旋涡星系

河外星系

旋涡星系（Spiral Galaxy），是观测到的数量最多的一种星系，因其形状似旋涡而得名。旋涡星系在其对称面附近含有大量的弥漫物质，从正面看，形状像旋涡；从侧面看，便呈梭状。

星系形成

在宇宙中高速运行具有星系核的星系，当它追及到另一个具有星系核的星系时，如果两者的运行速度相近，就会相互吞噬，形成了一个更大的星系。倘若这两个星系的星系核相遇，就会相互绕转而形成一个质量更大的高速旋转的星系核。这个高速旋转的星系核就像一个巨大的发电机，从它的两极爆发出能量强大的粒子流向远方喷射。星系核的能量越大，喷射粒子流的流量也就越大，喷射得也就越遥远。此类星系核称为两极喷流星系核。

星系核在喷射高能粒子流的时候，会消耗其自身的能量，然而，当它俘获了其它星团或者星系以后，就会增添能量。当星系核的能量发生由大到小的变化时，就会建造出两条粗大的喷流带。如果星系核的磁轴绕着另一条轴（这条轴称作星系核的自转轴）旋转，那么，喷流带的轨迹就会弯曲，而演变成旋涡星系的两条旋臂。一般的，星系核的磁轴与自转轴之间的夹角（0~π/2）越大，所建造的星系盘面就会越扁；否则就会越厚。星系核的磁轴绕着自转轴的旋转速度越快，旋臂缠卷得就会越紧；否则，就会越松。旋涡星系的两条旋臂是恒星诞生的活跃区域。

曲率就会增加至紧紧缠绕着星系的球核。但观测到的却不是如此。

旋涡星系的螺旋臂解释图。第一个令人可以接受的理论是林家翘与徐遐生两人在1964年发明的，他们建议螺旋臂只是螺旋密度波的显示。他们假设恒星在细长的椭圆轨道上并且原来的轨道方向是互有关联的，也就是说，椭圆以很平顺的方式随着与核心距离的增加逐渐改变了他们的方向。这就是图中所说明的，很清楚的观察到椭圆轨道在某些区域紧密结合在一起的”现象”就是螺旋臂。因此恒星并不是永远保持在我们所看见的位置，他们只是在轨道上移动时经过螺旋臂。

二择一的另一个被推荐的假说是星系的运动造成恒星陷入波浪中，因为形成时最亮的恒星也会最快死亡，便会在波的后方形成黑暗的区域，因而使得波被看见。

星系特征

风车星系(也称为M101或 NGC 5457)是旋涡星系的例子旋涡星系(Spiral Galaxy)是由大量气体、尘埃和又热又亮的恒星所形成，有旋臂结构的扁平状星系，有下列结构特征：

1.有相当大的总角动量。

2.中心有球核的结构，被周围的星系盘环绕着。

3.球核类似椭圆星系，有许多老年的属于第二星族的恒星，并且通常会有超重黑洞隐藏在中心。

4.星系盘是扁平的，伴随着星际物质、年轻的第一星族恒星、和疏散星团，共同绕着球核旋转。

旋涡星系的名称来任意球核向外成对数螺旋在星系盘内延展，并有恒星形成的明亮螺旋臂。虽然有时很难辨明，例如螺旋臂有丛生的絮结时，但螺旋臂相对的可以区分出有星系盘结构却没有螺旋臂的透镜星系。

旋涡星系的星系盘外通常会有庞大的球形星系晕包围着，其中主要的成员是年老的第二星族恒星，也有许多被聚集在环绕著星系核的球状星团内。

银河系长久以来都被认为是旋涡星系，以哈勃分类法归类为Sbc，但来自史匹哲太空望远镜的观测却显示应该是棒旋星系，重新分类为SBb。

星系结构

形态结构

旋涡星系无论在形态结构上还是在恒星成分上同椭圆星系都有很大的不同。旋涡星系的核部类似椭圆星系，但仅此而已。旋涡星系的旋臂里含有大量的蓝巨星、疏散星团和气体星云．仙女座星系M31便是一个典型的旋涡星系，而且离银河系很近（距太阳二百二十万光年），用肉眼隐约可见。

仙女座星系中央是由星族II的恒星组成的核部。各旋臂是由发射星云、暗淡无光的气体、银河星团和蓝巨星组成的条带，上述成员均为星族I天体．旋臂虽然很亮，但核部以外的光主要来自一个由光度等于或略小于巨星的恒星组成的垫层．旋臂就叠加在这个几乎透明的恒星垫层上，因此透过旋臂之间的垫层部分仍能看到更遥远的星系。观测结果表明，垫层的形状类似于椭球，它分布在星系中央平面的上下，富含球状星团，其颜色比旋臂稍红，因此可能属于星族II。

螺旋臂

螺旋臂是由星系的核心延伸出来的旋涡和棒涡组城的区域。这些长且薄的区域类似旋涡，此种星系也因此而得名。

螺旋臂的存在曾经令科学家大惑不解，因为在星系旋转时，星系最外围(边缘)的恒星运动得比接近中心的恒星更快。事实上，螺旋臂并不是恒星运动造成的结果，但是密度波会导致恒星形成。因此，螺旋臂因为有年轻的恒星而显得明亮且本来质量大、明亮的恒星存活的时间不长，不是因为恒星的运动造成螺旋臂。

星系球核

球核是巨大的，由恒星紧紧的包裹而成的集团，普遍的存在于绝大多数旋涡星系的中心。旋涡星系的球核通常由第二星族的恒星组成，又小、又红也较老。这是因为这些恒星全都是与星系同时诞生的，都已经有数十亿的年龄，只有小的红色恒星能活的如此久。

许多球核被认为在核心有超重黑洞寄宿着，这些黑洞虽从未被直接观察到，但许多都能间接的证明存在。一些球核有第一星族的恒星，蓝色、年轻的恒星，或是两者混合在一起，虽然距离完全了解还有很长的距离，通常都认为这是与其他星系产生交互作用的证明，例如星系吞噬，将新的气体送到中心并且造成恒星的形成。

球核有些特性与椭圆星系相似，缩减至较低的质量和光度。

星系扁球体

旋涡星系中大多数的恒星，不是紧挨星系盘的平面，就是围绕着星系的核心（星系核）在常规的轨道上运行，再不就是聚在扁球体的星系扁球体绕着星系核心转。然而，这些形成的扁球晕或星系扁球体，都朝向星系的中心集中。对这些星群的轨道仍有争议，它们的方向有顺行也有逆行，或许并合着高倾斜角的轨道，或在不规则的轨道上运行，不一而足。

晕中的恒星或许是来自外面的，或是因为星系吞噬而来自其他的星系。例如，人马座矮椭球星系是银河系正在进行星系吞噬的对象，观测显示银晕中的一些恒星就来自这个星系的扁球体。不同于星系盘，星系晕中的星际尘埃似乎是自由的，进一步的比对，晕中的恒星都是第二星族的，非常老，金属含量也远比在星系盘中的亲戚第一星族的低(比较像球核的)。星系晕中也有许多的球状星团。晕中的星在运行中偶尔也会穿越过星系盘，一些在太阳附近的红矮星就被认为是属于星系晕的成员，例如卡普坦星和Groombridge 1830。由于他们环绕星系中心的运动是不规则的，这些恒星经常会呈现出异常的自行现象。

星系观测

哈勃太空望远镜观测到了大型旋涡星系，并拍摄了其照片。截至照片拍摄时，被观测星系为有史以来最大的，观测的结果也是最详细的。最终合成该星系的图像为16666*12000像素，它是由哈勃太空望远镜51次的拍摄结果合成的。这是巨大的旋涡星系哈勃太空望远镜在执行一次例行的观测任务时发现的，这一发现将使人类对宇宙形成的速度有一个新的认识，特别是对一些巨星形成初期其周围众多星团的形成速度有一个新的认识。科学家们同时还发现，星系周围的环是一个新星诞生的地带，这些星体造成了宇宙中存在强X射线辐射。

旋涡星系的形状象一个圆盘，它是由许许多多的星体和太空灰尘以及气体组成的，直径约17万光年，这一距离相当于银河系直径的两倍。科学家们把这一新的旋涡星系命名为“M101”。天文学家们称，“M101”旋涡星系至少拥有1万亿颗星球，其中至少有1000亿颗星球在温度和寿命方面都可以与太阳相媲美。科学家们还为“M101”旋涡星系起了一个别名，叫做“轮转焰火”星系，它位于大熊星座以北距离地球2500万光年的地方。

科学家们使用美国宇航局钱德拉塞卡X射线空间望远镜首次发现了在一个和银河系类似的旋涡星系中存在的一对超大质量黑洞。这一对黑洞距离地球约1.6亿光年，是迄今发现的距离最近的此类天体现象。

这对黑洞位于旋涡星系NGC 3393核心位置，两者相距仅490光年。科学家们相信这是数十亿年前该星系吞并了另一个质量较小星系后留下的遗迹。

在先前的X射线和其他波段观测中，天文学家们很早便注意到星系NGC 3393的核心位置存在一个超大质量黑洞。然而此次钱德拉望远镜进行的长时间观测让科学家们有机会识别出这其实是一对双黑洞。两个黑洞成员都处于活跃状态，随着大量气体物质落向它们并迅速发热升温，产生剧烈的X射线辐射。

天文学家们认为，当两个质量大致相等的旋涡星系合并时，它们应当会在核心形成一对超大质量黑洞，同时星系会严重变形，漩涡结构消失，并形成大量的恒星新生区。一个广为人知的例子就是NGC 6240核心区的超大质量黑洞，它距离地球大约3.3亿光年。然而星系NGC 3393的情况显然与此不同，它是一个规整的旋涡星系，其核心区被大量老年恒星占据，看不到明显的恒星新生区域。这对于一个核心区拥有一对黑洞的星系而言显得不同寻常。事实上，NGC 3393可能是首个被发现的这类案例，即一个较大规模的星系吞并一个小质量星系，并在其核心形成双黑洞的情形。并且，根据现有理论显示，这种质量不对称的吞并行为应当是造成星系核心双黑洞现象的主因。不过要证实这一点非常困难，因为要找到这种案例实在困难重重，核心区域拥有双黑洞的旋涡星系外形看起来和普通的旋涡星系根本看不出任何区别。

除了其核心位置的两个黑洞之外，这两个星系的合并没有留下一丝痕迹。考虑到质量不对称的合并现象，在这类情形中大质量的一方在合并发生后毫发无损并不令人感到意外。那么，如果这果真是一次质量不对称合并事件的结果，那么这两个黑洞的质量一定存在很大的差异。还没有这两个黑洞具体质量的精确测量数据，但是观测已经显示这两个黑洞的质量都超过了100万倍太阳质量。根据推算，这两个黑洞应当将在大约10亿年后合并。

这两个黑洞隐藏在大量气体和尘埃云帷幕后方，难以在光学波段进行观测。但是X射线能级更高，它可以穿透这层云雾。高度灵敏的宇航局钱德拉空间X射线望远镜探测到了清晰的双黑洞信号。此次有关星系NGC 3393黑洞的发现和之前德州大学奥斯丁分校天文学家茱莉亚・科玛福德（Julia Comerford）同样借助钱德拉望远镜发现的一个疑似双黑洞目标存在一些相似之处。当时科玛福德检测到两个X射线源，这可能是由于这一距离地球约20亿光年星系内部两个黑洞独立发出的辐射，两者相距估计约为6500光年。论文合著者，任职于哈佛-史密松天体物理中心和意大利国家天体物理研究院的基多・瑞萨里提（Guido Risaliti）提出，碰撞和合并是宇宙中星系和黑洞成长的最重要方式之一，找到存在于旋涡星系核心部位双黑洞的证据是人类了解这种过程的一个重要步骤。

钱德拉塞卡X射线空间望远镜是一台威力空前的X射线波段观测设备，由史密松天体物理台负责运行和飞行控制，管理工作则由设在亚拉巴马州亨茨维尔的宇航局马歇尔空间飞行中心负责。

当地时间2024年1月29日，一张韦伯太空望远镜拍摄的最新图像公布，展示了距离银河系较近的19个螺旋星系，为恒星形成以及星系结构和演化提供了新的线索。

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