星系（Galaxy）是由恒星、星际气体、尘埃和暗物质通过引力约束构成的巨大天体系统。星系是宇宙中物质分布的基本单元——它们以孤岛般的结构散布在宇宙空间，从数万光年的矮星系到百万光年的巨椭圆星系，构成了从恒星形成到晚型演化的完整图景。
2016年哈勃太空望远镜的深场观测数据表明，可观测宇宙中至少存在约 2×1012（2万亿）个星系。每个星系的恒星数量跨度极大：
| 星系数 |
典型恒星数 |
典型质量 (M⊙) |
占比 |
| 矮星系 |
107 — 109 |
108 — 1010 |
~70% 数量 |
| 中等星系 |
109 — 1011 |
1010 — 1012 |
~25% |
| 巨星系 |
1011 — 1014 |
1012 — 1014 |
~5% 数量，但质量占比高 |
星系尺度从约 103 光年（矮椭球星系）到 106 光年（巨椭圆星系 cD 型），平均间距约数百万光年。
一个典型旋涡星系的质量分配大约是：
| 成分 |
质量占比 |
说明 |
| 暗物质晕 |
约 85% |
非重子冷暗物质，延伸至可见半径 10 倍 |
| 恒星 |
约 10% |
核球、盘面、晕中的恒星 |
| 星际气体 |
约 4% |
H I 中性氢 + H II 电离区 + 分子云 |
| 尘埃 |
约 0.1% |
消光效应显著 |
| 中心黑洞 |
约 0.01% |
M-sigma 关系链接 |
数值案例：银河系总质量约 1.5×1012M⊙，其中可见质量仅约 2×1011M⊙，暗物质占 ~87%。
埃德温·哈勃在1926年提出的形态分类系统，形如音叉，是星系天文学中最基础的工具：
Elliptical Spiral
────────── ────────
┌─────┐
E0 ── E3 ── E7 ─── S0 ─── ┤ ├── Sa ── Sb ── Sc
└─────┘
│
SBa ── SBb ── SBc
(Barred Spirals)
Irregular ── Irr I / Irr II
按视扁率从 E0（圆形）到 E7（最扁平）：
| 子类 |
扁率 (ϵ=1−b/a) |
典型质量 |
颜色特征 |
星际介质 |
| E0 |
<0.1 |
107−109M⊙（矮） |
红色 |
极贫 |
| E3 |
0.2 - 0.3 |
109−1011M⊙ |
红/黄 |
少量热气体 |
| E5 |
0.4 - 0.5 |
1011−1012M⊙ |
黄红色 |
X-ray 晕 |
| E7 |
0.6 - 0.7 |
1012−1013M⊙（巨） |
红黄色 |
富含 X-ray 气体 |
物理特征：
- 恒星速度分布以随机运动为主，旋转速度远小于速度弥散
- 颜色偏红表明以老年恒星（年龄>109 年）为主，金属丰度 [Fe/H]∼−0.2 到 +0.3
- 几乎无冷气体和尘埃，恒星形成已停止
案例：M87（室女座A） — 典型的巨椭圆星系，质量约 6.6×1012M⊙，视星等 8.6，是室女座星系团中最大的星系，中心有质量约 6.5×109M⊙ 的超大质量黑洞，2019年被事件视界望远镜（EHT）直接成像。
由快速旋转的盘面和中心的核球组成，旋臂分布于盘面中：
| 子类 |
核球相对大小 |
旋臂特征 |
气体含量 |
恒星形成率 (M⊙/yr) |
| Sa |
大（占盘面 30-50%） |
紧裹，光滑 |
低（气体质量比 < 5%） |
0.1−1 |
| Sb |
中等（15-30%） |
较松，可见分叉 |
中（5-15%） |
1−5 |
| Sc |
小（< 15%） |
松散，结节状 |
高（15-30%） |
5−20 |
棒旋星系（Barred Spiral, SB）：约 2/3 的旋涡星系存在中央棒状结构。棒的作用是驱动气体向中心流动，触发核球恒星形成活动。SBa/SBb/SBc 的分类标准同正常旋涡。
关键发现： 银河系被确认为 SBbc 型棒旋星系。2020年 Gaia 卫星数据确认棒的半长轴约 3.5 kpc（约 11,000 光年），以约 40 km/s/kpc 的角速度刚体旋转。
过渡类型——有盘面无旋臂：
- 结构：大核球 + 盘面，无旋臂或极微弱
- 恒星种群：以老年恒星为主，类似椭圆星系
- 形成假说：旋涡星系耗尽/剥离气体后演变成 S0，或在星系团环境中通过冲压剥离（Ram Pressure Stripping）失去气体
无对称结构的小星系：
- Irr I：有不规则旋涡碎片（如大麦哲伦云）
- Irr II：完全无序，常因潮汐扰动形成（如 M82，即雪茄星系）
- 质量范围 107−1010M⊙，富含气体，活跃恒星形成
- 在低红移宇宙中占星系总数约 5%—10%，但在高红移（z>2）可占 30% 以上
| 类型 |
特征 |
典型代表 |
| cD 星系 |
巨椭圆星系，巨大包层（延伸到 1 Mpc） |
M87、IC 1101 |
| 矮椭球（dSph） |
质量极小（107−108M⊙），暗物质占 > 90% |
Fornax dSph |
| 蓝致密矮（BCD） |
小质量，极高比恒星形成率 |
I Zwicky 18 |
| 星暴星系 |
恒星形成率异常高（>100M⊙/yr） |
M82、Arp 220 |
| 环状星系 |
碰撞形成的环状结构 |
车轮星系（Cartwheel） |
| 相互作用星系 |
潮汐相互作用导致的扭曲形态 |
触角星系（Antennae）、鼠星系（Mice） |
典型旋涡星系由以下成分构成，各具不同空间分布和运动学特征：
┌──────────────────┐
│ 暗物质晕 │ ← 最外围，不可见
│ ┌────────────┐ │
│ │ 恒星晕 │ │ ← 球状星团 + 晕族恒星
│ │ ┌────────┐ │ │
│ │ │ 核球 │ │ │ ← 中心密集区
│ │ │ ┌────┐ │ │ │
│ │ │ │ 棒 │ │ │ │ ← ~2/3 有棒
│ │ │ │ │ │ │ │
│ │ │ └────┘ │ │ │
│ │ └────────┘ │ │
│ │ ──────── │ │ ← 盘面（含旋臂）
│ └────────────┘ │
└──────────────────┘
各组分的特征数据（以银河系为参考）：
| 组分 |
半光半径 |
尺度高 |
总质量 (M⊙) |
速度特征 |
年龄 |
| 核球 |
~1 kpc |
~0.5 kpc |
2×1010 |
随机运动为主，σ∼100−150 km/s |
>5 Gyr |
| 棒 |
~3.5 kpc |
~0.3 kpc |
1×1010 |
刚体旋转，Ωb∼40 km/s/kpc |
>3 Gyr |
| 薄盘 |
~3 kpc |
~300 pc |
5×1010 |
旋转支持，vrot∼220 km/s |
0-10 Gyr |
| 厚盘 |
~3 kpc |
~1 kpc |
1×1010 |
旋转 + 随机，σ∼50 km/s |
>8 Gyr |
| 恒星晕 |
~10 kpc |
球形 |
1×109 |
随机运动，σ∼200 km/s |
>11 Gyr |
| 暗物质晕 |
~200 kpc |
球形 |
1×1012 |
各向同性速度分布 |
— |
旋臂不是物质结构，而是密度波——恒星和气体在通过旋臂时短暂聚集：
原理： 盘面上存在一个缓慢旋转的密度波模式，其角速度 Ωp 小于恒星的旋转角速度 Ω(r)。在共转半径（Corotation Radius，Ω(rCR)=Ωp）以内，恒星先于密度波，通过时被"捕获"并压缩。
数值案例： 假设 Ωp=20 km/s/kpc，银河系太阳位置 Ω⊙≈25 km/s/kpc。每年通过旋臂时，太阳和地球间的星际介质密度增加约 2-3 倍，导致气体压缩触发恒星形成。恒星形成速递公式：
ΣSFR=ϵτdynΣgas
其中 ϵ∼0.01 是恒星形成效率，τdyn∼3π/(32Gρ) 为动力学时标。对于密度 n∼100 cm−3 的分子云，τdyn∼5×106 年。
观测事实： 测量星系不同半径处恒星和气体的旋转速度 v(r)（通过 21 cm 中性氢谱线）发现，在可见盘面之外，旋转速度不按开普勒定律下降，而是保持平坦甚至上升。
开普勒预期（仅可见物质）：
vvis(r)=rGMvis(r)∝r−1/2(r>Rdisk)
实际观测：
vobs(r)≈常数(10 kpc<r<100 kpc)
数值案例： NGC 3198 星系的数据：
| 半径 (kpc) |
可见物质贡献 vvis (km/s) |
暗物质贡献 vDM (km/s) |
观测速度 (km/s) |
| 5 |
110 |
40 |
135 |
| 10 |
80 |
70 |
135 |
| 20 |
45 |
100 |
130 |
| 30 |
25 |
110 |
120 |
| 50 |
10 |
115 |
115 |
暗物质晕的密度分布（NFW 轮廓）：
ρDM(r)=(r/rs)(1+r/rs)2ρ0
其中 rs 是标度半径，ρ0 是特征密度。对于银河系大小的晕，rs∼20 kpc，ρ0∼5×10−3M⊙/pc3。
关键意义：旋转曲线是第一手暗物质存在的直接证据，1970年代由维拉·鲁宾（Vera Rubin）系统性地建立。
星系光度函数描述单位体积内各光度星系的数量密度。最常用的形式是 Schechter 函数（1976）：
Φ(L)dL=ϕ∗(L∗L)αe−L/L∗L∗dL
其中：
- ϕ∗ —— 归一化数密度（特征密度）
- L∗ —— 特征光度（膝点）
- α —— 暗端斜率（<0，负值表示暗端更陡）
典型参数（不同波段）：
| 波段 |
ϕ∗ (Mpc−3) |
M∗（绝对星等） |
α |
| B 波段 |
1.6×10−2 |
−19.5 |
−1.07 |
| r 波段 (SDSS) |
1.5×10−2 |
−20.4 |
−1.05 |
| K 波段 |
1.3×10−2 |
−21.7 |
−0.93 |
数值案例： 计算 L=L∗ 处的星系数密度。对于 ϕ∗=1.6×10−2 Mpc−3，α=−1.07：
Φ(L∗)=ϕ∗⋅(1)−1.07⋅e−1⋅(1)=1.6×10−2×0.368=5.9×10−3 Mpc−3
即每约 170 Mpc3 的体积中约有 1 个光度等于 L∗ 的星系。考虑到 L∗ 对应约 5×1010L⊙（与银河系相当），这解释了为什么像银河系这样的星系并不稀有。
暗端缺失卫星问题（Missing Satellites Problem）： ΛCDM 模拟预测暗物质晕的数量远远超过观测到的矮星系数量。这暗示矮星系在暗物质晕中不易形成，或早期被再电离抑制——是该理论面临的核心挑战之一。
当今主导理论认为大星系通过小的原星系气体云逐级并合形成：
基本流程：
- 原初密度涨落：CMB时期（z∼1100）的微小密度扰动（δρ/ρ∼10−5）
- 暗物质晕形成：密度扰动坍缩形成第一个暗物质晕（z∼20−30）
- 气体冷却与恒星形成：气体落入晕中，冷却后形成恒星
- 小晕合并：经过 10 亿年，数百个小晕并合成更大结构
- 星系形成：z∼6−10 时出现第一批真正星系
- 持续演化：并合、气体吸积、AGN反馈共同塑造星系
并合的时间尺度（动力学摩擦公式）：
τfric≈lnΛ2.7×109(50 kpcr)2(300 km/svc)(Msat1011) yrs
其中 lnΛ∼10 是库仑对数，r 是轨道半径，vc 是宿主晕的圆速度，Msat 是卫星星系质量。
数值案例： 一个大麦哲伦云质量的卫星星系（M∼2×1010M⊙）在距离银河系中心 50 kpc 处，轨道圆速度 220 km/s：
τfric≈2.32.7×109×(1)2×(0.73)×(5)≈4.3×109 年
这意味着该卫星将在约 43 亿年内被银河系潮汐瓦解并吸积。
宇宙恒星形成率密度（SFRD）随时间显著变化：
| 红移 z |
宇宙年龄 (Gyr) |
恒星形成率密度 (M⊙/yr/Mpc3) |
事件 |
| 0 |
13.8 |
0.015 |
当前宇宙 |
| 0.5 |
8.6 |
0.04 |
本地 |
| 1 |
5.9 |
0.08 |
|
| 2 |
3.3 |
0.18 |
峰值 |
| 3 |
2.2 |
0.15 |
|
| 4 |
1.6 |
0.10 |
|
| 6 |
0.9 |
0.04 |
|
| 8 |
0.6 |
0.02 |
再电离末期 |
关键结论：
- 恒星形成率密度在 z∼2（约 100 亿年前）达到峰值，约为现在的 12 倍
- 此后持续下降，当前约为峰值的 1/12
- 宇宙大部分恒星（约 50%）形成于 z=1 到 3 之间（宇宙年龄 2-6 Gyr 时）
- 平均来看，宇宙中每年每 Mpc3 约形成 0.015 M⊙ 的新恒星
| 并合类型 |
质量比 M1:M2 |
频率 |
典型结果 |
| 大并合（Major） |
1:1 — 3:1 |
巨星系一生约 2-3 次 |
旋涡→椭圆星系，触发星暴 |
| 中等并合（Minor） |
3:1 — 10:1 |
约 5-10 次 |
增厚盘面，形成核球 |
| 小吸积（Accretion） |
> 10:1 |
几十次 |
增长星系晕和子结构 |
星暴触发： 并合过程中气体被潮汐力矩驱动向中心落，触发剧烈恒星形成。例如，Arp 220 双星系合并系统表现出恒星形成率高达约 200M⊙/yr，远超银河系的约 1−2M⊙/yr。
星系中心存在一个超大质量黑洞（SMBH），吸积周围物质时释放出巨大能量：
┌── 喷流 (Jet) ──┐
│ │
┌─────┴─────┐ ┌────┴────┐
│ 宽线区 │ │ 窄线区 │
│ (BLR) │ │ (NLR) │
│ 0.01-1 pc │ │ 10-1000 │
│ │ │ pc │
┌───┴─────┐ │ │ │
│ 吸积盘 │ │ │ │
│ 0.001 pc│ │ │ │
│ ┌──┐ │ │ │ │
│ │ │ │ │ │ │
│ └──┘ │ │ │ │
└─────────┘ │ │ │
│ │ │ │
│ │ └─────────┘
└───────────┘
─── 分子环面 (Torus) ───
| AGN 类型 |
典型光度 Lbol (erg/s) |
光学光谱特征 |
射电特征 |
观测视角 |
| 类星体 (QSO) |
>1045 |
宽发射线 + 强蓝连续谱 |
30% 射电噪声 |
极轴方向 |
| 赛弗特 1 型 |
1043−1045 |
宽+窄发射线 |
弱/中等 |
可见 BLR |
| 赛弗特 2 型 |
1043−1045 |
仅窄发射线 |
弱/中等 |
环面遮挡 BLR |
| 耀变体 (Blazar) |
1044−1048 |
特征很少/连续谱主导 |
强、可变 |
喷流指向地球 |
| 射电星系 |
1042−1045 |
弱发射线 |
强延展射电瓣 |
侧向 |
| LINER |
1040−1042 |
低电离窄线 |
弱 |
低吸积率 |
统一模型（Unified Model）：AGN 的不同类型本质上由两个因素决定：
- 视角效应：当视线完全穿过分子环面，BLR 被遮挡，表现为 2 型
- 吸积率：低吸积率（M˙/M˙Edd<0.01）时表现为 LINER 等低光度状态
黑洞吸积释放能量的上限受辐射压约束：
LEdd=σT4πGMBHmpc≈1.26×1038(M⊙MBH) erg/s
数值案例： M87 中心黑洞 MBH=6.5×109M⊙：
LEdd=1.26×1038×6.5×109=8.2×1047 erg/s≈2.1×1014L⊙
这约是银河系总光度的 2000 倍。但 M87 的实际光度约 1044 erg/s，仅占爱丁顿光度的 0.01%，说明当前处于低吸积状态。
中心的超大质量黑洞质量与星系核球的速度弥散密切相关：
MBH≈1.3×108M⊙(200 km/sσ)4.82
数值案例： 椭圆星系 NGC 4889，核球速度弥散 σ≈380 km/s：
MBH≈1.3×108×(380/200)4.82≈1.3×108×(1.9)4.82≈2.1×1010M⊙
这使 NGC 4889 的黑洞成为已知最大的之一（实际测量约 2.1×1010M⊙）。
意义： M-sigma 关系的存在说明黑洞和星系核球（及整个星系）之间存在共同演化（co-evolution）——AGN 反馈机制调控着星系的恒星形成，防止星系增长过快。
- 本星系群（Local Group）：约 50+ 个星系，直径约 3 Mpc（~1000 万光年）
- 主要成员：银河系、仙女座（M31）、三角座（M33），三者占群总质量的 95%
- 矮星系占数量 90% 以上
- 银河系与 M31 正在接近中，预计约 45 亿年后并合
本星系群成员示例：
| 星系 |
类型 |
距离 (kpc) |
绝对星等 MV |
速度 (km/s) |
| 银河系 |
SBbc |
— |
−20.8 |
— |
| M31 (仙女座) |
Sb |
770 |
−21.2 |
−122 (接近) |
| M33 (三角座) |
Sc |
890 |
−18.9 |
−181 |
| 大麦哲伦云 |
Irr |
50 |
−18.1 |
+278 |
| 小麦哲伦云 |
Irr |
61 |
−16.8 |
+159 |
| 天炉座 dSph |
dSph |
140 |
−13.4 |
+53 |
| 星系团 |
距离 (Mpc) |
星系数 |
总质量 (M⊙) |
弥散速度 (km/s) |
| 室女座（Virgo） |
16.5 |
~1300 |
1.2×1015 |
~700 |
| 后发座（Coma） |
99 |
~1000 |
2.5×1015 |
~1000 |
| 天炉座（Fornax） |
19 |
~300 |
7×1013 |
~350 |
| 长蛇-半人马 |
60 |
~3000 |
5×1015 |
~900 |
星系团质量估计方法对比：
| 方法 |
原理 |
优/劣势 |
典型精度 |
| 动力学（维里定理） |
M=3σ2R/G |
简单但需假设各态历经 |
±50% |
| X-ray 观测 |
M(r)=−μmpGkTrdlnrdlnρ |
需要高分辨率 X-ray 数据 |
±20% |
| 引力透镜 |
爱因斯坦环+弱透镜剪切 |
最直接但需深场成像 |
±15% |
| Sunyaev-Zeldovich 效应 |
康普顿 y 参数 ∝ 电子压强积分 |
红移无关、统计快 |
±10% |
维里定理数值计算： 对于后发座星系团，σ≈1000 km/s，半径 R≈3 Mpc：
M≈6.67×10−11 m3/kg/s23×(106 m/s)2×3×1022 m≈6.67×10−113×1012×3×1022≈1.35×1045 kg≈7×1014M⊙
这几乎全是暗物质，可见星系质量仅约 1013M⊙，热气体约 1014M⊙。
- 长城（Great Wall）：纤维状的高密度星系分布，跨度数百 Mpc
- CfA2 长城：长约 250 Mpc，宽约 80 Mpc（1989）
- 斯隆长城（Sloan Great Wall）：长约 420 Mpc（2005）
- 赫拉克勒斯-北冕座长城：长约 500 Mpc（2013）
- 空洞（Void）：低密度区域，直径可达 100-300 Mpc
- 超星系团（Supercluster）：多个星系团+星系群的集合
- 拉尼亚凯亚超星系团（Laniakea）：包含约 10 万个星系，直径约 160 Mpc（2014 年发现，本星系群在其边缘）
| 方法 |
适用距离 |
精度 |
示例 |
| 造父变星 (Cepheids) |
至 ~30 Mpc |
±5% |
室女座星系团 |
| Ia 型超新星 |
至 ~1 Gpc |
±10% |
暗能量探测 |
| 表面亮度涨落 (SBF) |
至 ~100 Mpc |
±10% |
室女座 |
| Tully-Fisher 关系 |
至 ~100 Mpc |
±20% |
旋涡星系 |
| 宇宙距离阶梯 |
至观测极限 |
累积误差 |
— |
Tully-Fisher 关系（旋涡星系）：光度与旋转速度的幂律关系
L∝vrotα,α≈3−4
数值案例：测得一个旋涡星系的 21 cm 线宽 ΔV=400 km/s，则旋转速度 vrot=ΔV/2=200 km/s。根据校准的 TF 关系 log(L/L⊙)=3.5log(v)−3.2：
log(L/L⊙)=3.5log(200)−3.2=3.5×2.3−3.2≈4.85
L≈7×104L⊙×L⊙(校准后)→MB≈−19.8
主要巡天项目及其贡献：
| 巡天 |
年份 |
星系数 |
覆盖面积 |
关键发现 |
| CfA Redshift Survey |
1982-1995 |
18,000 |
11,000 deg2 |
发现 CfA 长城 |
| 2dFGRS |
1997-2003 |
245,000 |
2,000 deg2 |
星系功率谱 |
| SDSS (主) |
2000-2009 |
930,000 |
10,000 deg2 |
宇宙学参数精确约束 |
| GAMA |
2008-2014 |
300,000 |
286 deg2 |
星系-暗晕连接 |
| DESI |
2021- |
数千万 (预计) |
14,000 deg2 |
暗能量精确测量 |
| 星系 |
类型 |
距离 |
视星等 |
显著特征 |
| 银河系 |
SBbc |
— |
— |
我们的星系，200-4000 亿颗恒星 |
| 仙女座 M31 |
Sb |
2.54 Mly |
3.4 |
最近的大星系，45 亿年后面临并与银河系 |
| 三角座 M33 |
Sc |
2.9 Mly |
5.7 |
本星系群第三大，活跃恒星形成 |
| M87 |
E0 |
53.5 Mly |
8.6 |
室女座星系团中心，首个被成像的黑洞 |
| M82 (雪茄星系) |
Irr II |
11.4 Mly |
8.4 |
极强星暴（20M⊙/yr），脉冲星频发 |
| 大麦哲伦云 |
Irr I |
163 kly |
0.9 |
银河系最大卫星星系，1987A 超新星 |
| M51 (涡状星系) |
Sbc |
23 Mly |
8.4 |
与 NGC 5195 完美相互作用对 |
| M104 (草帽星系) |
Sa |
29.3 Mly |
8.0 |
巨大核球+强烈尘埃带的视觉奇观 |
| M64 (黑眼星系) |
Sab |
17 Mly |
8.5 |
内外盘反向旋转（并合遗迹） |
| IC 1101 |
cD |
1.04 Gly |
14.7 |
已知最大的星系之一（直径 ~6 Mly） |
| EGS-zs8-1 |
星暴 |
z=7.73 |
25 |
距离最远的已知星系之一（130 亿光年） |
| GN-z11 |
星暴 |
z=10.6 |
26 |
截至2021年最远光谱确认的星系 |
| 问题 |
描述 |
研究手段 |
| 第一批星系如何形成？ |
z>10 的原星系观测困难 |
JWST、ALMA |
| 暗物质本质 |
WIMP vs 轴子 vs MACHO？ |
直接探测+宇宙学模拟 |
| 重子反馈机制 |
超新星/AGN 能量注入如何调控恒星形成？ |
高分辨率模拟+多波段观测 |
| 星系形态转变 |
为何高红移星系多为不规则，低红移多为有序的盘？ |
宇宙学流体模拟 (IllustrisTNG, EAGLE) |
| 星系-暗晕连接 |
暗晕质量如何决定星系恒星质量？ |
晕占有模型 (HOD) + 弱透镜 |
| 缺失卫星/核心-尖角问题 |
ΛCDM 小尺度预测与观测不符？ |
更高分辨率N体模拟+半解析模型 |
- 教科书：《Galactic Astronomy》（Binney & Merrifield）、《Galaxy Formation and Evolution》（Mo, van den Bosch & White）
- 关键论文：Hubble (1926) 哈勃分类系统；Rubin & Ford (1970) 旋转曲线与暗物质；Schechter (1976) 光度函数；Springel et al. (2005) Millennium 模拟
- 巡天项目：SDSS、DESI、JWST
- 模拟项目：IllustrisTNG、EAGLE、MillenniumTNG
- 相关内容：宇宙中的黑洞、恒星演化、暗物质