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螺旋星系(Spiral Galaxy)是由大量氣體、塵埃和又熱又亮的恆星所形成,有旋臂結構的扁平狀星系。螺旋星系屬於河外星系,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。

1 螺旋星系 -特徵

螺旋星系螺旋星系

螺旋星系的星系盤外通常會有龐大的球形星系暈包圍著,其中主要的成員是年老的第二星族恆星,也有許多被聚集在環繞著星系核的球狀星團內。

螺旋星系(Spiral Galaxy)有下列結構特徵:

1.有相當大的總角動量

2.中心有核球的結構,被周圍的星系盤環繞著。

3.核球類似橢圓星系,有許多老年屬於第二星族的恆星,並且通常會有超重黑洞隱藏在中心。

4.星系盤是扁平的,伴隨著星際物質、年輕的第一星族恆星、和疏散星團,共同繞著核球旋轉。 

2 螺旋星系 -發現

具有螺旋結構的河外星系,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,周圍圍繞著扁平的圓盤.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。

3 螺旋星系 -結構

螺旋星系螺旋星系
螺旋臂

螺旋臂是由星系的核心延伸出來的漩渦和短棒組成的區域。這些長且薄的區域類似漩渦,此種星系也因此而得名。

螺旋臂的存在曾經令科學家大惑不解,因為在星系旋轉時,星系最外圍(邊緣)的恆星運動得比接近中心的恆星更快。事實上,螺旋臂並不是恆星運動造成的結果,但是密度波會導致恆星形成。因此,螺旋臂因為有年輕的恆星而顯得明亮,不是因為恆星的運動造成螺旋臂。

星系核球

核球是巨大的,由恆星緊緊的包裹而成的集團,普遍的存在於絕大多數螺旋星系的中心。

螺旋星系的核球通常由第二星族的恆星組成,又小、又紅也較老。這是因為這些恆星全都是與星系同時誕生的,都已經有數十億的年齡,只有小的紅色星能活的如此久。

一些核球有第一星族的恆星,藍色、年輕的恆星,或是兩者混合在一起,雖然離完全了解還有很長的距離,通常都認為這是與其他星系產生交互作用的證明,例如星系吞噬,將新的氣體送到中心並且造成恆星的形成。

核球有些特性與橢圓星系相似(縮減至較低的質量和光度)。

星系的扁球體

螺旋星系中大多數的恆星,不是緊挨著星系盤唯一的平面,就是圍繞著星系的核心(核球)在常規的軌道上運行,再不就是聚在扁球體的星系扁球體繞著星系核心轉。

然而,這些形成的扁球暈或星系扁球體,都朝向星系的中心集中。對這些星群的軌道仍有爭議,他們的方向有順行也有逆行,或許併合著高傾斜角的軌道,或再不規則的軌道上運行,不一而足。暈中的恆星或許是來自外面的,或是因為星系吞噬而來自其他的星系。例如,人馬座矮橢球星系是銀河系正在進行星系吞噬的對象,觀測顯示銀暈中的一些恆星就來自這個星系的扁球體。

不同於星系盤,星系暈中的星際塵埃似乎是自由的,進一步的比對,暈中的恆星都是第二星族的,金屬含量也遠比在星系盤中的第一星族的低(比較像核球的)。星系暈中也有許多的球狀星團。

暈中的星在運行中偶爾也會穿越過星系盤,一些在太陽附近的紅矮星就被認為是屬於星系暈的成員,例如卡普坦星和Groombridge 1830。由於他們環繞星系中心的運動是不規則的,這些恆星經常會呈現出異常的自行現象。

4 螺旋星系 -分類

螺旋星系螺旋星系

螺旋星系可分為正常漩渦星系和棒旋星系兩種。按哈勃分類,正常漩渦星系又分為 a、b、c三種次型:Sa型中心區大,稀疏地分佈著緊卷旋臂;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。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,其典型代表是球狀星團。一個中等質量的漩渦星系往往有100-300個球狀星團。隨機地散布在星系盤周圍空間。在往外,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5~50千秒差距。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。

人類的星系——銀河系,長久以來都被認為是旋渦星系,以哈柏分類法歸類為Sbc,但來自史匹哲太空望遠鏡的觀測卻顯示應該是棒旋星系,重新分類為SBb。

5 螺旋星系 -演化

螺旋結構起源
螺旋星系旋渦星系的螺旋臂解釋圖

林達博是研究螺旋臂形成的先驅,他意識到恆星要恆久保持螺旋臂的形狀會遭遇到"纏繞困境"而難以維持住,因為星系盤中天體的環繞速度會隨著至中心的距離而變化,一條向外輻射出的臂(像車輪的輻條)很快就會因為星系的自轉彎成弧線。星系只要自轉幾周之後,螺旋臂的曲率就會增加至緊緊纏繞著星系的核球。但觀測到的卻不是如此。

第一個令人可以接受的理論是林家翹與徐遐生兩人在1964年發明的,他們建議螺旋臂只是螺旋密度波的顯示。他們假設恆星在細長的橢圓軌道上並且原來的軌道方向是互有關聯的,也就是說,橢圓以很平順的方式隨著與核心距離的增加逐漸改變了他們的方向。這就是圖中所說明的,很清楚的觀察到橢圓軌道在某些區域緊密結合在一起的」現象」就是螺旋臂。因此恆星並不是永遠保持在我們現在所看見的位置,他們只是在軌道上移動時經過螺旋臂。
二擇一的另一個被推薦的假說是星系的運動造成恆星陷入波浪中,因為形成時最亮的恆星也會最快死亡,便會在波的後方形成黑暗的區域,因而使得波被看見。

演進
螺旋星系螺旋星系演化示意圖

天文學家根據美國宇航局「哈勃」太空望遠鏡的觀測數據研究發現,太空中美麗的螺旋星系曾經都是「醜小鴨」。天文學家認為,在宇宙的早期,螺旋星系並不是如今的模樣,而是呈現一些奇怪的、畸形的外觀,後來才慢慢演化成現在的螺旋形狀。 

近一半的螺旋星系,包括銀河系,它們在60億年前呈現出一些非常奇怪的形狀。天文學家認為,這些奇怪的星系應該是通過碰撞和合併等過程形成螺旋星系的。儘管通常認為星系合併事件在80億年前就已經開始大幅減少,但是研究表明,在那之後星系合併事件發生頻率仍然很高,並一直持續到40億年前。

此外,還有一種被廣泛認同的觀點就是,星系合併會形成橢圓星系。但是,恰恰與這種觀點相反,有科學研究團隊支持另一種想定,那就是宇宙碰撞會形成螺旋星系。在研究團隊於《天文學和天體物理學》雜誌上發表的另一篇研究論文中,天文學家提出了「螺旋再造」的假設。這種假設認為,那些受到富含氣體的合併者影響的奇怪星系會慢慢再生為一種巨型螺旋。 

儘管銀河系也是一個螺旋星系,但是它似乎少了些戲劇性變化過程。它的形成歷史相對平靜,而且在最近一段天文時期內避開了許多劇烈的碰撞。然而,巨大的仙女座星系則沒有這麼幸運,它非常符合這種「螺旋再造」的假設。

6 螺旋星系 -代表星系

三角座星系(M33)
螺旋星系三角座星系

三角座星系(也稱為M 33或NGC 598)是位於三角座的一個螺旋星系,距離大約314萬光年。三角座星系在本星系群中是第三大的星系,比鄰近的仙女座星系和我們的銀河系略小一些,並可能受到仙女座星系的重力約束,但在宇宙中仍可算是一個大的螺旋星系。雙魚座矮星系 (LGS 3),是本地群中的成員之一,可能是三角座星系的衛星星系。 

渦狀星系(M51)

渦狀星系(Whirlpool Galaxy),又叫做M51或是NGC5194,位在天空北方的獵犬座(Canes Venaciti),長度約有六萬五千光年,距離地球二千三百萬光年。

螺旋星系渦狀星系

渦狀星系是由查爾斯·梅西耶於1773年10月13日發現的。其伴星系NGC 5159則由皮埃爾·梅香於1781年發現。直至1845年之前,它是第一個被發現的旋渦星系,而發現它是漩渦狀的是威廉·帕森思,他透過一座建於愛爾蘭比爾城堡的72吋反射望遠鏡而得出此觀察結果。在2005年,人們觀察到渦狀星系內的一顆超新星SN 2005cs,其最高亮度達14等。有時候,M51是指渦狀星系及其伴星系,如果要作出區分的話,則會將渦M51分為M51A(NGC 5194)及M51B(NGC 5195)。

仙女座星系(M31)

仙女座星系 (Andromeda Galaxy,也稱為梅西爾31、M31或NGC 224,早期的文件中曾經稱為仙女座星雲)是一個螺旋星系,距離大約250萬光年,位於仙女座的方向上,是人類肉眼可見(3.5等星)最遠的深空天體。 仙女座星系被相信是本星系群中最大的星系,本星系群的成員有仙女星系、銀河系、三角座星系,還有大約50個小星系。但根據改進的測量技術和最近研究的數據結果,科學家現在相信銀河系有許多的暗物質,並且可能是在這個集團中質量最大的。然而,史匹哲太空望遠鏡最近的觀測顯示仙女座星系有將近一兆(1012)顆恆星,數量遠比我們的銀河係為多。在2006年重新估計銀河系的質量大約是仙女座星系的50%,大約是7.1×1011M☉。

螺旋星系仙女座星系
向日葵星系

向日葵星系(也稱為M63、NGC 5055)是位於獵犬座,屬於M51星系群的一個螺旋星系。這個星系群還有M51。

向日葵星系是在1779年6月14日被梅香發現的,並被梅西爾收錄為梅西爾天體,編號是M63。在19世紀中葉,羅素爵士確認這是一個有螺旋構造的星系,使它成為第一個結構被確認的星系。

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