星系——包含穿过其中心的线性“棒”状物质的螺旋星系——透镜状星系（透镜形）和椭圆星系。他还识别出不规则星系，即缺乏有组织形状的恒星和气体云。后来，天文学家们会识别出奇异星系，即看起来遭受爆炸性或破坏性事件的系统。他们还识别出一类称为矮椭球星系的星系，它们似乎在局部宇宙中数量众多。

到20世纪50年代，德克萨斯大学的法国天文学家杰拉德·德·沃库勒斯将哈勃的分类方案扩展成一个更复杂的系统，该系统考虑了星系的许多观测特性。德·沃库勒斯制作了一个伪三维图，显示了星系之间的关系，因其形状而被戏称为“宇宙柠檬”。德·沃库勒斯在其中包含了星系中棒状结构、可见物质环的描述，以及对星系旋臂缠绕松紧程度的评估。他还包含了对不规则星系和奇异星系性质的评估细节。

上一代河外天文学已经从编目发展到更为复杂的分析。通过使用哈勃太空望远镜，天文学家估计宇宙中大约存在1000亿个星系。而且这个数字可能远不止于此。早期宇宙中可能存在约2万亿个星系，但很明显，相互靠近的星系会因引力而在宇宙时间中合并。尽管宇宙在膨胀，像银河系这样的正常星系可能由数十个或更多原星系合并成更大的系统。你可以在哈勃超深场图片中看到早期宇宙中这些蓝色的原始物质团块，即原星系。

我们自己的星系

在过去的几十年里，随着天文学家研究了越来越多的星系，他们发现了许多事物，其中一个无法忽视的事实是，宇宙无比浩瀚。如果你今晚通过望远镜目镜观察一个星系，撞击你眼睛的光子以最快的速度传播——每秒186,000英里（每秒300,000公里）。尽管如此，它们以这个速度从仙女座星系到达我们这里也花了250万年。而那个物体几乎就在我们宇宙的家门口。当然，我们对自身星系的了解，在原始意义上，可以追溯到古代。银河系的名称来源于拉丁语via lactea，它源于最初的希腊语术语galaxías kýklos，“乳白色圆圈”。我们天空中可见的银河系带，在夏冬夜晚最为突出，是沿着我们星系平面排列的数十亿颗恒星的未分辨光。

但仅仅在过去的几十年里，我们才开始了解银河系是宇宙中1000亿个星系中的一个，它的盘面横跨约10万光年。它包含约4000亿颗恒星，尽管我们不知道确切的数量，因为矮星暗淡且难以在长距离上看到。几十年来，天文学家认为银河系是一个简单的螺旋星系。但本世纪的研究表明，银河系是一个棒旋星系，我们的太阳和太阳系位于距离中心约26000光年的一个旋臂中。

银河系由一个明亮的圆盘组成，这是一个缓慢旋转的恒星和气体盘，其中包含了我们看到的大部分恒星。我们的太阳每2.2亿年绕银河系中心旋转一周，这意味着自太阳系形成以来，我们已经绕银河系中心旋转了大约20次。在遥远的银河系中心，有一个超大质量黑洞，其质量约为太阳的430万倍。最近，天文学家发现星系中心存在超大质量黑洞是普遍现象。除了矮星系，几乎所有星系都有它们。

星系盘被一个由少量恒星、巨大的古老恒星球体（称为球状星团）以及一个巨大的暗物质包络所包围。天文学家尚不清楚暗物质由什么组成，但他们知道它的存在，因为它对他们能观测到的可见物质具有引力影响。

本星系群

银河系在宇宙中绝非孤单。它属于一个至少有54个天体组成的群，称为本星系群，这个名字是哈勃在绘制附近宇宙图时赋予这片局部天体云的。本星系群的主要成员是银河系、仙女座星系和三角座星系（M33）。但这三个巨大的螺旋星系也各自拥有一群伴随星系。银河系的卫星包括在大麦哲伦星系和小麦哲伦星系，它们在南半球肉眼可见，以及许多矮星系。本星系群的直径约为1000万光年，是银河系直径的约100倍。

向更深远的宇宙扩展，我们会遇到更多那1000亿个星系的例子。这些宏伟的恒星和气体岛屿以星系群（如我们的本星系群）的形式存在，也以更大的星系团和超星系团的形式存在。尽管宇宙整体膨胀，意味着大多数星系随着宇宙的增长而相互远离，但引力使少数星系在它们的旅程中相互束缚。例如，我们的本星系群是所谓的室女座星系团的成员，之所以这样命名，是因为它富饶的中心位于我们天空中室女座的方向。

室女座星系团包含至少1500个星系，其中心距离地球约5400万光年。在业余望远镜中，你可以在一个名为马克里安链的阵列中看到室女座星系团核心附近一些最亮的星系。这条星系链包含像M84和M86这样的超大质量椭圆星系，以及各种螺旋星系。对于后院天文学家来说，这个星系类型的乐园是天空中真正迷人的区域之一，最好在春季夜晚在晴朗无月的情况下观测。

大多数室女座星系团的星系中心都包含超大质量黑洞。M87就是一个很好的例子。银河系中心的黑洞质量约为430万太阳质量，而M87内部的巨大黑洞估计质量为50亿到70亿个太阳，比我们的黑洞质量大1000倍。M87是我们宇宙中最大星系之一——它是一种所谓的cD星系，是“中心主导”的缩写——它“吞噬”了许多曾经环绕它的小星系。这就是大质量星系所做的——它们吞噬附近的伴侣。

超星系团

一个包含1500个星系的星系团是一回事，但更大规模的星系群也存在。室女座星系团本身就是所谓的室女座超星系团的成员，后者包含了数千个星系，规模又大了一个数量级。室女座超星系团包含我们的银河系、本星系群、室女座星系团，以及总共约100个星系群和星系团。这个惊人巨大的框架横跨约1.1亿光年，是构成整个宇宙的约1000万个超星系团之一。

尽管室女座超星系团中存在着大量的星系，但天文学家现在知道，这片区域的大部分空间基本上是空的。这些巨大空洞的直径从数千万到数亿光年不等。星系的丝状链环绕着黑暗、空旷的空间。在大尺度上，星系在星系团和超星系团中就像肥皂泡，星系覆盖在表面，空洞则位于其间。

到20世纪80年代末，天文学家们已经发现了“大墙”，这是一片横跨5亿光年的星系薄层。最近，斯隆数字巡天又发现了“斯隆大墙”，这是一个至少是“大墙”两倍大小的星系群，其长轴绵延约14亿光年。

随着天文学家发现越来越遥远的星系，他们发现似乎有某种巨大的质量正在牵引局部宇宙，将我们拉向南三角座和矩尺座方向。这个被称为“巨引源”的异常现象，距离约2亿光年，曾让天文学家们困惑不已。他们最终发现，那个方向存在一个更大的质量正在牵引我们。这个被称为沙普利超星系团的巨大结构，距离地球6.5亿光年，包含了我们局部宇宙中星系最集中的区域。

宏观图景

还有其他令人惊讶的发现。2014年，天文学家根据对星系相对运动的分析，以比以往任何时候都更复杂的方式识别出一个新的超星系团。夏威夷大学的天文学家得出结论，拉尼亚凯亚超星系团存在，并以夏威夷语中“广阔天堂”一词命名。

拉尼亚凯亚，有时也称为本超星系团，包含大约10万个星系，其中包括本星系群和银河系。这个巨大的星系团及其所有成员一起在太空中旅行，但并非其中所有的星系都受到引力束缚。随着时间的推移，一些星系将从星系团的其余部分分裂开来。

拉尼亚凯亚超星系团有四个主要组成部分——室女座超星系团、长蛇-半人马座超星系团、孔雀-印第安座超星系团和南部超星系团。

总而言之，拉尼亚凯亚包含大约500个星系团和星系群。在局部宇宙中，拉尼亚凯亚周围还有其他星系超星系团——沙普利超星系团、武仙座超星系团、后发座超星系团和英仙-双鱼座超星系团。这些结构中的每一个都拥有数百个星系团，并由宇宙结构的织物状网络连接在一起。

从20世纪80年代开始，天文学家发现了比超星系团更大的结构的证据。起初，现在被称为大类星体群（LQG）的物体令天文学家们感到困惑。

1982年，苏格兰天文学家阿德里安·韦伯斯特发现了后来被称为韦伯斯特大类星体群（Webster Large Quasar Group）的结构，这是一组由五个类星体，即活跃的进食黑洞组成的集合，横跨3.3亿光年。如今，已知的LQG近24个。一个被称为“巨型LQG”的结构包含73个类星体，直径约40亿光年。这个庞大的结构，被一些天文学家所忽视，可能拥有宇宙中最大相关物质集合的称号。

确实，宇宙如此之大，难以理解。一方面，宇宙的浩瀚让我们感到渺小。我们短暂的生命匆匆而过，我们转瞬即逝，大多未能察觉周围如此巨大的宇宙。但我们有知觉，能够思考遥远的恒星和星系，这使得宇宙中的生命 truly amazing。而我们才刚刚开始认识这个巨大的星系世界。

David J. Eicher 是《天文》杂志的编辑。他的2020年著作《星系：宇宙中的星城之内》（Galaxies: Inside the Universe’s Star Cities）可在My Science Shop购买。