星系

星系大小差異很大。橢圓星系直徑在3300光年到49萬光年之間；漩渦星系直徑在1.6萬光年到16萬光年之間；不規則星系直徑大約在6500光年到2.9萬光年之間。

星系內部的恆星在運動，而星系本身也在自轉，整個星系也在空間運動。傳統上，天文學家認為星系的自轉，順時針方向和逆時針方向的比率是相同的。但是根據一個星系分類的分佈式參與項目星系動物園的觀察結果，逆時針旋轉的星系更多一些。

大多數星系具有紅移現象，説明這些星系在空間視線方向上正在離地球越來越遠。這也是大爆炸理論的一個有力證據。

星系在大尺度的分佈上是接近均勻的；但是小尺度上來看則很不均勻。例如大麥哲倫星系和小麥哲倫星系組成雙重星系，它們又和銀河系組成三重星系。

歷史上，星系是依據它們的形狀分類的（通常指它們視覺上的形狀）。最普通的是橢圓星系：它們有着橢圓形狀的明亮外觀；漩渦星系是圓盤的形狀加上彎曲的旋渦臂；不規則星系，通常都是受到鄰近的其它星系影響的結果。鄰近星系間的交互作用，也許會導致星系的合併，或是造成恆星大量的產生，成為所謂的星爆星系 ^[3]  。缺乏有條理結構的小星系則會被稱為不規則星系。 ^[4] 

雖然人類目前對暗物質的瞭解很少，但在大部分的星系中它都佔有大約90%的質量。觀測的數據顯示超大質量黑洞存在於絕大多數星系的核心，它們被認為是活動星系核的主因。銀河系——地球和太陽系所在的星系——在核心中至少也有一個這樣的星體（人馬座A*）。

在宇宙中，由兩顆或兩顆以上星球所形成的繞轉運動組合體叫做星系。星球的繞轉形式有兩種：一是眾多質量小的星球繞質量大的中心星球轉動，如太陽系眾多行星和彗星等繞太陽轉動；二是兩顆或更多顆星球圍繞共同質心相互轉動。絕大多數星系屬於前者。

幾乎沒有星系是單獨存在的，許多星系和一定數量的星系之間有重力的束縛。包含有50個左右星系的集團叫做星系羣，更大的包含數千個星系，橫跨數百萬秒差距空間的叫做星系集團。星系集團通常由一個巨大的橢圓星系統治着，他的潮汐力會摧毀鄰近的衞星星系，並將質量加入星系中。超星系集團是巨大的集合體，擁有數萬個星系，其中有星系羣、星系集團和一些孤單的星系；在超星系集團尺度，星系會排列成薄片狀和細絲，環繞着巨大的空洞。在上述的尺度中，宇宙呈現出各向同性和均質。 ^[5] 

銀河系是本星系羣中的一員。本星系羣相對來説是一個直徑大約1022百萬秒差距的小星系羣。 ^[6]  銀河系和仙女座星系是這個羣中最大的兩個星系，許多其它的矮星系都是這兩個的衞星星系。本星系羣是以室女座星系團為中心的巨大星系羣與星系集團集合體的一部分。 ^{[7]  [8]} 

星系在宇宙中呈網狀分佈。從大尺度看，星系包圍着一個個像氣泡一樣的空白區域，在整體上形成類似蜘蛛網或神經網絡的結構，稱之為宇宙大尺度分佈。 ^[9] 

參見詞條：星系團、超星系團、星系羣

星系的形成有兩種理論。一種理論認為，星系由一次宇宙大爆炸中形成，它發生在137億年前。另一個理論則是：星系由宇宙中的微塵所形成。原本宇宙有大量的球狀星團，後來這些星體相互碰撞而毀滅，剩下微塵。這些微塵經過組合，而形成星系。

雖然在今天，關於星系形成的學問有不少人質疑。目前宇宙大爆炸是最流行的解釋之一。

按照宇宙大爆炸理論，第一代星系大概形成於大爆炸發生後十億年。在宇宙誕生的最初瞬間，有一次原始能量的爆發。隨着宇宙的膨脹和冷卻，引力開始發揮作用，然後，幼年宇宙進入一個稱為“暴漲”的短暫階段。原始能量分佈中的微小漲落隨着宇宙的暴漲也從微觀尺度急劇放大，從而形成了一些“溝”，星系團就是沿着這些“溝”形成的。 ^[10-11] 

隨着暴漲的轉瞬即逝，宇宙又回覆到如今日所見的那樣通常的膨脹速率。在宇宙誕生後的第一秒鐘，隨着宇宙的持續膨脹冷卻，在能量較為“稠密”的區域，大量質子、中子和電子從背景能量中凝聚出來。一百秒後，質子和中子開始結合成氦原子核。在不到兩分鐘的時間內，構成自然界的所有原子的成分就都產生出來了。大約再經過三十萬年，宇宙就已冷卻到氫原子核和氦原子核足以俘獲電子而形成原子了。這些原子在引力作用下緩慢地聚集成巨大的纖維狀的雲。不久，星系就在其中形成了。大爆炸發生過後十億年，氫雲和氦雲開始在引力作用下集結成團。隨着雲團的成長，初生的星系即原星系開始形成。那時的宇宙較小，各個原星系之間靠得比較近，因此相互作用很強。於是，在較稀薄較大的雲中凝聚出一些較小的雲，而其餘部分則被鄰近的雲所吞併。同時，原星系由於氫和氦的不斷落入而逐漸增大。 ^[12] 

原星系的質量變得越大，它們吸引的氣體也就越多。一個個雲團各自的運動加上它們之間的相互作用，最終使得原星系開始緩慢自轉。這些雲團在引力的作用下進一步坍縮，一些自轉較快的雲團形成了盤狀；其餘的大致成為橢球形。這些原始的星系在獲得了足夠的物質後，便在其中開始形成恆星。這時的宇宙面貌與今天便已經差不多了。星系成羣地聚集在一起，就像地球上海洋中的羣島一樣鑲嵌在宇宙空間浩瀚的氣體雲中，這樣的星系團和星系際氣體伸展成纖維狀的結構，長度可以達到數億光年。如此大尺度的星系的羣集在廣闊的空間呈現為球形。 ^[13] 

參見詞條：宇宙大爆炸

在1610年，伽利略使用他的望遠鏡研究天空中明亮的帶狀物，也就是當時所知的銀河，並且發現它是數量龐大但光度暗淡的恆星聚集而成的。1755年，伊曼紐爾·康德藉助更早期由托馬斯·懷特工作完成的素描圖，推測星系可能是由數量龐大的恆星轉動體，經由重力的牽引聚集在一起，就如同太陽系，只是規模更為龐大。

2023年4月4日，一個國際天文學家團隊在出版的《自然·天文學》雜誌上刊發兩篇論文指出，他們利用詹姆斯·韋布空間望遠鏡，發現了4個迄今已知最古老的星系，其中一個星系形成於宇宙大爆炸後3.2億年，當時宇宙仍處於嬰兒階段。 ^[48] 

第一位嘗試描述銀河系的形狀和太陽位置的天文學家是威廉·赫歇爾，他在1785年小心的計算天空中在不同區域的恆星數目，得到了太陽系在中心的橢圓星系的圖像，這與1920年卡普坦得到的結果非常類似，只是比較小些(直徑大約15,00秒差距)。 ^{[14]  [15]}  赫歇爾製作了當時最大的望遠鏡，發現了天王星。他同樣關注恆星世界。在多年觀測後，他根據天空中各個方向的恆星數量，於1785年畫下了一幅銀河系結構圖。由於無法測定遙遠恆星的距離，赫歇爾假設天空中所有恆星具有相同的發光本領，並根據實際觀測到的恆星亮度來估計它們到地球的距離。他得到的銀河系“畫像”扁而平，具有不規則輪廓，太陽位於銀河系中央。赫歇爾用統計法首次確認了銀河系為扁平狀圓盤的假説，從而初步確立了銀河系的概念。

1906年，荷蘭天文學家卡普坦提出“選區計劃”，重新研究銀河系的結構。他得到的銀河系模型與赫歇爾類似：太陽居中，中心的恆星密集，邊緣稀疏。

1918年，沙普利提出，銀河系是一個透鏡狀的恆星系統，其中心位於人馬座方向，而不是太陽系。後來的觀測逐漸證明，沙普利的模型較為接近真實的銀河系，因而被沿用至今。 ^[16] 

在1936年，天文學家哈勃制定了現稱哈勃序列，且至今仍被使用的星系分類法。 ^[17] 

哈勃深場。(3張)

在1944年，亨德力克·赫爾斯特預言氫原子會輻射出21公分波長的微波，結果在1951年發現來自星際氫原子的輻射線。 ^[18]  這條輻射線允許對星系做更深入的研究，因為它不會被星際塵埃吸收，並且來自它的都卜勒位移能夠映像出星系內氣體的運動。由此科學家可以分辨出在星系中心的棒狀結構，配合無線電望遠鏡，在其它星系內的氫原子也能被追蹤到。在1970年，維拉·魯賓的研究發現星系可見的總質量(恆星和氣體)不能適當的説明星系中氣體的轉動速度。如今未能觀察到的大量暗物質已經用於解釋星系自轉問題。 ^[19-20] 

從1990年代開始，哈勃太空望遠鏡提高了觀測的效益，尤其是它確認了神秘的暗物質不可能是在星系中的闇弱小天體。哈勃深場，是對天空的一個區域進行極長時間的曝光。 ^[21]  它提供了宇宙中可能有多達1,750億個星系的可能證據。在不可見光的光譜偵測技術上的改進(無線電望遠鏡、紅外線攝影機、X射線望遠鏡)，讓人類可以見到連哈勃太空望遠鏡也看不見的其它星系。特別是對天空中隱匿帶（天空中被銀河系遮蔽的部分）的星系巡天，揭露了相當數量的新星系。 ^{[1]  [22]} 

右邊這張“哈勃”超深場照片，顯示的是天爐座的一小部分天區，拍攝於2003年9月24日至2004年1月16日，累計曝光時間11.3天，是迄今人類獲得的最深遠的宇宙影像。照片中顯示的是130多億年前的宇宙，其中有近10000個星系，年齡在4~8億年間。 ^[23] 

參見詞條：引力透鏡、哈勃深場、暗物質、暗能量

星系主要分成三類：橢圓星系、螺旋星系和不規則星系。 ^{[14]  [24]} 

根據哈勃星系分類法，E表示橢圓星系，S是螺旋星系，SB是棒旋星系，S0是透鏡星系。 ^[14] 

哈勃根據橢圓星系橢率的估計進行分類，從E0，接近圓形的星系，到E7，非常瘦長的星系。這些星系，不論視線的角度是如何，都有着橢圓形的外觀。它們看似沒有任何的結構，而且相對來説星際物質的成分也很少。通常這些星系會有少量的疏散星團和少量新形成的恆星，更多的的是老年的，與以各種不同方向環繞星系的中心旋轉的已經成熟的恆星為主。它們的一些性質類似較小的的球狀星團。 ^[25] 

大部分的星系都是橢圓星系，許多橢圓星系是經由星系的交互作用，碰撞或是合併形成的。巨大的橢圓星系經常出現在星系羣的中心區域。星爆星系是星系碰撞後的結果，有可能導致巨大橢圓星系的形成。

E6型NGC205，位於仙女座；

E0型NGC4552，位於室女座；

E1型NGC4486，位於室女座；

E4型NGC4479，位於室女座；

E7型NGC3115，位於六分儀座。

漩渦星系(Spiral Galaxy, S-type Galaxy)具有旋渦結構的河外星系稱為旋渦星系，在哈勃的星系分類中用S代表。螺旋星系的螺旋形狀，最早是在1845年觀測獵犬座星系M51時發現的。螺旋星系的中心區域為透鏡狀，周圍圍繞着扁平的圓盤。從隆起的核球兩端延伸出若干條螺線狀旋臂，疊加在星系盤上。螺旋星系可分為正常漩渦星系和棒旋星系兩種。正常漩渦星系又分為 a、b、c三種次型：Sa型中心區大，稀疏地分佈着緊捲旋臂；Sb型中心區較小，旋臂較大並較開展；Sc型中心區為小亮核，旋臂大而鬆弛。除了旋臂上集聚高光度O、B型星、超巨星、電離氫區外，同時還有大量的塵埃和氣體分佈在星系盤上。從側面看在主平面上呈現為一條窄的塵埃帶，有明顯的消光現象。

在漩渦星系，螺旋臂的形狀近似對數螺線，在理論上顯示這是大量恆星一致轉動造成的一種干擾模式。 ^[26]  像恆星一樣，螺旋臂也繞着中心旋轉，但是旋轉的角速度並不是常數，這意味着恆星會穿越過螺旋臂，螺旋臂則是高密度區或是密度波。 ^[27]  當恆星進入螺旋臂，他們會減速，因而創造出更高的密度。螺旋臂能被看見，是因為高密度促使恆星在此處誕生，因而螺旋臂上有許多明亮和年輕的恆星。 ^[28] 

漩渦星系通常有一個籠罩整體的、結構稀疏的暈，叫做星系暈。其中主要是星族Ⅱ天體，典型代表是球狀星團。一箇中等質量的漩渦星系往往有100~300個球狀星團，它們隨機地散佈在星系盤周圍空間。再往外可能還有更稀疏的氣體球，稱為星系暈。漩渦星系的質量為十億到一萬億個太陽質量，對應的光度是絕對星等-15~-21等。直徑範圍是5~50Kpc。Sa型星系的總光譜型為K，Sb型為F~K, Sc型為A~F。產生總光譜的主要天體既有高光度早型星，又有高光度晚型星。星族Ⅰ天體組成星系盤和旋臂，星族Ⅱ天體主要構成星系核、星系暈和星系冕。 ^[25] 

一些漩渦星系如下：

Sa型NGC3623，位於獅子座；

Sb型NGC3627，位於獅子座；

SBb型NGC3351，位於獅子座；

SBc型NGC3992，位於大熊座。

棒旋星系的一些例子。(3張)

棒旋星系(Barred Sprial Galaxy, SB-type Galaxy)是中心呈長棒形狀的漩渦形星系。棒旋形星系的中心是棒形狀，棒的兩邊有旋形的臂向外伸展。大約三分之二的漩渦星系是棒旋星系。棒通常會影響在棒旋星系裏的恆星與星際氣體的運動，它也會影響旋臂。棒旋星系的旋臂則看似由短棒的末端湧現。而在普通的螺旋星系，恆星都是由核心直接湧出的；在星系分類法以符號SB表示。 ^[25] 

銀河系是一個有巨大星系盤的棒旋星系，直徑大約三萬秒差距或是十萬光年，厚度則約為三千光年；擁有約三千億顆恆星。

SBc型M58，位於室女座；

SBb型M91，位於后髮座；

SBb型M95，位於獅子座。

大麥哲倫星系和小麥哲倫星系。(2張)

矮星系是由數十億顆恆星組成的比較小的星系。許多矮星系可能都會環繞着單獨的大星系運轉，銀河系至少就有一些這樣的矮星系。在本星系羣也有許多的矮星系：這些小星系多數都以軌道環繞着大星系，像是銀河系、仙女座星系、和三角座星系。

大麥哲倫星系，位於劍魚座與山案座交界處；

小麥哲倫星系，位於杜鵑座；

寶瓶座矮星系，位於寶瓶座。 ^[29] 

有部分星系被分類為活躍星系。它們中心通常有一個超大質量黑洞，其輻射的巨大能量被認為是物質掉落入黑洞所產生的。

以X射線的形式，輻射出高能量的星系被分類為賽弗特星系 ^[30]  、類星體、或蠍虎座BL類星體 ^[31]  。從由核心噴發出的相對噴流發射出無線電頻率的活躍星系被分類為無線電星系。在統一場論的星系模型中，這些不同類的星系被解釋為從不同角度觀察所得到的結果。 ^[32-36] 

參見詞條：活動星系核

不規則星系(Irregular Galaxy, Irr-type Galaxy) 外形不規則，沒有明顯的核和旋臂。它們用字母Irr表示。在全天最亮星系中，不規則星系只佔5%。按星系分類法，不規則星系分為Irr I型和Irr II型兩類。I型的是典型的不規則星系，除具有上述的一般特徵外，有的還有隱約可見不甚規則的棒狀結構。它們質量為太陽的一億倍到十億倍，也有可高達100億倍太陽質量的。它們的體積較小，長徑的幅度為2~9千秒差距。Irr I的星族成分和Sc型螺旋星系相似，通常是O-B型星、電離氫區、氣體和塵埃等年輕的星族I天體。Irr II型的具有無定型的外貌，分辨不出恆星和星團等組成成分，而且往往有明顯的塵埃帶。一部分II型不規則星系可能是正在爆發或爆發後的星系，另一些則是受伴星系的引力擾動而扭曲了的星系。所以I型和II型不規則星系的起源可能完全不同。 ^[37] 

按照星系之間是否有隸屬關係，將宇宙中的星系劃分為獨立星系和從屬星系。在宇宙空間中獨立運行，它沒有環繞中心體旋轉，這樣的星系叫做獨立星系。而環繞中心體運行的星系如太陽系繞銀心運轉，地月星系繞太陽運轉，這樣的星系叫做從屬星系。

按照中心星是否旋轉，劃分為核旋轉星系和核不旋轉星系。在宇宙中獨立星系它的核有的旋轉有的不旋轉。而從屬星系它的核都是旋轉的。

按照星系所在的空間位置，劃分為系內星系和宇宙星系。凡是在星系內運動的星系叫做系內星系；凡是在星系外宇宙空間裏獨立運動的星系叫做宇宙星系。

按照星系形成的年齡，劃分為年老星系和年輕星系。凡是那些在宇宙空間中或在星系內部形成時間比較長年齡大的星系叫做年老星系，年老的星系大都已演化成為比較規則的星系；在宇宙空間或在星系內部有的星系剛剛形成或形成不久，這樣的星系叫做年輕的星系，年輕的星系大都呈不規則狀態。

按照星系中星球的關係，劃分為中心式星系和伴星式星系。由眾小質量星球繞大質量星球運動所組成的星系叫做中心式星系，如太陽系、銀河系等；由兩顆星球互繞二者中心質點運動所組成的星系叫做伴星式星系，如地球和月亮所組成的地月星系。

還有一些星系分類方法：德沃古勒分類系統、葉凱士分類系統和範登伯分類系統是在哈勃分類法的基礎上進行了發展和細化，利用了光的中心聚集度或光度級等作為星系形態分類的參數。有一些學者提出了非模型化分類系統，給出了若干個可以直接測量星系形態的結構參數,如：聚集度指數C、非對稱指數A、簇聚指數S、基尼係數G及矩指數M₂₀。這些參數可以反映星系的形成歷史、恆星形成、與其他星系的相互作用、已經發生或正在進行的併合活動等。 ^[38] 

銀河系，是一個包含太陽系的棒旋星系。 ^[39]  直徑介於100,000光年至180,000光年。大約擁有1,000億至4,000億顆恆星，並可能有1,000億顆行星。太陽系距離銀河中心約2.8萬光年，在有着濃密氣體和塵埃，被稱為獵户臂的螺旋臂的內側邊緣。在太陽的位置，公轉週期大約是2億7,000萬年。 ^[40]  從地球看，因為是從盤狀結構的內部向外觀看，因此銀河系呈現在天球上環繞一圈的帶狀。 ^{[39]  [41]  [42]} 

銀河系有幾個衞星星系，它們都是本星系羣的成員 ^[7]  ，並且是室女超星系團的一部分；而它又是組成拉尼亞凱亞超星系團的一部分。整個銀河系對銀河系外的參考座標系以大約每秒600公里的速度在移動。

銀河系是由被氣體、塵埃和恆星組成的盤面，環繞着中央的棒狀核心區組成的星系。銀河系的質量分佈與哈勃星系分類的Sbc型極為相似，顯示這是一個螺旋臂結構相對鬆散的棒旋星系。在1990年代，天文學家開始懷疑銀河系是棒旋星系而不是一個普通的旋渦星系。他們的懷疑在2005年被斯皮策空間望遠鏡的觀測證實，這表明銀河系中心的棒比之前預想的還大。 ^[43] 

銀河系是本星系羣第二大的星系，恆星盤面的直徑大約100,000光年，平均厚度大約1,000光年。盪漾在銀河平坦的盤面上下方，像環狀細絲包圍環繞着銀河系的恆星，可能都屬於銀河系的本身。如果是這樣，這意味着銀河系的直徑在 150,000～180,000光年。 ^[44] 

參見詞條：銀河系

20世紀20年代，美國天文學家哈勃在仙女座大星雲中發現了一種叫作“造父變星”的天體，從而計算出星雲的距離，終於肯定它是銀河系以外的天體系統，稱它們為“河外星系”。河外星系，是位於銀河系之外、由幾十億至幾千億顆恆星、星雲和星際物質組成的天體系統。之所以稱之為河外星系，是因為他們全部都存在於銀河系之外，即所有銀河系之外的所有天體系統被稱為河外星系。而銀河系與河外星系即組成了天文學對於天體的最高稱——總星系。而銀河系也只是總星系中的一個普通星系。人類估計河外星系包含的天體及天體系統總數在萬億個以上，它們如同遼闊海洋中的島嶼，故也被稱為"宇宙島"。

關於河外星系的發現過程可以追溯到兩百多年前。在當時法國天文學家梅西耶( Messier Charles ) 為星雲編制的星表中，編號為M31的星雲在天文學史上有着重要的地位。初冬的夜晚，熟悉星空的人可以在仙女座內用肉眼找到它——一個模糊的斑點，俗稱仙女座大星雲。

從1885年起，人們就在仙女座大星雲裏陸陸續續地發現了許多新星，從而推斷出仙女座星雲不是一團通常的、被動地反射光線的塵埃氣體雲，而一定是由許許多多恆星構成的系統，而且恆星的數目一定極大，這樣才有可能在它們中間出現那麼多的變星。如果假設這些變星最亮時候的亮度和在銀河系中找到的其它變星的亮度是一樣的，那麼就可以大致推斷出仙女座大星雲離地球十分遙遠，遠遠超出了已知的銀河系的範圍。但是由於用變星來測定的距離並不是很可靠，因此也引起了爭議。

直到1924年，美國天文學家哈勃用當時世界上最大的2.4米口徑的望遠鏡在仙女座大星雲的邊緣找到了被稱為"量天尺"的造父變星，利用造父變星的光變週期和光度的對應關係才定出仙女座星雲的準確距離，證明它確實是在銀河系之外，也像銀河系一樣，是一個巨大、獨立的恆星集團。

從河外星系的發現，可以反觀銀河系：它僅僅是一個普通的星系，是萬億星系家族中的一員，是宇宙海洋中的一個小島，是無限宇宙中很小很小的一部分。 ^[45] 

參見詞條：河外星系、造父變星

2012年1月，由美國科學家牽頭的一個國際天文學研究小組也曾在英國《自然》雜誌上宣佈，利用哈勃太空望遠鏡發現了最古老星系，它誕生於宇宙大爆炸最初的4.8億年，而新發現的古老星系則誕生於宇宙大爆炸最初的2億年，比前者年長2.8億年。這一星系是由法國里昂大學裏昂天文台約翰·理查德領導的研究小組發現的，他們利用美國哈勃太空望遠鏡和斯皮策太空望遠鏡發現了該星系，然後利用美國夏威夷凱克天文台的儀器測定了它距地球的距離為128億光年，這説明該星系至少誕生於128億年前。對該星系光譜的進一步研究顯示，該星系中最早的恆星已有7.5億年曆史，研究人員因此斷定該星系誕生於135.5億年前。這一成果發表在英國《皇家天文學會月刊》上。 ^[46] 

倫敦學院大學尼古拉斯·拉波爾率領的研究小組在近期的《天體物理學雜誌》上發表論文稱，他們捕捉到了132億年前的星系A2744_YD4的形狀，這是至2020年為止發現的最遠天體。這一成果也意味着，天文學家獲得了研究宇宙最初星系中星體誕生的重要線索。

研究小組利用設在智利的高感度阿爾瑪天文望遠鏡，發現了A2744_YD4星系的塵埃和氧發出的電波，經過詳細分析，計算出該星系距地球為132億光年。根據檢測出的塵埃總量和天體誕生的情形分析，認為該星系134億年前造星運動活躍。研究小組使用歐洲南方天文台的大型光學紅外望遠鏡也確認了相同結果。

根據觀測結果，研究小組計算出A2744_YD4的塵埃總量約為太陽的600萬倍，星球總質量為太陽的20億倍。同時發現，該星系每年有相當於20個太陽大小的氣體團形成星球。這意味着，A2744_YD4的行星誕生比銀河系活躍10倍。 ^[47]