银河系并不孤独,银河系有两个有趣的邻居:大麦哲伦星系和小麦哲伦星系,这对可爱的兄弟和银河系关系密切,存在物理上的联系,一起构成一个三重星系。银河系所在的一群星系被称为本星系群。这组星系群包含大约超过50个星系,其重心位于银河系和仙女座星系中的某处。可以说本星系群内的星系是银河系的邻居,而那些伴星系则是银河系的近邻,有的甚至是好友。除麦哲伦之外,银河系至少被8个星系围绕着,其中最大的是直径达21000光年的大麦哲伦云,较小的是船底座矮星系、天龙座矮星系和狮子Ⅱ矮星系,直径都只有500光年。其他环绕着银河系的星系还有小麦哲伦云、大犬座矮星系、人马座矮椭圆星系、小熊座矮星系等。银河系的邻居,从壮美的麦哲伦云到暗淡的天龙座再到守护边疆的狮子座Ⅰ,它们让银河系不再孤单,并和银河系紧紧地拥抱在一起,组成了新的星系家族。
银河系不过是宇宙中千亿个星系家族中的一个普通成员,在银河系之外还存在无数个星系,它们以各种方式组织网络结构,形成了复杂的宇宙网。银河系是其中的一个局部节点,并和自己的邻居聚集在一起,形成局部网络。
(三) 恒星集群“共舞”
宇宙的星体不是均匀分布的,它们大多抱成一团,由两个或是多个星体相互吸引而形成的天体系统。天文观测表明,绝大多数的恒星并非单独存在,也是抱成一团。据天文学家估计,银河系内大约有恒星2000亿颗,人类观测的大部分恒星现象也来自于银河系,现在就让我们走进这个奇妙的天体聚集世界吧。
1.双星伴侣
在茫茫宇宙中,经常会发现一些恒星两两成双靠在一起,好似一对对自由自在的伴侣。这样仅由两颗恒星组成的系统称为双星,两颗恒星绕着它们共同的引力中心旋转。组成双星的两颗恒星都称为双星的子星。其中较亮的一颗称为主星,较暗的一颗称为伴星。两子星的距离可以很接近也可以很遥远,因此形成了不同类型的双星系统。
目视双星:通过望远镜能直接用眼睛看出两颗星的双星称为目视双星。这类双星的两子星相距较远或者离地球较近,故两子星的视角距较大,所以能用望远镜分开。有些双星甚至通过肉眼都可以观察得到,例如仔细观察北斗七星中的开阳星,在它的旁边可以看到微暗的开阳辅星,称之为“开阳双星”,这是人们在1650年第一个用肉眼发现的双星。它们之间的角距为12′,是双星中角距离较大的两颗星。双星的主星和伴星相互绕转,有些伴星较暗,通过望远镜很难观察到。不过可以通过主星的位置相对于背景恒星的变化来计算伴星的位置。
分光双星:有许多双星,相互之间距离很近,即使用现代最大的望远镜,也不能把它们的两颗子星区分开。但可用分光方法从它们视向速度的变化来确定是双星,这类双星称为分光双星。如果用“暧昧”来形容目视双星的两颗子星的关系,那么分光双星的两颗子星则可以说是“亲密”。目前观测的分光双星有5000多对,它们之间距离较近,以至于有时候都被误以为是单星,天空中第一亮的天狼星就是如此。主星天狼A的质量为2.3个太阳质量,其伴星天狼B是一颗质量仅为0.98个太阳质量的白矮星。
食双星:有的双星在相互绕转时,会发生类似日食的现象,从而使这类双星的亮度周期性地变化。这样的双星称为食双星,食双星一般都是分光双星,已载入星表的食双星有4000多颗。例如最早发现的食双星大陵五就是一个食双星系统,该系统的光度会随时间而变化,其视星等介乎2.3—3.5等之间,变化周期为2天2小时49分,这是由双星互相公转而造成的,当较暗的星走到前面时,系统光度便会转暗。
密近双星:有的双星,不仅距离很近,而且子星的演化受到两星质量交流的影响,这样的双星称为密近双星。肉眼可见的五车二、角宿一、大陵五、渐台二都是密近双星。一般密近双星都是分光双星,有些还是食双星,著名的天琴座β星,就既是交食变星也是一个密近双星。
双星是银河系网络中的重要组成形式,它是恒星集聚的最简单最普遍的形式,有些双星系统两颗子星彼此发生了剧烈的相互作用,并带有能量和物质转移。相比地月系等单卫星行星系统,双星系统要复杂得多。
2.聚星成伙
由双星不禁会想起,既然太阳系中有庞大的木卫家族,那么恒星的王国里也应该有多颗恒星聚集在一起的局部网络结构吧。没错,聚星就是由三颗到六七颗恒星在引力作用下聚集在一起而组成的系统,根据聚集的恒星数量,又可以分为三合星、四合星等。
我们熟悉的北极星其实是一个三合星系统,较远的伴星(Polaris B)使用小型望远镜就可以清楚观测到。但较近的那颗伴星(Polaris Ab)因距离北极星太近而且太暗而无法得见。2005年由波兰天文学家Maciej Konacki发现一颗有行星运行的三星系统HD 188753,它由黄矮星HD 188753A、橙矮星HD 188753B和红矮星HD 188753C组成,B和C以156天的周期互相围绕着公转,并且一起每25.7年围绕A公转一圈。又如大熊星座中的开阳星,是一颗有名的六合聚星。主星大熊星座ξ和伴星大熊星座80号星组成目视双星,用望远镜观测发现,大熊星座ξ星本身就是一颗双星,其由主星大熊星座ξ1和伴星大熊星座ξ2组成。而大熊星座ξ1星又是最早被发现的分光双星,更有趣的是大熊星座ξ2和大熊星座80号星均为分光双星。以上看出,聚星的局部往往是双星结构,正如双星系统一样,聚星也没有明确的网络中心。
3.星团军队
除双星和聚星以外,还存在多颗恒星集聚的现象,这种天体系统称之为星团。星团是指恒星数目超过10颗以上,并且相互之间存在物理联系的星群。正如社会上的团体一样,相比较单星或双星,星团要少得多。但在浩瀚的宇宙中,星团仿佛是一个纪律严明的军队,聚集了成百上千的星体,有着庞大的质量,是宇宙中不可缺少的一个重要组织结构。星团一般可分成疏散星团和球状星团。
疏散星团:是指由数百颗至上千颗在较弱引力联系下的恒星所组成的天体系统,直径一般不过数十光年。疏散星团的成员分布较散,用望远镜易于区分。目前在银河系内已发现一千多个疏散星团,但实际数量可能十倍于此。因为这些星团都聚集在银河系赤道平面中,疏散星团有时也被称为“银河星团”。蜂巢星团M44便是银河星团的成员之一,大小不到10秒差距,成员星200多个,总质量是太阳质量的200多倍。这个团队中有着各种各样的恒星及其组织方式,例如M44包含着一颗独特的蓝色恒星,有食双星(巨蟹座TX),拥有金属吸收线的恒星(巨蟹座Epsilon)等等。此外还有金牛座中的昴星团(M45)和毕星团都可以用肉眼观察。
球状星团:由成千上万,甚至几十万颗恒星组成,外貌呈球形。球状星团里的恒星平均密度要比疏散星团高得多。同一个球状星团内的恒星具有相同的演化历程,运动方向和速度都大致相同。可以看出,球状星团军队的纪律严明度很高,成员的统一性较高。在银河系中已知的球状星团大约有150个左右,例如半人马座欧米伽星团是银河系中最亮和最大的球状星团,它的密度大得惊人,几百万颗恒星聚集在只有数十光年直径的范围内。
星体聚集是银河系乃至宇宙中的一种普遍的星体组织形式。如同太阳系一样,银河系也有中心节点银心以及亿万星体组成的从节点,整个银河系星体围绕银心作绕转。银河系中有许多恒星集聚的现象,有的是伴侣,有的是小团体,也有庞大的军队。银河系有着比太阳系更为复杂的网络结构和节点组织形式,但银河系也只是宇宙之海中的一个小岛屿,是宇宙网中的一个局部节点。
四、 浩淼神秘的星系网
如同银河系一样,星系是指由几亿至上万亿颗恒星以及星际物质构成、空间尺度为几千至几十万光年的天体系统。人们已在宇宙中观测到了约一千亿个星系,想象一下银河系有多大、这个亿万星系组成的宇宙又有多大吧。星系之间是否也会有某种集聚呢,现在让我们一起来探索星系网的世界。
(一)星罗棋布的“岛屿”
如果把宇宙比做大海的话,那么星系就如同大海之中的一个个小岛屿。在茫茫的宇宙海洋中,千姿百态的“岛屿”上居住着无数颗恒星和各种天体。人类居住的地球就处在一个巨大的银河系“岛屿”中。
1. 最大而又最美丽的天体系统
星系是宇宙中最大也是最美的天体系统,是宇宙网络的重要组成部分。星系是宇宙网络的最高级节点形式,其拥有聚集恒星、星团及其星际尘埃的力量。正如丛林中的树木一样,星系也是多种多样的,其尺度、形状、色彩和结构都各不相同。在太空中它们用不一样的色彩和形状来展示自己的独特之美。天文学家哈勃根据星系的形状将其分为三类:椭圆星系、涡旋星系和不规则星系,细分为椭圆星系、螺旋星系、涡旋星系、棒旋星系、矮星系、不规则星系和大尺度结构。星系大小差异很大。椭圆星系直径在3300光年到49万光年之间;漩涡星系直径在1.6万光年到16万光年之间;不规则星系直径大约在6500光年到2.9万光年之间。人类的银河系,就是一个有巨大星系盘的棒旋星系,光从它的一端走到另一端就要走10万年。地球和太阳距银河中心约3万光年,假设要想给银河系中心发送信号,那么需要等到6万年后才能收到回复,可见星系是多么庞大的天体系统。
相对于行星或恒星这样的网络单元来讲,星系应当是宇宙中最大的天体系统。尽管星系如此之大,但在宇宙中星系生活得并非拥挤,彼此之间也没有疏远。类似于银河系这样的巨星系彼此之间的距离约为500万光年,星系之间的空间则被某些矮星系占据着。从宇宙尺度来讲,与恒星相比,星系之间的关系已经很亲密了。例如太阳到最近恒星的距离约为太阳直径的3000多万倍,相对而言,这是十分遥远的距离。星系内的恒星在运动,星系本身也有自转,星系整体在空间中同样在运动。这就如同一辆行驶的公共汽车上的人们在车内来回走动一样,整体和局部都在运动。这些奇异的星系仿佛是宇宙王国中的各个城市,城市有大有小,有实力强的,也有实力弱的,城市之间虽有一定界限,但还是保持着一定的联系。
2.星系的特征分布
在最大的尺度上,宇宙看上去就犹如午后无风的湖面,波澜不惊。但是在数亿光年或者更小的尺度上,宇宙则呈现出了物质和巨洞之间的随机、混杂分布。这是一个物质会聚集成团的宇宙,这样的星系分布特征比较符合人类的认识观。就拿地球上的城市来说,如果在天空中俯视中国,则能够看到错落有致的城市,就会感受到城市分布大体上是均匀的。而如果你深入去了解局部区域,则会发现城市有集群的现象,例如长三角经济区、珠三角经济区等。继而当你走进一个城市的话,则会感受到街道的拥挤、建筑的拥挤、人群的拥挤等,即使是一个城市的商业核心区和其他地方也相差较大。这里主要从小范围来说明星系的分布特征,即在小范围内星系具有抱团的倾向。由于万有引力的影响,巨大的星系常常会聚集在一起,形成星系群或星系团。主要有两大分布特性:结对成群和聚集成团。
结对成群。很多星系都是结伴而行的,宇宙中最易观察的星系集群现象就是“结对”,它是由主星系及其伴星系组成的天体系统。结对的星系多半是由距离较近且物理上有联系的两个星系形成的,例如大小麦哲伦云就是两个近邻星系,它们距离较近且明暗悬殊。大小麦哲伦云又是银河系的近邻,在银河系周围还围绕着大犬座矮、小熊座矮、天龙座矮、船底座矮等星系。本星系群的另一个明亮的巨星系——仙女座星系也有两个较大的近邻(M32和NGC205),周围还围绕着M32、M110、NGC 147等星系。整个本星系群就是以银河系和仙女座星系为中心的两个小星系群而形成的。
聚集成团。宇宙中绝大多数的星系都是出现在星系团中的。也就是说从小范围内来讲该星系可能是单一的,也可能是结对出现的,但从大尺度角度来讲,该星系是在一个更为广泛的星系团中。因此星系聚集成团是星系分布的重要特征之一。星系团的成员数目少则几十多则成千上万,是宇宙中星系聚集的较高形态。星系团可分为规则星系团和不规则星系团两大类。规则星系团具有球对称的外形,往往有一个星系高度密集的中心区域,又称为球状星系团。不规则星系团的结构松散,没有一定的外形,也没有明显的中央星系密集区,又称为疏散星系团。不管星系成团是否规则,星系团都是一个庞大的联盟组织,其对整个宇宙网络有着高度的影响力。
(二) 星系集群共筑宇宙之网
星系在自成独立系统的同时,也在和其他星系构筑更大的星系网络。有的星系团体成员较多,而有的较少。银河系所在的本星系群包含约50个星系,而位于后发座天区的后发星系团则包含成百上千的星系。这些星系集团根据成员的数量可以分为双重星系、多重星系、星系团和超星系团等。