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仙女座星系(M31),又稱仙女座大星雲,距地球約220萬光年,和銀河系同為本星系群的主要成員。它的直徑達16萬光年,質量不小於3.1*10^11(^表示乘方運算)個太陽質量,含有2億顆以上的恆星,是本星系群中最大的一個。

1 仙女星系 -簡介

仙女星系仙女星系

仙女星系位於仙女座,最佳觀測季節為秋季,天球坐標為赤經0h41MO,赤緯41°00',視星等Mv=3.5等,是全天最亮的旋渦星系,也是肉眼可見的最遠天體。 仙女座星系(M31),又稱仙女座大星雲,距地球約220萬光年,和銀河系同為本星系群的主要成員。它的直徑達16萬光年,質量不小於3.1*10^11(^表示乘方運算)個太陽質量,含有2億顆以上的恆星,是本星系群中最大的一個。

肉眼看仙女座星系,呈暗弱而模糊的橢圓光斑,用小型天文望遠鏡可以看到包括一個大星雲和至少兩條塵埃帶的結構,且越靠近核心部分將越明亮。這個核心不大,用大型的望遠鏡才能分辨出其中的恆星,否則看上去像一顆恆星,它有很強的紅外輻射。用小型望遠鏡還可以在仙女星系的兩側看到兩個矮橢星系——「仙女座的衛星」,它們分別為E2型的M32(NGC221)和E5型的M110(NGC205),而仙女星系屬於中心區較小,旋臂較大且伸展的Sb型旋渦星系。

仙女座星系在適度黑暗的天空環境下很容易用肉眼看見,但是如此的天空僅存在於小鎮、被隔絕的區域、和離人口集中區域很遠的地方,只受到輕度光污染的環境下。肉眼看見的仙女座星系非常小,因為它只有中心一小塊的區域有足夠的亮度,但是這個星系完整的角直徑有滿月的七倍大。

據英國《衛報》報道,由美國和德國科學家組成的研究小組稱,銀河系的質量比先前預計的要大50%,旋轉速度也要更快,這意味著銀河系對其他星系的引力也更大,因而銀河系與包括仙女星系在內的其他星系相撞時間可能比科學家所預計的更早。

2 仙女星系 -觀測簡史

仙女星系仙女星系

最早的仙女座星系觀測紀錄可能出自波斯的天文學家阿爾蘇飛,他描述它是「小雲」,星圖上的標記在那個時代也是小雲。第一個以望遠鏡進行觀測和記錄是西門•馬里烏斯,時為1612年。在1764年梅西爾將他編目為M31,並不正確地相信西門•馬里烏斯為發現者,卻未察覺蘇菲(Al Sufi)在更加早期的工作。在1785年,天文學家威廉•赫歇爾注意到在星系的核心區域有偏紅色的雜色,使他相信這是所有星雲中最靠近的「大星雲」,並依據星雲的顏色和亮度估計(並不正確)距離應在天狼星的2,000倍之內。

威廉•哈金斯在1864年觀察仙女座星系的光譜,注意到與氣體星雲不同。仙女座星系的光譜是在頻率上連續的連續光譜上疊加上了暗線,很像是單獨的一顆恆星,因此他推論仙女座星系具有恆星的本質。在1885年,一顆超新星出現在仙女座星系(現在知道是仙女座S),這是第一次看見如此遙遠星系中的恆星。在當時,他的亮度被低估了,只被認為是一顆新星,因此稱為1885新星。

這個星系的第一張照片是以撒•羅伯斯於1887年在他坐落在英國索賽克斯郡的私人天文台拍攝的。長時間的曝光使世人第一次看見她的螺旋結構。 可是,在當時這類被認為星雲的物體,一般都相信是在我們銀河系內的天體,羅伯茨也錯誤的相信M31和類似的螺旋星雲實際上都是正在形成的太陽系、衛星和誕生中的行星。M31相對於太陽系的徑向速度在1912年被史力佛(Vesto Melvin Slipher)在羅威爾天文台使用光譜儀測量出來。相對於太陽系的速度是每秒300公里(186英里/秒),這結果是當時最快的速度記錄。

島宇宙
在1917年,希伯•柯蒂斯觀測到M31內的一顆新星,搜尋照相的記錄又找到了11顆。柯蒂斯注意到這些新星的平均光度約為10等,遠低於發生在銀河系內的星等。這一結果使估計的距離提高至500,000光年,也是他成為"島宇宙"假說的擁護者。此一假說認為螺旋星雲也是獨立的星系。

在1920年,發生了哈洛•夏普利和希伯•柯蒂斯之間的大辯論,就銀河系、螺旋星雲、和宇宙的尺度進行辯論。為了支持他所聲稱的M31是外在的星系,柯蒂斯提出我們自己的銀河系也有塵埃雲造成類似的黑色小道,並且有明顯的多普勒位移。

1925年,當哈柏第一次在星系的照片上辨認出了銀河系外的造父變星之後,辯論便平息了。這些使用2.5米(100 英吋.)反射鏡拍攝的照片,使M31的距離得以被確認。他的測量決定性的證實這些恆星和氣體不在我們的銀河系之內,而整體都是離我們銀河系有極大距離的一個星系。

這個星系在星系的研究中扮演著一個重要的角色,因為它雖然不是最近的星系,卻是距離最近的一個巨大螺旋星系。在1943年,沃爾特•巴德是第一位將仙女座星系核心區域的恆星解析出來的人,基於他對這個星系的觀測,他分辨出兩種不同星族的恆星,他稱呼在星系盤中年輕的、高速運動的恆星為第一星族,在核球年老的、偏紅色的是第二星族,這個命名的原則隨後也被引用在我們的銀河系內,以及其他的各種場合。(恆星分為二個星族的現象歐特在此之前就注意到了。)巴德博士也發現造父變星有兩種不同的型態,使得對M31的距離估計又增加了一倍,也對其餘的宇宙產生影響。

仙女座星系的第一張無線電圖是在1950年代由約翰•鮑德溫 和劍橋無線電天文小組合作共同完成的。在2C無線電天文目錄上,仙女座星系的核心被編目為2C 56。

3 仙女星系 -其成因

仙女星系仙女星系

中法研究人員揭示仙女座星系成因   
法國國家科研中心2010年11月22日發表公報說,該機構與巴黎天文台以及中國科學院國家天文台合作,用數字模擬技術對本星系群的仙女座星系和麥哲倫星雲成因進行了研究。他們認為,仙女座星系很可能由兩個星系在數十億年前發生劇烈撞擊后形成。

公報說,本星系群包括40多個星系,其中最大的兩個成員星系就是仙女座星系和銀河系。如果說後者的成因至今仍是一個謎團,那麼前者的形成過程在天文學界形成了比較一致的認識,即仙女座星系是由兩個星系經過撞擊、融合后形成。中法兩國研究人員模擬再現了該星系的特性以及演變過程,並據此推測,在發生撞擊的兩個星系中,一個應該比銀河系略大,另一個則比銀河系小了3倍。它們在宇宙中的首次「相遇」大約在90億年前,並最終在55億年前融為一體。

研究人員認為,上述兩個星系發生撞擊之猛烈在本星系群的歷史上都屬罕見,以至於剩下的物質不停轉動,最終形成了仙女座星系這個巨型圓盤。

研究人員還對麥哲倫星雲的形成過程進行了探索。大小麥哲倫星雲是離銀河系最近的星系之一。研究人員認為,在仙女座星系形成過程中還有一部分物質被噴射出來,形成了大小麥哲倫星雲,它們的成分中氣體含量豐富,屬於不規則星系。

該研究成果將於近期發表在美國《天體物理學雜誌》季刊上。研究人員認為,它將幫助人們更好地認識銀河系。

4 仙女星系 -其結構

NASA公布的仙女星系的圖像,左邊是R·Gendler使用地面望遠鏡拍攝的仙女星系的照片;右上是哈勃空間望遠鏡拍攝的仙女星系核心處的照片,顯示出那裡有兩個核;右下是仙女星系核心處兩顆恆星的示意圖。NASA公布的仙女星系的圖像,左邊是R·Gendler使用地面望遠鏡拍攝的仙女星系的照片;右上是哈勃空間望遠鏡拍攝的仙女星系核心處的照片,顯示出那裡有兩個核;右下是仙女星系核心處兩顆恆星的示意圖。

以可見光下看見的形狀為依據,仙女座星系在de Vaucouleurs-Sandage延伸與擴張的分類系統下被分類為SA(s)b的螺旋星系。然而,在2MASS巡天的資料中,M31的核球呈現箱狀的形狀,這暗示著M31實際上是棒旋星系,而我們幾乎是正對著長軸的方向觀察這個星系。仙女座星系也是一個LINRER星系(低遊離核輻射線區),在分類上是一種很普通的活躍星系核。

在2005年,天文學家使用凱克望遠鏡觀察到細微的像被噴洒而向外延伸的恆星,實際上也是主星盤本體的一部分。這意味著仙女座星系的螺旋盤面比早先估計的大三倍。這個證據顯示仙女座星系盤的直徑超過220,000光年,是一張巨大且延展的星盤。早先估計的直徑是70,000至120,000光年。

星系相對於地球的傾斜估計是77°(90°是直接從側面觀看),分析星系橫斷面的形狀像是字母S的形狀,而不是一個平坦的平面。造成這種形狀翹曲的一個可能是與鄰近M31的衛星星系引力的交互作用。 分光鏡的觀測對星系的自轉速度在距離核心不同的半徑上提供了詳細的測量。在鄰近核心的地區,旋轉的速度達到225公里/秒(140英哩/秒)的峰值。

在半徑1,300光年處開始下降,在7,000光年處達到最低的50公里/秒(31英哩/秒)。然後,速度在平穩得上升,在半徑33,000光年的距離上達到的豐值是250公里/秒(155英哩/秒)。在這距離之外的速度又慢慢的下降,在80,000光年處降至200公里/秒(124英哩/秒)。這些速度的測量暗示集中在核心的質量大約是6 × 109 M☉,總質量成線性的增加至半徑45,000光年處,然後隨半徑的增加而逐漸減緩。

仙女座星系的螺旋臂向外延伸出一連串的遊離氫區,巴德描述成「一串珍珠」。它們看似緊緊的纏繞著,但在我們的銀河系卻是被遠遠的分隔著。矯正過的星系圖很明確的顯示有順時針方向旋轉的螺旋臂纏繞在螺旋星系內。從距離核心大約1,600光年處有兩條連續的螺旋臂向外拖曳著,彼此間最近的距離大約是13,000光年。螺旋的樣式很可能肇因於與M32的交互作用。這些置換可以由來自於恆星的中性氫雲觀察到。

在1998年,來自歐洲空間局的紅外線太空天文台的影像顯示出仙女座星系的整體形象可能是會被轉換成圓環星系。在仙女座星系內的氣體含塵埃形成了幾個重疊的圓環,其中最突出的一個圓環在距離核心32,000光年的半徑上。這個環由冰冷的塵土組成,因此在可見光的影像中這個環是看不見。

更周詳的觀察顯示內部還有更小的塵埃環,相信是在200萬年前與M32的交互作用造成的。模擬顯示,這個較小的星系沿著現在的極軸方向穿越了仙女座星系的盤面。這次碰撞從較小的M32剝離了超過一半的質量,並且創造了仙女座星系內的環結構。

對M31擴展開來的暈的研究顯示,大致上是可以和銀河系做比較的,在允中的恆星同樣是屬於金屬貧乏的,並且隨著距離的增加更形貧乏。這些證據顯示這兩個星系走著相似的演化路線,在過去的120億年中,它們可能各自都吞噬了1-2百個低質量的星系。在M31擴展的暈中的恆星和銀河系中的恆星可能近到只有兩星系間1⁄3的距離。

5 仙女星系 -外形特點

仙女星系位於仙女座星系中的黑洞照片

使用歐洲空間局的XMM-牛頓軌道天文台發現M31有數個X射線源。羅賓·巴納德博士等人假設這些都是黑洞或中子星的候選者,將接踵而至的氣體加熱至數千萬K所輻射出的X射線。中子星和假設中的黑洞,光譜是一樣的,但是可以從質量上的差異區別出來。

仙女座星系大約有460個球狀星團,這些星團中質量最大的,被命名為梅歐II的,綽號是G1(Gloup one),是本星系群中最明亮的球狀星團之一。它擁有數百萬顆的恆星,亮度大約是半人馬座ω-銀河系內所知最明亮的球狀星團的兩倍。 G1有幾種不同的星族,而且以一般的球狀星團來看結構也太巨大了。因此,有些人認為G1是以前被M31吞噬的矮星系殘骸。另一個巨大且明顯的球狀星團是位於西南旋臂東側一半位置上的G76。

長久以來M31就被知道在核心有一個密集和緊湊的星團。在大望遠鏡下,感覺有許多模糊的星點環繞著核心。核心的亮度也遠超過最亮的球狀星團。

在1991年,Tod R. Lauer使用哈柏太空望遠鏡上的WFPC拍到了仙女座星系內核的影像。有兩個相距1.5秒差距的核心,較亮的核被標示為P1,位置偏離了星系的中心;稍暗的標示為P2,位置在星系真正的中心上,被認為是擁有108M☉的黑洞。

隨後地基的觀測也證實了兩個核心的存在,並且推測兩著在相對的移動,其中一個是被M31吞噬,正在潮汐裂解中的小星系。許多星系的核心,包括M31,都是相當狂野的區域,並且經常都以有超重質量黑洞存在其中來解釋。

Scott Tremaine提出了以下的說明來解釋雙核心: P1是在盤面上以異常軌道環繞中心黑洞的恆星投影。這異常的離心率使恆星長期逗留在軌道的遠心點上,造成了恆星的集中。P2也包含了盤面上高熱的、光譜A型恆星。在紅色的濾光鏡下,A型恆星是不明顯的,但是在藍色和紫外線下,它們會比主要的核心更為明亮,造成P2看上去比P1更為突出。

在2005年,天文學家在M31又發現一種全新型態的星團。新發現的星團擁有成千上萬的恆星,在數量上與球狀星團相似。不同的是體積非常龐大,直徑達到數百光年,密度也低了數百倍;恆星之間的距離也遠了許多。

6 仙女星系 -在數量確定方面

仙女星系仙女星系

仙女座星系恆星數量確定約1萬億顆
仙女座星系距離地球約250萬光年,它是距離銀河系最近的大星系之一,是天文學家們研究外太空星系的最好的目標。在晴朗有夜晚,人們用肉眼就可以觀測到它。 

仙女座星系的面積非常廣闊,達26萬光年,銀河系的面積也不過10萬光年而已。從地球上看,仙女座星系占的面積相當於我們看到的七個月亮所佔的面積總和。 

哈佛·史密斯太空研究中心的天文學家波林·巴姆貝(音)稱,「在這個星系中有兩種完全對立的存在,一方面是平靜的古老的星體,另一方面的那些活躍的新星,新星們的活動使該區域內看上去有如紅色的波浪。」巴姆貝和她的同事們一起在第208屆全美天文協會會議上公布了這一研究成果。 

巴姆貝稱,他們利用美國航空航天局的尖頭式太空望遠鏡對仙女座星系進行了紅外線探測,結果發現這個星系中所蘊含的能量相當於40億顆太陽。根據這一測量結果,天文學家們確認在仙女座星系中至少有1萬億顆星球存在,而銀河系中也只有數千億顆星球而已。 

巴姆貝稱:「這是我們第一次確定仙女星座的恆星數量,這一數字與我們預先估計的基本一致。」科學家們在研究過程中還發現在仙女座星系的中心是一個螺旋形的結構,在這一結構中有許多的宇宙灰塵,其亮度也是整個星系中最強的。灰塵的氣體是構成仙女座星系中星體的最主要的成份,其中有許多星體也是以螺旋的方法形成的,包括那些新生的星體。 

來自加利福尼亞州Pasadena的技術研究機構的喬治·海倫(音)稱,「從尖頭式太空望遠鏡獲得的數據中可以看出仙女座星系中許多新星的形成過程及形成的物質種類。這無疑是一個令人振奮的發現。現在我們需要研究的是這些氣體與灰塵是以何種形式被組織在一起的,以及這些新星之間的關係。」 

尖頭式太空望遠鏡自身攜帶的紅外攝像機對仙女座星系進行了拍攝,照片中藍色的是古老的星體,紅色的是新星。

7 仙女星系 -研究進展情況

仙女星系銀河系想象圖
數十億年後才會相撞
研究人員表示,銀河系一旦與其它星系相遇,碰撞時所產生的超大衝擊波將會壓縮星系內部的星際氣體雲團。但幸運的是,這一巨大的災難只會發生於遙遠的未來。德國馬普研究院天文學家卡爾-門特恩解釋說,碰撞將可能發生於數十億年之後,雖然兩者碰撞的時間比科學家所預測的要早得多,但對於人類來說這一時間仍然是屬於遙不可及的未來,不會引起人類的恐慌。

卡爾和他所領導的國際研究團隊利用「甚長基線電波干涉陣列」射電望遠鏡對銀河系進行了精確的測量。銀河系在旋轉的過程中,某些放射無線電波的部分會向地球方向移動。正是基於此現象,科學家們才可以計算出銀河系旋轉的速度。

70億年後銀河系與仙女座星系碰撞
科學家們記錄了來自銀河系4個旋臂所發射出來的無線電波,並根據這些無線電波進行測量。經過測量發現,太陽系會隨著銀河系以大約100萬公里/小時的速度旋轉,比預期中的要快近17萬公里/小時。卡爾認為,「測量結果要求我們必須要重新認識和理解銀河系的結構和運行規律。」太陽系距離銀河系中心大約為2.8萬光年。仙女座星系大約是太陽質量的2700億倍,距離我們太陽系有200多萬光年。銀河系的這種高速旋轉意味著它的質量應該與仙女座星系相當,比以前的預測要重三分之一左右。卡爾研究團隊成員、美國哈佛大學史密森天文物理學中心科學家馬克-里德認為,「從此,我們不再認為銀河系只是仙女座星系的小妹妹。」  

天文學家們認為,這次碰撞將會在未來的70億年之內出現。太陽耗盡最後一絲能量之日,差不多也就是兩個星系的碰撞之時。在發生碰撞時,恆星和行星應該不會發生碰撞。相反,星系碰撞後會相互融合,形成一個新的更大的星系。英國劍橋大學天文研究所格里-吉莫爾介紹說,「兩者會戲劇性攪活、粘合在一起,最後所有恆星都將死亡,新星系變成一個巨大的死亡星系。目前尚不清楚兩者是否會正面相撞。」如果是側向碰撞的話,還將可能會引起進一步的碰撞。整個碰撞過程可能會持續數百萬年時間。根據吉莫爾的說法,這項研究不僅僅提前了銀河系死亡的時間,而且還對暗物質研究提供了新的依據。研究發現,銀河系中心的暗物質比天文學家們早期的預測要冷得多、密得多。

仙女星系赫歇爾望遠鏡拍攝的仙女星系圖像
研究人員們還表示,一旦確定了銀河系旋轉速度,那麼最終控制這一速度的複雜公式便可確定銀河系中所有暗物質的質量。暗物質是我們肉眼所看不到的,但卻是迄今為止宇宙中數量最多的物質。所以,這意味著銀河系的質量是天文學家以前估計的1.5倍。美國加州大學洛杉磯分校天體物理學家馬克-莫里斯說,最新發現意義重大,但並不是有關銀河系大小的最終結論。莫里斯沒有參加雷德的這項研究。體積更大還意味著銀河系和仙女座之間的引力更加強烈。據雷德介紹,天文學家長期預測的銀河系和仙女座星系之間的碰撞可能發生得更早,同時側面碰撞的可能性更小,然而不用擔心,畢竟銀河系與仙女座相撞至少是幾十億之後的事了。

碰撞後人類仍可能存在
如果銀河系果真和其它星系發生碰撞,那時候人類可能會仍然存在,他們將看到一個未來完全不同的天空景象。狹長的銀河系將會消失,取而代之的是一個由數十億顆星球組成的巨大隆起。天文學家們日前繪製了一幅更為詳細的銀河系三維立體圖,發現它的寬度比天文學家以前認為的多15%。更為重要的是,銀河系的密度更大,質量比天文學家以前認為的多50%。天文學家1月5日在加州長灘市舉行的美國天文學會大會上公布了這一最新發現。
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