陳厚尊

宇宙島和島宇宙是歷史上天文學(xué)家對星系的兩種稱呼，如今我們很少去區(qū)分它們。從語源學(xué)的角度看，這種看似不經(jīng)意的文字倒置其實大有深意。在前一個稱呼中，人們將宇宙比作浩瀚的海洋，將星系比作散落的島嶼；后一個稱呼則反映了某種舊觀念的殘留，因為100多年前，許多天文學(xué)家還以為銀河系就是宇宙的全部，因而將河外星系視為“島嶼”一樣的其他宇宙，簡稱“島宇宙”。

的確，每當(dāng)我們用天文望遠(yuǎn)鏡凝望遙遠(yuǎn)星空的時候，總會看到許許多多掩埋于群星深處的星系。它們長相各異，千姿百態(tài)，三五成群，仿佛游弋于海底的深海生物。20世紀(jì)初，天文學(xué)家也曾如早期的博物學(xué)家那樣，將全天的星系按照形態(tài)詳加歸類，系統(tǒng)研究。其中，最基本的哈勃分類法（又稱哈勃序列，Hubble Sequence）將星系歸為四大類，即橢圓星系（E）、透鏡星系（S0）、旋渦星系（S）和不規(guī)則星系（Irr）。后來，哈勃序列又有諸多變種。從現(xiàn)代星系學(xué)的角度看，這種以星系形態(tài)為基礎(chǔ)的劃分方法確實能反映出許多關(guān)于星系的內(nèi)稟性質(zhì)。今天，我們就來簡要回顧一下星系物理學(xué)的百年發(fā)展史，以及其中未解的奧秘。

一場世紀(jì)天文大辯論

時間退回到1920年4月26日。當(dāng)天，眾多天文學(xué)前沿的大佬云集華盛頓美國國家科學(xué)院史密森尼學(xué)會的自然史博物館內(nèi)，參加了一場注定會載入史冊的“世紀(jì)天文大辯論”（the Great Debate）。辯論在貝爾德（Baird）的主持下進行，參辯雙方是具有影響力的天文學(xué)家哈羅·沙普利（Harlow Shapley）與希伯·柯蒂斯（Heber Curtis），主題是宇宙的尺度大小。沙普利一方認(rèn)為銀河系是一個龐大的恒星系統(tǒng)，它囊括了全部的可見宇宙，所有的星云、星團都是銀河系的內(nèi)部成員；而柯蒂斯一方認(rèn)為銀河系之外還有許多其他星系，天空中隨處可見的旋渦狀星云就是其中的代表。事實上，“大辯論”這一冠名是有些用詞不當(dāng)，原因是當(dāng)時的會議并未以論戰(zhàn)的形式舉行，而是雙方先通過半小時的簡短演講陳述自己的論據(jù)，之后在黃昏時進行了一次綜合討論。沙普利的演講主要是在闡述他的“大銀河系模型”，對旋渦星云的性質(zhì)一筆帶過。因為沙普利自攻讀博士學(xué)位開始就一直從事球狀星團和造父變星方面的研究，并利用造父變星的“量天尺”特性，估算了許多球狀星團的距離，并據(jù)此構(gòu)建起一個直徑達30萬光年的大銀河系模型，太陽距離銀河系中心4.9萬光年。沙普利認(rèn)為，他的模型擴大了已知宇宙的尺度，以至于很難有人相信還有更遙遠(yuǎn)的天體存在。進一步說，天空中的旋渦星云普遍具有相當(dāng)小的張角，如果它們與沙普利的“大銀河系”尺寸相當(dāng)，它們到地球的距離將達到數(shù)百萬光年。沙普利根據(jù)兩項觀測結(jié)果否定了這種可能：第一，1885年在仙女座大星云M31中發(fā)現(xiàn)的超新星SN1885A的亮度達到峰值時幾乎肉眼可見，如果M31距地球百萬光年，那么SN1885A的亮度將相當(dāng)于太陽的10億倍。在當(dāng)時看來，沒有任何物理機制能提供如此巨大的產(chǎn)能，因而是荒謬的；第二，天文學(xué)家范·馬納恩（Adriaan vanMaanen）聲稱自己觀測到了位于大熊座的旋渦狀星云M101的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，自轉(zhuǎn)周期約為10萬年。這說明旋渦星云的尺度很小，否則其邊緣的旋轉(zhuǎn)速度將超過光速，違背了狹義相對

論。

而柯蒂斯曾詳細(xì)研究過旋渦星云的光譜，發(fā)現(xiàn)其中存在吸收介質(zhì)，許多星云還有極高的退行速度，這暗示它們并非銀河系內(nèi)的天體。另外，柯蒂斯還從造父變星的校準(zhǔn)、恒星的平均亮度等方面，反駁沙普利的“大銀河系模型”。相較之下，他選擇支持卡普坦（Jacobus Cornelius Kapteyn）于1906年提出的“小銀河系模型”。早前，荷蘭天文學(xué)家卡普坦利用剛誕生不久的天體照相技術(shù)，改進了英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾的恒星計數(shù)工作。他在天空中均勻且隨機地選取了206個區(qū)域（即卡普坦選區(qū)），由世界各地的天文臺分工協(xié)作進行恒星計數(shù)。根據(jù)這些計數(shù)結(jié)果，卡普坦推斷出空間中恒星完整的三維分布，進而提出了“卡普坦宇宙模型”。他認(rèn)為銀河系是透鏡狀的，直徑為5.5萬光年，厚度1.1萬光年，太陽位于其中心附近，距離銀心2000光年。太陽這么接近中心的位置造成了“卡普坦宇宙”以太陽為中心的結(jié)論。這與哥白尼原理是相悖的，卡普坦為此深感不安。事實上，卡普坦本人曾十分清楚地意識到，如果恒星之間的星際介質(zhì)ISM）對星光有吸收作用，那么，無論恒星系統(tǒng)的真實分布如何，都會令我們產(chǎn)生太陽位于銀河系中

心附近的錯覺。實際上，有大量證據(jù)顯示銀河系的一些區(qū)域確實被塵埃遮蔽了：用肉眼就能清晰地看出銀河系的中心平面上有一條暗黑的裂縫。為了評估星際介質(zhì)的吸收對計數(shù)結(jié)果究竟有多大影響，卡普坦將恒星的底片亮度與視亮度作對比，以此來檢驗瑞利散射對星光的紅化效應(yīng)。卡普坦在其數(shù)據(jù)中只發(fā)現(xiàn)了很小的紅化偏移，因而得出了“遮蔽不重要”的結(jié)論。

今天我們知道，星際塵埃對星光的影響主要是吸收而不是紅化，卡普坦宇宙與赫歇爾的銀河系模型都是不正確的。沙普利的“大銀河系模型”建立在他對球狀星團的統(tǒng)計工作基礎(chǔ)上，受介質(zhì)吸收的影響小，因而獲得了與現(xiàn)代較為接近的銀河系模型，其中的差別僅來自造父變星作為測距標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)問題（這一問題直到1989年“依巴谷”衛(wèi)星升空以后才得到徹底解決）。但是另一方面，沙普利又堅持認(rèn)為銀河系即全部宇宙，否認(rèn)河外星系的存在。從這個意義上講，沙普利與柯蒂斯都錯了，包括馬納恩對M101自轉(zhuǎn)的測量結(jié)果也是錯的。這場所謂的“世紀(jì)天文大辯論”

沒有真正的贏家。這一切的疑問還要等5年后，一個叫埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）的年輕人來徹底澄清。

星云世界的水手

20世紀(jì)20年代，哈勃利用美國威爾遜山天文臺新建成的口徑2.54米的胡克反射式望遠(yuǎn)鏡（Hooker Telescope），一口氣做出了兩項震驚天文學(xué)界的偉大成果：其一，利用從仙女座大星云M31中確認(rèn)的造父變星測定出M31到地球的距離為150萬光年，遠(yuǎn)在沙普利的“大銀河系模型”范圍之外，終結(jié)了河外星系是否存在的大辯論；其二，河外星系的紅移與其距離之間存在一個線性關(guān)系，即，越遠(yuǎn)的星系紅移值越大，退行速度越高。這就是所謂的哈勃定律（Hubbles Law）。1926年，哈勃在目視觀測了眾多星系的照相底片后，又提出了著名的哈勃序列，又稱哈勃音叉圖。時至今日，無論是專業(yè)的天文研究還是業(yè)余的天文觀測，哈勃序列都是最常用的星系分類法。

依照星系的形態(tài)，哈勃最初將星系分成了三大類：橢圓星系E、旋渦星系S和不規(guī)則星系Irr，每個大類又細(xì)分為若干亞型。其中，橢圓星系依照橢率的大小分成8個亞型：E0至E7，E0最圓，E7最扁。迄今，天文學(xué)家還沒有發(fā)現(xiàn)比E7更扁的橢圓星系。旋渦星系按照其核心是否存在棒狀結(jié)構(gòu)（Bar）被分成兩類：正常的旋渦星系S和棒旋星系SB，進一步又各自被分成a、b、c 三個亞型。劃分的標(biāo)準(zhǔn)有三點：一是旋臂的松緊程度，二是核球相對于盤面的占比，三是星團和HII區(qū)在旋臂上的顯著程度。哈勃發(fā)現(xiàn)，在旋渦星系中這三點是有聯(lián)系的，即a 型旋渦星系常常具有最緊的旋臂、占比最大的核球，以及不明顯的星團和HII 區(qū)；而c型旋渦星系的旋臂更加舒展，核球最不明顯，HII區(qū)和星團在旋臂上的辨識度最高。不規(guī)則星系在最早的哈勃序列中只有兩個亞型——IrrI型和IrrII型，前者的特點是沒有明顯的旋臂，但在底片上能看出許多明亮的“節(jié)”，后者雖然在外形上也沒有對稱性，但是圖像更加平滑，通常能顯示出塵埃帶。

事實上，在一開始的時候，哈勃序列是作為一種星系的演化序列被提出的。哈勃認(rèn)為，宇宙中所有的星系都是從橢圓星系E0開始演化，橢率逐漸上升，然后經(jīng)過中間階段的旋渦星系或棒旋星系，最后終結(jié)于破碎的不規(guī)則星系。鑒于橢圓星系與旋渦星系的外形差別巨大，哈勃猜測應(yīng)當(dāng)有一種形態(tài)上介于二者之間的“過渡型”星系。不久，哈勃的這一想法就被觀測證實了。在哈勃序列示意圖的交會處，有一種被稱為透鏡狀星系（Lenticular Galaxy）的特殊類型，標(biāo)記為S0。與橢圓星系類似，透鏡星系看起來就像是一個巨大的旋渦星系核，所不同的是沒有旋臂。與此同時，透鏡星系有明顯的薄盤，甚至有凸出的塵埃帶，這些都是旋渦星系的特點。

今天我們知道，星系并不會按照哈勃序列從左向右逐漸演化。當(dāng)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡遙望宇宙深處的時候，我們可以看到許多正常星系的早期形態(tài)，它們中的絕大部分并不具有明確的哈勃型。因此，天文學(xué)家很少對紅移值大于2的高紅移星系做形態(tài)學(xué)上的分類。即便如此，“早型星系”和“晚型星系”的說法還是被保留了下來，以指代哈勃序列左側(cè)和右側(cè)的星系亞型。順便提一句，在哈勃序列中，銀河系屬于有棒的SBb型星系，而仙女座大星系M31屬于Sb型星系。

橢圓星系、旋渦星系與球狀星團

既然橢圓星系與旋渦星系并非簡單的演化關(guān)系，那為什么有的星系看起來渾圓光滑，毫無特點，而有的星系卻擁有令人印象深刻的美麗旋臂呢？我們不得不承認(rèn)，直到今天，這個問題依舊是無解的。我們知道的，僅僅是某些觀測手段揭示出的二者間的表象差異，比如面亮度輪廓、天體速度彌散、氣體比重、恒星年齡等。至于為何會產(chǎn)生這樣的差異，卻沒有一套深層次的解釋。從統(tǒng)計學(xué)角度看，橢圓星系在星系數(shù)量中的占比是很高的，達到了61%，而旋渦星系的占比只有34%，其余的5%是透鏡狀星系與不規(guī)則星系。但是，若從質(zhì)量占比看，橢圓星系的總質(zhì)量只占到全部星系質(zhì)量的25%，旋渦星系則逆襲到73%，其余的2%屬于透鏡狀星系和不規(guī)則星系。何以如此呢？原因就在于，相較于旋渦星系，橢圓星系的質(zhì)量跨度很大：從1000萬倍太陽質(zhì)量到100萬億倍太陽質(zhì)量都有分布，相差了7個數(shù)量級。與此同時，橢圓星系內(nèi)部的“貧富差距”也很大，絕大部分橢圓星系都屬于小質(zhì)量的矮橢圓星系，即dE星系，M31的伴星系M32、M110、NGC185、NGC147等，都屬于此類。最大的橢圓星系是一種被稱為cD星系的巨型橢圓星系，比如著名的巨無霸星系IC1101以及室女座星系團中心的巨橢圓星系M87等。cD星系往往寄居于富星系團的中心附近，直徑超過100萬光年。它們很可能是多個星系相互并合的產(chǎn)物。

我們再來看旋渦星系。粗看起來，S星系的核心就像是一個縮小版的橢圓星系，許多觀測結(jié)果也支持了這一看法。旋渦星系的核球區(qū)與橢圓星系有著相似的面亮度輪廓，其中的恒星都在圍繞核球中心做無規(guī)則的圓周運動。相比之下，旋渦星系盤面上的天體運動更加整齊劃一，幾乎沒有什么彌散。類比于熱力學(xué)中的情況，如果將旋渦星系的核球區(qū)視為熱力學(xué)溫度較高的區(qū)域，那么旋渦星系的盤面就屬于熱力學(xué)溫度較低的區(qū)域。在旋渦星系的盤面之外，更廣闊的空間范圍內(nèi)，分布著所謂的暈族天體（銀河系中絕大多數(shù)的球狀星團就屬于暈族天體）。它們的運動情況又

一次變得雜亂無章，所以，旋渦星系的暈明顯屬于高熱力學(xué)溫度區(qū)。

在天文學(xué)界，曾有人猜測球狀星團是歷史上某些被銀河系這樣更龐大的系統(tǒng)吞并的矮星系的殘余核心。的確，有些球狀星團的來源疑似如此（比如半人馬座Ω星團），但是，并非所有球狀星團都能被看作矮星系的核心，即便它們具有相似的面亮度輪廓。但從結(jié)構(gòu)上看，有時可將球狀星團視為一種質(zhì)量極小的橢圓星系，因為二者在力學(xué)上有著相似的穩(wěn)定性。

值得注意的是，有時候，一個星系的哈勃類型并沒有它初看上去那么明顯，其結(jié)果取決于你的觀察方式。以著名的草帽星系M104為例，從可見光圖像上看，M104具有明顯的Sa型旋渦星系的特征：濃厚的塵埃帶、緊致的旋臂、巨大的核球?？墒墙陙淼囊恍┭芯勘砻?，M104盤面天體的彌散速度比正常的旋渦星系來得大，而這正是橢圓星系的特點。另外，該星系的面亮度輪廓也更貼近橢圓星系。對M104的哈勃型持懷疑態(tài)度的天文學(xué)家認(rèn)為，前人對M104的錯誤分類導(dǎo)致我們將原本適用于旋渦星系的T-F測距法盲目地套用在M104的身上，以至于得到了誤差較大的測距結(jié)果，而那些不依賴于M104哈勃型的測距方法得出的結(jié)果之間明顯要更自洽一些。

年輕的星系物理學(xué)

回顧過去的100年，毫無疑問，我們對于星系本質(zhì)的理解更加深刻了。但是，我們還應(yīng)當(dāng)看到，該領(lǐng)域的許多基本問題依然懸而未決。這說明，星系物理學(xué)是一門相對年輕的學(xué)科，“宇宙島”的奧秘仍在前方等著年輕的人們?nèi)ヌ剿?，去開拓。