《談天說文》星星島國

中研院天文所研究助技師 曾耀寰 |2007.12.21
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星星島國是一大群星星聚集而成的獨立王國,我們的銀河是其中的一國。在哈柏之前,大家認為銀河就是宇宙,但哈柏發現銀河外頭還有星星島國,這些星星島國是由數十億、數百億甚至千億顆星星聚集而成,天文學家給了個專業的說法,稱之為星系。

圖一、哈柏音叉圖 圖/維基百科



哈柏測量仙女座星系之後,發現宇宙有許多看似雲氣,卻是座落在我們銀河外的星星島國。由於星系的距離實在很遠,因此哈柏先從各個星系的外型分類開始,這就像根據外表打扮對男士分類,分成型男、宅男和邋遢男。哈柏在觀測許多星系之後,根據星系的長相分出三大類:看似橢圓的橢圓星系、螺旋狀的螺旋星系以及棒旋星系,其他形狀的全當成不規則星系。棒旋星系和螺旋星系一樣,有著兩條美麗的螺旋臂,只不過棒旋星系的中心多了一根棒子。哈柏進一步對橢圓星系、螺旋星系和棒旋星系的外觀做了定量的分析,畫出了哈柏音叉圖(圖一)。

圖二、橢圓星系NGC1316 圖/European Southern Observatory



螺旋星系M81 圖/ASA/JPL-Caltech/ESA/Harvard-Smithsonian CfA


棒旋星系 NGC1365 圖/European Southern Observatory



橢圓星系(如圖二)還可以根據橢圓的程度細分出E0、E1,一直到E7,E0是近乎圓盤狀的星系,而E7是非常橢的橢圓。通常橢圓星系裡頭的星星年紀比較老,外觀沒有太大的變化,就像宅男一樣,不太受到重視。螺旋星系和棒旋星系則像是型男,特別引人注目。

圖三、一圈圈纏繞的螺旋臂




型男星系捕捉目光的利器是圍在四周的兩條螺旋臂,它是如此地幽雅,又充滿了神秘。天文學家知道整個螺旋星系像一只轉盤,盤面上的星星會繞著星系中心旋轉,若將螺旋臂想成一條彩帶,由中心向外延伸,螺旋星系自身的旋轉,就像跳著彩帶舞的舞者,不斷地旋轉,所帶動的彩帶會纏繞在四周,這時彩帶舞動的形狀就像星系的螺旋臂。不過螺旋臂若像彩帶一樣舞動,會很快地旋繞成一團,就像大理石蛋糕(圖三),這和望遠鏡看到的螺旋臂不同。華裔科學家林家翹院士和徐遐生院士(前清華大學校長)提出密度波理論解決這個難題,他們認為螺旋星系盤面上產生像聲波一樣的密度波,密度波在上頭傳播,形成了壯觀的螺旋臂。

哈柏原先想利用音叉圖來研究星系演化的先後順序,由於橢圓星系內的星星年紀較老,螺旋星系有較多的年輕星星,哈柏認為整個星系的演化是從橢圓星系演變成螺旋星系。但實際情況可能更加複雜,哈柏太空望遠鏡拍到早期宇宙的星系分佈,卻發現宇宙很早就有了螺旋星系,一些電腦模擬計算也發現螺旋星系的相互碰撞可以產生橢圓星系,這是哈柏當時無法想像的結果。

在星系分類中最不吸引哈柏目光的,要屬不規則星系,由於外觀沒有特徵,被早期天文學家打入冷宮。

圖四、馬車輪星系  圖/NASA/HST




最近最熱門的星系反倒是這些不規則星系,很多不規則星系被認為是星系碰撞的結果,例如馬車輪星系(圖四)。雖說碰撞,但和汽車相撞是大大不同,星系是千億顆星星的組合,星系碰撞就好似兩個學生班級的隊伍相互交錯,當中的星星不會像撞球般真正的撞在一起,但星星之間的萬有引力使得星系的長相有了很大的改變,這些改變會劇烈攪動整個星系,可能會引發新的星星誕生。

星系的研究也可以運用到宇宙學,宇宙大霹靂學說的重要證據之一就是和星系有關。周宣王為了求雨,解救蒼生,於是詩經寫下了譗倬彼雲漢,昭回于天豃,天文學家為了求得宇宙的起源演化,需要更多的雲漢,才能一窺天之奧秘,瞭解我們的宇宙。

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