星云

星云（ Nebula ），太阳系以外天空中一切非恒星云雾状的天体（图1、图2、图3）。一些较近的星系，外观像星云，18世纪以来也称为星云。1924年底解决了宇宙岛之争以后，才把二者分开。位于银河系内的称为银河星云，银河系以外的星云称为河外星系或星系。按形状、大小和物理性质，银河星云可分为：广袤稀薄而无定形的弥漫星云，亮环中央具有高温核心星的行星状星云，以及尚在不断地向四周扩散的超新星剩余物质云（见超新星遗迹）。就发旋光性质，银河星云又可分为：被中心或附近的高温照明星（早于B1型的）激发发光的发射星云，因反射和散射低温照明星（晚于B1型）的辐射而发光的反射星云，以及部分地或全部地挡住背景恒星的暗星云。前两种统称为亮星云。反射星云同暗星云的区别，仅仅是在于照明星、星云和观测者三者相对位置的不同。

图1　鹰状星云

图2　柱状星云

图3　环状星云

目录

1 光度和光谱
2 气体星云中的电离球
3 星云的演变
4 成分

光度和光谱
用肉眼只能看到一个猎户座大星云，说明一般星云都是十分暗弱的。在《梅西耶星表》（M星表）的103个有一定视面积的天体中，只有11个是真正的星云。就是在1888～1910年陆续刊布的《星团星云新总表》（NGC星表）及其补编(IC)中的13 226个有一定视面积的天体中，也只有一小部分是真正的星云。只是在大口径望远镜，尤其是大视场强光力的施密特望远镜出现后，才开始对星云进行有效的观测研究。气体星云光谱中除氢、氮等复合线外，还有很强的氧、氮等的禁线，如[OⅢ]λλ4959、5007,[NⅡ]λλ6548、6583和[OⅡ]λλ3726、3729等，几乎在所有气体星云的光谱中都可看到。气体星云的光谱中同时存在一个较弱的连续背景，它一部分来自星云内尘埃物质对星光的散射，其强度随星云中尘埃含量而增减；另一部分来自电子的自由–自由跃迁和自由–束缚跃迁。此外，若干星云中还出现被照明星辐射加热到100℃左右的尘埃粒子所发射的红外连续光谱。

气体星云中的电离球
热星对气体星云的激发电离有一个范围。1939年瑞典天文学家B.G.D.斯特龙根确定了电离氢云的半径S0同恒星温度T和星云中粒子数密度N之间的关系：

式中 T0为离照明星 S0处的电子温度， θ=5 040/ T, R为恒星半径。通常把这个半径 S0叫作斯特龙根半径。从这个电离云到周围中性氢云的过渡是急促的，过渡区的厚度只有千分之一 秒差距，所以电离氢云都有一个很清晰的边界。由于 星云中气体和尘埃分布不均匀，加上位于 星云前面的吸收物质分布不规则，实际观测到的电离氢云的边界往往是参差不齐的。

星云的演变
一般认为行星状星云是由激发它的中心星抛射出来的，将会逐渐消失；新星和超新星爆发所抛出的云也在很快地膨胀而逐渐消失。它们都是恒星演化过程中的产物，也是恒星逐渐变为星际物质的过程。在照明星晚于B1型的一些弥漫星云中，一个暗星云可能是和运动着的恒星偶然相遇而被照亮，恒星离开之后重又变暗。已观测到这些星云与它们的照明星的视向速度是不相同的，因而二者之间没有演化上的联系。还有一些发射星云内部包含若干早于B1型的热星，它们常常组合成聚星、银河星团或星协（如O星协）。这些星云和年轻恒星一起分布在银河系旋臂中。因此，一般认为这些星云中的热星群可能是不久前才从这些星云中诞生的。

成分
银河星云中的物质都是由气体和尘埃微粒组成的。不同星云中的气体和尘埃的含量略有不同。发射星云中的尘埃少些，一般小于1％；暗星云中则多一些。星云中物质密度常常十分稀薄，一般为每立方厘米几十到几千个原子（或离子）。星云的体积一般比太阳系大许多倍，虽然密度很小，总质量却常常很大。星云物质的主要成分是氢，其次是氮，此外还含有一定比例的碳、氧、氟等非金属元素和镁、钾、钠、钙、铁等金属元素。近年来还发现有OH、CO和CH4等有机分子。星云中各种元素的含量与宇宙丰度是一致的。在其他星系中也有很多气体星云。


气体星云

气体星云（ gaseous nebula ），银河星云中主要由气体组成的亮星云，包括行星状星云和发射星云等。在二十世纪六十年代，对行星状星云进行红外观测，发现在这些一向被认为是完全由气体组成的星云中，也存在着相当数量的尘埃物质。经过进一步的研究表明，这些尘埃物质和气体一样，都是在星云形成的初期就已经存在的。在气体星云中，有不可忽视的尘埃微粒，只是比其他星云稀少一些。银河系中的弥漫气体星云，大部分集中在银道面附近，平均银纬约2°，属于扁平子系（见银河系子系）。它们的质量，从太阳质量的几分之一到几千倍，但大部分为太阳质量的十倍左右。气体星云都具有发射光谱。弥漫气体星云照明星的温度一般低于行星状星云中心星的温度，所以弥漫气体星云的激发度也低于行星状星云。光谱中最强的谱线是氢的巴耳末(Hα)线和一次电离氧(OⅡ)的禁线。由于红光的穿透力较强，所以弥漫气体星云光谱中氢原子的Hα线很强。因此对暗弱星云的照像观测，一般都采用只透过强发射线（如Hα）的窄带滤光片和红敏底片进行长时间露光。很多暗弱的电离氢区都是采用这种方法发现的。最亮的气体星云是猎户座大星云(M42)；最大的气体星云是南天的古姆(Gum)星云，它的角直径为30°；最美丽的气体星云是天鹅座的网状星云(NGC6960)。在许多河外星系中，特别是在旋涡星系的旋臂中，也观测到有大量的气体星云。

猎户座大星云（M42）

气体星云（M16）


发射星云

NGC2359是一个发射星云，位于大犬座，距离地球约15000光年
　　发射星云（汉语拼音：Fa she xin yun；英语：emission nebula），光谱中在很弱的连续背景上有许多发射线的亮星云。发射线主要由氢、氦、氧、硫、氖和铁的原子和离子产生，其中有些是禁线。在发射星云内或近旁总有一颗或一群高温恒星，光谱型属O、B0或B1，在这些星的紫外辐射作用下，星云中的气体被激发而发光。发射星云由气体和尘埃组成，前者估计占星云总质量的99％，后者只有1％。


猎户座大星云

猎户座大星云（M42）
　　猎户座大星云（Orion nebula），位于猎户座的一个亮星云。在猎户座“宝剑”的中间，有一个亮度为4等的斑点，就是猎户星云，又名M42或NGC1976。它是典型的发射星云，距离460秒差距，直径约5秒差距。该星云的最亮部分十分靠近四边形聚星猎户θ1周围一小群O型和B型星(见恒星光谱分类)，星云中的氢原子被这些高温恒星的紫外辐射电离，然后在复合荧光过程中发出红色光辉。猎户星云的质量估计为102太阳质量量级，最亮部分的原子数密度达104厘米3，温度约8000K。用射电方法探测到该星云及其周围区域的射电辐射，表明它仅是一个巨大的星云中被高温恒星照亮的一小部分。这个大星云伸展到猎户座中很大的天区，估计直径为102秒差距量级，质量为5×104～1×105太阳质量。明亮的猎户星云(有时称为猎户星云)还是一个X射线源(3U0527-05)，在它后面还发现了分子云和红外源。


蟹状星云

金牛座蟹状星云
　　蟹状星云（汉语拼音：Xiezhuang Xing Yun；英语：Crab Nebula），金牛座的一团膨胀气体云。中国史书中记载的1054年（北宋至和元年）超新星爆发的产物，研究最广泛、对现代天文学影响最深远的超新星遗迹。蟹状星云离太阳2000秒差距，光学区域的角大小为7′×4.8′。里面部分呈弥漫的星云状，发蓝色的光辉；外面部分由红色纤维构成。蓝色区域的光谱是连续谱，纤维的光谱中有强发射线。从发射线的多普勒效应得到纤维在膨胀，最大速度达1500千米／秒。除了光学波段以外，蟹状星云还在射电、红外、紫外、X射线和γ射线等波段有强辐射，估计总辐射功率为1031瓦。蟹状星云的辐射谱为幂律谱，是电子在磁场中被加速而产生的同步加速辐射。1968年在蟹状星云中发现了射电脉冲星PSR0531＋21，脉冲周期为0.0331秒，光学对应体的目视星等约17等，并被确认为光学脉冲星，接着又发现它在X射线γ射线和红外波段都有脉冲辐射。
　　有人曾经挖苦天体物理学家的职业可以分成相等的两部分——研究蟹状星云及其内容物和研究宇宙中其他一切事物。近年来，因宇宙已能在整个电磁波谱进行观测和发现了极具天体物理重要性的新型天体，这种挖苦有所平息；不过蟹状星云确实具备一些几乎所有天体物理学家都感兴趣的性质。 蟹状星云本身是金牛座中一个发光的气体尘埃云，离我们大约两千秒差距。它又被称为金牛座A、 M1和NGC 1952。它有这么多名称是因为它能在几乎所有波段观测到——蟹状星云是最早证认为已知天体的三个射电源之一，是第二个被发现的X射线源，它也是从地球看第二个最亮的γ射线源。 蟹状星云是1054年中国人观察到的一次超新星爆发的遗迹，该超新星一度比金星还亮，白天能见长达23天。爆发产生的碎片云一直在膨胀，云中物质仍在以大约1 500公里每秒的速率向外运动。所以，从英国天文爱好者约翰·贝维斯（John Bevis，1693-1771）第一次用望远镜观察蟹状星云以来，它的外貌已经显著改变。 蟹状星云含有细长的纤维状物，1844年最先看到这些纤维的罗斯勋爵（Lord Rosse）把它们画成图，结果有点儿像螃蟹的螯，这就是蟹状星云名称的由来。 纤维向外运动的速率（20世纪用多普勒效应和直接测量相隔多年拍摄的照片两种方法定出的）与根据中国人的观测估计的蟹状星云年龄符合得极好——以这一速率匀速膨胀约900年正好应该形成这样大小的云。但这提出了一个难题，因为如果蟹状星云单纯是从很久以前的爆发地点向外运动的碎片，它们在稀薄星际介质中开路前进时应该逐渐减慢下来。 这个难题也与蟹状星云的其他特征有关系。纤维物质的主要成分是氢，它应该足够热，主要发射红光；但蟹状星云的总体颜色却是独特的不常见的淡黄，在天文照片上的整体外貌像一个镶着红棉花边的黄色棉球。
　　黄色光是由所谓的同步加速辐射过程，即脱离了原子的自由电子在强磁场中回旋运动时产生的。这种过程经常产生射电辐射，但蟹状星云中的能量极多，致使电子也能辐射可见光。1950年代对蟹状星云的研究提供了宇宙中能够自然产生同步加速辐射的第一个证明。与大多数星云不同的是，蟹状星云的中心部位最亮，这说明蟹状星云中心必定有一个仍在起作用的能源，是它维持了蟹状星云的热度并将气体向外驱赶。 蟹状星云以同步加速辐射形式输出的总能量是3×10^38尔格每秒，等于太阳总能量输出4×10^33尔格每秒的75 000倍。而且这还是一颗900年前“死亡”的星发出来的!好几位天文学家早已有了这些能量从何而来的想法。早在1930年代，弗里茨·兹威基曾提出，超新星爆发可能留下一个中子星形态的恒星遗迹。虽然很少人认真看待这个思想，瓦尔特·巴德却指出蟹状星云应该是寻找中子星的最佳地点，他甚至认为那里确有一颗可作为候选者的恒星，有时称之为巴德星。而在发现脉冲星一年前的1966年，约翰·惠勒和意大利理论家佛朗哥·帕西尼（Franco Pacini）已经推测蟹状星云发射的能量之源可能是一颗自转的中子星。 但他们关于蟹状星云能源的思想直到1968年才有人认真考虑（说良心话，人人都几乎没有时间来了解这些思想），那时，在发现第一批脉冲星一年之后，射电天文学家发现有一颗脉冲星几乎就在蟹状星云的中心位置。这是当时已知最快的脉冲星，它每秒钟自转30次；正是这颗脉冲星发射的电子产生了同步加速辐射，并将能量从脉冲星转移到星云。 由于损失能量，蟹[状星]云脉冲星（也叫做NP 0532，NP是NRAO pulsar（国家射电天文台脉冲星）的简称）迅速变慢，其自转速率只要1 200年就降低一半。这一变慢速率虽然不大，但蟹状星云中心的自转中子星贮存的能量极多，尽管损失的能量使脉冲周期每天仅仅增加3×10^-8秒，也足以维持星云的全部能量输出。 蟹状星云被证认为射电源后，又发现它在可见光和X射线波段发出同样频率的闪耀。巴德星真的是一颗中子星。如果有人在1960年代初就认真考虑一颗恒星每33毫秒闪光一次这一荒唐可笑的见解，并且设计一个搜寻巴德星这种闪光的实验，他也许已经用光学天文方法先于射电天文学家发现了脉冲星。不过，老实说，正是由于巴德星已经被承认（即使只有巴德一个）是中子星候选者，而且正好在一个超新星遗迹的中心位置，它的被证认为脉冲星才使天文学家在1968年承认所有脉冲星都是超新星爆发产生的中子星。 与这颗星有关的全部活动表明，该脉冲星精力极为旺盛，而这与它的年轻有关——这是最年轻的已知脉冲星。 蟹状星云中的纤维本身也很有趣，光谱学研究显示，纤维物质所含的氦，与氢相比，数量达到通常在恒星表层看到的七倍左右。这是由于母恒星爆发前其内部通过核聚变过程生成了氦（见核合成），而爆发时内部的富氦物质与表层混合的缘故。
　　单是纤维中发光气体的质量大约等于太阳的质量，但爆发时应该抛出多得多的物质，不过我们看不见，因为它是不发光的。尽管脉冲星残骸（即中子星）大概只有太阳一半的质量，原始恒星的质量则应该是太阳的很多倍。我们在蟹状星云中看到的浓缩恒星物质的抛射，就是将重元素扩散到空间、形成供制造后代恒星和行星的原料的过程。


行星状星云

行星状星云（汉语拼音：Xingxingzhuang Xingyun；英语：Planetary Nebula），呈圆形或扁圆形，跟大行星很相像的星云。由18世纪90年代F.W.赫歇尔观测。这个名称不甚妥当，因为已发现的1500个行星状星云中，只有很少数形如大行星，而有一宝瓶座行星状星云（NGC7293）半以上形如恒星，只有通过光谱特征才证认为行星状星云。
　　在许多行星状星云的中央有一颗高温恒星，称为行星状星云的中央星或核星。中央星的光谱主要有4种类型：WR型、Of型、O型（见恒星光谱分类）和既无吸收线也无发射线的连续谱。行星状星云的角直径，有几个达到半度以上，一般不超过几十角秒。线直径一般不超过10-1秒差距量级。表面亮度很低。质量大致为0.2～0.6太阳质量，电子数密度一般为108～1010米-3。它们向银道面和银河系中心集聚，估计银河系内其总数达104～105个。
　　行星状星云的光谱为连续谱加发射线。发射线大多是氢、氦、氮、氧的原子和离子的谱线，最强的是二次电离氧产生的两条禁线（500.7和495.9纳米），它们曾被误认为由未知元素“”产生 。紫外光谱中还有一次电离氧的两条禁线（372.6和372.9纳米）。由谱线得到星云膨胀速度，典型值为20千米／秒。如果取行星状星云的线直径为0.5秒差距，则构成星云的物质应在1.2万年以前从中央星抛出。在银河系中，通过行星状星云进入星际空间的物质估计为每年5太阳质量。


反射星云

反射星云（ reflection nebula ），银河星云中亮星云的一种，大都具有很不规则的形状(见星云)。1912年美国洛韦尔天文台的斯里弗发现位于昴星团周围的星云具有吸收光谱的特征，即许多吸收谱线重迭于一个连续光谱之上。对这些光谱的进一步研究，发现它们同那些位于星云内并照亮星云的恒星的光谱很相似。后来在其他一些星云的光谱中也发现有类似现象。了解到这种星云是因为散射和反射附近恒星的光而发亮的，所以称为反射星云。一个星云究竟是发射星云、反射星云还是暗星云，这同它本身的物质性质关系不大，而同它在银河系中的位置和照明星的温度直接有关。观测事实说明，这三种星云的物质组成没有明显的不同。有些星云（如北美洲星云 NGC7000）同时具有发射星云的明线光谱和反射星云的吸收光谱，成为混合型星云。反射星云的平均密度约为6×10-23克/厘米3，它们的平均银纬约为9°，离银道面比发射星云略远。反射星云的照明星的光谱型通常晚于B2型。著名的反射星云有昴星团星云(NGC1432)、仙王座星云(NGC7023)和茧状星云(IC5146)等。

金牛座昴星团（M45） 一个年轻的银河星团，恒星周围有星际尖埃，因反射星光而呈蓝色  美国海耳天文台


暗星云

暗星云（ dark nebula ），银河系中不发光的弥漫物质所形成的云雾状天体。如果气体尘埃星云附近没有恒星，则星云将是暗的，即为暗星云。它们的形状和大小是多种多样的。小的只有太阳质量的百分之几到千分之几，是出现在一些亮星云背景上的球状体；大的有几十到几百个太阳的质量，有的甚至更大。它们内部的物质密度也相差悬殊。赫歇耳父子于1784年首次注意到明亮的银河中有一些黑斑和暗条。后来的照相研究表明，这种现象是由于一些位于恒星前面的不发光的弥漫物质造成的。这种暗区在银河系中很多，最明显的是天鹅座的暗区，银河被分割成为向南延伸的两个分支。有些暗星云和亮星云在一起，如位于猎户ζ南面的有名的马头星云（图1），它是一个很大的暗星云的一部分，“马头”四周的光芒是从亮星云发出的。蛇夫座S状暗星云和烟斗星云（图2）也是不透明的暗星云。但在云层较薄时，仍可看到一些光度被大大减弱了的恒星，所以在这个天区所看到的星体，就比没有暗星云的天区稀疏得多。

图1　马头星云

图2　烟斗星云

在不少亮弥漫星云背景上发现了一些圆形的暗斑。这些暗斑是物质密度较高的天体，它们是很小的暗星云，由于呈球形，称为球状体。1947年荷兰天文学家B.J.博克最先讨论了这些“小暗星云”。他在太阳系外大约1 600光年范围内发现了200个左右这样的暗天体，最好的样本在金牛座和蛇夫座。这样的暗天体在光学上显得极厚，消光能力可达30星等。这些小暗星云标志着新生恒星的诞生地。后来天文学界接受了这些天体代表恒星演化过程中一个特殊阶段的观点。球状体的直径小于1秒差距（1秒差距等于3.261 6光年），质量估计为10-1～102m⊙。许多球状体的中央包含红外源，很可能是正在收缩并将形成恒星的天体。
暗星云本身不发光，利用光学方法进行研究就受到很大限制。射电天文方法为暗星云的研究提供了有力的工具，这主要是由于暗星云有各种射电辐射。尤其是它们发射的中性氢21厘米谱线，使人们能够更深入地研究大量处于低温状态的暗星云的大小、结构和组成，从而为研究银河系结构和运动提供重要的资料。紫外线和X射线由于不能穿入，暗星云中央得不到加热，典型暗星云中的温度很低，为5～10K。此外，暗星云所在天区发现许多有机分子，因此有些暗星云又称星际分子云。通过毫米波观测，发现在一氧化碳暗星云中存在一些温度较高(15～50K)的“热点”，这些热点还有较强的红外辐射。通过红外观测还发现一些包围在暗星云中的能量集中在2～20微米波段的红外源，其中一些较亮的红外源还和暗星云中的微波源有关。观测还发现，一些年轻的天体如赫比格发射星(年龄105～106年)、赫比格–阿罗天体等直接与暗星云有密切的关系。这些暗星云的直径约为10秒差距，平均原子数密度约为每立方厘米5×103个，平均温度约为10K。演化过程中由于某种辐射（如毫米波）损失使内能减少，导致内压力小于本身重力而发生坍缩。坍缩过程中某些团块在重力作用下形成一系列密集点，这些可能就是形成恒星或星群的原始胚胎。根据恒星诞生率和银河系中暗星云的总质量对比来看，只有很少一部分物质（1‰到1%）形成恒星。


星际物质

星际物质（ Interstellar Matter ），银河系（和其他星系）内恒星之间的物质，包括星际气体、星际尘埃和各种各样的星际云，还可包括星际磁场和宇宙线。

麒麟座玫瑰星云　（选自美国基特峰天文台KPNO）

星际物质(ISM)约占银河系可见物质质量的10％，高度集中在银道面，尤其在旋臂中。不同区域的星际物质密度可相差很大。星际气体和尘埃当聚集成质点数密度超过10～103个/厘米3时，就成为星际云，云间密度则低到0.1个/厘米3质点。平均密度为10−24克/厘米3，相当于平均数密度为1个/厘米3氢原子。星际物质的温度相差也很大，从几K到千万K。不同温度和密度的星际物质大体可用三相模型来描述。其中，冷中性介质为密度30个/厘米3原子，温度70K的中性氢气体，占总体积的3%～4%；温中性介质为密度0.3个/厘米3原子，温度6 000K的中性氢气体，占总体积的20％；热电离介质为密度0.001个/厘米3原子，温度1百万K的电离氢气体，占总体积的70％。这三种成分近似处于压强平衡，相互间可来回转换。
星际气体的化学组成可通过各种电磁波谱线的测量求出。结果表明，星际气体的元素的丰度与根据太阳、恒星、陨石得出的宇宙丰度相似，即氢约60％，氦约30％，其他元素很低。
星际尘埃是尺度约0.01微米到0.1微米的固态质点，分散在星际气体中，总质量约占星际物质总质量的1％。星际尘埃可能是由下列物质组成的：①水、氨、甲烷等的冰状物；②二氧化硅、硅酸镁、三氧化二铁等矿物；③石墨晶粒；④上述3种物质的混合物。
星际尘埃吸收和散射星光，使星光减弱，这种现象叫作星际消光。消光数值依赖于观测方向，朝银极方向较小，银心方向最大。星际消光随波长的减小而增长，蓝光比红光减弱得更多，使星光的颜色随之变红，这种现象叫作星际红化。射电和红外波段的星际消光同光学波段相比可忽略，因而是观测银心的最佳波段。星际尘埃还可引起星光的偏振，由这种星际偏振可测量星际磁场，其能量密度约为2×105电子伏/米3。
星际尘埃对于星际分子的形成和存在具有重要的作用。一方面尘埃能阻挡星光紫外辐射不使星际分子离解，另一方面固体尘埃作为催化剂能加速星际分子的形成。
星际物质的观测可在不同的电磁波段进行，如1904年在分光双星猎户座δ的可见光谱中发现了位移不按双星轨道运动而变化的钙离子吸收线，首次证实星际离子的存在。1930年观测到远方星光颜色变红，色指数变大（即星际红化），首次证实星际尘埃的存在。1951年通过观测银河系内中性氢21厘米谱线，证实星际氢原子的大量存在。1975年利用人造卫星紫外光谱仪观测100多颗恒星的星际消光与波长的关系，得知220纳米附近的吸收峰。1977年，观测星际X射线波段，发现OⅦ2.16纳米（0.57千电子伏）的谱线，确认存在着温度达105～107K的高温气体。
根据现代恒星演化理论，一般认为恒星早期是由星际物质聚集而成，而恒星又以各种爆发、抛射和流失的方式把物质送回星际空间。


星际分子

星际分子（汉语拼音：Xingji Fenzi；英语：Interstellar Molecules），存在星际空间的无机分子和有机分子。与原子一样，分子的能态也是量子化的，它们吸收和发射特定频率的辐射，产生分子谱线。分子能态之间的跃迁分成三种类型：电子跃迁、振动跃迁和转动跃迁，产生的谱线依次位于紫外和可见光区、红外区、毫米和厘米波区。在紫外和可见光区，天文学家探测到H2、CH、CH+ 和CN。但在星际分子赖以存在的低温条件下，分子基本上处于最低的电子能态，分子通过跟其他分子或原子偶然碰撞，大多仅改变其转动能态，然后从较高的转动能态跃迁到较低的能态，产生在毫米和厘米波段的发射线。用射电天文方法探测星际分子谱线始于20世纪60年代，1963年首先发现了OH分子；1968～1969年期间发现了NH3、H2O和H2CO；1970年发现了CO……。到1985年，总共已发现66种星际分子，其中无机分子有十几种，其余都是含有碳原子的有机分子，最复杂的分子是HC11N，由13个原子构成。氢分子是最丰富的星际分子，其次是CO、OH和NH3。


分子云

分子云（汉语拼音：Fen zi yun；英语：molecular cloud），星际分子集结的区域。观测表明，虽然有些星际分子， 如 CO，几乎散布在所有的天区，但大多数星际分子集结成团，形成分子云。分子云通常是暗的，在光学波段看不见，温度典型值为20K，平均密度102～104个分子厘米3，中央的密度可达106个分子厘米3，质量一般为104 ～107太阳质量 ，云内有足够的尘埃屏蔽星光中的紫外线，使分子免遭破坏 。在猎户星云后面有一个巨大的分子云，它是离太阳最近的分子云之一，由小而密的核心以及延伸的低密度云两部分组成。前者的直径为0.15秒差距，密度为105个分子厘米3，质量为5个太阳质量；后者的直径至少为10秒差距，极大密度为103个分子厘米3，质量达104太阳质量。被认为是正在形成的恒星的BN天体就在猎户分子云中间，BN 天体附近还有另一个红外源，可能也包括年轻恒星或者正在形成中的恒星。


电离氢区和中性氢区

电离氢区和中性氢区（ HⅡand H I regions ），以氢为主要成分的星际气体云。若星云附近有早型的炽热恒星，则中性氢会被恒星的紫外辐射电离，形成电离氢区。中性氢原子从最低能态变为电离状态须经波长短于912埃的紫外线照射。因此，电离氢区附近的恒星必须是能发出大量紫外辐射的O型或B型星。这些星的表面温度高达几万度，被称为激发星。电离氢区的温度也可以达到104K。此外，当星际云之间的密度非常低时，中性氢原子在宇宙线的作用下也会电离。电子和质子一旦分开，就不容易再复合，从而也会形成电离氢区。
在距激发星10～100秒差距（视星云中氢原子的密度而定）以外，使氢电离的高能光子会迅速减少，电离氢区就过渡到中性氢区。事实上，大部分气体云都处于中性氢状态，中性氢区的温度一般在100K以下。观测表明，银河系旋臂的中性氢原子数密度约为每立方厘米1～10个，旋臂之间约为每立方厘米0.1个。估计中性氢的质量占银河系总质量的1.4～7％。由电离氢区过渡到中性氢区，氢的电离度下降得很快，过渡区的厚度取决于星云气体的密度，而同激发星的性质和电离氢区的半径无关。至于电离氢区的大小则取决于激发星的温度和星云气体的密度。
观测中性氢区和观测电离氢区所用的方法不同。对中性氢区，目前只能用射电方法观测氢原子发出的中性氢21厘米谱线，而对电离氢区，除观测射电辐射外，还可以用光学手段观测其各种发射线和禁线。
以下是两个典型的HⅡ区和HⅠ区的各种基本物理参数：

电离氢区和中性氢区


HⅡ区和HⅠ区


星际红化

星际红化（汉语拼音：Xingji Honghua；英语：Interstellar Reddening），星光通过星际空间而变红的现象。在星际物质中，星际气体虽然对恒星发射的可见光有吸收作用，但只是在某些波长上，而星际尘埃能在更宽阔的波段上吸收和散射星光，对星际消光起着主要作用。星际消光的大小不仅随距离和视线方向变化，而且对波长有选择性：蓝光减弱得比红光厉害。到达观测者的星光，相对说来显得更红了，故叫做星际红化。引起消光的尘埃颗粒的直径应为10-1微米量级，波长较长的红光容易穿过尘埃云，而蓝光遭到更多的散射，所以天文学家常在红光和红外波段对星际物质密布的天区进行观测。


色余

色余（ colour excess ），天体的实测色指数与光谱型相同的天体的正常色指数之差；前者大于后者，即天体颜色显红时，色余为正。正色余大多是星际红化引起的；星际尘埃对短波的消光作用大于对长波的消光作用。这时色余与光线穿过的距离成正比，因而可根据色余值来估计天体的距离。必须注意的是当星周存在尘埃包层以及红移过大时，也会出现正色余（见红外星）。一些非热辐射的天体，以及反射星云等，出于各自的原因会使色余变成负值，天体显得过蓝，这种现象叫作紫外色余。利用这种现象，常可鉴别和发现一些特殊天体。


银河系

银河系(示意图)
 银河系的螺旋结构（艺术图）。NASA/JPL-Caltech/R. Hurt
 银河系中心周围的区域色彩斑斓。 NASA/JPL-Caltech
 银河系主体示意图
 银河系四个波段的图像，a.可见光图像　b.射电图像　c.红外图像　d.X射线图像
　　银河系（汉语拼音：Yinhexi；英语：Galaxy），地球和太阳所在的巨大恒星系统。拥有约2,000亿颗恒星，因其投影在天球上的乳白亮带——银河而得名。银河系为本星系群中除仙女星系外最大的星系，它的总目视光度约为太阳的150亿倍。按形态分类，银河系是一个Sb或Sc型旋涡星系，中心区有一可能的棒状结构（半径约2,400秒差距，质量约为太阳的100亿倍），记为S(B)bc型。它的第一个主要成分为一旋转的薄盘，称为银盘，直径约为40千秒差距，厚约为300秒差距，质量约为太阳的600亿倍，由较年轻的恒星(星族Ⅰ)，银河星团、气体和尘埃组成。高光度星和银河星云组成旋涡结构(旋臂)叠加在银盘上。在盘内特别是巨分子云中不断进行着活跃的恒星形成过程。第二个主要成分是一较暗的直径约30千秒差距的球形晕称为银晕，质量约为银盘的15％～30％，由较年老的恒星(星族Ⅱ)组成，其中有百分之几处于球状星团中，还有少量热气体。银晕中央融入一显著的旋转椭球形成分(2.2千秒差距×2.9千秒差距)称为银河系核球，亦由星族Ⅱ的恒星组成。银河系的动力学中心称为银心，可能含有一个约300万倍太阳质量的黑洞。第三种主要成分是一由暗物质构成的晕称为暗晕，半径超过100千秒差距。银河系可见物质的质量为太阳质量的1,400亿倍，其中恒星约占90％，气体和尘埃组成的星际物质约占10％。而暗物质的质量至少为太阳质量的4,000亿倍。银河系整体作较差自转。太阳在银道面以北约8秒差距处，距银心约8.5千秒差距(IAU,1985)，以每秒220千米速度绕银心运转，2.4亿年转一周。
　　1750年，英国天文学家赖特认为银河系是扁平的。1755年，德国哲学家康德提出了恒星和银河之间可能会组成一个巨大的天体系统；随后的德国数学家郎伯特也提出了类似的假设。到1785年，英国天文学家威廉·赫歇耳绘出了银河系的扁平形体，并认为太阳系位于银河的中心。
　　1918年，美国天文学家沙普利经过4年的观测，提出太阳系应该位于银河系的边缘。1926年，瑞典天文学家贝蒂尔·林德布拉德分析出银河系也在自转。

目录

1 组成
2 起源和演化
3 银河系的邻居
4 研究简史

组成
　　银河系可见物质约90％集中在恒星内。在赫罗图上，按照光谱型和光度两个参量，分为主序星、超巨星、巨星、亚巨星、亚矮星和白矮星五个分支。1944年，巴德通过仙女星系的观测，判明恒星可划分为星族Ⅰ和星族Ⅱ两种不同的星族。星族Ⅰ是年轻而富金属的天体，分布在旋臂上，与星际物质成协。星族Ⅱ是年老而贫金属的天体，没有向银道面集聚的趋向。1957年，根据金属含量、年龄、空间分布和运动特征，进而将两个星族细分为极端星族Ⅰ(旋臂星族)、较老星族Ⅰ、盘星族、中介星族Ⅱ和极端星族Ⅱ（晕星族）。
　　恒星成双、成群和成团是普遍现象。太阳附近25秒差距以内，以单星形式存在的恒星不到总数之半。迄今已观测到球状星团约160个，银河星团1,200多个，还有为数不少的星协。据统计推论，应当有300个球状星团和18,000个银河星团。
　　20世纪初，E.E.巴纳德用照相观测，发现了大量的亮星云和暗星云。1904年，恒星光谱中电离钙谱线的发现，揭示出星际物质的存在。随后的分光和偏振研究，证认出星云中的气体和尘埃成分。近年来，通过红外波段的探测发现，在暗星云密集区有正在形成的恒星。射电天文学诞生后，利用中性氢21厘米谱线勾画出银河系旋涡结构。估计出中性氢的质量约为太阳的40亿倍。根据电离氢区（总质量为太阳的8,400万倍）描绘，发现太阳附近有3条旋臂：人马臂、猎户臂和英仙臂。太阳位于猎户臂的内侧。此外，在银心方向还发现了一条3千秒差距臂。旋臂间的距离约1.6千秒差距。1963年，用射电天文方法观测到星际分子OH，这是自从1937～1941年间，在光学波段证认出星际分子CH、CN和CH+以来的重大突破。到2000年底，发现和证认的星际分子已超过120种。这些分子（主要为H2和CO）包含在散布于银盘内的数千个巨分子云中(总质量为太阳的3亿倍)。图2为用不同手段得到的银河系图像。

起源和演化
　　银河系的起源这一重大课题现今还了解得很差。这不仅要研究一般星系的起源和演化，还必须研究宇宙学。按大爆炸宇宙学模型，观测到的全部星系都是140亿年前高温高密态原始物质因密度发生起伏，出现引力不稳定和不断膨胀冷却，逐步形成原星系，并演化为包括银河系在内的星系团的。
　　1962年，O.J.艾根、D.林登贝尔和A.R. 桑德奇提出，银河系起源于一个巨大的球形气体云，称原银河星云。化学成分与大爆炸后的原始宇宙相同，即氢约占75％，氦约占25％。在时标约2亿年的迅速坍缩过程中，最早诞生的是晕族恒星，因为形成恒星的气体没有金属，所以这些晕星是贫金属的。又因为气体向中心坍缩，所以承袭其速度的晕星绕中心作偏心率较大的椭圆运动，而来不及形成恒星的大部分原始气体在坍缩过程中互相碰撞，轨道变圆并沉降到银盘上，由于混入了大质量晕星演化后抛出的重元素，使得随后形成盘族的恒星金属丰度较高。近年还从恒星的形成和反馈、银核的活动及周围矮星系物质的吸积等角度，更细致地探讨银河系的动力学和化学演化。20世纪60年代由林家翘和徐霞生等发展起来的密度波理论，很好地说明了银河系旋涡结构的整体结构及其长期的维持机制。

银河系的邻居
　　银河、仙女座星系和三角座星系是本星系群主要的星系，这个群总共约有50个星系，而本地群又是室女座超星系团的一份子。
　　银河被一些本星系群中的矮星系环绕着，其中最大的是直径达21,000光年的大麦哲伦云，最小的是 船底座矮星系、天龙座矮星系和狮子II矮星系，直径都只有500光年。其他环绕着银河系的还有小麦哲伦云，最靠近的是大犬座矮星系，然后是人马座矮椭圆星系、小熊座矮星系、玉夫座矮星系、六分仪座矮星系、天炉座矮星系和狮子I矮星系。
　　在2006年1月，研究人员的报告指出，过去发现银河的盘面有不明原因的倾斜，现在已经发现是环绕银河的大小麦哲伦云的扰动所造成的涟漪。是在她们穿过银河系的边缘时，导致某些频率的震动所造成的。这两个星系的质量大约是银河的2%，被认为不足以影响到银河。但是加入暗物质的考量，这两个星系的运动就足以对较大的银河造成影响。在加入暗物质之后的计算结果，对银河的影响增加20倍，这个计算的结果是根据马萨诸塞州大学阿默斯特分校马丁·温伯格的电脑模型完成的。在他的模型中，暗物质的分布从银河的盘面一直分布到已知的所有层面中，结果模型预测当麦哲伦星系通过银河时，重力的冲击会被放大。

研究简史
　　18世纪中叶，人们已意识到除行星、月球等太阳系天体外，满天星斗都是远方的“太阳”。T.赖特、I.康德和J.H.朗伯最先认为，很可能是全部恒星集合成了一个空间上有限的巨大系统。第一个通过观测研究恒星系统本原的是F.W.赫歇耳。他用自己磨制的反射望远镜，计数了若干天区内的恒星。1785年，他根据恒星计数的统计研究，绘制了一幅扁而平、轮廓参差不齐、太阳居其中心的银河系结构图。F.W.赫歇耳死后，其子J.F.赫歇耳继承父业，将恒星计数工作范围扩展到南半天。1837年，W.斯特鲁维测定织女一的三角视差，开始测定恒星的距离，为银河系距离尺度的研究奠定了基础。1887年，O.斯特鲁维首次测定银河系自转，开始了银河系整体运动的研究。1906年，J.C.卡普坦为了重新研究恒星世界的结构，提出了“选择星区”计划，后人称为“卡普坦选区”。他于1922年得出与F.W.赫歇耳的类似的模型，也是一个扁平系统，太阳居中，中心的恒星密集，边缘稀疏。H.沙普利在完全不同的基础上，探讨银河系的大小和形状。他利用1908～1912年H.S.勒维特发现的麦哲伦云中造父变星的周光关系，测定了当时已发现有造父变星的球状星团的距离。假设没有明显星际消光的前提下，于1918年建立了银河系透镜形模型，太阳不在中心。1927年，J.H.奥尔特证实银河系的自转。1930年，R.J.特朗普勒证实存在星际物质。1944年，W.巴德提出星族概念，探讨银河系恒星在物理学和运动学上的总体性质，这对后来银河系形成和演化的研究有重要意义。20世纪50年代，由于射电天文观测手段的应用，证实了银河系旋臂的存在，发现了银河系中心区的复杂结构与爆发现象。60年代，首次探测到银心的红外辐射。80年代，高速晕族恒星的发现以及附近矮星系的运动提示银河系存在暗物质晕。90年代，射电天文学家和红外天文学家合作发现了银心存在大质量黑洞的证据。


银河

银河（汉语拼音：Yinhe；英语：Milky Way），横跨星空的一条淡淡发光的带。中国古代又称天河、银汉、星河。银河在天鹰座与天赤道相交，在北半天球，它经过天鹅、蝎虎、仙王、仙后、英仙、御夫、金牛、双子和猎户等星座，跨入天赤道的麒麟座，再往南经过大犬、船尾、船帆、船底、南十字、半人马、圆规、矩尺、天蝎、人马和盾牌等星座，返回天鹰座。银河各部分的宽窄和明暗程度相差很大。银河在天球上勾画出一条宽窄不一的带，称为银道带。它的最宽处达30°，最窄处只有4°～5°，平均约20°。银河有些部分很明亮，如盾牌、人马那一段。有些部分则非常暗，如天鹰、天鹅座以南的大分叉和南十字座附近的“煤袋”。大分叉非常暗，银河在那里好像被分成了两条支流。已得知，银河实际上是银河系主体部分在天球上的投影。因此，当用望远镜观测时，可以看见银河由数量众多的恒星和星云组成。


银心

银心（ galactic center ），银河系的中心，即银河系的自转轴与银道面的交点。银心在人马座方向，2000年历元坐标为：赤经17h45.6m，赤纬−28°56′.3。银心除作为一个几何点外，它的另一含义是指银河系的中心区域。太阳距银心约8.5千秒差距，位于银道面以北约8秒差距。银心与太阳系之间充斥着大量的星际尘埃，所以在北半球用光学望远镜难以在可见光波段看到银心。射电、红外和X射线观测技术兴起以后才探测到银心的丰富信息。中性氢21厘米谱线的观测揭示，距银心4千秒差距处有氢流膨胀臂，即所谓“三千秒差距臂”（最初将距离误定为3千秒差距，后虽订正为4千秒差距，但仍沿用旧名）。大约有1 000万倍太阳质量的中性氢，以每秒53千米的速度涌向太阳系方向。在银心另一侧，有大体同等质量的中性氢膨胀臂，以每秒135千米的速度离银心而去。半径约200秒差距的中心区有很强的射电、红外连续辐射，特别是CO分子谱线，显示这个中心分子区占银河系总分子质量的10％，恒星形成率达每年0.5太阳质量。银心处还有一强射电源，即人马座A*，它发出强烈的同步辐射。甚长基线干涉探测表明，银心射电源的中心区很小，甚至小于一个天文单位，即不大于地球绕太阳的轨道。12.8微米的红外观测资料指出，直径为1秒差距的银核所拥有的质量，相当于几百万个太阳质量，其中约有100万个太阳质量是以恒星形式出现的。有人认为，银心区有一个大质量致密核，或许是一个黑洞。流入致密核心吸积盘的相对论性电子在强磁场中被加速，这样便产生同步辐射。

银心区的射电源和红外源 a　人马座A*红外波段的图像　b、c局部射电图像


银道面

银道面（汉语拼音：Yindaomian；英语：Galactic Plane），银道所在的平面。天球上沿着银河画出的一个大圆称为银道，与银河的中线非常接近。银河是银河系主体部分在天球上的投影。银道面也是银河系的主平面。以银道面作为基本平面的坐标系称为银道坐标系。银道面与天赤道相交，交角为62°36′，升交点的赤经为18h49m（历元1950.0）。


银道带

银道带（汉语拼音：Yindaodai；英语：Galactic Belt），见银河。


谷德带

谷德带（ Goult belt ），在太阳系南面不远的一条亮星集中的带状区域，因美国天文学家谷德首先发现，并作过仔细研究而得名。带内有许多南天最明亮的恒星。谷德带从猎户臂的下端伸出，指向银心。带中约有20万颗星。带长700秒差距，宽70秒差距。带面与银道面的交角平均约16°。谷德带的视绝对星等为－13。若假设谷德带是从一个点源扩展开来的，则根据带内恒星的运动状况可推断其年龄约为4×107年，这与带中B型星的演化年龄相吻合。太阳的位置约在离带中心100秒差距、带的北侧12秒差距处。谷德带内除有许多O-B型星外，还有弥漫星云、广袤暗云和中性氢云（见星云）。太阳周围很可能存在过一个 O星协。这个星协的扩展运动就形成谷德带现象。


星团

星团（ Star Cluster ），由各成员星之间的引力束缚在一起的恒星群体。许多较亮的星团用肉眼或小望远镜看起来是一个模糊的亮点。1784年法国天文学家C.梅西耶在研究彗星时，把103个位置固定的模糊天体编成星表，以免与彗星混淆。1888年丹麦天文学家J.德雷耶尔编了包括有7 840个有星云、星团等延伸天体的星表《星云星团新总表》（简称NGC星表），后来又发表了包括5 386个天体的NGC星表的补编（简称IC星表）。这几个星表中都载有大量的星团。因此，一般就用这些星表的编号作为星团的名称。如《梅西耶星表》67号天体(M67)即NGC2682，是一个银河星团；M22即NGC6656，是一个球状星团。一些亮星团还有自己的专门名称，如昴星团、毕星团等。星团可分为球状星团和疏散星团两种。

球状星团

球状星团
球状星团由于它们的形状是球对称的或接近于球对称的而得名，直径数十至300光年，含有数万至数百万颗恒星。恒星平均密度要比太阳附近的恒星大50倍左右，而中心则要大约1 000倍。球状星团内恒星如此密集，又离我们十分遥远，通常只有边缘的一部分星在长时间曝光的照相底片或CCD照片上得以分辨，而要把球状星团中大部分成员星分解成单颗的恒星，必须使用具有高分辨率的哈勃空间望远镜或配自适应光学系统的地面大望远镜。银河系内已发现约150个球状星团，它们大部分分布在银晕中，年龄很老，金属含量很低，各自沿高偏心椭圆轨道绕银心运动。离银盘较近的球状星团年龄较轻，金属含量较高。还可能有许多球状星团隐藏在银盘中，只是由于那里有大量吸光物质而未被发现。
估计银河系约有500个球状星团，分布在一个中心与银心重合巨大的球形空间内，其数密度随银心距的增加以负3.5次方的幂率下降。在球状星团中有许多变星，其中大部分是天琴座RR型变星，其余大部分是星族Ⅱ造父变星，这两类天体都可用来测定距离。
1975年底以来，在一些球状星团中发现有X射线源、毫秒脉冲星等，这提示球状星团中可能存在密近双星、中子星或黑洞。很多大星系周围都发现了球状星团，如已知仙女星系的球状星团就在350个以上。巨椭圆星系的球状星团更为丰富，如M87甚至包含数千个。某些相互作用星系，特别是新近并合的星系往往有较年轻的富金属球状星团。

疏散星团
疏散星团形态不规则，在大至50光年的范围年含有数十至数千颗恒星。成员星彼此的角距离较大，一般都能用望远镜分解开，因而得名。疏散星团有半数位于银道面附近宽度为7°的狭带上，因此又名银河星团。银河系中已发现的疏散星团约1 200个，著名的如昴星团、毕星团和M67。疏散星团成员星的自行大致相同。如果星团离地球较远，看到的这些星的运动轨迹是大致平行的。但对于较近的疏散星团，由于投影的原因，它们的成员星的运动轨迹看起来并不平行，而是从一点辐射出来，或是会聚于一点，这两种点分别称为辐射点或会聚点。这种离地球比较近的、能得出辐射点或会聚点的疏散星团又称为移动星团，其距离可通过成员星自行的测量得到。
球状星团是很老的天体，一般年龄约为一百亿年，可用来作为宇宙年龄的下限。但疏散星团的年龄却差别很大，一些年轻星团的年龄只有几百万年，而M67的年龄为几十亿年，故可用来描绘银河系自盘形成以后的历史和演化。


球状星团

球状星团（globular cluster），星团的一类。因其外形呈球状而得名。星团里恒星高度密集，其中心区域的恒星空间密度比太阳附近恒星分布的密度大1000倍左右。星团的半径为几十秒差距，质量为几万到几十万太阳质量。属晕星族。在银河系里呈球状分布，但却沿着偏心率很大的椭圆轨道绕银心旋转。球状星团的成员星是银河系里最老的一批恒星，年龄达一百亿年。星团里发现了大量的天琴座RR型变星和星族Ⅱ造父变星，利用这些变星可以准确地定出球状星团的距离。目前已发现了130多个球状星团。据估计，银河系可能包含500个球状星团。全天最亮的球状星团是半人马座ω，即NGC5139。近年来在一些球状星团里发现了X射线源和脉冲星，对于研究球状星团的性质和恒星演化具有重要意义。另外，在一些较近的星系里也发现了球状星团。


银河星团

疏散星团（open cluster），星团的一类。又称银河星团。疏散星团的外形不规则，成员星数比球状星团少得多，只有几十个到上千个。疏散星团的大小为几秒差距，质量为几十到千倍太阳质量。疏散星团属星族Ⅰ天体，它们分布在银道面附近。根据疏散星团的赫罗图和现代恒星演化理论，可以确定疏散星团的年龄。结果表明，疏散星团的年龄相差很大，有的年轻，有的年老。已发现1000多个疏散星团，其中最著名的如昴星团、毕星团、鬼星团等。


疏散星团


移动星团

移动星团（汉语拼音：Yidong Xingtuan；英语：Moving Cluster），疏散星团的一类。疏散星团的成员星的自行应该大致相同。如果疏散星团离地球比较近，由于投影效应，其成员星在天球上的运动轨迹看起来像是从一点辐射出来，或者向一点会聚。这两点分别称为辐射点和会聚点。能够定出辐射点或者会聚点的疏散星团称为移动星团。目前已确知银河系共有7个移动星团，它们是昴星团、毕星团、鬼星团、大熊星团、英仙星团、天蝎-半人马星团和后发星团。


昴星团

昴星团（Pleiades），疏散星团之一。位于金牛座。它的几个亮星位于昴宿，由此而得名。肉眼可以看到其中最亮的六、七个星，故又名七姊妹星团。在梅西耶星表中编号为M45。昴星团的视直径约2°，成员星数在200个以上。昴星团是一个很年轻的星团，其年龄约5000万年。昴星团也是一个移动星团。


毕星团

毕星团（汉语拼音：Bixing Tuan；英语：Starling），疏散星团之一。移动星团。位于金牛座。它的几个亮星位于毕宿，由此而得名。
　　毕星团的成员星数在300个以上，总质量约300太阳质量。毕星团几乎为球形，视直径约15°，线直径约10秒差距。其中心离太阳约44秒差距。毕星团正以43千米／秒的速度离开地球。由毕星团的赫罗图推断，它的年龄约4亿年，比昴星团年老一些。


鬼星团

鬼星团（Praesepe），疏散星团之一。位于巨蟹座。因其位置在鬼宿而得名。又称蜂巢星团，中国古代称为积尸气。在梅西耶星表中编号为M44。鬼星团的大小不到10秒差距，成员星200多个，总质量200多太阳质量，其中心离太阳约160秒差距，比毕星团远得多。鬼星团是一个移动星团，正远离地球而去，其速度的大小和方向都同毕星团的差不多。


星协

星协（ Stellar Association ），由相似光谱型年轻恒星组成的非常松散的集合。OB星协是大质量高光度的O、B型恒星的集合。R星协是质量较小（3～10倍太阳质量），能照亮周围反射星云的年轻恒星的集合。T星协是质量与太阳相当的金牛座T型变星的集合。因为O、B型恒星和金牛座T型变星都是十分年轻的天体，所以星协也是一种年轻的天体，它的年龄只有百万年数量级。某些空间区域既有O星协又有T星协，猎户座星协就是这样的例子。星协和年轻的疏散星团、四边形聚星有密切的关系，后者往往构成星协的核心。此外，星协常与气体尘埃星云有物理上的关联。银河系内，星协总是位于银河系的旋臂上。星协的尺度从数秒差距到数百秒差距，含数十到数百颗恒星。在星协中，虽然某一特定类型的恒星的密度较高，但其总密度却低于周围星场。星协是不稳定的系统，已经发现一些星协在向外膨胀。根据现行的速度倒推回去可估计系统的年龄，如用这种方法估计英仙Ⅱ星协的膨胀年龄略大于一百万年。


星族

星族（ Stellar Population ），银河系（以及河外星系）内大量天体的某种集合。这些天体在年龄、化学组成、空间分布和运动特性等方面十分接近。银河系所有天体分为晕星族（极端星族Ⅱ）、中介星族Ⅱ、盘星族、中介星族Ⅰ（较老星族）、旋臂星族（极端星族Ⅰ）5个星族。晕星族分布如一个球状的晕，由银河系中最老的天体所组成，包括球状星团、亚矮星和周期长于0.4天的天琴座RR型变星。中介星族Ⅱ的主要代表是高速星以及长周期变星。盘星族包括核球内的恒星、行星状星云和新星，周期短于0.4天的天琴座RR型变星以及“弱线星”（光谱中出现较弱的金属线）。中介星族Ⅰ包括强金属线星和A型星。极端星族Ⅰ集中分布在银道面附近（银面聚度最大），主要为旋臂中的年轻恒星，如O型星、B型星、超巨星，经典造父变星一些银河星团和星际物质等。
各星族的年龄相差很大。晕星族最老（其中球状星团年龄在100亿年以上）；从中介星族Ⅱ、盘星族和中介星族Ⅰ到最年轻的旋臂星族，年龄依次递减。后者的年龄大多为几亿年，甚至有3千万至5千万年或者更短的。
各个星族在化学组成上也有差别。一般较老的星族所含的重元素（天文学中重于氦的元素统称金属）百分比，要比年轻星族的低，又称贫金属。这种差别可用恒星演化过程加以解释。恒星进入晚年期后向外抛射物质，使恒星内部核过程所形成的重元素渗入星际物质中去，以后由这种“加浓”物质形成的恒星，重元素含量就会相应增高。因此，越是年轻的恒星，包含的重元素就越多，即越富金属。
星族Ⅰ和星族Ⅱ的概念是1944年W.巴德提出的，他认为银河系以及其他旋涡星系的恒星可分成两大类，称为“星族Ⅰ”和“星族Ⅱ”。两个星族的差别，明显反映在赫罗图的形状以及最亮恒星的颜色和光度上。对于星族Ⅰ，最亮的恒星是早型白色超巨星；对于星族Ⅱ，最亮的恒星是K型红橙色超巨星。此外，星族Ⅰ和星族Ⅱ在空间分布和运动特性方面也有不同：星族Ⅰ的恒星集中于星系外围旋臂区域内，银面聚度大；星族Ⅱ的恒星则主要集中在星系核心部分，银面聚度小。后来研究表明，把所有的恒星划分为两个星族过于简单。1957年，在梵蒂冈举行的星族讨论会上，将银河系里的恒星划分为5个星族。这种划分方法现已为各国天文学家普遍接受。此外，推测存在比星族Ⅱ更年老的星族Ⅲ，它们可能是大爆炸后不久形成的第一代恒星，几乎完全由氢和氦组成，质量特别巨大，在度过短暂的一生后通过超新星爆发将内部核反应生成的重元素散布到后来形成星系的物质中去。大量的研究表明，星族概念在研究银河系的起源和演化问题上起着重要的作用。它已成为星系天文学和天体演化学的重要内容。


银盘星族

银盘星族，银盘主要由星族Ⅰ天体组成,如G~K型主序星、巨星、新星、行星状星云、天琴RR变星、长周期变星、半规则变星等。


银晕星族

银晕星族，银河系所有天体分为五个星族之一。晕星族分布如一个球状的晕，包住银河系；在银河系恒星聚集较密的盘状部分，当然也有晕星族的天体，但主要是盘星族和星族Ⅰ。晕星族由银河系中最老的天体所组成，其中包括球状星团、亚矮星和周期长于0.4天的天琴座RR型变星（周期更短的天琴座RR型变星属盘星族）。


银河系结构

银河系结构（ Galactic Structure ），银河系结构的研究已有近二百年历史，这是近代和现代天文学的活跃领域之一。1785年，F.W.赫歇耳第一个研究了银河系结构，他用恒星计数方法得出银河系恒星分布为扁盘状，太阳位于盘面中心的结论。1918年，沙普利研究球状星团的空间分布，得出银河系内球状星团系统的直径为30千秒差距，发现太阳的位置并不在银河系的中心。巴纳德研究了赫歇耳资料指出银河系中存在不发光的星际尘埃云，主要分布于银道面。以后，中性氢21厘米谱线射电的探测，六十年代星际分子谱线的发现，红外技术的发展，都为银河系结构的研究提供了强有力的工具。

银河系主体侧视图

银河系总体结构大致如下：银河系的物质（主要是恒星）密集部分组成一个圆盘，形状有点像体育运动用的铁饼，叫作银盘。银盘的中心平面叫作银道面。银盘中心隆起的球形部分叫银河系核球。核球中心有一个很小的致密区，叫作银核。银盘外面是一个范围广大、近似球状分布的系统，叫作银晕。其中的物质密度比银盘中低得多。银晕外面还有银冕，也大致呈球形。
银盘直径约25千秒差距。银盘中间厚，外边薄。中间部分的厚度大约2千秒差距。太阳附近银盘厚度约1千秒差距。银盘中有旋臂，这是盘内气体尘埃和年轻的恒星集中的地方。旋臂内主要是极端星族Ｉ天体，如大量的O、B型星、金牛座T型变星、经典造父变星、银河星团、超巨星、星协等。21厘米谱线的研究发现，中性氢高度集中于银道面，尤其集中于旋臂内。银河系内已发现有英仙臂、猎户臂、人马臂等，还有一条离银心4千秒差距的旋臂叫作三千秒差距臂，正以约53公里/秒速度向外膨胀。太阳在银河系内位于猎户臂附近，离银心10千秒差距，在银道面北8秒差距处。银盘内主要是星族Ｉ的天体，除与旋臂有关的天体外，有晚于A型的主序星、新星、红巨星、行星状星云及周期短于0.4天的天琴座RR型变星等等。
核球是银河系中心恒星密集的区域，长轴长4～5千秒差距，厚4千秒差距，结构复杂。核球的质量、密度、范围都未确定。由于光学观测受到星际消光的影响，射电、红外观测已成这一区域资料的主要来源。核球中主要是星族Ⅱ的天体，如天琴座RR型变星；也有星族Ｉ的天体，如M、K型巨星，近年还发现有分子云。银核发出强的射电、红外和X射线辐射，它的物质状态还不大清楚。银河系中心方向的位置是：赤经17h42m29s，赤纬－28°59′18″（历元1950.0）。
包围着银盘的银晕，直径约30千秒差距，密度比银盘小，主要由晕星族组成，有亚矮星、贫金属星、红巨星、长周期天琴座RR型变星和球状星团等等。在恒星分布区之外，还存在一个巨大的大致呈球形的射电辐射区，称为银冕。
银河系有一、二千亿颗恒星，其相当大一部分是成群成团分布的，它们组成了双星、聚星、星协和星团。太阳附近，主要由B型星组成一个独特的恒星系统，叫作本星团或谷德带。它在天球上构成与银道面成16°的大圆，其本质还未完全确定。银河系内，除恒星外，还存在大量弥漫物质，即气体和尘埃。它们除聚成星际云，高度集中分布于银道面附近外，还广泛散布在星际空间，弥漫物质的密度为10-20～10-25克/厘米3。恒星与星际物质间进行物质交换。各类不稳定的星体通过爆发把物质抛射到星际空间。星际云在一定条件下可以凝聚成恒星，星际物质也能被恒星吸积。星际物质的化学成分与恒星大气相近，主要是氢。尘埃的质量平均为气体的1/10。


银河系核球

银河系核球（ bulge of Galaxy ），银河系中央的椭球状的核。核球的长轴约长3千秒差距，厚2千秒差距。由于银河系核球与太阳系之间的大量尘埃云的消光作用，难以获得它的准确图像。但根据COBE卫星的近红外观测资料，可清楚地看到扁平的中央核球（见图）。它约贡献了银河系总光度的20％。可能有一个棒，从中心延伸到2～3千秒差距。核球恒星年龄约几十亿年，平均金属丰度为太阳值的一半，有的可达太阳的3倍。核球恒星也绕银心转动，平均转动速度约100千米/秒，比盘星稍慢，且有较大的随机速度。核球面亮度的分布和椭圆星系相近，按与银心距离R的1/4次幂变化。其质光比M/L≈12，与仙女星系的核球的质光比差不多。

COBE卫星拍摄的银河系近红外图像


银盘

银盘（ Galactic disc ），银河系中由恒星和气体组成的扁平盘状成分。太阳处在银盘中央平面（银道面）附近，故银盘内的恒星在天球上的投影就显现为横贯天穹的狭窄银河。银盘内的恒星按照空间分布、化学组成、年龄和运动学性质的不同又进一步分为薄盘与厚盘两族。薄盘恒星紧靠银道面，密度随到银道面的距离陡峭地指数下降，典型成员（包括天狼、织女、参宿四、参宿七等亮星）离银道面1 000光年以内。薄盘恒星年龄差异很大，从新出生到100亿年都有，越年轻的恒星一般离银道面越近。化学组成方面，薄盘恒星都是富金属星，金属丰度在0.25～1倍太阳值之间。运动学方面，它们绕银心作近圆快速转动，而弥散速度较小(约20～30千米/秒)。厚盘族恒星密度也随到银道面的距离指数下降，但比薄盘平缓，典型成员离银道面约5 000光年以内。厚盘不含年轻恒星，年龄都大于80亿年，金属丰度较低，约为太阳值的1/4到1/10。厚盘族恒星轨道的偏心率较大，弥散速度较高，约40～50千米/秒。中性氢气体的分布比薄盘恒星更紧靠银道面，厚度只有约400光年，但径向延伸超过盘星，在外围有卷曲现象。中性氢气体同盘星一样绕银心作圆轨道运动，但弥散速度更小，只有7千米/秒。分子气体的厚度只有中性氢气体的一半，中心聚度较大，多以巨分子云形式沿旋臂分布。


银晕

银晕（ Galactic halo ），银河系外围约成球状的物质分布。范围超过银河系的盘状可见区。一般河外星系都有晕，称为星系晕。
银晕由星晕和暗晕组成。星晕半径约25千秒差距，密度随银心距按指数负3.5的幂律下降，主要成员是球状星团、贫金属亚矮星、周期长于0.4天的天琴座RR型变星和极高速星，总称为晕星族，或星族Ⅱ。这些星的年龄都比较老，约为100多亿年，接近于银河系的年龄。它们绕银心旋转，轨道一般呈长椭圆形。极高速星相对于太阳的速度达300千米/秒。暗晕半径达100千秒差距，密度随银心距按指数负2的幂律下降，由本性尚未确知的暗物质组成。质量可能占整个银河系的90％以上。
暗晕由原初宇宙中暗物质密度起伏经引力不稳定性增长逐级并合而来。星晕一部分由早期陷入暗晕引力势阱的原星系气体快速坍缩而成，另一部分则来自后来通过吸积作用并入银河系的小伴星系。


银核

银核（汉语拼音：Yinhe；英语：Galactic Center），见银河系结构。


银冕

银冕（汉语拼音：Yinmian；英语：Galactic crown），见银河系结构。


旋臂

旋臂（ spiral arm ），旋涡星系内年轻亮星、亮星云和其他天体形成的螺线形带状结构。这种螺线形带称为旋臂，是旋涡星系外形的主要特征。旋臂按其形态的规整程度分为12类。有两条长而对称旋臂的星系被归为第12类，然后规整程度逐次下降，直到零碎而不对称的第1类。旋臂主要由星族Ⅰ的明亮的早型恒星构成。旋臂中除恒星外，还含有星际气体和尘埃，旋臂的前部（按旋转中的前进方向）往往还存在一暗黑的尘埃窄条。旋臂中还可观测到许多电离氢区。银河系有两条或者更多的旋臂，用光学方法可观测到两条旋臂的一部分，用射电方法则可观测到更多的部分（英仙臂、猎户臂、人马臂和三千秒差距臂等）。旋臂结构的实质可用密度波理论来解释。这种理论认为，星系中央棒形结构的存在或近邻星系的潮汐力易于使星系盘物质产生螺线形密度波动。这种密度波的图案与物质旋转速度不一致。当星际物质进入高密区的引力势阱时，突然的压缩会触发恒星形成，这些明亮的新生恒星就作为示踪物勾勒出螺线形的旋臂。另一种观点认为，前一代恒星演化晚期超新星爆发产生的激波，会触发周围星际物质中的恒星形成，这些新一代恒星演化晚期超新星爆发产生的激波，又会触发周围星际物质中下一代的恒星形成。这种以自传播方式形成的新生恒星也能在自转的星系中产生旋臂。

旋涡星系NGC4622的照片显示出两条规整的旋臂


猎户臂

猎户臂，银河系内的一条小螺旋臂，地球所在的太阳系即处于猎户臂内。它也被称为本地臂、本地分支（Local Spur）或猎户分支。
猎户臂因为靠近猎户座而得名，它位于人马臂和英仙臂之间 － 银河系4条主要螺旋臂中的2条。在猎户臂内的太阳系和地球在本星系泡内，距离银河中心大约8,000秒差距（26,000光年）。


英仙臂

英仙臂，是银河系的主要螺旋臂之一，是银河系中离银心最远的一段旋臂，位于英仙座。


人马臂

人马臂， （也称为人马-船底臂，标示为"-I"）是银河系的螺旋臂之一。人马臂最内的末端就连接在中心短棒的一个尾端，形成一个星系中两条主要的螺旋臂之一，另一条主要的大螺旋臂是天鹅臂。
人马臂被分成两个部分，由银河中心向外弯曲的部分是人马臂（人马棒），在向外延伸的部分是船底臂。


三千秒差距臂

三千秒差距臂，银河系四大旋臂之一，离银心1.3万光年。该旋臂正以约53千米/秒的速度向外膨胀。


银河系模型

银河系模型（ galactic model ），从总体上研究银河系质量分布和结构的一种简化模式。银河系是一个庞大的天体(包括恒星和星际物质等)系统，结构复杂，各个区域的特性参差不齐。为了从总体上研究银河系的物理性质、力学结构和演化，需要把银河系的结构加以简化，不考虑局部细节，以便建立统一的物理量分布的银河系模型。银河系模型不同于真实的银河系，它只是为研究方便而采取的模拟手段。银河系模型主要研究银河系的质量分布。一般只考虑引力，不考虑旋涡结构（因为旋臂的引力场只占银河系总引力场的百分之几），同时还假定引力场是平滑变化的，局部的不规则性是可以忽略的，而且自转是对称的。这样可以避免许多数学上的困难。一般说来，要建立银河系平滑变化的质量分布模型，必须以某种形式的速度分布或密度分布为根据，并且需要选定若干参数。根据观测资料，可以认为银河系质量大体上按椭球分布。对不同的天体群（例如不同星族）可以分别建立各自的质量分布模型。
近年来，观测方法不断更新，观测资料有了质的飞跃，同时在理论上也取得了长足的进展，因此除了建立质量分布模型外，还可以探讨星系的空间结构和建立运动学模型。


施米特模型

施米特模型（ Schmidt model ），一种关于银河系质量分布的模型。银河系模型有很多种，其中比较简单而常用的是施米特模型，它是旅美荷兰天文学家M.施米特在1956年提出的。附表列出这个模型的主要结果。表中R为银河系某一点同银心的距离，V(R)为该点的自转线速度，σ(R)为该点附近的面密度，M(R)为距银心R处的球体质量。实际上，施米特模型由四套球体组成，分别代表星际气体、普通恒星、高速星和其他物质。在研究星系旋涡结构的密度波理论中，施米特模型被用作星系的基态（未受摄动的状态）。

银河系质量分布的施米特模型


银河系次系

银河系次系（ galactic subsystem ），银河系由许多次系组成，各个次系在空间分布、空间运动和物理特性方面互有区别。银河系次系可分为三类:第一类是扁平次系，例如O型星次系、B型星次系、经典造父变星次系和银河星团次系等，它们高度集聚于银道面两旁，形成扁平状的系统。第二类是球状次系，例如天琴座RR型变星次系、亚矮星次系和球状星团次系等，它们以银河系中心为集聚点，形成球状的系统。第三类是中介次系，介于扁平次系与球状次系之间，如蒭藁型长周期变星次系、新星次系和白矮星次系等。次系的概念，是二十世纪二十年代由瑞典天文学家林德布拉德首先提出来的；四十年代以后苏联天文学家库卡尔金和帕连纳戈发展了这一概念，并进行了深入的定量研究。次系的概念和星族的概念实质上是一致的。不过，前者着重考虑空间分布和空间运动的特征，后者着重考虑物理特性和在赫罗图上演化位置。银河系同类次系的总和称银河系子系。


银河系子系

银河系子系（ galactic component system ），银河系的同类次系的总和（见银河系次系）。各个扁平次系构成一个扁平子系，各个中介次系构成一个中介子系，各个球状次系构成一个球状子系。这样，银河系就是由三个子系套迭而成的。子系以及次系，都是同星族相平行的概念。


银河系自转

银河系自转（ Galactic Rotation ），银河系中的恒星和气体围绕银心在平行于银道面的近圆轨道上所作的整体旋转运动。这种旋转运动在旋涡星系和透镜星系中最为明显。在某些（但非全部）椭圆星系和不规则星系中也可看到，它维持着星系结构以对抗进一步引力坍缩。

银河系的较差自转曲线

研究银河系自转可利用恒星的光学观测资料，如视向速度、自行等。但这种方法只能适用离太阳不超过3～4千秒差距的范围；离太阳更远时需根据中性氢21厘米谱线的多普勒位移，求得氢云的视向速度，从而推出银河系的自转速度。自转速度随银心距的变化称为自转曲线。从银心附近为零开始，1千秒差距处增加到150千米/秒，到太阳附近达220千米/秒，以后保持恒定直到数十千秒差距的观测极限。线速度恒定要求角速度由内向外减小，这种情形称为较差自转。1927年，荷兰天文学家J.H.奥尔特引进了两个参数来描绘太阳附近银河系的较差自转。它们分别是：奥尔特常数 A=+14.8±0.8千米/（秒·千秒差距），B=−12.4±0.6千米/（秒·千秒差距），A–B给出在太阳处银河系的自转角速度，相应的自转周期约为2亿年。
由自转曲线可根据动力学求得星系的物质密度分布和总质量。观测表明，许多旋涡星系的自转曲线都像银河系一样，直到远超出光学可见区的距离仍保持平坦，提示这些星系周围存在着大质量的暗物质晕。


银河系磁场

银河系磁场（ galactic magnetic field ），银河系（和其他星系）广阔的星际空间存在的非常弱而复杂的磁场系统。

由星光偏振、宇宙线、银河背景射电辐射等可粗略估计银河系磁场的大小和方向，但比较准确的测定方法，主要是通过来自脉冲星和其他河外射电源辐射偏振面的旋转，即法拉第旋转，以及中性氢21厘米谱线的塞曼分裂。法拉第旋转测量得到的是辐射源和观测者之间的磁化等离子体的磁场的平均值；中性氢21厘米谱线的塞曼分裂测量得到的是视线方向的中性氢区(HI区)的磁场。银河系磁场分为有序的大尺度成分和无序的小尺度成分。有序成分由法拉第旋转测得，强度在太阳附近约为0.2纳特，在银心距4.5千秒差距（kpc）处约为0.6纳特。在太阳半径以外，磁场指向银河系旋转方向，在太阳半径以内约500秒差距处，磁场指向逆转，在银心距约5.5千秒差距处又再次逆转。无序成分由银河系同步辐射估计，强度从银心向外逐渐降低，在0.5倍太阳半径处约1纳特，在太阳半径处约0.6纳特，在2倍太阳半径处约0.3纳特。有证据表明，分子云中的磁场强度高于密度较低的星际空间，如21厘米辐射的偏振研究显示，猎户座B星云内磁场强度高达6纳特。大样本旋涡星系统计表明，其磁场强度平均约为1纳特。
银河系中广泛分布的脉冲星是探测银河系气体盘中大尺度磁场的唯一示踪天体。观测的脉冲星法拉第旋率统计显示，银河系中大尺度磁场的方向是沿着已知的4个旋臂的。在不同旋臂之间，磁场方向会系统地反向。图中圆圈、圆点、方块、方框等标记为脉冲量旋转量


恒星天文学

恒星天文学（ stellar astronomy ），研究恒星、星际物质和各种恒星集团的分布和运动特性的学科。天文学的分支。由于恒星为数众多，恒星天文学不采用讨论单个恒星的办法，而对大样本恒星，借助于统计分析和数学方法进行研究。恒星天文学的研究综合了天体测量学、天体物理学和射电天文学获得的各种数据，包括恒星视差、位置、自行、视向速度、星等、色指数、光谱型和光度等。
恒星天文学作为一门学科是由F.W.赫歇耳通过对恒星的大量观测和研究开始的。1783年他首次通过分析恒星的自行发现了太阳（在空间的）运动，并定出了运动的速度和向点。J.F.赫歇耳继承和发展了其父开创的事业，在恒星计数、双星观测和编制星团和星云表方面做了大量工作。1837年V.Y.斯特鲁维等测定了恒星的三角视差，从此开始了测定恒星距离的工作。1887年L.O.斯特鲁维从对恒星自行的分析中估计了银河系自转的角速度。19世纪中期天体物理学开始建立，恒星光谱分析为恒星天文学提供了重要资料。1907年K.史瓦西提出恒星本动速度椭球分布理论，开创了星系动力学。1912年，H.S.勒维特发现造父变星的周光关系，成为测定遥远星团的距离的重要手段。由此才对银河系的整体图像，以及太阳在银河系中的地位，有了比较正确的认识。1905～1913年，E.赫茨普龙和H.N.罗素创制了赫罗图，对了解恒星演化和推求其距离提供了有力的手段。1918年，H.沙普利分析了当时已知的100个球状星团的视分布，并用周光关系估算出它们的距离，得出了银河系是一个庞大的透镜形天体系统和太阳不居于中心的正确结论。1927年，荷兰的J.H.奥尔特根据观测到的运动数据证实了银河系自转。此外，银河系次系、星族、星协概念的建立和证实，对变星和星团、星云的研究和探讨恒星系统的结构作出了重要的贡献。
射电天文学的发展为恒星天文学提供了一种有力工具。1951年，开始利用中性氢21厘米谱线研究银河系内中性氢云的分布。1952年证实银河系的旋臂结构。1958年发现银河系中心的复杂结构和银核中的爆发现象。60年代以来，相继发现100多种星际分子的射电辐射。这些观测结果，对研究银河系自转、旋臂结构、银核和银晕都是非常重要的。星系动力学从20年代以来有很大的发展。1942年，B.林德布拉德提出了形成旋臂的“密度波”概念，以期克服旋涡星系的形成和维持旋臂的理论困难。1964年以来，林家翘等人发展了密度波理论，并且探讨星系激波形成恒星的理论。
恒星天文学所研究的主要内容有：星系中物质的分布同星系旋转的关系；恒星速度弥散度的规律；恒星系统的引力稳定性；球状星团和星系的动力学结构和演化；星团和星系团的暗物质；星系核中大质量黑洞的探寻和研究；以广义相对论为基础的强引力场星系动力学在发展中。


太阳运动

太阳运动（ solar motion ），太阳相对于本地静止标准的运动。又称太阳本动。1783年，F.W.赫歇耳分析天狼、北河二、北河三、南河三、轩辕十四、大角和河鼓二这7颗恒星的自行，认为它们的运动趋向是太阳空间运动的反映，并指出太阳朝向武仙座运动。1837年，阿格兰德尔根据390个恒星的自行资料，证实了赫歇耳的结论。
本地静止标准可以从两方面确定，它们都是以太阳为瞬时中心的参考标架。一方面是动力学静止标准，它的定义是太阳绕银心作圆轨道运动。所以，太阳附近的、具有同样公转的所有恒星，在此参考标架中都是相对静止的。另一方面是运动学本地静止标准，它使太阳附近所有恒星的空间速度平均为零，实际上是以银心为中心的本地恒星平均运动的标架。
根据观测，太阳对邻近恒星的运动速度是每秒19.7千米，朝向武仙座一点，该点1 950.0历元的天球坐标是赤经a=18h4m±7m，赤纬δ＝+30°±1°。对应的银道坐标是LⅡ=56°，bⅡ=23°。该点称作太阳向点，简称向点。在天球上与之相对的一点，称作太阳背点，简称背点。向点附近的恒星趋近太阳，视向速度在向点达极大值。背点附近的恒星渐离太阳，视向速度在背点达极大值。


本地静止标准

本地静止标准（ local standard of rest ），在研究象星系这样巨大的恒星系统的运动状态时，首先要建立一个基本参考系，或者叫作基本静止标准。为此，必须固定时间t，并固定基本静止标准中的一点(x、y、z)。然后，取一个相对于整个恒星系统而言足够小的空间区域σ，使其包含上述的定点（x、y、z）；同时还要求σ中含有足够多的恒星，以便能够进行统计的讨论。设V0(σ)表示σ中恒星的平均速度（相对于基本静止标准），即σ中恒星的形心速度，当σ的体积趋于零时(对于该恒星系统而言已是无限小，但仍含有足够多的恒星)，V0(σ)趋于一个极限V0，那么它就称为在时刻t，点(x、y、z)的形心速度。以形心速度V0（x、y、z、t）相对于基本静止标准运动的参考系就叫作本地静止标准。在(x、y、z) 附近恒星相对于本地静止标准的速度叫作剩余速度，也称本动速度。形心速度V0(x、y、z、t)确定了一个较差运动场。恒星系统的运动状态可以用较差运动场和剩余速度的分布来描述。


速度弥散度

速度弥散度（ velocity dispersion ），弥散度是指随机变量方差的平方根，即均方差或标准差。在天文学中，速度弥散度通常是指恒星系统中剩余速度的弥散度。如果恒星的运动速度遵循速度椭球分布律，那么三个主轴方向的速度弥散度就会与椭球三条主轴的长度成比例。速度弥散度描述了恒星速度与形心速度偏离的程度。根据统计，偏离越大，弥散度也就越大。


速度椭球分布

速度椭球分布（ ellipsoidal distribution of velocities ），恒星剩余速度的分布规律。恒星的本动速度不是完全没有规则的。1904年卡普坦在确定太阳运动的向点时，发现除太阳运动引起的视差动外，还存在着彼此相背而行的两大星流，它们的运动方向与太阳的运动方向之间有一固定夹角。1907年K.史瓦西提出，星流只是一种表面现象，实际上沿给定坐标系三条轴线运动的恒星数目、平均速度、速度弥散度均不相同，因而以速度为坐标变量画出的星数相等的曲面是一些三轴椭球，其轴长之比等于沿各该轴恒星运动的速度弥散度之比，比值约为8:5:4。椭球长轴的主方向──向点的坐标约为赤经18h5m)，赤纬-17°5(1950.0)。速度椭球分布的本质是:恒星的剩余速度遵从各向异性的正态分布。
不同类型恒星的运动差别颇大。主序星、中晚型巨星和经典造父变星属于星族Ⅰ，其速度弥散度较小，由此定出的太阳运动也较正常。由星族Ⅱ的恒星求得的太阳运动速度很大，向点由武仙座移到仙王座，恒星运动的速度弥散度也很大。星族Ⅰ的恒星位于银道面内，绕银心公转，轨道近于正圆；星族Ⅱ的恒星也绕银心公转，而轨道则为偏心率很大的椭圆，各处速度差异很大；所以前者弥散度小而后者弥散度大。另外，由于星族Ⅰ的恒星绕银河系的转动速度比星族Ⅱ的恒星大得多，而太阳属于星族Ⅰ，所以由星族Ⅱ求得的太阳运动与由星族Ⅰ求得的很不一致。


K效应

K效应（ K-effect ），太阳周围 B型星的“反常”运动。一般恒星群的平均视向速度在向点附近约为-20公里/秒；在背点附近约为+20公里/秒（见太阳运动）。1903年，富洛斯特和W.S.亚当斯发现，随后并为卡普坦证实，B型星的运动却有所不同。向点附近32个B型星的平均速度为-18.4±2.1公里/秒，而背点附近29个B型星的平均速度为+28.4±2.1公里/秒。所以，太阳相对于B型星的速度

B型星远离太阳的平均速度

后者用 K项表示，所以称为 K 效应。关于 K 效应的本原尚无完满的解释。有人认为可能是太阳周围的 B型星不断四向膨胀的反映，也可能是 B型星固有的广义相对论红移 效应。


星系动力学

星系动力学（ galactic dynamics ），研究恒星系统中物质分布和运动状态的动力学理论。又称恒星动力学。这里所说的恒星系统包括星团、星系和星系团，是由引力束缚在一起的恒星、星际气体和尘埃（以及暗物质）所组成的整体。星团含有100～100万颗恒星，星系含有1 000万～1万亿颗恒星。除某些系统中心黑洞附近需要考虑相对论效应外，这些系统的行为一般由牛顿运动定律和牛顿引力定律支配。星系动力学至少同物理学的其他三个分支直接相关。星系动力学同天体力学的关系最为密切，因为两者都涉及引力势中轨道的研究；不过天体力学的许多数学方法不能用于星系动力学，因为天体力学基于质量、偏心率、倾角等参数的摄动展开，在用于后者时不收敛。星系动力学与经典统计物理学有深刻联系，因为两者都涉及大量粒子组成的系统，必须进行统计处理。星系动力学同等离子体物理学也彼此借鉴研究方法，因为它们研究的都是通过长程力作用的大量粒子集合。不同的是有正负电荷而无负质量。
星系动力学中最基本的两个物理量是分布函数和引力势函数。前者是位置、速度和时间的函数，后者是位置和时间的函数。它们满足无碰撞玻耳兹曼方程和泊松方程。泊松方程来自牛顿引力定律，而无碰撞玻耳兹曼方程（见统计输运理论）则是相空间密度不变的刘维尔定理（见统计物理学）的推论。将无碰撞玻耳兹曼方程对速度空间积分得到连续性方程；乘以速度再对速度空间积分得到流体力学中欧拉方程的类比，因1919年由J.H.金斯首先应用于星系动力学，故称为金斯方程。星系动力学就是要在一定的近似假设（如球对称或轴对称条件）下求解上述方程，并研究这样的解是否能够保持稳定。1927年，B.林德布拉德求得了速度椭球与奥尔特常数之间的关系。1928年，J.H.奥尔特在分布函数服从速度椭球分布律的假设下，解出轴对称星系的分布函数，成功地解释了银河系的较差自转现象。1940年后，林德布拉德提出密度波的概念来解释旋涡星系旋臂的存在，1964年，林家翘和徐霞生等完成了准稳旋涡的密度波理论，导出了密度波的色散关系，成功地解释了大量观测事实。
星系之间的相互作用会引起潮汐摩擦、剥离、并合等丰富的动力学效应，已得到大量观测资料的证实。由于这类情形往往缺乏对称性，难于用解析方法处理，所以自1970年以来发展了计算机数值模拟，大大推动了星系动力学演化研究的进展。


密度波理论

密度波理论（ density wave theory ），以引力作用下物质流进流出低引力势的旋臂区解释星系旋涡结构的理论。1964年由美籍华裔天体物理学家林家翘和徐霞生在荷兰天文学家B.林德布拉德工作的基础上提出。密度波理论认为，旋涡结构并不是永远由同一批物质组成。它实质上是物质集中处低引力势区的波动状图案。换句话说，旋臂由密度波波峰的迹线构成。波形图案并不与物质相联，而是以不同的角速度运动。相对运动速度平均约30 千米/秒。正是这种运动维持了旋涡星系的规整外貌，也解决了固定物质旋臂因较差自转带来的缠绕困难。

用密度波解释星系的旋涡结构

恒星进入旋臂引力势阱后，在那里停留一段时间再随轨道运动出来。星际气体在进入旋臂时受到突然压缩，可能触发恒星形成，从而成功地解释了明亮年轻恒星集中分布在旋臂上的现象。


星系

星系（ Galaxies ），由引力束缚在一起的几百万至几万亿颗恒星以及星际气体和尘埃、暗物质等构成，占据几千光年至几十万光年的空间的天体系统。银河系就是一个普通的星系。银河系以外的星系称为河外星系，一般称为星系。

大熊座旋涡星系M81（国家天文台BATC组提供）

室女团中心椭圆星系M87（NASA提供）

猎犬座旋涡星系M51（国家天文台BATC组提供）

目录

1 研究简史
2 形态和分类
3 分布
4 运动和质量
5 形成和演化

研究简史
17世纪望远镜发明以后陆续观测到一些云雾状的天体，称之为星云。18世纪，德国的I.康德和英国的T.赖特都曾猜想这些云状天体是像银河一样由星群构成的宇宙岛，只是因为距离太远而不能分辨出一颗一颗的星来。但它们到底有多远，直到20世纪初才找到线索。1917年美国天文学家G.W.里奇在威尔逊山天文台所摄的星云NGC6946的照片中发现了一颗新星，随后H.D.柯蒂斯也有类似的发现。因为这些新星极其暗弱，他们认为星云应该极其遥远，是银河系以外的天体。1924年，美国天文学家E.P.哈勃用威尔逊山天文台的2.5米大望远镜在仙女座星云、三角座星云和星云NGC6822中发现造父变星，并且根据造父变星的周光关系定出这几个星云的距离，终于肯定了它们是银河系以外的天体系统，称它们为河外星系。现代望远镜，包括哈勃空间望远镜能观测到的星系数目估计在500亿以上。

形态和分类
星系的外形和结构是多种多样的，但大多由椭球形的中央核球和（或）扁平的盘成分构成。1926年，哈勃按星系的形态进行分类，把星系分为椭圆星系、旋涡星系和不规则星系三大类。后来又细分为椭圆、透镜、旋涡、棒旋和不规则5个类型。
椭圆星系没有盘成分，外形近似于椭圆，记为E型，后面标以阿拉伯数字表示椭圆的扁度，从0到7，数字越大，椭圆越扁。旋涡星系核球和盘两种成分都有，外形像旋涡，记为S型，大多数都有两条沿相反方向旋卷的螺线形旋臂，其中一些在核心部分有一棒状结构，称为棒旋星系，没有棒状结构的则称为正常旋涡星系。棒旋星系记为SB型。S和SB型号后面附以小写英文字母a、b、c表示核球和盘两种成分的相对重要性以及旋臂缠卷的松紧程度，a型核球最大，旋臂最紧，b型次之，c型核球最小，旋臂最松。与旋涡星系类似为盘状但无旋臂的星系归为透镜型，记为S0。不规则星系的形状没有规则，记为Irr型。
此外，从尺度和光度上分，有一种超巨型椭圆星系，往往出现于星系团的中心或中心附近，据认为是几个星系碰撞并合的产物。这种稀有的星系称为cD星系。相反，为数众多，尺度和光度比正常星系小的星系称为矮星系，并可进一步细分为矮椭圆星系(dE)、矮不规则星系(dIrr)和矮椭球星系(dSph)。
在1 000个最亮的星系中，旋涡星系占75％，椭圆星系占20％，不规则星系占5％。如果包括矮星系在内，则相对比例变为30∶60∶10。不同形态星系的比例也与星系所在的环境相关：在密度高的富星系团中，大多数亮星系是椭圆星系和透镜星系，旋涡星系只占5％～10％；而在星系团外的低密度环境中，亮星系中80％是旋涡星系。
除上述普通的星系外，近年来又发现了许多特殊星系。有些旋涡星系，具有十分明亮的中心区，光谱中有强而宽的发射线，称为赛弗特星系。有些星系具有很亮的近于星状的核心，称为N型星系。有些星系有很强的射电辐射，称为射电星系。有的星系诸如M82，近期发生着大规模恒星形成，称为星暴星系。以上几种星系都是活动激烈的星系，统称为活动星系。有证据表明1963年发现的类星体实际上是具有活动核的星系，是活动星系核(AGN)中的一种。AGN的能源是位于中心的超大质量黑洞。

分布
1934年E.P.哈勃对44 000多个星系的视分布进行了研究，证实星系的数目有规律地从银极向银道递减。银道方向星系很少，形成一个隐带。这种视分布是由银河系星际物质吸光造成的。实际上从大尺度来看，星系分布在各个方向都是一样的。星系的空间密度也近于均匀。从较小的尺度来看，星系的分布有成团的倾向。有的是两个结成一对；多的可能几百以至几千个星系聚成一团。银河系同麦哲伦云、仙女星系以及其他40多个星系构成一个集团，称为本星系群。一般的星系集团称为星系团。星系团内星系之间的距离约为百万光年量级。本星系群和室女星系团等星系团又构成更高级的集团——本超星系团，其长径约1亿～2.5亿光年，其总质量约为太阳的千万亿倍。现在观测到的星系团已有一万个以上。

运动和质量
星系内部的恒星和气体都在运动，而星系作为一个整体也在运动。恒星在星系内部的运动有两种：一是围绕星系核心的旋转运动，一是弥散运动。盘状星系以旋转运动为主。椭圆星系以弥散运动为主。旋转的特点是较差自转，旋转速度作为到中心距离的函数称为旋转曲线。弥散运动是叠加在旋转运动上的随机运动，遵循类似麦克斯韦分布的椭球分布律。星系整体也有各种运动。成对出现的星系（即双重星系，又名星系对）彼此围绕公共质心转动。在星系团中，星系间有随机的相对运动。此外，1929年哈勃还发现星系的红移同距离成正比的关系（见哈勃定律）。按照红移的径向多普勒效应解释，这表明星系之间距离越远，相互退行越快，这就是宇宙膨胀运动。
从星系的运动可得知星系的质量。根据牛顿定律，转动着的星系内任一点的离心力必须同该点轨道以内所有物质对它的引力相平衡，这样可由速度–距离关系的实测曲线（旋转曲线）得出星系的质量分布和总质量。多数星系的旋转曲线有向外变平的趋势，表明星系发光区域之外存在大质量暗晕。按照恒星在星系内的速度弥散度，由位力定理可求得星系的质量，称为位力质量。与此类似，按照星系在星系团内随机运动的速度弥散度，也可求出星系团的总质量。用这种动力学方法求出的总质量往往比由测光方法定出的光度质量大一个数量级，意味着星系团中含有大量不发光的暗物质。

形成和演化
从椭圆星系到旋涡星系再到不规则星系，似乎有质量递减、气体含量增加、老年恒星减少的趋势。其中，旋涡星系本身随着旋臂由紧到松，也有相应的序列变化。
因此曾经提出这样的星系演化序列：由椭圆星系到旋涡星系，由紧旋涡逐渐旋开变为松旋涡以至成为不规则星系。也有人认为是沿着相反的途径演化的。因为不同类型星系的质量和角动量有量级的差异，难以解释在演化中总质量和角动量变化很大的现象，所以更多的人认为星系分类的序列也许并不是演化序列，而只是初始条件的反映：密度较大的原气体云，自转较慢，角动量密度较小，因而恒星形成快，年龄老，颜色红，成为星多气少的椭圆星系；密度低而角动量密度高的原气体云，恒星形成慢，未形成恒星的气体多，在快速自转中变为扁盘形，从中产生旋臂，并不断形成新的年轻恒星，成为颜色较蓝的旋涡星系。不过，数值模拟实验和观测证据表明，两个富气的旋涡星系相遇时，在动力学摩擦和潮汐力作用下可能发生并合，触发恒星形成，消耗或剥离气体，转变为一个椭圆星系。迄今为止，星系的演化还是正在积极研究的一个尚未解决的问题。
按照大爆炸理论，星系起源于早期宇宙中非常微小的物质不均匀性，随着宇宙的膨胀，这种密度起伏由于引力不稳定性的作用而放大，最终导致星系尺度天体的形成。数值模拟计算表明，暗物质，特别是冷暗物质的存在对星系形成过程有重要影响，但星系何时和怎样形成的细节也还很不确定。


河外星系

河外星系（ anagalactic nebula ），是指在银河系以外，由大量恒星组成星系。因为距离遥远，在外表上都表现为模糊的光点，因而又被称为“河外星云”。河外星系与银河系一样也是由大量的恒星、星团、星云和星际物质组成。
人们又观测到大约10亿个同银河系类似的星系。按照它们的形状和结构，可以分为：旋涡星系、棒旋星系、椭圆星系和不规则星系。人们估计河外星系的总数在千亿个以上。最通用的河外星系分类法是1926年哈勃提出的。
河外星系的发现将人类的认识首次拓展到遥远的银河系以外，是人类探索宇宙过程中的重要里程碑。


宇宙岛

宇宙岛（ world island ），历史上对星系的一种称呼。在这里，把宇宙比作海洋，星系比作岛屿。古代人对宇宙的结构只有笼统的观念。16世纪末，意大利思想家G.布鲁诺推测恒星都是遥远的太阳，并提出了关于恒星世界结构的猜想。到了18世纪中叶，测定恒星视差的初步尝试表明，恒星确实是远方的太阳。这时，就有人开始研究恒星的空间分布和恒星系统的性质。1750年英国T.赖特为了解释银河的形态，即恒星在银河方向的密集现象，就假设天上所有的天体共同组成一个扁平的系统，形状如磨盘，太阳是其中的一员。这就是最早提出的银河系概念。1755年德国哲学家I.康德在《自然通史和天体论》一书中，发展了赖特的思想，明确提出“广大无边的宇宙”之中有“数量无限的世界和星系”，这就是宇宙岛假说的渊源。在赖特和康德前后，还有E.斯维登堡和J.H.朗伯特等人，都发表了同样的见解。可是，当时人们把河内星云（即银河星云）和河外星云（即星系）都当作星系，而且对银河系本身的大小和形状也没有正确的认识。因此，宇宙岛这个假说在170年间有时被承认，有时被否定；直到1924年前后，测定了仙女星系等的距离，确凿无疑地证明在银河系之外还有其他的与银河系相当的恒星系统，宇宙岛假说才得到证实。
宇宙岛这一名称，据E.P.哈勃考证，最初出现在德国A.von 洪堡的著作（《宇宙》第三卷，1850）中，因为它形象地表达了星系在宇宙中的分布，后来就被广泛采用。另外还有“恒星宇宙”和“恒星岛”等名称，都是“宇宙岛”的同义语。


星系天文学

星系天文学（ galactic astronomy ），以星系和星系际空间为研究对象的天文学分支学科。它的任务是探讨星系的结构、运动、起源和演化，星系对、星系群和星系团的结构、空间分布、相互作用和演化联系。星系天文学是现代宇宙学的基础之一。

发展简史和内容
1888年出版的《星云星团新总表》(NGC)及其《补编》(IC)刊载了13 226个非恒星天体和非单星天体，后来判明其中绝大多数是河外星系，这为星系天文学的诞生准备了基本资料。1919年E.P.哈勃用当时最大的望远镜发现了仙女座大星云NGC 224(M31)、三角星云NGC 598(M33)、人马座星云NGC 6822中的造父变星，并根据周光关系测定了距离，证明它们在银河系之外，并且指出当时统称为星云的天体，大多是和银河系同一等级的恒星系统，把它们命名为河外星系，简称星系。哈勃在前人发现的基础上，还揭示了星系世界普遍有谱线红移效应以及星系距离和红移大小成正比的规律，建立了星系天文学。20世纪50年代以前，星系天文学主要沿着两个方向发展。一是研究以恒星热辐射为主导的正常星系的形态、结构、运动和物理状况；建立形态分类系统，把大多数星系纳入旋涡、棒旋、透镜、椭圆和不规则五大形态框架；通过星系的自转以及星系群的运动，测定星系的质量；用测光方法和光谱方法探讨星系的恒星成分和气体成分，以及星族的划分和分布等。另一方向的进展是，建立并改进星系距离尺度，通过星系的空间分布、成团现象和红移效应，探索大尺度宇宙结构，描述今日所公认的百亿光年范围的可观测宇宙等。近50年来，逐步打开了射电、红外线、紫外线、X射线和γ射线“天窗”，探测到以非热辐射为主导的射电星系、赛弗特星系、类星体、蝎虎座BL型天体等具有活动星系核的天体，发现了可能以其中央大质量黑洞的吸积为能源的喷流、视超光速等高能现象；探测到由于大规模恒星形成而在远红外波段非常亮的星暴星系等。这些发现都向天文学和物理学提出了严重的挑战。今天星系和星系际空间的研究已成为天文学最活跃的领域之一。研究星系的起源和演化可推动天体物理学、宇宙学和物理学不断向前发展。

研究方法和手段
用中等口径的光学望远镜，可对本星系群的一些成员（如大、小麦哲伦云，仙女星系）的星系盘、旋臂、星系核、星系晕和星系冕进行分部观察，并对其成员天体（星团、电离氢区、行星状星云、超巨星、红巨星、新星、造父变星）作光度测量和光谱分析。然而，除少数近距星系外，绝大多数星系因距离遥远，呈现为暗弱的小面光源，其微小程度甚至接近于点源。要取得它们的光学观测资料，必须用大口径望远镜和高效能辐射接收装置，而对百亿光年的深空探索还得配备强光力广角设备。要掌握河外天体的射电天图必须有大型的射电天线，还要具备能与光学成像相称的射电分辨技术。河外星系世界的非热辐射和高能过程，正吸引着全球的大型射电仪器和空间探测装置。当代威力强大的各个波段的望远镜都把河外天体作为重要的观察对象，以期在这方面获得更大的进展和突破。星系天文学的主要研究手段是天体物理方法。此外，星系动力学（包括解析、半解析和数值模拟方法）也是重要的研究工具。


河外天文学

河外天文学，又称河外星系天文学（Extragalactic astronomy），是天文学的一个分支，研究的对象是我们的银河系以外的星系——研究所有不属于银河系天文学（英语：Galactic astronomy）的天体。
当工作的仪器获得改善，就可以更详细的研究现在只能审视的遥远天体，因此这个分支可以再细分为更有效的近银河系外天文学和远银河系外天文学。前者的成员与对象包括星系、本星系群，距离近得可以详细研究内部的超新星遗迹、星协。后者远得只是可以测量的对象和只有最明亮的部分可以描述或研究。随着仪器的改进，现在可以更详细地检查遥远的物体，因此河外星系天文学包括几乎可观测宇宙边缘的物体。
一些相关的主题如下：

星系集团

类星体

射电星系

超新星

星系际恒星

星系际尘埃

星系际尘云


星系的分类

星系的分类（ classification of galaxies ），将星系按一定特征划分为若干类别的系统。星系的分类是研究星系的物理特性和演化规律的依据。1926年E.P.哈勃在观测并证认大量星系的基础上，建立了星系按形态分类的系统。1940年以后，随着照相巡天观测的开展，各种星系的观测资料在数量上和质量上都有了大幅度的提高：一方面，对哈勃分类提出了一些修订方案；另一方面，又在研究特殊星系以及正常星系若干细节尤其是星系核的基础上，提出了一些新的分类系统，如沃库勒系统、范登堡系统、摩根系统等。

星系的哈勃分类

目录

1 哈勃系统
2 沃库勒系统
3 范登堡系统
4 摩根系统

哈勃系统
哈勃于1926年提出将星系分为椭圆星系（以E表示）、旋涡星系（以S表示）和不规则星系（以Irr表示）3大类。其中，旋涡星系根据有无棒形结构分为正常旋涡星系（以S或SA表示）和棒旋星系（以SB表示）两族。每族按核球相对于盘的大小和旋臂由紧到松的程度分为a、b、c三个次型。椭圆星系按椭率分为8个次型，E0表示正圆星系，E7具有最大的椭率。后来又分出中介类型S0（无臂盘星系）和SB0（无臂有棒盘星系），以及各种过渡形态。不规则星系分为两类：IrrⅠ和IrrⅡ。IrrⅠ类非对称，有亮的O、В星和电离氢区等星族Ⅰ天体。IrrⅡ类分解不出恒星，有不规则吸收的尘埃条和尘埃片。有一部分IrrⅡ星系可能是正被伴星系的引力所扭曲或正在并合的星系（见星系）。
哈勃系统是一种形态分类。它是直接以观测为依据的，切实可行而又稳定不变，因此至今仍被广泛采用。哈勃分类第一判据可能同星系前身的角动量分布有关，也同最早期恒星的形成时标有关；第二、第三判据则可能同星系的恒星生成率有关。若干难于纳入哈勃分类系统的星系称为特殊星系（如M82,NGC 3077,NGC520,NGC 2685,NGC 3718）。这些星系的数量只占百分之几。

沃库勒系统
1959年以来，G.de 沃库勒多次对哈勃系统提出修订方案。方案的要点是划分四大类、两族、两种和五级。①四大类：椭圆星系(E)，透镜型星系(L)，旋涡星系(S)，不规则星系(Irr)。其中，透镜型星系等同于哈勃系统中的S0类。②两族：L类和S类又各分为A、B两族。A族表示无棒；B族表示有棒；AB表示过渡（混合）形态。③两种：r和s。r种代表旋臂绕成弧状，环成圆形SA(r)或椭圆形SB(r)；s种表示旋臂从星系核心或棒端出发，形成“s”状。过渡形态记为rs或sr。④五级：a,b,c,d,m（麦哲伦云类型）。过渡形态记为ab,bc,cd,dm。星系的一些物理参量如色指数、气体含量和旋转速度等，往往和上述顺序级有关联。

范登堡系统
亦称DDO系统，DDO是S.范登堡所在的研究单位加拿大戴维·邓洛普天文台(David Dunlap Observatory)的缩写。该分类系统是二维的，它沿用了哈勃分类参量a、b、c，增加光度型作为第二个参量。范登堡根据《帕洛马天图》发现，旋臂的形态与星系的光度密切相关：光度越高，旋臂就越长、越舒展；反之，光度越暗，旋臂越不舒展。据此，范登堡将Sb型分为五个光度型(Ⅰ,Ⅰ–Ⅱ,Ⅱ,Ⅱ–Ⅲ,Ⅲ)，Sc、Irr型分为八个半光度型（Ⅰ至V，包括各种过渡型）。如M51划为ScⅠ，M31划为SbⅠ–Ⅱ，M33划为ScⅡ–Ⅲ，大麦哲伦云划为IrrⅢ–Ⅳ,IC1 613划为IrrV。

摩根系统
又称叶凯士系统（因W.摩根在美国叶凯士天文台工作而得名），用E,S,B(≡SB)，I表示形态；另加L、N和D 3个字母（L表示表面亮度小，N表示在微弱背景上有小而亮的核，D表示没有尘埃）。再用前标a–f,af,f,fg,g,gk和k表示中聚度，用后标表示倾角指数1——圆……7——纺锤形，a/b≈10，另以p表示特殊，如：
NGC 5273——摩根系统gkD2，哈勃系统S0/Sa
NGC 488——摩根系统kS2，哈勃系统Sb
NGC 628——摩根系统fgS1，哈勃系统Sc
NGC 5204——摩根系统fI–fS4，哈勃系统Sc/Ir，沃库勒系统SAm
NGC 4449——摩根系统aI，哈勃系统Ir，沃库勒系统Ibm
星系形态分类受观测波段、曝光时间等多种因素包括研究者主观判断的影响，不同文献对同一星系的分类可能不一致。进入21世纪以后，随着斯隆数字巡天计划的完成，天文学家将获得空前均匀的大样本星系成像数据，加上计算机人工智能的帮助，星系形态分类将变得更为准确客观。


旋涡星系

旋涡星系（ spiral galaxy ），具有旋涡结构的盘状星系。星系的哈勃分类中用S代表（见星系分类）。旋涡星系的旋涡形状，最早是W.P.罗斯于1845年观测猎犬座星系M51时发现的。旋涡星系的中心通常有大质量黑洞，稍外是由星族Ⅱ老星组成的椭球状核球，周围围绕着由星族Ⅰ恒星、疏散星团、气体和尘埃组成的扁平圆盘，同核球恒星相比，盘星旋转速度较大而弥散速度较小。盘的面亮度从内向外呈指数律降低，I(R)＝I(0)exp(−R/hR)，式中hR为面亮度降到1/e时的半径，称为标长，取值在1至10千秒差距之间。从隆起的核球两端延伸出两条或更多点缀着明亮年轻恒星的螺线状旋臂，叠加在星系盘上。球形的星系晕延伸到盘以外，其中主要是星族Ⅱ天体，典型代表是球状星团。一个中等质量的旋涡星系往往有100～300个球状星团。再往外还有由暗物质组成、主导着星系质量的暗晕。它的存在是大量星系的旋转曲线在远离中心仍像观测到的那样保持平坦的必要前提。旋涡星系的质量M为100亿至1万亿倍太阳质量，光度对应的绝对星等是−15～−21等。质光比（以太阳质量和太阳光度为单位）M/L≈2～20。直径范围是5～50千秒差距。1977年发现，旋涡星系的光度约与峰值旋转速度（由中性氢21厘米谱线宽度测定）的4次方成正比，按其发现者的名字称为塔利–费希尔关系，是估计星系相对距离的重要方法之一。

大熊座旋涡星系M101（国家天文台BATC组提供）


棒旋星系

棒旋星系（barred spiral），旋涡星系的一类，其旋臂与一个由恒星组成并通过星系中心的直棒相连。


椭圆星系

椭圆星系（elliptical galaxy），看起来像天空中一个椭圆或圆形光斑、周围没有恒星盘迹象的星系。以前以为它们的外形像美国橄榄球，但对这些星系中恒星轨道速率的研究（利用光谱学和多普勒效应）证明，椭球（三维椭球）的全部三个轴一般都有不同的长度。 椭圆星系主要由年老的红色恒星组成；虽然这些恒星之间确实有不少尘埃和气体，但在这些星系中今天已很少看到活跃的恒星形成迹象。由于这，椭圆星系曾被认为是最年老的星系，而且从宇宙生命早期以来就基本上没有变化；但是较新的研究表明，许多椭圆星系（也许所有大椭圆星系）是旋涡星系相互碰撞、合并而成的（见星系形成和演化）。星暴星系大概正处在这一过程之中。
　　椭圆星系的质量范围从矮椭圆星系的大约100万太阳质量（与我们银河系的球状星团相似）到巨椭圆星系（已知最大的星系）的多达10^12太阳质量。考虑到很多矮椭圆星系因距离远而无法看见，椭圆星系占全部星系的大约60％。椭圆星系是星系团的最普通成员，而且富星系团的中心位置通常是一个占引力支配地位的大质量椭圆星系。最强的射电源都与大椭圆星系相联系，这表明在它们的核心部位可能隐藏了黑洞。


不规则星系

不规则星系（ irregular galaxy ），既没有明显的核、旋臂和盘，又没有椭球状对称结构的星系。哈勃分类系统中用字母Irr表示。分为IrrⅠ型和IrrⅡ型。IrrⅠ型是典型的不规则星系，除具有上述的一般特征外，有的还有隐约可见、不甚规则的棒状结构。它们是规模不如旋涡星系和椭圆星系的矮星系，质量为1亿～10亿倍太阳质量，有的可达100亿倍太阳质量，体积小，长径的幅度为2～9千秒差距。和Sc型旋涡星系相似，不规则星系有年轻的星族Ⅰ天体及电离氢区、气体和尘埃。星系结构可分解为星团、电离氢区等特征的程度高者记为Irr＋，分解程度低者记为Irr－。IrrⅠ型不规则星系气体含量高意味着它们自形成以来尚未充分演化。IrrⅠ型不规则星系有一个次型，其性质与本星系群中银河系附近的麦哲伦云类似，称为麦哲伦型不规则星系，记为Im。难以归为IrrⅠ型的其他不规则星系称为IrrⅡ型，它们具有无定形的外貌，分辨不出恒星和星团等组成成分，而且往往有明显的尘埃带。有的IrrⅡ型不规则星系可能是存在引力相互作用，正处于并合过程的系统。

不规则星系(NGC4449)


塞佛特星系

塞佛特星系（汉语拼音：Saifote Xingxi；英语：Seyfert Galaxy），一类较特殊的星系。因美国天文学家C.K.塞佛特于1943年首先发现而得名。其特点是，星系的中心有一个小而亮的核，核的颜色很蓝，并有许多很宽的发射线，包括高激发、高电离的容许线和OⅡ、OⅢ、NeⅡ等禁线。塞佛特星系的光谱特征表明，它的中心是一个产生非热连续谱的区域，中心源外面是一个很大的产生发射线的区域。发射线区有大量的气体，气体以气团的形式出现。气团高速运动，在中心源连续辐射的激发下产生很宽的发射线。塞佛特星系还发出很强的X射线、红外辐射和射电辐射。粗略地说，塞佛特星系还可分为Ⅰ型和Ⅱ型两类。Ⅰ型塞佛特星系的光谱与类星体的相似，但其光度却远小于类星体。Ⅱ型塞佛特星系里常有喷流和爆发现象。塞佛特星系是旋涡星系，但其旋臂不甚明显。


马卡良星系

马卡良星系（汉语拼音：mǎ kǎ liáng xīng xì），（Markarian galaxy），一类特殊星系。苏联天文学家V.E.马卡良从20世纪60年代起用物端棱镜巡天发现了一大批颜色很蓝的星系，称为马卡良星系，马卡良星系的主要特点是具有反常强度的紫外连续谱。但它们并不构成物理性质单一的一类星系。多数马卡良星系有一个明亮的核，核就是紫外连续辐射源，这些星系大多数是塞佛特星系。少数马卡良星系的紫外连续辐射分散在整个星系内，这些星系中包括阿罗星系、金属含量低的不规则星系、大尺度的电离氢区 (HⅡ区)等。


致密星系

致密星系（汉语拼音：Zhimixingxi；英语：Compact galaxy），光度几乎全部集中于核心区域的星系。这类星系的表面亮度很高，在照相底片上成像很小，刚好能与恒星的像相区别。因瑞士天文学家F.茨威基在20世纪60年代编制星系和星系团表的过程中所发现，故又称茨威基星系。按致密程度还可分为一般致密、中等致密、甚致密和极端致密4类。致密星系并不构成物理性质单一的一类。它包含许多类型的星系。有的致密星系是正常星系，但表面亮度较高。


蝎虎座BL型天体

蝎虎座BL型天体（汉语拼音：Xiehuzuo BL Xing Tianti；英语：BL Lacertae Objects），特殊星系的一类。简称蝎虎天体。因蝎虎座BL而得名。20世纪60年代以前，蝎虎座BL被认为是一颗光变不规则的特殊变星。1968年，证认出蝎虎座BL是射电源VRO42.22.01的光学对应体。性质与蝎虎座BL类似的天体称为蝎虎座BL型天体。其主要特点是：发出强烈的射电、红外和X射线；有猛烈的光度，时标为几小时到几月；连续谱高涨，光谱中没有谱线，或谱线很弱；各波段的辐射都是非热辐射，偏振度很大且有快速变化。对一些有谱线的蝎虎座BL型天体的观测表明，它们都有较大的红移。蝎虎座BL型天体的这些特性说明，它们是银河系以外的天体，是遥远的河外星系。


射电星系

射电星系（radio galaxy），探测到射电辐射的星系。一般的星系都有射电辐射。通常系指发出强烈的射电辐射（比一般的星系强102～106倍）的星系。射电星系的射电连续谱一般为幂律谱，且有偏振，谱指数平均为0.75。射电辐射具有非热性质，起源于相对论性电子在磁场中运动时产生的同步加速辐射。有些射电星系的射电辐射流量和偏振常有变化。射电星系的射电形态多种多样，可分为致密型、核晕型、双瓣型、头尾型和包含多个子源的复杂性。射电星系大多为椭圆星系、巨椭圆星系和超巨椭圆星系。射电星系的光谱很像塞佛特星系，多数类似于Ⅱ型塞佛特星系，少数类似于Ⅰ型塞佛特星系。不过，塞佛特星系却是旋涡星系。射电星系同其他也发出强烈射电辐射的星系，如类星体、N型星系 、塞佛特星系、蝎虎座BL型天 体等的关系，尚有待研究。有些射电星系还发出强烈的红外辐射和X射线。


互扰星系

互扰星系（ interacting galaxy ），二十世纪五十年代《帕洛马天图》问世后，兹威基等人根据星系的形态特征，认为有些星系处在引力不稳定状态，其中有的星系对、星系串或星系链彼此并非隔绝，而是在引力作用下互相干扰，破坏了星系的正常形态，甚至出现针状的、纤维状的或扫帚状的星系际桥状结构。他把这种星系对和多重星系称为互扰星系。沃龙佐夫-韦利亚米诺夫编有互扰星系图和表，载有1，800个互扰星系。

互扰星系 NGC4038和NGC4039


激扰星系

激扰星系（ active galaxy ），具有明显的激烈活动，而存在期大大短于正常星系演化尺度（1010年）的星系，又称活动星系，其总数约占正常星系的百分之一。星系激扰活动有两个判据。一是非热辐射。如果星系的射电、红外、紫外或X射线光度相当于、甚至大于光学光度，那么这个星系的辐射肯定不是黑体辐射，而是非热辐射(见热辐射和非热辐射)。二是引力不平衡。如果星系的成员天体具有每秒几千公里的非圆周运动速度，其演化时间短于引力稳定状态下的星系的自转时标（108年），那就表示星系处于引力不平衡状态。激扰星系有以下的标志和特征:①极亮的核:核心通常极小而光度极高，有的还是强射电源。②喷流结构：从星系延伸或抛射出来的发光结构，存在期短于动力学演化时标，往往是非热辐射源。③快速光变：光学波段的亮度变化以月计甚至以日计。④光谱中有宽发射线：发射线宽度相当于每秒几千公里的速度；禁线通常窄于容许谱线。⑤非热连续光谱：具有同步加速辐射特征，有的有一定的偏振。
激扰星系包括塞佛特星系、致密星系和马卡良星系，以及阿罗星系（阿罗用物端棱镜方法观测到的、外形弥漫、有强紫外连续发射或兼有发射线的星系）和N型星系（在微弱背景上有小而亮的核）。这些星系的物理和演化关系还不十分清楚。


活动星系

活动星系（active galaxy），从称为核的中心区域发射大量能量的星系。这赋予这类天体另一个名称——活动星系核，通常简称为AGN。这个名词包括了在不同时期发现的、已有不同名称的许多种类高能星系，其中有赛弗特星系、N星系、蝎虎座BL型天体和类星体。现在认为，所有这些天体的能量都是由某种基本相同的、涉及活动星系中心一个特大质量黑洞对物质吸积的过程所提供。 星系的物质落进黑洞时，与它的质量对应的引力能被释放并转变成电磁辐射，包括光、X射线和射电波。这个过程的效率极高，致使流入物质的10％或更多的质量按照爱因斯坦的著名公式E=mc^2转变为能量（见狭义相对论）。中央黑洞的质量可以多达太阳质量的1亿（10^8）倍，正好是环绕它的星系中全部明亮恒星质量的0.1％。它只需要每年“吞食”相当于1～2个太阳这种恒星的质量，就能够提供在最强大活动星系中观测到的能量。 中心能源产生的能量往往朝星系的两边射出，大概是通过黑洞的“极”出来的。这一能量不能从其他方向逃逸，是因为被吸积盘阻挡。射出的辐射与星系中及其附近的物质相互作用的地方，可以产生细的喷流或称为瓣的发出射电波的延伸区（见射电星系、喷流）。


星系核

星系核（ nucleus of galaxy ），大多数星系都有很密集的中心部分。以辐射压和引力相平衡等为依据，可以推知星系核的质量M约为108个太阳质量M⊙。星系核中包含恒星以及电离气体、磁场和高能粒子。正常星系的核，通常是“宁静”的。从宁静核中已经观测到各种谱型的恒星，也可能存在中子星等各种致密星。从一些星系核的谱线得知，核中有大质量的等离子体（占核质量的千分之一），温度约几千度，每立方厘米电子数为ne≈103～106。宁静核常常产生射电辐射，射电谱强度分布呈幂律形式，即Iv∝v-α；对绝大多数核，α=0.7。在频率v≈109赫处它的射电辐射谱强度Iv≈10-8尔格/厘米2。观测表明，星系核90％的光度是在很窄的红外区域产生的。红外辐射极大频率v极大=2.5×1013赫（即λ极大=70微米）；在极大频率两侧，强度迅速下降（当v＜v极大，Iv∝v3.5；当v＞v极大，Iv∝v-3.5）。对大多数星系核而言，尽管它们的性质有很大差异，但它们的红外辐射的极大频率都是相同的。
核有明显活动的星系约占星系总数的1～5％。核活动最强的星系是类星体，其次是N型星系（见特殊星系）和塞佛特星系。星系核的活动期估计为105～107年。

活动形式
①剧烈的气体运动：从测量塞佛特星系的发射线可以估计，气流速度可达每秒几千公里。这种气流有时能一直延伸到核外几千秒差距处。②巨大的非热辐射：和宁静核相类似，强非热辐射也是在红外区达到极大，红外极大频率也是v极大≈2.5×1013赫，但是强度比宁静时要大几个量级，辐射功率可达1046～1047尔格/秒；总能量甚至可达1062尔格。③很强的光变:光学和射电的辐射强度随时间有很大变化。例如3C273，有时在两个月内光度的变化就差一倍。同时，对不同的波长，谱强度的时变幅度也不同：波长越短，时变越强。对多数活动星系核来说，光变时标近一年，从而可推知它的大小约为1018厘米量级（相当于1秒差距）。④规模巨大的爆发现象：有些星系核抛出大块物质和相对论性粒子流，形成所谓物质喷射。M87就是一例。喷射物位于M87核的西北方向，其中有三个亮凝聚物和三个暗弱的凝聚物。凝聚物和核之间有发光“纤维”相连；此外，在这些喷射物相反方向也发现了一个小的喷射结构，其中有两个凝聚物。有些星系核爆发时，物质向四面八方抛射出来，著名的例子是M82和NGC1275；许多射电星系和类星体有双源结构，这也可能是某种爆发的结果。

理论模型
①紧密星团假说：认为在星系核中心，恒星密度非常高，以致发生非弹性碰撞，释放出巨大能量。但是，要使碰撞成为星系核的能源，那就要求星系中心处星团的密度高达每立方秒差距1011颗恒星，这与观测相矛盾。②黑洞假说：认为是引力坍缩的结果。虽然引力坍缩所释放的能量可达2×1054M/M⊙尔格的数量级，M/M⊙是星系核对太阳的质量比，但转化机制还不清楚；更重要的是，引力坍缩在10-5M/M⊙秒的时间内就完成了，这与观测到的活动核的准稳态相冲突。固然，吸积可暂时缓和这个困难。但是，物质抛射将大大抑制吸积，因此困难仍未解决。③大质量旋转磁多层球模型，即磁转子模型:定性地说，旋转引起磁场扭曲而产生中性线（见磁合并），在中性线附近发生磁场的动力学耗散，使聚积的磁能转化为粒子的动能，粒子就以相对论性速度沿着相反两个方向抛出，这就是磁转子的爆发机制。抛出的电子沿核外哑铃状磁力线回旋，发出同步加速辐射，为我们所接收。磁转子模型在解释活动星系核的主要观测事实上虽然取得一定的成果，但是，理论要求星系核的光度应有准周期性，这与观测资料并不相符。此外，在解释活动星系核的极大红外辐射和规模巨大的爆发现象方面，磁转子模型还没有成功。④引力弹弓和气泡模型：引力弹弓模型认为，星系核内由于恒星碰撞，形成若干大块物质。计算表明，如果形成三块以上的大块物质，则会出现引力不稳定性，将物质抛射出来。但是，这种模型不能解释星系核的对称抛射。而气泡模型是一种流体力学抛射，它假设相对论性粒子在核里形成一个“气泡”，以后分裂成两个热气体泡，它们被星系际风吹到星系外，或被周围冷气体顶出来，形成大块物质（气泡）的抛射。这种模型要求有足够的浮力，看来只有处在星系团内的活动星系核才可能实现这种抛射。⑤等离子体湍动反应堆模型：这种模型可以阐明以下三个主要问题：反应堆中，强等离子体波可使粒子加速到极端相对论性速度；在反应堆中，可以形成相对论性粒子的幂律谱；给出了辐射谱的特征，特别是解释了星系核的极大红外辐射，并且说明了各种不同星系核具有几乎相同的红外极大频率的原因。然而，这种模型对星系核的抛射物质，还不能作出有说服力的解释。


星系冕

星系冕（ corona of galaxy ），环绕在星系可见部分以外的一个广延的大质量包层，是苏联塔尔图天文台于1974年初在分析105个星系-伴星系系统的速度弥散度时发现的，随后又为美国天文学家所证实。星系冕的尺度非常巨大，平均约几十万秒差距，有的甚至达到百万秒差距。星系的质量和光度越大，它的冕的质量也越大。我们银河系的冕，质量约1012太阳质量，而巨椭圆星系的冕质量，比这还要大10～30倍。星系冕的发现对星系动力学有着重大的影响。有了星系冕，星系内恒星的逃逸速度就比原先估计的要高。因而，星系就可能较为稳定。同时，星系冕的发现使估算的宇宙物质的平均密度比原来有所增加，这对宇宙学是很重要的。星系冕的发现使我们对宇宙物质形态有了新的认识，即宇宙物质的大部分可能是处于不可见的弥漫态，形成为星系或恒星的，只是它的小部分。因此，星系冕在星系的起源和演化的研究中占有比较重要的地位。


星系盘

星系盘（ disk of galaxy ），规则星系中具有盘状结构的组成部分。规则星系的最常见的形态是一个盘加一个中心核球。这种类型的星系（旋涡星系和棒旋星系）的典型星系盘，直径为104～105光年，厚度则为103光年，质量约为109～1011太阳质量。星系盘有旋涡或棒状结构，或既有旋涡又有棒状结构。星系盘的旋涡形式大部分是双旋臂的。丹佛于1942年指出，旋臂可以很好地用对数螺旋线方程式表示。根据林家翘等人提出的密度波理论，这种旋臂不是固定的物质臂，而只是一种密度的波动花样。通常，星系盘绕着垂直于它的中心轴线作较差自转，即旋转角速度和离中心的距离有关。这种关系可以用布兰特公式表示:ω(r)=A/(1+B3r3)1/2，其中ω是角速度，r是到星系中心的距离，A、B是参数。研究表明，星系盘的较差自转，对形成和维持盘的准稳结构起着很大的作用。星系盘中的恒星主要是星族Ⅰ恒星，多半是属于主星序的年轻恒星(见赫罗图)。盘中还有大量的气体、暗星云和尘埃，亮度随离中心距离增加而减小。大尺度的扁星系盘，具有巨大的角动量，它的典型值为1074克·厘米2/秒。星系盘的形成以及它的角动量的来源是一个重要的研究课题。


星系的质光比

星系的质光比（ mass-to-light ratio of galaxies ），星系质量和光度的比值，通常以太阳质量和太阳光度为单位。通过对双重星系(见星系成团)的观测，可求出各种不同类型的星系的质光比。计算质光比，必须知道星系的距离，而星系群的星系团距离的测定，往往与哈勃常数H密切相关。所以，要先明确H值的选取。当H=50公里/秒·百万秒差距，旋涡星系的质光比M/L≈2～15，椭圆星系的M/L≈50～100。这样，根据星系的光度资料，就能估计星系的质量。


短缺质量

短缺质量(汉语拼音：Duan que zhi liang；英语：missing mass），星系的维里质量与光度质量之差。又称隐匿质量。根据维里定理算出的星系的质量称为维里质量；根据质光比算出的质量称为光度质量。观测发现，星系的维里质量总是大于星系的光度质量。也就是说，根据质光比的计算，质量有所短缺，因此称为短缺质量。又称为质量不相符。1933年，F.兹威基首先发现了这种质量不相符现象。以后的大量观测证实的确存在这种现象。一般认为，质量不相符因子约为10，即维里质量与光度质量之比约为10。
　　短缺质量是星系天文学和宇宙学中的一个重大课题，人们从多方面对它进行过探索。一部分人认为，星系团不稳定，维里定理不能用，维里质量就没有意义，或者，红移中有非速度因素，造成维里质量偏高。另一部分人认为，星系和星系团中隐匿了一些暗黑的物质，它们参与引力相互作用，但对星系光度的供献却微乎其微，造成了光度质量偏低。
　　短缺质量是一个肯定的观测事实。出现短缺质量的原因是由于星系、星系团里具有暗物质 。至于暗物质究竟是些什么样的物质，尚无定论。虽然星系际气体尘埃、矮星、行星、黑洞等可能是暗物质的存在形式，但粒子物理学和宇宙学的迅猛发展使人们认为，暗物质的主流是非重子物质。可能的候选者有：电子中微子，是否有静止质量尚不肯定；超弱相互作用粒子，如τ中微子、引力微子、光微子等。

参见条目

天文学


隐匿质量


维里质量


巨星系

巨星系（ giant galaxy ），光度和质量最大的一类星系。它们的绝对星等可达-20～-22等，质量可达1011太阳质量。我们把绝对星等为-23～-24等，质量为1012～1013太阳质量的星系叫超巨星系。银河系和仙女星系都是巨型旋涡星系。在星系团的核心区域，往往有一个或两个巨星系，通常是巨型椭圆星系，它们的光度和质量都大大超过其他成员星系，例如，室女星系团中的椭圆星系NGC4486(M87)，后发星系团中的椭圆星系NGC4889和SO型星系NGC4874等。在巨型椭圆星系的光谱中，星族Ⅱ黄巨星和红巨星所特有的分子谱带和电离钙线占优势。巨星系通常有极其巨大的星系冕，而且往往还是强射电源，有剧烈的激扰活动。


矮星系

矮星系（dwarf galaxy），类似麦哲伦云——银河系的伴星系——的小星系。矮星系和正常星系之间的分界线从来没有明确定义，但矮星系可能只含有几百万颗恒星，而银河系的恒星则有数千亿颗。不要与致密星系相混。


隐带

隐带（ zone of avoidance ），二十世纪初，星云视分布的研究，特别是哈勃于1934年完成的星系计数清楚地表明，沿着银河±20°范围内有一个轮廓不规则的带，除一、二处极小天区外，其他天区几乎完全观测不到星系，这条带就叫做隐带。在隐带邻近天区，星系的密度也较南北银极为小。这一现象说明，银道面附近集聚了星际物质，它们吸收了星系的光波辐射。


星系计数

星系计数（ galaxy count ），计数不同天区星系的数目，以便用统计方法研究星系的分布、星系成团和观测宇宙学。可分为星系在天球面上分布情况的计数，以及不同距离星系在深度上的计数。对星系面分布的计数工作，早在二十世纪初期便已开始。当时只是对星系的总体分布，以及所观测到的全天星系总数，给出一个轮廓。定量的分析是从1934年哈勃的工作开始的。目前已知全天亮于20等的星系约有2，000万个，每平方度平均有500个，或者说在满月月面那么大的天区内分布100个左右。如果观测到23等，则星系总数可达10亿以上。统计分析的结果表明，亮于13.5星等的亮星系在天球上的二维面分布是很不均匀的，或者说是各向异性的。绝大部分星系以各种各样的星系群或星系团的形式出现，星系团又可能组成超星系团以至更大的星系集团。由于不同计数工作的假设前提不尽一致，加上观测资料的限制，所以对于大尺度上的星系分布的实际情况迄今还没有一致见解。
星系在深度上的计数，主要是统计全天或部分天区内亮于某一极限视星等m的星系总数N。极限星等越大，亮于这一星等的星系数就越多。从统计学的角度来说，可以认为全部星系具有同样的大小和同样的发光本领，因而就有同样的绝对星等。这样，星系离地球越远，视星等就越大，而亮于这个星等的星系数也就越多。如果星系在整个宇宙空间深度上的分布是均匀的，那么在极限星等和星系数之间应该有以下的统计关系:1gN∝0.6m。
在(m，1gN)的坐标图上，系数0.6就是斜率。如果星系在深度上的分布不均匀，斜率就不等于0.6。对《帕洛马天图》上星系的计数分析表明，在视星等mv＜13.5等时，斜率小于0.6，这说明亮星系多于平均值。当mv≥14.5等时，斜率大致为0.6，这就表明在本超星系团以远的空间中，星系在深度上的总体分布是均匀的。星系和更大尺度上的星系团、射电源以至类星体的计数，对于宇宙学是一种极为重要的资料。


星系成团

星系成团（ clustering of galaxies ），星系聚团的现象。从小范围讲，星系常常以双重星系、三重星系以至多重星系的结构出现。统计表明，大约有半数的明亮星系构成双重或多重星系。这些多重结构又可以进一步构成小的星系群。例如，大、小麦哲伦云是双重星系，它们和银河系构成三重星系，并进而与玉夫星系等近距星系形成多重星系；这个系统又与以仙女星系为中心的另一个多重星系构成本星系群的两个星系集中区。最近发现的马菲Ⅰ以及IC10星系又同以仙女星系为中心的多重星系构成了一种长条形的星系链。比星系群更大的成团结构就是星系团，有时也把只有十几个成员的小群和包含上千个以至更多星系的巨大系统通称为星系团。不同的星系团不仅成员数差别很大，而且形状也各不相同，有的结构致密，有的外形松散。一般来说，星系的典型尺度为10千秒差距，多重星系的尺度为100千秒差距，而星系团的直径的量级为百万秒差距。
星系团构成高一级的成团结构──超星系团，或称二级星系团，它们往往具有扁长的结构，长径约60～100百万秒差距，长短径之比约为4:1。本超星系团是这一类天体系统的代表。星系团构成超星系团的现象，叫作星系的超级成团。


星系的起源

星系的起源（ origin of galaxies ），与宇宙早期的结构和演化密切相关的科学研究课题。这一课题的研究历史尚短，流派较多，远未成熟。较流行的看法是，在宇宙热大爆炸后的膨胀过程中，分布不均匀的星系前物质收缩形成原星系，再演化为星系。关于星系前物质，有人认为是弥漫物质，也有人主张是超密物质。关于原星系的诞生，有两派见解。一派是引力不稳定假说，另一派是宇宙湍流假说。两派观点如下：

引力不稳定性假说
宇宙在早期由原子核、电子、光子和中微子等组成，在温度降到4，000K以前，处于辐射占优势的辐射时期，此时在各种相互作用中，引力不居主要地位。当温度降到4，000K左右，复合时期开始，宇宙等离子体中性化，宇宙从辐射占优势时期开始转入实体占优势时期。在复合时期前后的30亿年期间，星系团规模（甚至更小尺度）的引力不均匀性开始出现并逐渐增长。这时，宇宙物质就因引力不稳定而聚成原星系。计算表明，如果天体形成于复合前或复合初期，则先形成星系团或超星系团，再碎裂成星系或恒星；如果天体形成于复合晚期，则先形成105太阳质量的结构，一部分保留至今成为球状星团，大部分则聚合成星系、星系团。

宇宙湍流假说
在宇宙等离子体物质复合以前，强辐射压可引起湍动涡流。物质中性化后，辐射不再影响物质运动。涡流的碰撞、混合、相互作用产生巨大的冲击波，并形成团块群，再演变为星系。这一学说较自然地说明了星系和星系团的自转起因。计算表明，实体占优势时期形成的结构物为105太阳质量；复合时期形成的结构物则是1012太阳质量。
两种假说在星系形成的时期上观点比较一致，认为它们大约在100亿年形成的。
除上述两种假说外还存在其他一些假说：①正反物质湮没说：认为有限的总星系由等量的正反物质组成。正反物质湮没而产生压力，使原始云膨胀。原始云有正物质区、反物质区和正反物质混合区之分。同类区团聚，混合区把正物质区和反物质区隔开。我们的总星系是正物质系统，先收缩后膨胀。另外的总星系可能是反物质系统。②超密说：认为星系是超密的星系核的抛出物，星系团由超密物质碎裂而成。③延迟核假说：设想一部分原始超密物质比宇宙整体膨胀延迟了若干时间，“延迟核”一开始膨胀就成为白洞。类星体的核心和激扰星系核可能就是“白洞”。一部分延迟核转化为星系。④连续创造说：稳恒态宇宙模型认为物质产生于最高密区，即星系核之中。星系是在宇宙膨胀过程中连续产生的。


原星系

原星系（ protogalaxy ），在宇宙热大爆炸后的膨胀过程中，分布不均匀的星系前物质收缩形成原星系。


星系的演化

星系的演化（ evolution of galaxies ），星系按其形态，分为椭圆星系（E型）、透镜型星系（SO型）、旋涡星系（S型）、棒旋星系（SB型）和不规则星系（I型）。对星系的演化有几种不同的见解。早在二十世纪三十年代，人们就把形态的序列看成是演化的序列，认为星系从球形开始，因自转而变扁，扁平部分形成旋臂，旋臂逐渐松卷以至消失。换句话说，星系是从椭圆星系，经过旋涡星系，最后演化成不规则星系的。另一种看法也认为形态序列是演化序列，但方向相反：从不规则星系，经过旋涡星系到椭圆星系；即从不规则开始，因自转而获得轴对称，最后演化成球状星系。现在知道，椭圆星系和旋涡星系中都有老年星，而且年龄相差不多。此外，质量、扁度等这些量上的差别也表明，星系的形态序列不是演化序列，各种类型星系彼此不能相互转化。第三种见解认为，演化取决于星系的质量和角动量。第四种观点认为，星系的形态结构的不同，决定于形成时的初始条件（密度、速度弥散度、角动量分布、温度、湍流、磁场等）的差别。
目前认为星系演化过程的大致轮廓如下：原始星系云在收缩过程中，出现第一代恒星。在原星系的中心区，收缩快，密度高，恒星形成率也高。由于中心区的激烈弛豫，形成旋涡星系的星系核或形成椭圆星系整体。星系的自转离心力阻止赤道面上的进一步收缩，并造成不同的扁度。气体的随机运动和恒星辐射加热等因素，使得部分气体未聚合为星胚，并因碰撞作用而沉向赤道面，形成旋涡星系和不规则星系。激烈弛豫的结果，使星系从形成之初就已基本定形并保持下来，不再显著变化。在几亿年期间，由原星系形成为年轻星系。在此之后的百亿年中，一般而言，星系的演变十分缓慢。除因邻近的伴星系的潮汐作用等因素造成了物质“桥”、“尾”或“剥去”星系外围物质外，星系结构一般无大变化。
对于椭圆星系而言，可能由于初始密度和初始速度弥散度都较大，恒星形成率一开始就非常高，气体几乎全部用来形成恒星。星系中的恒星是无碰撞的，所以椭圆星系形成后形态基本不变。旋涡星系的第一代恒星诞生率较低，所以有部分气体保留下来。计算表明，不同的初始密度和初始速度弥散度，可以形成核球和星系盘之间大小比例不同的星系，这就可以用来大致解释旋涡星系的Sa、Sb和Sc三种次型。不规则星系的恒星诞生率更低，至今尚有较多气体遗留下来。在规则星系团中，物质密度和速度弥散度都大，成员中椭圆星系多。在不规则星系团中，密度较小，椭圆星系较少。在富星系团中，旋涡星系少，而在富星系团的中心区域，则完全观测不到旋涡星系。旋涡星系主要是场星系或是疏散星系群的成员，正好反映出那里的密度和速度弥散度都低。一般认为透镜型星系是失去了气体的旋涡星系，对这一类星系的演化还没有令人满意的理论。
旋涡星系普遍具有旋涡结构。六十年代发展起来的密度波理论较好地说明了许多旋涡结构的观测事实。也有人认为，旋臂是星系核抛射物质的产物，而较差自转是旋涡结构的成因。旋臂的演化趋向是旋紧还是旋松的问题，至今尚无定论。


本星系群

本星系群（ local group of galaxies ），距离银河系中心大约100万秒差距范围内由引力束缚在一起的星系的总称。1936年E.P.哈勃首先在《星云世界》一书中把银河系及其邻近的大麦哲伦云、小麦哲伦云、仙女星系、M32、NGC–205、M33、NGC–6822和IC–1613八个星系称为本星系群。到1997年为止，已发现(包括待证实)的本星系群成员达35个。按哈勃形态分类，银河系、M31和M33为旋涡星系，M32为椭圆星系，其余为矮椭圆星系、矮椭球星系和不规则星系。银河系和仙女星系是本星系群中两个最大的成员。各率一批星系形成两个次群结构。银河系次群含人马座星系、大麦哲伦云、小麦哲伦云、小熊星系、天龙星系、玉夫星系、六分仪星系、船底星系、天炉星系、狮子Ⅰ、狮子Ⅱ星系等。仙女星系次群含仙女三重星系M31、M32、NGC–205、仙后双矮星系NGC–147和NGC–185，以及新近发现的矮星系仙女Ⅰ、仙女Ⅲ、仙女Ⅴ、仙女Ⅵ等。本星系群的Ⅴ波段总光度为4.2×1010 L⊙。总质量为2.3×1012 M⊙ 。质光比为44倍太阳单位。这意味着本星系群中暗物质比可见物质重一个量级。本星系群的成员距离太阳较近，能被分解为恒星，易于进行细致研究，常被用于造父变星周光关系、超新星极大光度与下降速率关系、球状星团光度函数等河外距离测量方法的定标，对于测定哈勃常数等重要的宇宙学参量以及研究星系的形成和演化起着不可替代的作用。


仙女星系

仙女星系（汉语拼音：Xiannü Xingxi；英语：Andromeda Galaxy），位于仙女座的一个肉眼可见的巨型旋涡星系。在梅西耶星表中编号为31，在《新总表》中编号为224，因此，记为M31或NGC224。又称仙女座大星云，现称仙女星系。1924年，美国天文学家E.P.哈勃首次在仙女星系中发现了一些造父变 星，根据造父变星的周光关系算出它的距离，确认它是银河系以外的恒星系统。仙女星系的距离为690千秒差距，或225万光年。同银河系一样，为Sb型。仙女星系的直径约50千秒差距，质量约3.1×1011太阳质量，都为银河系的2倍，是该星系群中最大的一个。仙女星系周围还有几个很小的星系，它们构成该星系群中的一个次群，即仙女星系次群。


仙女大星云


麦哲伦云

麦哲伦云（汉语拼音：mài zhé lún yún），（Magellanic clouds），南部天空肉眼可见的两个星系。包括大麦哲伦云和小麦哲伦云，合称麦哲伦云。1521年，葡萄牙人F.麦哲伦作环球航行时首次对它们做了精确描述，由此得名。由于位置靠近南天极(大麦哲伦云的赤纬为－69°.8，小麦哲伦云的赤纬为－73°.1)，北纬20°以北的地区看不到它们。大麦哲伦云在剑鱼座和山案座，距离地球约16万光年，赤径约为银河系的1／4，质量约为银河系的7％。小麦哲伦云在杜鹃座，距离19万光年，直径为银河系的1／10，质量只有银河系的1／100。麦哲伦云的类型不很确定，可能是不规则星系，也可能是棒旋星系。在麦哲伦云里发现了大量的变星、星团和星云，也观测到不少新星、超新星遗迹、X射线双星等。特别是，1987年麦哲伦云里爆发了一颗超新星，即超新星1987A。麦哲伦云是离银河系最近的两个星系，它们同银河系有物理联系，三者构成一个三重星系。


星系团

星系团（ Cluster of Galaxies ），十几个、几十个以至成百上千个星系集聚在一起组成的星系集团。宇宙中确知具有动力学束缚特征的最大结构。其中的每一个星系称为星系团的成员星系。成员数目较少（不超过100个）的星系团称为星系群。现已发现上万个星系团，距离远达70亿光年之外。至少有85％的星系是各种星系群或星系团的成员。小的星系团如本星系群由银河系以及包括仙女星系在内的40个左右大小不等的星系组成。大的星系团如后发座星系团有上千个比较明亮的成员星系，如果把一些暗星系也包括进去，总数可能上万。平均而言，每个星系团内的成员数约为130个。有时又称成员数较多的星系团为富星系团，但贫、富的划分标准也是相对的。尽管不同星系团内成员星系的数目相差悬殊，但星系团的线直径最多相差一个数量级，平均直径约为5兆秒差距。

武仙座星系团

星系团按形态大致可分为规则星系团和不规则星系团两类。规则星系团以后发座星系团为代表，大致具有球对称的外形，往往有一个星系高度密集的中心区，团内常常包含有几千个成员星系，几乎全部都是椭圆星系或透镜星系。这种星系团往往发射弥漫X射线，显示其内部存在温度高达一亿度的热气体。这些气体的金属丰度达太阳值的1/3，可能是由于星系内恒星演化增丰的气体被星系间相互作用剥离的结果。不规则星系团结构松散，没有一定的形状，也没有明显的中央星系集中区，如武仙座星系团。它们的数目比规则星系团更多。范围比较大的不规则星系团可有几个凝聚中心，在团内形成一种次一级的成群结构。不规则星系团包含各种类型星系，其中往往以暗星系占绝对优势。另外，不规则星系团内气体仅同个别星系相关联，缺少弥漫的星系际介质。这些特征显示不规则星系团没有像规则星系团那样充分位力化。
星系团作为整体的视向速度同星系团的距离满足哈勃定律，即距离越远视向速度越大。如较近的室女星系团离太阳约19兆秒差距，视向速度为1 180千米/秒；而长蛇Ⅱ星系团离太阳约有1 000兆秒差距，视向速度则高达60 000千米/秒。一个星系团内不同成员星系间的相对运动情况可用速度弥散度来表示。一般随着星系团的范围的扩大和成员数的增加，速度弥散度也就越来越大。小星系团的速度弥散度约为250～500千米/秒；大星系团的速度弥散度高达2 000千米/秒。根据速度弥散度，利用位力定理可估算星系团的总质量；扣除由星系光度函数和平均质光比算出的星系质量，以及由X射线观测借助流体静平衡算出的热气体质量后，可以估计出暗物质所占的比例和分布。


室女星系团

室女星系团（Virgo cluster of galaxies），位于室女座的一个星系团，包含2500多个星系。平均红移为1180千米／秒，距离19百万秒差距（6000万光年），是离地球最近的一个不规则星系团。室女星系团占据的天空面积很长，角直径约12°；线直径约1300万光年。它的中心有一个超巨椭圆星系M87（NGC4486），是全天最强的射电源之一，也是一个强的X射线源，绝对目视星等约－22等，质量约4×1012太阳质量。室女星系团属于本超星系团，可能是后者的中心密集部分。


后发星系团

后发星系团（Coma cluster of galaxies），位于后发座的一个规则星系团。角直径约6°。它的中央星系密集区包含1000个以上的星系，成员星系的总数可能超过1万个。平均红移约6700千米／秒，距离113百万秒差距（3.5亿光年）。在它的中心有两个超巨型星系，一个是椭圆星系（NGC4889），另一个是透镜形星系（NGC4874）。后发星系团是一个X射线源。


不规则星系团

不规则星系团，又称疏散星系团，它们结构松散，没有一定的形状，也没有明显的中央星系集中区，例如武仙星系团。
它们的数目比规则星系团更多。大的不规则星系团的成员星系数多达 2,500个以上；小的只包含几十个甚至更少的成员星系，本星系群就属这一类。范围比较大的不规则星系团可以有几个凝聚中心，在团内形成一种次一级的成群结构。整个团就是这些较小群的松散集合体，又可称为星云或超星系。不规则星系团总是各种类型星系的混合体，其中往往以暗星系占绝对优势，这也是与规则星系团的不同之处。另外，只有少数不规则星系团发射X射线。


球状星系团

球状星系团，规则星系团以后发星系团为代表，大致具有球对称的外形，有点像恒星世界中的球状星团，所以又可以叫球状星系团。


疏散星系团

疏散星系团（ open cluster ），疏散星系团，又称不规则星系团，它们结构松散，没有一定的形状，也没有明显的中央星系集中区，相比球状星系团疏散星系团的形成时间较晚. 例如武仙星系团(The Hercules Cluster of Galaxies)。


超星系团

超星系团（ super-cluster），若干星系团松散束缚在一起构成的更高一级的天体系统。本星系群就同附近的50个左右星系群和室女星系团等构成本超星系团。不同的超星系团在天球上可能彼此重叠，只有通过红移巡天测定每个星系团的距离之后才能鉴别它们的成员。已经证认的超星系团数目在10个以上。如双鱼–英仙超团、长蛇–半人马超团、沙普利超团等。超星系团的质量可高达太阳的一亿亿倍，通常在一个超星系团内只含有2～15个富星系团。拥有几十个成员星系团的超星系团是不多的。超星系团往往具有扁长的外形，长径范围为60～100兆秒差距，长短径之比平均约为4∶1。这种扁形结构可能提示超星系团有自转。超星系团内的成员星系团的速度弥散度大约为每秒1 000～3 000千米，但各成员星系团之间的引力相互作用要比星系团内各成员星系之间的引力作用弱得多，因而超星系团可能是不稳定的系统，其尺度还在随宇宙的膨胀而增加。超星系团的存在，表明宇宙空间的物质分布至少在100兆秒差距的尺度上是不均匀的。较大的超星系团没有向中心集中的趋势或轴对称性，是形成星系大尺度结构分布图上围绕着空洞的纤维的一部分。


本超星系团

本超星系团（ local supercluster ），包括本星系群在内的超星系团。1937年，霍姆伯格在分析了双重星系和多重星系的分布后认为，存在着一个“总星系云”，尺度范围100百万秒差距。这是本超星系团最初的概念。二十世纪五十年代中，沃库勒重新提出关于本超星系团的概念，并为后来的研究所证实。沃库勒认为，本超星系团的长径为30～75百万秒差距，它是许多星系云和星系团的集合体，包括本星系群、室女星系团、大熊星系云以及50个左右较小的群和团。它们共同构成一个巨大的扁平状天体系统。其中亮于13.5等的明亮星系集中在天空中的一个大圆上，这个大圆称为超星系赤道，大圆的极的坐标在国际天文学联合会银道坐标系中是银经lⅡ=47.°37，银纬bⅡ=+6.°32。本超星系团的中心在室女星系团附近的方向(lⅡ=283°，bⅡ=+75°)。对沿超星系赤道的星系视向速度的分析表明，本超星系团可能正在自转和膨胀，目前银河系绕团中心的公转周期约为1，000亿年。本超星系团的存在已为人们所公认，关于它的结构，特别是动力学性质尚待进一步研究。


超星系坐标

超星系坐标（ supergalactic coordinates ），1953年，沃库勒仔细分析了沙普利和艾姆斯星系表上亮于13.5星等的星系，发现这些星系集中分布在天球上一个大圆两侧的宽18°的带内，最高度集中的一条长带，平均宽12°，亮于12等的星系有2/3位于带内。这条带定出了一个和银道面几乎垂直的大圆，与银道在旧银道坐标系银经105°和285°处相交，大圆的一个极点位于旧银经l=15°，旧银纬bI=+5°（在国际天文学联合会银道坐标系中，则为lⅡ=47°37，bⅡ=+6°32）处。室女星系团离北银极不远，在lI=255°，bI=+75°处。沃库勒认为上述事实表明，绝大部分较亮的星系属于一个很大而扁平的星系集团，称为本超星系团，室女星系团是它的一部分，可能就是它的核心密集部分，银河系位于本超星系团的比较靠近边缘的部分，离边缘一百多万秒差距。后来的射电观测证实了这一推测。以上述极点和大圆面为基础的坐标系统，沃库勒称之为超星系坐标，它常用于研究星系的分布。沃库勒后来又把超星系坐标经度的起点定为lⅡ=137°29，bⅡ=0°代替原来的lI=105°lI=0°，使其与新的银道面相一致。


总星系

总星系（ Metagalaxy ），通常把我们观测所及的宇宙部分称为总星系。也有人认为，总星系是一个比星系更高一级的天体层次，它的尺度可能小于、等于或大于观测所及的宇宙部分。总星系的典型尺度约100亿光年，年龄为100亿年量级。通过星系计数和微波背景辐射测量证明总星系的物质和运动的分布在统计上是均匀和各向同性的，不存在任何特殊的位置和方向。总星系物质含量最多的是氢，其次是氦。从1914年以来，发现星系谱线有系统的红移。如果把它解释为天体退行的结果，那就表示总星系在均匀地膨胀着。总星系的结构和演化，是宇宙学研究的重要对象。有一种观点认为，总星系是2×1010年以前在一次大爆炸中形成的。这种大爆炸宇宙学解释了不少观测事实（元素的丰度、微波背景辐射、红移等）。另一种观点则认为，现今的总星系是由更大的系统坍缩后形成的，但这种观点并不能解释微波背景辐射。


星系际物质

星系际物质（ intergalactic matter ），存在于星系与星系之间的气体和尘埃。它们有的聚集于两个互相邻近的星系之间，构成星系之间的物质桥；有的位于星系团内，组成星系团的隐匿物质；有的位于星系团之间，形成星系团际物质。星系际物质的气体成分可能是中性气体，也可能是电离气体。星系际物质也和星际物质一样具有消光效应。在一些星系际物质较密集的地方也会形成星系际暗云。目前已发现几个可能是星系际暗云的区域。星系际物质的研究对宇宙学和星系的演化都有极密切的关系。在宇宙学中，宇宙临界密度与宇宙总密度的比值决定空间的几何特征，而星系际物质在宇宙的总密度中占有一定的份量。在星系演化中，一些激扰星系可以抛出物质，进入星系际空间，形成星系际物质。星系际物质也可以为正常星系吸积，或形成新的星系。星系际物质的密度约在5×10-30克/厘米3（在星系团中心附近）到2×10-34克/厘米3（在一般空间）之间。


微波背景辐射

微波背景辐射（microwave background radiation），来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射。又称宇宙背景辐射。1964年，美国科学家A.A.彭齐亚斯和R.W.威尔逊使用贝尔电话实验室研制的6米喇叭形接收天线测量围绕银河系的银晕气体的射电强度时，发现总有消除不了的背景噪声。这种噪声具有各向同性的特点，肯定来自宇宙空间。1965年，他们测得这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K。他们的论文发表后引起轰动，并为此而荣获1978年诺贝尔物理学奖。
　　微波背景辐射最重要的特点是具有黑体谱。测量各个波段的微波背景辐射，可以得到它的谱。由于地球大气的干扰，对于小于0.3厘米的辐射，需要利用火箭、卫星等手段才能测到。大量的观测资料表明，微波背景辐射具有温度为2.7K的黑体辐射谱，由此，它也习称为3K背景辐射。最近，宇宙背景探测器卫星的精确测量表明，背景辐射的温度为2.730K，几乎是严格的黑体谱。
　　微波背景辐射的另一个重要特点是它具有极高度的各向同性性质。无论是小尺度上，还是大尺度上，微波背景辐射几乎是完全各向同性的。
　　微波背景辐射肯定来自宇宙空间。现在普遍认为，它是宇宙早期残留下来的辐射。大爆炸宇宙学认为，宇宙经历了由热到冷的演化。宇宙早期，温度极高，辐射具有黑体谱性质。随着宇宙的膨胀，温度逐渐降低，到今天，温度应降至2.7K左右。微波背景辐射被认为是对大爆炸宇宙学的最强有力的支持之一。其他的宇宙模型，有的并未预言存在微波背景辐射，有的很难解释背景辐射。微波背景辐射的发现对现代宇宙学有着深远影响，其意义可与河外星系的红移的发现相比拟。


3K背景辐射

宇宙微波背景辐射（ cosmic microwave background radiation ），来自宇宙空间背景上的高度各向同性的微波电磁辐射。又称宇宙微波背景。20世纪60年代初，美国科学家A.彭齐亚斯和R.W.威耳孙为了改进卫星通信，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度时，发现总有消除不掉的背景噪声，认为这些来自宇宙各个方向的微波噪声相当于温度3.5K的物体在波长7.35厘米的辐射，1965年又订正为3K，并将这一发现公之于世。由于后来进一步地观测证实，这种辐射正是20世纪40年代G.伽莫夫等预言的宇宙诞生时大爆炸火球留下的遗迹。他们的这一发现被认为是20世纪20年代E.P.哈勃发现宇宙膨胀以来宇宙学方面最重要的观测成就。他们为此而荣获1978年诺贝尔物理学奖。

COBE卫星观测到的微波背景辐射

测量
微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱，在0.3～75厘米波段，可在地面上直接测到；在大于100厘米的射电波段，银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射，因而不能直接测到；在小于0.3厘米波段，由于地球大气辐射的干扰，要依靠气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测到。1989年升空的宇宙背景探索者（COBE）卫星从0.05厘米直到数十厘米波段内的测量表明，背景辐射是温度2.725±0.002K的黑体辐射，强度峰值对应的波长约0.2厘米，与普朗克谱的偏离仅为百万分之五十，习惯称为3K背景辐射（见图）。能谱的性质表明，微波背景辐射是极大的时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱。由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的相互作用极小，所以今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前，即大爆炸后约30万年，温度降到约低于太阳表面的6 000K，物质尚处于等离子体状态，与辐射相互作用很强的宇宙早期。所以微波背景辐射应具有比最遥远星系所能提供的更为古老的信息。
微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性。沿天球各个不同方向辐射温度的涨落小于0.1％。这种涨落主要来源于太阳系相对于微波背景每秒约370千米运动引起的多普勒效应T(θ)＝T0(1+v/ccosθ)，式中T为温度，v为太阳系相对于微波背景的运动速度，c为光速，θ为天球上任一方向与该运动方向的夹角。在扣除这种具有偶极特征的各向异性成分之后，辐射温度的涨落小于0.004％。这种高度各向同性说明，在各个不同方向上，在各个相距非常遥远的天区之间，应当存在过相互联系。这也为宇宙在大尺度上均匀各向同性的宇宙学原理提供了有力的观测支持。

意义
扣除偶极各向异性成分之后，宇宙微波背景的本征起伏来源于大爆炸瞬间的量子涨落，它引起的普通物质密度涨落在电子与原子核复合以前像声波那样传播，在复合以后由于引力不稳定性继续增长，形成星系、星系团等不均匀的结构。与之相关的辐射涨落反映在复合时期温度分布的角功率谱上，表现为一系列波峰与波谷，这些峰谷的位置和振幅与十分重要的宇宙学参数（如哈勃常数H0，宇宙年龄t0，密度参数Ω，宇宙学常数Λ等）密切相关。2001年美国国家航空航天局发射的微波各向异性探测卫星（WMAP），由于其角分辨率比COBE有量级的提高（从7°左右提高到0.2°左右），经过一年的运行，获得了角功率谱上百个点的准确数据，从而把估计宇宙学参数的精度提高到优于10％。此外，还首次测到微波背景辐射的偏振，把第一批恒星和星系形成的时代推到大爆炸后约2亿年。欧洲空间局将于2007年发射的普朗克卫星灵敏度更高（百万分之二），角分辨率更高（优于0.1°），除可望把测定宇宙学参数的精度提高到优于1％以外，还可对一些流行的宇宙学模型提供严格的检验。普朗克卫星以后的下一代微波背景卫星甚至有可能探测到宇宙大爆炸时产生的原初引力波的影响，从而阐明早期宇宙中远超出地球上加速器所能达到的能量下发生的物理过程。


宇宙背景辐射


宇宙学

宇宙学（ Cosmology ），天文学中把宇宙作为整体的结构，研究其成分、演化和起源的分支学科。观测上，它需要收集最遥远、最古老的天体的数据。理论上，它要求将基本物理规律作最大可能的外推。尽管有这些严格约束，宇宙学自20世纪以来终于成长为能够作出预言并进行检验的重要科学分支。

目录

1 发展简史
2 大爆炸模型

2.1 分立源的观测
2.2 早期宇宙的遗迹
2.3 宇宙中结构的演化
2.4 其他宇宙学理论

发展简史
关于近代宇宙学的发端，应当追溯到I.牛顿。17世纪末他同R.本特尼的通信中，曾试图建立一个均匀各向同性的静态宇宙模型，而且认识到这种模型是不稳定的。19世纪末，C.纽曼和H.von西利格继续了在牛顿框架内建立宇宙模型的尝试。1915年，A.爱因斯坦提出用广义相对论来解决牛顿引力理论和动力学与他的狭义相对论之间的冲突。广义相对论将引力同时空的几何性质联系起来，为现代宇宙学奠定了理论基础。广义相对论提出两年后，爱因斯坦就大胆尝试应用它来建立整个宇宙的模型。为了使宇宙保持静态，他在场方程中引入了一个相当于斥力的常数项，这个常数记作Λ，因为它只在宇宙学涉及的大尺度上才有明显影响，故称为宇宙学常数。爱因斯坦认为，这个静态宇宙模型展示了宇宙的物质内容同时空几何性质之间唯一的自洽关系。然而，就在同年W.德西特证明这个模型并不是唯一的。他发现一个空虚而膨胀的宇宙同样满足引力场方程。德西特宇宙模型尽管在当时被认为神秘难懂，但它在宇宙学后来的发展中，仍然起着重要作用。后来，A.弗里德曼和G.勒梅特分别在1922～1924年和1927年各自独立地建立了含物质但不带宇宙学常数的膨胀宇宙模型，这个模型称为弗里德曼宇宙模型和勒梅特宇宙模型，成为宇宙学标准模型的基础。差不多在同一时期，在观测前沿上对宇宙的了解迅速增长。1924年，E.P.哈勃通过造父变星的周期–光度关系测定了到仙女座大星云的距离，确认了它处于银河系之外，从而解决了旋涡星云本质的争论，宣告了河外天文学（又称星系天文学）的诞生。1929年，哈勃又发现大多数星系谱线的红移（若用多普勒效应解释即星系退行速度）同距离大致成正比，现称哈勃定律。它意味着宇宙在膨胀，从而动摇了宇宙整体静止的传统观念。哈勃定律被接受以后不久，爱因斯坦看到静态宇宙模型不符合现实，于是放弃了他引入引力场方程中的Λ项，并认为那是自己一生中“最大的错误”。耐人寻味的是，这个被宣判已经死亡的Λ项，在爱因斯坦去世半个世纪以后，竟然又作为主宰宇宙加速膨胀的暗能量的一种可能性恢复了生命。见宇宙学常数。

大爆炸模型
由于观测上星系分布的启示，也由于理论上简化的要求，假设宇宙在空间上应当是均匀各相同性的。这个假设称为宇宙学原理。H.P.罗伯逊和A.G.沃尔克分别于1935年和1936年证明，满足这个原理的时空度规(现称为罗伯逊–沃尔克度规)必定具有如下形式：

ds2=c2dt2－R2(t)[dr2/(1－kr2)＋r2(dθ2+sin2θdφ2)]

式中函数R(t)称为标度因子，它随时间增加表示宇宙膨胀。常数k称为空间曲率，可取0、＋1和−1三个值。k＝0为平直空间，其中三角形三内角之和等于二直角；k＝1为球形空间，其中三角形三内角之和大于二直角；k＝−1为鞍形空间，其中三角形三内角之和小于二直角。球形空间是有限的，其他两种空间是无限的。
将罗伯逊–沃尔克度规代入爱因斯坦引力场方程，与宇宙物质的物态方程联立，可得到标度因子满足的宇宙动力学方程（弗里德曼方程），解之即得R(t)随时间的演化。如对于无压物质（可近似描述当今宇宙的物态），在k＝0的情况下有R(t)∝t2/3。
宇宙的几何性质同物质密度有关，可定义下列参数：

H( t)=(d R( t)/d t)/ R( t) ρ c=3 H2/8π G

分别为哈勃常数和临界密度，其当前时刻的值附以下角标0。密度参数定义为： Ω＝ ρ/ ρ c  式中Ω0＝1，相对于k＝0；Ω0＜1，相对于k＝−1；Ω0＞1，相对于k＝1。在所有三种情形中，标度因子在过去某个时刻均为零，通常称为大爆炸时刻。此时，宇宙的空时曲率和物质密度都为无限大，又称奇点。至于宇宙未来的命运，则依赖于宇宙今天的密度是小于、等于还是大于临界密度。前两种情况下，宇宙将永远膨胀下去。对最后一种情形，宇宙将在某个时刻到达极大，然后收缩返回奇点。由能量守恒定律可以证明，物质密度与标度因子的三次方成反比，而辐射密度与标度因子的四次方成反比。因此，尽管今天宇宙中物质密度远大于辐射，但在过去标度因子足够小的早期，宇宙应当以辐射为主。此外，由于辐射密度与温度的四次方成正比，所以宇宙的温度应与标度因子成反比，即随宇宙膨胀而降低。另一方面，不难证明，辐射的波长λ随标度因子R成正比的变化，所以在膨胀宇宙中，对一个红移为z＝（λ0－λ）/λ=R0/R－1的天体，1＋z应与R成反比。
由于上面的弗里德曼模型给出了膨胀宇宙的合理描述，后来宇宙学中许多进展都是以它为基础的。这些进展包括：

分立源的观测
相对论宇宙模型使用弯曲时空，它预言的非欧几何效应原则上是可观测的。正是这些预言促进了20世纪50～60年代的光学家和射电天文学家把他们的观测能力推向极致。宇宙学家通过观测各类分立源（星系、类星体、射电源、X射线源等）的分布，希望发现各种可能的理论模型中究竟哪一种最符合实际。观测检验包括：①哈勃常数的测量；②哈勃定律向大红移星系的外推；③越来越大距离的星系和射电源计数；④角直径–红移关系；⑤星系的面亮度与其红移的关系。不过，这些研究的目标已逐渐从决定宇宙的几何性质移向分立源如何随时间演化。

早期宇宙的遗迹
20世纪40年代末，G.伽莫夫注意到早期宇宙应当以辐射为主，即主要由光子和其他高度相对论性的粒子组成。他期望在那个时期的高温中，质子和中子会聚合成较重的核，从而决定宇宙的化学组成。伽莫夫的理论计算出如氘、氦、铍等轻元素的宇宙丰度，经过现代的改进已能与广泛的天文观测事实一致。伽莫夫和他的同事还预言，早期炽热的宇宙会在今天留下一个温度约5K的辐射背景。这种背景辐射在1965年被A.彭齐亚斯和R.W.威耳孙的发现证实。20世纪90年代宇宙背景探测者(COBE)的高精度观测表明，这种宇宙背景是温度为2.735K的黑体辐射，扣除约千分之一的运动学效应后，温度的方向起伏不足十万分之一。21世纪伊始，威氏微波背景各向异性探测器（WMAP）对背景辐射的观测不仅改善了空间分辨率，还首次观测到偏振，大幅度提高了各种宇宙学参数的测量精度，宣告了精确宇宙学时代的来临。

宇宙中结构的演化
宇宙学的主要目标一直是说明，核子和轻子是怎样从更原初的粒子演化出来，并最终形成宇宙中观测到的大尺度的结构。这方面工作中特别有意义的是A.古斯等人于1980年前后首先讨论的宇宙暴胀模型。该模型认为，在大爆炸后极短的时期中，随着温度的下降，宇宙经历了一个相变过程，真空相变的后果是产生了一种类似宇宙学常数项的斥力，驱动宇宙像德西特模型那样指数膨胀（称暴胀）。大多数结构形成理论都依赖于暴胀时期初始密度涨落的性质及随后在引力作用下的增长过程。综合分析天文观测数据，特别是WMAP对宇宙微波背景辐射的观测数据，高红移超新星的观测数据，以及大规模（数十万计）星系红移巡天数据，结果表明能与观测拟合最佳的参数组合是，哈勃常数为70千米/秒/兆秒差距；宇宙年龄约137亿年；物质和能量的总密度取使宇宙平坦的临界值（Ω0～1）。其中，中微子约占0.3%，恒星约占0.5%，普通物质(主要是星系团中的热气体)占4%～5%，冷暗物质占25%，暗能量占70%。了解冷暗物质和暗能量的本质，仍然是宇宙学和物理学当前面临的重大挑战。

其他宇宙学理论
除大爆炸宇宙学外，几十年来还不断提出一些其他宇宙模型，尽管没有得到大多数宇宙学家的认可。其中，H.邦迪、T.戈尔德和F.霍伊尔于1948年提出的稳恒态宇宙理论，以提供了清楚的可以检验的预言而著称，这种宇宙模型的时空几何由德西特模型描述，但物理意义不同。1965年微波背景辐射发现以后，这个理论沉寂了很长时间，但1993年又以修改后的形式（称为准稳恒态宇宙学）重新出现。此外，还有1961年C.布朗斯和R.H.迪克源于马赫原理提出的布朗斯–迪克宇宙论，以及P.A.M.狄拉克为解释宇宙学和微观物理学中出现的非常大的无量纲数而提出的理论等。
宇宙学理论的命运取决于它如何应对观测的挑战。如果说在20世纪开始的时候还没有多少观测事实来约束宇宙学理论的话，那么21世纪开始的时候，新的越来越精确的观测数据正在源源不断地涌来，只有与这些观测数据拟合最佳者才能立于不败之地。


宇宙

宇宙，是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体
　　宇宙（汉语拼音：Yuzhou；英语：Universe），一般当作天地万物的总称。是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体。是一切空间和时间的综合。是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。一般理解的宇宙，指我们所存在的一个时空连续系统，包括其间的所有物质、能量和事件。对于这一体系的整体解释构成了宇宙论。世界上最早把空间和时间统一为宇宙的是中国春秋战国时代的文子和尸子，他们都提出了宇是空间，宙是时间，合为宇宙。
　　《文子·自然》：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”
　　《尸子》：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”
　　二字连用，始见于《庄子·齐物论》曰：“旁日月，挟宇宙，为其吻合。”
　　可见在中国古代先人创造宇宙这一词汇的时候已经把时间和空间统一看待，并为宇宙。
　　人类很早就开始思考宇宙，但一直以来人们都把地球当成是宇宙的中心。事实上，地球在宇宙中的地位要比人们想象的还要低下得多：它只不过是一颗行星，只是围绕着一颗普通恒星太阳运行的八大行星之中的一颗。连同其它已被认识的行星系统，太阳带着它的行星家族与其它两千多亿颗恒星一同位于一个被称为星系或恒星系的恒星集团中，我们称这个星系为银河系。银河系又连带附近的约三十个星系一起构成一个星系团，称为“本星系（群）”。本星系附近还有几十个类似的星系集团，这些星系团的中心又有一个由两千五百多个星系聚集在一起组成的巨大星系集团——室女星系团。上述所有这些星系团又进一步组成了一个更为巨大的星系系统——本超星系团。而在可观测的宇宙中，有数百个这样的超星系团。
　　二十世纪以来，西方根据现代物理学和天文学，建立了关于宇宙的现代科学理论，称为宇宙学。
　　宇宙是物质世界，处于不断的运动和发展中，在空间上无边无界，在时间上无始无终。宇宙是多样而又统一的。它的多样性在于物质的表现形态；它的统一性在于其物质性。《淮南子·原道训》注：“四方上下曰宇，古往今来曰宙，以喻天地。”人类对宇宙的认识，从太阳系到银河系，再扩展到河外星系、星系团乃至总星系。人们的视野已达到一百多亿光年的宇宙深处。有人把总星系称为“观测到的宇宙”、“我们的宇宙”；也有人把总星系称为宇宙。宇宙天体呈现出多种多样的形态：有密集的星体状态，有松散的星云状态，还有辐射场的连续状态。各种星体千差万别，它们的大小、质量、密度、光度、温度、颜色、年龄、寿命也不相同。天体不是同时形成的。球状体是在形成中的星体，O型星、B型星是年轻恒星，主序星（包括太阳）是中年恒星，白矮星和中子星是老年恒星。每个天体都有它的发生、发展、衰亡的历史，但作为总体的宇宙则不生不死，无始无终。
　　根据相对论，信息的传播速度有限，因此在某些情况下，例如在发生宇宙膨胀的情况下，距离我们非常遥远的区域中我们将只能收到一小部分区域的信息，其他部分的信息将永远无法传播到我们的区域。可以被我们观测到的时空部分称为“可观测宇宙”、“可见宇宙”或“我们的宇宙”。应该强调的是，这是由于时空本身的结构造成的，与我们所用的观测设备没有关系。
　　宇宙大约是由4%的普通物质，23%的暗物质和73%的暗能量构成。

目录

1 宇宙的历史
2 宇宙年龄
3 宇宙的大小
4 宇宙的形状
5 宇宙的命运
6 宇宙观

6.1 神话和宗教的宇宙观
6.2 佛教宇宙观
6.3 哲学分析宇宙概念
6.4 宇宙观念的发展

7 宇宙图景

7.1 层次结构
7.2 宇宙是否有限
7.3 宇宙有中心吗
7.4 宇宙中是否有第二个太阳系

8 宇宙大爆炸理论

8.1 宇宙大爆炸理论的缺陷
8.2 电磁宇宙设想：新兴的宇宙理论
8.3 反大爆炸论者的声音

宇宙的历史
　　现代物理宇宙学一般认为宇宙起源于大爆炸，即约137.3亿（±1%）年前由一个密度极大，温度极高的状态膨胀而来。对于大爆炸以前的宇宙，目前只有一些猜测性的理论。而最新的研究则认为宇宙年龄为156亿年，但是这个说法还未得到公认。对于大爆炸以后的宇宙，则可以用较成熟的理论加以描述。一种典型的理论是：
　　10-43秒：宇宙从量子背景出现。
　　10-35秒：宇宙由夸克-胶子等离子体构成，强相互作用、引力与电磁相互作用/弱相互作用分开。
　　10-5秒：电子形成，宇宙主要包括光子、电子和中微子，温度约1000亿度。
　　10秒：质子和中子结合成氘、氦等原子核，温度30亿度。
　　35分钟：形成原子核的过程（核融合，nucleosynthesis）停止，温度3亿度。
　　30万年：电子和原子核结合成为原子。物质和辐射脱耦，大爆炸辐射的残余成为今天的3K微波背景辐射。
　　4亿年：第一批恒星形成。
　　20亿年：星系形成。
　　50亿年：太阳系形成。
　　目前宇宙还在继续膨胀之中，这在观测上为哈勃定律所概括。

宇宙年龄
 宇宙年龄超乎想像 可能经历过多次大爆炸
　　宇宙年龄定义：宇宙年龄（age of universe）宇宙从某个特定时刻到现在的时间间隔。对于某些宇宙模型，如牛顿宇宙模型、等级模型、稳恒态模型等，宇宙年龄没有意义。在通常的演化的宇宙模型里，宇宙年龄指宇宙标度因子为零起到现在时刻的时间间隔。通常，哈勃年龄是宇宙年龄的上限，可以作为宇宙年龄的某种度量。

　　科学家利用望远镜观察最老的星球上的铀光谱，从而估计宇宙的年龄是一百二十五亿年。科学家对宇宙(Universe)的年龄有不同的估计，根据不同的宇宙学模型(cosmologicalmodels)，科学家估计宇宙的年龄是介乎一百亿至一百六十亿之间；2001年科学家利用南欧洲天文台(EuropeanSouthernObservatory)的望远镜，观察一颗称CS31082-001的星球，量度星球上放射性(radioactive)同位素(isotope)铀-238(Uranium-238)的光谱(spectrum)，从而计算出这星球的年龄是一百二十五亿年，这个估计的误差大约三十亿年，是亦即是说，宇宙的年龄至少有一百二十五亿年，这是科学家第一次量度太阳系(SolarSystem)以外铀含量的研究。
　　科学家解释说，这个方法和在考古学(archaeology)上使用碳-14(Carbon-14)同位素量度物质的年龄一样，铀-238同位素的半衰期(half-life)是四十四亿五千万年；半衰期是放射性元素(element)自动蜕变成为其他元素，至它本身剩下一半时所需要的时间。
　　科学家指出，在宇宙开始时，大爆炸(BigBang)会产生氢(hydrogen)、氦(helium)和锂(lithium)等元素，而比较重的元素是在星球内部产生，当大质量星球死亡时，含有重元素的物质会散布到周围的空间，然后和下一代个的星球结合；其实，地球上黄金(gold)也是从爆炸了的星球而来的。
　　因此，愈老的星球上的重元素，也会愈少，科学家认为，一些比较老的星球的重元素含量，只有太阳(Sun)的二百分之一。科学家曾经尝试利用钍-232(Thorium-232)同位素来估计宇宙的年龄，钍是一种放射性金属元素，与中子(neutron)接触时会引起核分裂，产生原子能源(atomicenergy)，不过，钍的半衰期是一百四十亿五百万年，半衰期比较铀-238长，因此，估计的误差也比较大。

宇宙的大小
　　公元100年左右的东汉时代，当时伟大的科学家张衡最早提出了“过此而往者，未知或知也。未知或知者，宇宙之谓也”和“宇之表无极，宙之端无穷”的观点。非常明确地提出了由空间和时间构成的宇宙大小是无限的观念。而目前关于宇宙是否无限的问题还有争议。如果整个宇宙的空间部分是有限的，那么可以用一个距离来表示。对于均匀各向同性的宇宙来说，这就是三维空间的曲率半径。但是，即使宇宙整体是无限的，宇宙的可观测部分仍是有限的：由于相对论限定了光速为宇宙中信息传播的最高速度，如果一个光子从大爆炸开始传播，到今天传播的固有距离为93亿光年，由于宇宙在膨胀，相应的共动距离约为其3倍，具体数值与宇宙学参数有关，这一距离称为今天宇宙的粒子视界。
　　另一个在物理学数量级估计中常用来表示宇宙大小的距离称为哈勃距离，是哈柏常数的倒数乘以光速，其数值约为1.29×1028厘米，也恰为93亿光年。科普和科技书籍中所说的宇宙的大小常指这个数值。哈柏距离可以理解为四维时空的曲率半径。

宇宙的形状
　　宇宙的形状是宇宙学中一个未解决的问题。用数学的语言说就是：“哪一个三维形状才能最好地代表宇宙的空间结构？”
　　首先，宇宙到底是不是“平坦空间”，即大范围内遵守欧氏几何的空间还未清楚。目前，大部分宇宙学家认为已知宇宙除了大质量天体造成的局部时空褶皱，是基本平坦的－就像湖面是基本平坦但局部有水波一样。最近威尔金森微波各向异性探测器观测宇宙微波背景辐射的结果也肯定了这一认识。
　　其次，尚未清楚宇宙是否是多重连接。根据大爆炸理论，宇宙是没有空间边界的，然而其空间大小可能是有限的。我们可以通过二维的概念类推：一个球面没有边界，但是它的面积是有限的（4πR2）。它是一个在三维空间有固定曲率的二维表面。数学家黎曼发现了四维空间中一个与此类似的三维球形“表面”，其总体积为有限（2π2R3）但三个方向都朝第四个维度弯曲。他还发现了一个“椭圆空间”和“圆柱形空间”，后者的圆柱形两头互相连接但没有弯曲圆柱本身－这一现象在普通的三维空间是不可想象的。类似的数学例子还有很多。
　　如果宇宙真是有限但无边界的话，人沿着宇宙中一条任意方向的“直线”走下去，最终会回到出发点，其路线长度可认为是宇宙的“直径”（这个直径是现在人类对宇宙的认识所无法想象的，因为它一定要比我们所见的宇宙部分大得多）。
　　宇宙有可能具有多重连接的拓扑学结构。如果这些结构足够小的话，人类，就如同在挂了多面镜子的房间里，可能在不同方向看到同一天体的多个影像。而实际的天体数量就会比观测所见少。从这个角度讲，星体和星系应该称作“所观的影像”才合适。这个可能，至今没有被彻底否定，但最近的宇宙微波背景辐射研究结果认为是很不可能的。

宇宙的命运
　　根据天文观测和宇宙学理论，可以对可观测宇宙未来的演化作出预言。均匀各向同性的宇宙的膨胀满足弗里德曼方程。多年来，人们认为，根据这一方程，物质的引力会导致宇宙的膨胀减速。宇宙的最终命运决定于物质的多少：如果物质密度（1）超过临界密度，宇宙的膨胀最后会停止，并逆转为收缩，最终形成与大爆炸相对的一个“大坍缩”（big crunch）；如果物质密度（2）等于或（3）低于临界密度，则宇宙会一直膨胀下去。另外，宇宙的几何形状也与密度有关： 如果（1）密度大于临界密度，宇宙的几何应该是封闭的；如果（2）密度等于临界密度，宇宙的几何是平直的；如果（3）宇宙的密度小于临界密度，宇宙的几何是开放的。并且，宇宙的膨胀总是减速的。
　　然而，根据近年来对超新星和宇宙微波背景辐射等天文观测，虽然物质的密度小于临界密度，宇宙的几何却是平直的，也即宇宙总密度应该等于临界密度。并且，膨胀正在加速。这些现象说明宇宙中存在着暗能量。不同于普通所说的“物质”，暗能量产生的重力不是引力而是斥力。在存在暗能量的情况下，宇宙的命运取决于暗能量的密度和性质，宇宙的最终命运可能是无限膨胀，渐缓膨胀趋于稳定，或者是与大爆炸相对的一个“大坍缩”，或者也可能膨胀不断加速，成为“大撕裂”。目前，由于对暗能量的性质缺乏了解，还难以对宇宙的命运做出肯定的预言。

宇宙观
神话和宗教的宇宙观
 19世纪法国科普作家C.Flammarion书中的木刻插图：旅行家以天球中探出头来，探索宇宙运行的机制
　　从“宇宙”的构成，来解释“宇宙”这种存在，宇宙是由空间、时间、物质和能量，所构成的统一体。
　　起初古人不愿意承认有其他世界的可能性，甚至认为“山后面没有人”，更不用说到宇宙了。但在地球上探险和征服的活动频繁下，又见到新奇的世界甚至星座的变化，从而想像宇宙整体，虽然这些宇宙观主要是纯思辨的产物，但客观上对于后来探险和观测活动是起了指导的作用。

佛教宇宙观
　　佛经中，大的空间叫佛刹、虚空，小的叫微尘，统称为“三千大千世界”。“佛教宇宙观”主张宇宙系有无数个世界。集一千个一小世界称为“小千世界”，集一千个小千世界称为“中千世界”，集一千个中千世界称为“大千世界”；合小千、中千、大千总称为三千大千世界。
　　《起世经》中记载：“佛言。比丘。如一日月所行之处。照四天下。如是等类。四天世界。有千日月所 照之处。此则名为一千世界。诸比丘。千世界中。千月千日千须弥山王。四千小洲。 四千大洲。四千小海。四千大海。……(略)……一切世间。各随业力。现起成立。诸比丘。 此千世界。犹如周罗。名小千世界。诸比丘。尔所周罗一千世界。是名第二中千世界。 诸比丘。如此第二中千世界。以为一数。复满千界。是名三千大千世界。诸比丘。此三千大千世界。同 时成立。同时成已而复散坏。同时坏已而复还立。同时立已而得安住。如是世界。周 遍烧已。名为散坏。周遍起已。名为成立。周遍住已。名为安住。是为无畏一佛刹土 众生所居。”

哲学分析宇宙概念
　　有些宇宙学家认为，我们的宇宙是唯一的宇宙；大爆炸不是在宇宙空间的哪一点爆炸，而是整个宇宙自身的爆炸。但是，新提出的暴涨模型表明，我们的宇宙仅是整个暴涨区域的非常小的一部分，暴涨后的区域尺度要大于1026 厘米，而那时我们的宇宙只有10厘米。还有可能这个暴涨区域是一个更大的始于无规则混沌状态的物质体系的一部分。这种情况恰如科学史上人类的认识从太阳系宇宙扩展到星系宇宙，再扩展到大尺度宇宙那样，今天的科学又正在努力把人类的认识进一步向某种探索中的“暴涨宇宙”、“无规则的混沌宇宙”推移。我们的宇宙不是唯一的宇宙，而是某种更大的物质体系的一部分，大爆炸不是整个宇宙自身的爆炸，而是那个更大物质体系的一部分的爆炸。因此，有必要区分哲学和自然科学两个不同层次的宇宙概念。哲学宇宙概念所反映的是无限多样、永恒发展的物质世界；自然科学宇宙概念所涉及的则是人类在一定时代观测所及的最大天体系统。两种宇宙概念之间的关系是一般和个别的关系。随着自然科学宇宙概念的发展，人们将逐步深化和接近对无限宇宙的认识。弄清两种宇宙概念的区别和联系，对于坚持宇宙无限论，反对宇宙有限论、神创论、机械论、不可知论、哲学代替论和取消论，都有积极意义。

宇宙观念的发展
 宇宙超圆定理：到底是有限的还是无界的？
　　远古时代，人们对宇宙结构的认识处于十分幼稚的状态，他们通常按照自己的生活环境对宇宙的构造作了幼稚的推测。在中国西周时期，生活在华夏大地上的人们提出的早期盖天说认为，天穹像一口锅，倒扣在平坦的大地上；后来又发展为后期盖天说，认为大地的形状也是拱形的。公元前7世纪 ，巴比伦人认为，天和地都是拱形的，大地被海洋所环绕，而其中央则是高山。古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子，大地的中央则是尼罗河。古印度人想象圆盘形的大地负在几只大象上，而象则站在巨大的龟背上，公元前7世纪末，古希腊的泰勒斯认为，大地是浮在水面上的巨大圆盘，上面笼罩着拱形的天穹。 也有一些人认为，地球只是一只龟上的一片甲板，而龟则是站在一个托着一个又一个的龟塔……
　　最早认识到大地是球形的是古希腊人。公元前6世纪，毕达哥拉斯从美学观念出发，认为一切立体图形中最美的是球形，主张天体和我们所居住的大地都是球形的。这一观念为后来许多古希腊学者所继承，但直到1519～1522年，葡萄牙的F.麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行后 ，地球是球形的观念才最终被证实。
　　公元2世纪，C.托勒密提出了一个完整的地心说。这一学说认为地球在宇宙的中央安然不动，月亮、太阳和诸行星以及最外层的恒星天都在以不同速度绕着地球旋转。为了说明行星运动的不均匀性，他还认为行星在本轮上绕其中心转动，而本轮中心则沿均轮绕地球转动。地心说曾在欧洲流传了1000多年。1543年，N.哥白尼提出科学的日心说，认为太阳位于宇宙中心，而地球则是一颗沿圆轨道绕太阳公转的普通行星。到16世纪哥白尼建立日心说后才普遍认识到：地球是绕太阳公转的行星之一，而包括地球在内的八大行星则构成了一个围绕太阳旋转的行星系── 太阳系的主要成员。1609年，J.开普勒揭示了地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转，发展了哥白尼的日心说，同年，伽利略·伽利雷则率先用望远镜观测天空，用大量观测事实证实了日心说的正确性。1687年，I.牛顿提出了万有引力定律，深刻揭示了行星绕太阳运动的力学原因，使日心说有了牢固的力学基础。在这以后，人们逐渐建立起了科学的太阳系概念。
　　在哥白尼的宇宙图像中，恒星只是位于最外层恒星天上的光点。1584年，乔尔丹诺·布鲁诺大胆取消了这层恒星天，认为恒星都是遥远的太阳。18世纪上半叶，由于E.哈雷对恒星自行的发展和J.布拉得雷对恒星遥远距离的科学估计，布鲁诺的推测得到了越来越多人的赞同。18世纪中叶，T.赖特、I.康德和J.H.朗伯推测说，布满全天的恒星和银河构成了一个巨大的天体系统。弗里德里希·威廉·赫歇尔首创用取样统计的方法，用望远镜数出了天空中大量选定区域的星数以及亮星与暗星的比例，1785年首先获得了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居中的银河系结构图，从而奠定了银河系概念的基础。在此后一个半世纪中，H.沙普利发现了太阳不在银河系中心、J.H.奥尔特发现了银河系的自转和旋臂，以及许多人对银河系直径、厚度的测定，科学的银河系概念才最终确立。
　　18世纪中叶，康德等人还提出，在整个宇宙中，存在着无数像我们的天体系统(指银河系)那样的天体系统。而当时看去呈云雾状的“星云”很可能正是这样的天体系统。此后经历了长达170年的曲折的探索历程，直到1924年，才由E.P.哈勃用造父视差法测仙女座大星云等的距离确认了河外星系的存在。
　　近半个世纪，人们通过对河外星系的研究，不仅已发现了星系团、超星系团等更高层次的天体系统，而且已使我们的视野扩展到远达200亿光年的宇宙深处。
　　宇宙演化观念的发展在中国，早在西汉时期，《淮南子·俶真训》指出：“有始者，有未始有有始者，有未始有夫未始有有始者”，认为世界有它的开辟之时，有它的开辟以前的时期，也有它的开辟以前的以前的时期。《淮南子·天文训》中还具体勾画了世界从无形的物质状态到浑沌状态再到天地万物生成演变的过程。在古希腊，也存在着类似的见解。例如留基伯就提出，由于原子在空虚的空间中作旋涡运动，结果轻的物质逃逸到外部的虚空，而其余的物质则构成了球形的天体，从而形成了我们的世界。
　　太阳系概念确立以后，人们开始从科学的角度来探讨太阳系的起源。1644年，R.笛卡尔提出了太阳系起源的旋涡说；1745年，G.L.L.布丰提出了一个因大彗星与太阳掠碰导致形成行星系统的太阳系起源说；1755年和1796年，康德和拉普拉斯则各自提出了太阳系起源的星云说。现代探讨太阳系起源z的新星云说正是在康德-拉普拉斯星云说的基础上发展起来。
　　1911年，E.赫茨普龙建立了第一幅银河星团的颜色星等图；1913年，伯特兰?阿瑟?威廉?罗素则绘出了恒星的光谱-光度图，即赫罗图。罗素在获得此图后便提出了一个恒星从红巨星开始，先收缩进入主序，后沿主序下滑，最终成为红矮星的恒星演化学说。1924年，亚瑟·斯坦利·爱丁顿提出了恒星的质光关系。
　　1937～1939年，C.F.魏茨泽克和贝特揭示了恒星的能源来自于氢聚变为氦的原子核反应。这两个发现导致了罗素理论被否定，并导致了科学的恒星演化理论的诞生。对于星系起源的研究，起步较迟，目前普遍认为，它是我们的宇宙开始形成的后期由原星系演化而来的。
　　1917年，A.阿尔伯特·爱因斯坦运用他刚创立的广义相对论建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模型，奠定了现代宇宙学的基础。1922年，G.D.弗里德曼发现，根据阿尔伯特·爱因斯坦的场方程，宇宙不一定是静态的，它可以是膨胀的，也可以是振荡的。前者对应于开放的宇宙，后者对应于闭合的宇宙。1927年，G.勒梅特也提出了一个膨胀宇宙模型.1929年 哈勃发现了星系红移与它的距离成正比，建立了著名的哈勃定律。这一发现是对膨胀宇宙模型的有力支持。20世纪中叶，G.伽莫夫等人提出了热大爆炸宇宙模型，他们还预言，根据这一模型，应能观测到宇宙空间目前残存着温度很低的背景辐射。1965年微波背景辐射的发现证实了伽莫夫等人的预言。从此，许多人把大爆炸宇宙模型看成标准宇宙模型。1980年，美国的古斯在热大爆炸宇宙模型的 基础上又进一步提出了暴涨宇宙模型。这一模型可以解释目前已知的大多数重要观测事实。

宇宙图景
　　当代天文学的研究成果表明，宇宙是有层次结构的、像布一样的、不断膨胀、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统。

层次结构
　　行星是最基本的天体系统。太阳系中共有八颗行星：水星金星地球火星木星土星天王星海王星。 （冥王星目前已被从行星里开除，降为矮行星）。除水星和金星外，其他行星都有卫星绕其运转，地球有一个卫星月球，土星的卫星最多，已确认的有26颗。行星 小行星 彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转，构成太阳系。太阳占太阳系总质量的99.86％，其直径约140万千米，最大的行星木星的直径约14万千米。太阳系的大小约120亿千米（以冥王星作边界）。有证据表明，太阳系外也存在其他行星系统。2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统——银河系。银河系中大部分恒星和星际物质集中在一个扁球状的空间内，从侧面看很像一个“铁饼”，正面看去则呈旋涡状。银河系的直径约10万光年，太阳位于银河系的一个旋臂中，距银心约3万光年。银河系外还有许多类似的天体系统，称为河外星系，常简称星系。现已观测到大约有10亿个。星系也聚集成大大小小的集团，叫星系团。平均而言，每个星系团约有百余个星系，直径达上千万光年。现已发现上万个星系团。包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团叫本星系群。若干星系团集聚在一起构成更大、更高一层次的天体系统叫超星系团。超星系团往往具有扁长的外形，其长径可达数亿光年。通常超星系团内只含有几个星系团，只有少数超星系团拥有几十个星系团。本星系群和其附近的约50个星系团构成的超星系团叫做本超星系团。目前天文观测范围已经扩展到200亿光年的广阔空间，它称为总星系。
宇宙超圆定理：到底是有限的还是无界的？

宇宙是否有限
 宇宙中每一圆盘都是一个又一个的“星系”
　　前人曾认为宇宙是范围并不很大的球状天体，其中包含着地球以及其他一些形体较小的发光体。直至公元1700 年以前，这种理论在天文学界一直占据主导地位。即使在哥白尼发现地球并非宇宙的中心之后，人们仍持同样的观点，只是把“宇宙主宰”这一光环又赠给了太阳而已，而宇宙的基本定义仍未得到根本上的改变。天空仍旧是天上的“球”，里面有许多星星，不过，它包括的主体是太阳，相比之下，地球要逊色得多。
　　开普勒的椭圆型轨道的思想废除了星体是“透明的球体”这一谬论，但是却仍然保留了星体是“最外层天体球”这一说法。感谢卡西尼的研究成果，他揭开了太阳系的真实面目，从而证明了太阳系比人们想象的要大得多，而这也只是将人们脑海中宇宙的边界扩大了而已。
　　直至哈雷于1718 年发现了恒星也是运动着的球体这一事实后，天文学家们才开始重新认真地认识宇宙。当然，即使所有星体都在移动，宇宙仍有可能是有限的，而所有的星体也都有可能在进行着极其缓慢的移动。但是为什么有的星体的运动速度之快足以被人们观察到，而正是这些星体才能发出比较明亮的光线呢？
　　关于这一问题，存在这样一种可能，即某个星体由于具有较大的形体，从而能放射出比较明亮的光线，同时由于其体积较大，造成宇宙对它的束缚产生了困难，从而导致了它的移动。当然，这只是一种特定的假设，但这种全新的设想对于解开有关谜团是具有创造性意义的——即使其很难在实验室条件下得到验证，或根本无法解决任何问题。
　　另一方面，有些星球与地球间的距离有可能相对来说比较近，因此看上去就可能显得比较亮一些。再者，如果所有星球移动的速度是相同的，那么距地球越近，往往就显得运动得更快一些。这一点与实验室条件下的实验结果是相符的。这一现象是以解释运动越快的星体其亮度越高的原因。那相对比较昏暗的星球其实也处于运动状态，但由于它与地球间距离实在太遥远了，因此即使经过几个世纪的观测也无法察觉到它的位置的变化，但这一变化却有可能在数千年的过程中被观测到，这的确需要人们一代一代不懈的努力。
　　如果各个星体与太阳系间的距离各不相同，那么宇宙就应该是无限的，而众多的星球则会像蜂群一样遍布于宇宙的各个角落。直至1718 年，人们才意识到这一点而摒弃了宇宙有限论，从此，一幅广阔无垠而壮丽非常的宇宙画卷终于展现在人们的眼前。

宇宙有中心吗
　　太阳是太阳系的中心，太阳系中所有的行星都绕着太阳旋转。银河也有中心，它周围所有的恒星也都绕着银河系的中心旋转。那么宇宙有中心吗？一个让所有的星系包围在中间的中心点？
　　看起来应该存在这样的中心，但是实际上它并不存在。因为宇宙的膨胀一般不发生在三维空间内，而是发生在四维空间内的，它不仅包括普通三维空间（长度、宽度和高度），还包括第四维空间——时间。描述四维空间的膨胀是非常困难的，但是我们也许可以通过推断气球的膨胀来解释它。
　　我们可以假设宇宙是一个正在膨胀的气球，而星系是气球表面上的点，我们就住在这些点上。我们还可以假设星系不会离开气球的表面，只能沿着表面移动而不能进入气球内部或向外运动，在某种意义上可以说我们把自己描述为一个二维空间的人。
　　如果宇宙不断膨胀，也就是说气球的表面不断地向外膨胀，则表面上的每个点彼此离得越来越远。其中，某一点上的某个人将会看到其他所有的点都在退行，而且离得越远的点退行速度越快。
　　现在，假设我们要寻找气球表面上的点开始退行的地方，那么我们就会发现它已经不在气球表面上的二维空间内了。气球的膨胀实际上是从内部的中心开始的，是在三维空间内的，而我们是在二维空间上，所以我们不可能探测到三维空间内的事物。同样的，宇宙的膨胀不是在三维空间内开始的，而我们只能在宇宙的三维空间内运动。宇宙开始膨胀的地方是在过去的某个时间，即亿万年以前，虽然我们可以看到，可以获得有关的信息，而我们却无法回到那个时候。

宇宙中是否有第二个太阳系
　　除了太阳系以外，宇宙中还有第二个、第三个太阳系吗？茫茫无际的宇宙，深藏着无数奥秘。有人曾设想，除我们的太阳系以外，还应有第二个、第三个太阳系。可是另外的“太阳系”具体在哪里?这个长期以来争论不休的问题，随着织女星周围发现行星系，有人认为已经找到了宇宙中的第二个“太阳系”，为寻找宇宙中其他许多“太阳系”提供了例证。
　　宇宙中的第二个“太阳系”是怎样发现的呢?1983年1月，美国、荷兰、英国三个国家成功地发射了红外天文卫星。后来，天文学家们利用这颗卫星意外地发现天琴座主星——织女星的周围存在类似行星的固体环。这次发现在世界上还是头一回。这一发现可以说是不同凡响的划时代的发现。
　　美国、荷兰、英国合作发射的卫星是世界第一颗红外天文卫星，主要用于探测全天的红外源，也就是对红外源进行登记造册。一般红外天文望远镜不能探出宇宙中的低温物体。因为大气中的水分和二氧化碳气体大量吸收了来自宇宙的红外线及地球的热，又会释放互相干扰的红外线。红外天文卫星将装置仪器用极低温的液态氦进行冷却，所以才有了这次的发现。
　　织女星距离地球26光年，是全天第四亮星。直径是太阳的2.5倍，质量约是太阳的3倍，表面温度约为 10000℃，比太阳的表面温度（约 6000℃）高。织女星诞生于10亿年前，太阳诞生于45亿年前，相比之下织女星要年轻得多。地球大致是与太阳同时诞生的，若认为织女星的行星也跟织女星同时诞生，那么就可以视它的行星处在演化的初期阶段。
　　东京天文台和红外天文卫星的发现，看来可以说是行星形成过程中的不同阶段。深入分析和研究这两个不同阶段，以及更正确地描写织女星的行星像，无疑是当前世界天文学界所面临的一大课题。

宇宙大爆炸理论
 威尔金森各向异性微波探测器观测到的宇宙第一束光线——宇宙大爆炸的余辉
　　宇宙大爆炸(Big Bang)仅仅是一种学说，是根据天文观测研究后得到的一种设想。大约在150亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，就形成了今天我们看到的宇宙。大爆炸的整个过程是复杂的，现在只能从理论研究的基础上描绘过去远古的宇宙发展史。在这150亿年中先后诞生了星系团、星系、我们的银河系、恒星、太阳系、行星、卫星等。现在我们看见的和看不见的一切天体和宇宙物质，形成了当今的宇宙形态，人类就是在这一宇宙演变中诞生的。

宇宙大爆炸理论的缺陷
　　根据大爆炸理论，星系连同其它所有的恒星和行星都产生于一个所谓有的奇异点。这个奇异点中集中了所有宇宙最原始的物质。而科学家们对这一奇异点物理参数的评估则是：温度为1031K，潜藏的能量密度为1098 尔格/立方厘米(作为比较，恒星内部最高温度为108 K，而中子星的物质密度为1015 克/立方厘米)。
　　我们很难想像，处于奇异点时期的宇宙到底是什么样。今天流行的宇宙超级结构理论认为，大爆炸后形成的微型黑洞遍及整个宇宙。这些黑洞的体积还没有一个原子核大，但其质量却相当于一个小行星。不久前还有信息称，美国宇航局计划于2007年发射一个高功率X射线望远镜GLAST。按照天文物理学家们的计算，该望远镜的敏感度足以发现微型黑洞的波动。宇宙超级结构理论将最终得到实验证实。
　　“大爆炸”理论最大的缺陷就是无法回答大爆炸之前这一奇异的点来源于何方？大爆炸理论存在了100多年了，但令人惊讶的是，这一理论的发展将把人们对宇宙诞生和灭亡的认识不可避免地引向神创说。并不奇怪，教皇约安-帕维尔二世早就在其书信中称当代的宇宙论与《圣经》中的论述不谋而合。

电磁宇宙设想：新兴的宇宙理论
 “斯隆3计划”绘制宇宙3D图　据英国新科学家杂志，目前宇宙制图师正在绘制迄今世界上最大的宇宙3D图，它将揭示由宇宙大爆炸后所形成的起伏宇宙景像，同时为我们提供理解太空外形和暗能量自然属性的重要线索
　　近年来，我们关于电磁宇宙的设想则回答了诸多疑问。而电磁宇宙说的基本观点则体现在以下三个主要方面：第一，宇宙将永远存在；第二，宇宙间的所有物质在各种频率范围内都发生着能量交换--从超低频至超高频；第三，宇宙间的一切活动都是循环发生的(行星产生于黑洞，之后又浓缩成黑洞)并遵循着守恒定律(能量、电荷、物质)。
　　电磁宇宙理论的基本观点是：宇宙是一个超环面系统，其中的众多星系都由宇宙磁场连接在一起，螺旋形的超环面宇宙磁场控制着所有的星系流。各个星系群由黑洞带隔开，而黑洞带则是孕育和产生星系之处，部分科学家称之为星系“产房”。
　　根据电磁宇宙理论，黑洞造就了两种星系类型，一种由由负电子和质子构成物质世界，另一种则是由正电子和反质子构成所谓反物质世界。正是这两个世界之间存在的巨大的物质和电荷差异形成了给予宇宙生命与发展的能量。
　　星系就是在宇宙磁场存在条件下诞生的，恒星系统和星系际物质的运动则形成了宇宙的强大的电流。正如地球大气中雷雨天的放电现象，黑洞中的放电现象便成就了众多星系的诞生和死亡。如果说地球上的放电现象是瞬间完成的，那么黑洞的放电现象则要持续数十亿年并最终决定在我们的周围会形成什么样的世界。
　　电磁宇宙理论认为，宇宙中的大爆炸其实就是星系的诞生过程。由于宇宙间存在着数不清的星系，所以可以推测，宇宙间的大爆炸每时每刻都在发生，也就是说，宇宙间的星系诞生和灭亡每秒都在发生着。原子弹的爆炸就是这样一个实例。
　　冷战时期，每次原子弹试爆时美国人安装在卫星上的传感仪器都会对爆炸进行观测。原子弹爆炸总伴随着中子辐射。令科学家们惊讶的是，每次爆炸后仪器都会记录下不间断的中子辐射。后来天文学家们的研究显示，宇宙间每个区域内时时刻刻都在发生着爆炸。
　　电磁宇宙理论的问世将使大爆炸理论随着时间的推移而被人们淡忘。因为物质和能量永远处于相互转换中，时间只不过是记录从一个事件到另一个事件的工具，事实上时间也是永恒的，生命的循环既没有始，也没有终。

反大爆炸论者的声音
　　一封《致科学界的公开信》得到了34位科学家和工程师的签名，于2004年5月22日发表于英国的《新科学家》（NeW Scientist）杂志。我们将它翻译过来，目的是让读者对大爆炸理论的人的论据有所了解。这封公开信被贴到网上后，又得到了185位科学家的网络签名（现在已四百多人了）：
　　如今，大爆炸理论越来越多地以一些假设，一些从未被实证观察的东西作为自己的论据：暴胀、暗物质和暗能量等就是其中最令人震惊的一些例子。没有这些东西，我们就会发现，在实际的天文学观测和大爆炸理论的预言之间存在着直接的矛盾。这种不断求助于新的假设来填补理论与实现之间鸿沟的做法，在物理学的任何其他领域中都是不可能被接受的。这至少反映出这一来历不明的理论在有效性方面是存在着严重问题的。
　　然而，没能这些牵强的因素，大爆炸理论就无法生存。离开了暴胀之类的假设，大爆炸理论就无法解释实际观测中发现的同质的、各向同怀的宇宙背景辐射。因为那样的话，它就无法解释宇宙中相距遥远的各部分何以会有着相同的湿度并发出同量的微波辐射。离开了那种与我们20多年来辛苦努力在地球上观察到所有物质都格格不入的所谓暗物质，大爆炸理论的预言与宇宙中实际的物质密度就完全是矛盾的。暴胀所需的密度是核聚变所需的20倍，这也许可以作为大爆炸理论中较轻元素来源的一个理论解释吧。而离开了暗能量，根据大爆炸理论计算出来的宇宙年龄就只有80亿年，这甚至比我们所在的这个星系中许多恒星的年龄还要小几十亿岁。
　　更重要的是，大爆炸理论从来没有任何量化的预言得到过实际观测的验证。该理论捍卫者们所宣称的成功，统统归功于它擅长在事后迎合实际观测的结果，它不断地在增补可调整的参数，就像托勒玫（Ptolme）的地心说总是需要借助本轮和均轮来自圆其说一样，其实，大爆炸论并不是理解宇宙历史的唯一方式。‘等离子宇宙论‘和’稳恒态宇宙模型论’都是对这样一个持续演化着的宇宙的假设，它们认为宇宙既无始也无终。这些模型，以及其他一些观点，也都能解释宇宙的基本现象，如较轻元素在宇宙中所占的比重、宇宙背景辐射以及遥远星系谱线红移量随着距离增加等问题，它们的一些预言还甚至得到过实际观测的验证，而这是大爆炸理论从未做到过的。大爆炸论的支持者们强辩说这些理论不能解释观测到的所有天文现象。但这并没有什么奇怪的，因为它们的发展严重缺乏经费的支持。实际上，直到今天，这样一些疑问和替代理论都还不能被拿出来进行自由的辩论和检验。绝大多数的研讨会都在随波逐流，并不允许研究者们进行完全公开的观点交流。理查德·费曼（Richard Feynman）说过，‘科学就是怀疑的文化’，而在今天的宇宙学领域，怀疑和异见得不到容忍，年轻学者们即使对大爆炸这一标准模型有任何否定的想法也不敢表达。怀疑大爆炸论的学者如果把自己的疑问说出来就会失去经费资助。连实际的观测结果也要被筛选，要依据其能否支持大爆炸理论的标准来筛选。这样一来，所有不合标准的数据，比如谱线红移、锂元素和氦元素在宇宙中所占的比例、星系的分布等，都被忽视甚至歪曲。这反映出了一种日益膨胀的教条主义，完全不合乎自由的科学研究精神。如今在宇宙学研究领域，几乎所有的经费和实验资源都被分配给以大爆炸理论为课题的项目。科研经费来源有限，而所有主管经费分配的评审委员会都被大爆炸论的支持者们把持着。结果就造成了大爆炸理论掌握该领域的全面主导地位，这一局面与该理论在科学上的有效性毫无关系。只资助从属于大爆炸论的课题，这种做法抹杀了科学方法的一个基本原则：就是必须持续不断地用实际观察来对理论加以检验的原则。这样一种束缚使任何探讨都无法进行，也使任何研究都无法进行，为了治疗这一顽症，我们呼吁资助宇宙学研究的机构将相当部分的经费留给那些替代性理论的研究课题，留给那些与大爆炸理论存在矛盾的实证观测。为避免经费分配不公的问题，掌管经费分配的评审委员会可以由非宇宙学领域的天文学家和物理学家组成。将经费公平地分配给针对大爆炸理论有效性进行的研究项目，以及其替代性理论的研究项目，这将能使我们以科学的方式找到关于宇宙历史演变的最可信的模型。


宇宙年龄

宇宙年龄（汉语拼音：Yuzhou Nianling；英语：Universe，Age of），宇宙从某个特定时刻到现在的时间间隔。对于某些宇宙模型，如牛顿宇宙模型、等级模型、稳恒态模型等，宇宙年龄没有意义。在通常的演化的宇宙模型里，宇宙年龄指宇宙标度因子为零起到现在时刻的时间间隔。通常，哈勃年龄是宇宙年龄的上限，可以作为宇宙年龄的某种度量。根据大爆炸宇宙模型推算，宇宙年龄大约200亿年。
　　宇宙在膨胀，随着时间的流逝和空间的拉伸，使得星系互相远离。如果设想将这一过程在时间上反推，看来就必定在很久以前存在过全部星系拥挤一处的起始状态。宇宙起源于大爆炸（或奇点）的这一思想得到爱因斯坦广义相对论的证实。宇宙的当前膨胀速率由叫做哈勃常数的数字H_0给出。H_0的数值可通过观测来决定。如果宇宙从大爆炸以来一直以相同速率膨胀，那么它的年龄就应该等于哈勃常数的倒数1／H_0，这个年龄叫做哈勃年龄。 实际上，随着宇宙年龄的增加，星系之间的万有引力趋向于减缓它的膨胀。哈勃“常数”对宇宙一生中同一阶段的所有星系是相同的，但却随时间的逝去而减小。这意味着，从哈勃常数当前值计算的年龄总是大于宇宙的真年龄，因为宇宙在过去膨胀得比较快。 H_0的准确值是很难测量的，天文学家广为接受的一个值是55公里每秒每百万秒差距。利用这个数字得到的宇宙年龄上限是180亿岁。再利用基于爱因斯坦方程式的标准宇宙模型，可以换算出真年龄为120～150亿岁。
　　估计宇宙年龄的一个间接方法是利用恒星的年龄，其前提假设是宇宙必须比最年老的恒星更年老。对球状星团的研究表明，我们银河系中有些恒星可能已经年高140～180亿岁了，这正好与H_0=55公里每秒每百万秒差距时的宇宙年龄相符。但有些宇宙学家争辩说，哈勃常数要大得多，也许大到了100公里每秒每百万秒差距。那样一来，“宇宙年龄”就将缩短到小于100亿岁。在这种情况下，它就不可能含有140亿岁的恒星。不过，新近的一些研究表明，哈勃常数有可能小于40公里每秒每百万秒差距，这将使宇宙称心如意地比它包含的恒星更年老了。


宇宙半径

宇宙半径（ radius of the universe ），在均匀各向同性的宇宙模型中，有罗伯逊－沃尔克度规：

式中 k为空间曲率署符，对于椭圆空间、欧氏空间和双曲空间，分别为+1、0和-1。 R( t)称为 宇宙距离标度因子。当 k=+1时， R( t)称为 宇宙 半径；因为这时我们可以把罗伯逊－沃尔克度规的空间部分当作四维欧氏空间中 半径为 R( t)的超球面。而当 k=0和 k=-1时，空间是无限的或开放的，就更谈不上什么 半径。然而我们生活在其中的是三维空间或四维空时，四维欧氏空间实际上是不存在的。因此， 宇宙 半径一词只是对 R( t)的几何意义的一种象征性解释。在绝大部分书刊中当提到这一词时，都冠以引号，称作“ 宇宙 半径”。


减速因子

减速因子（deceleration parameter），宇宙膨胀减慢的速率，通常用符号q_0表示。如果减速因子小于0.5，宇宙将永远膨胀；如果它大于0.5，宇宙终将在某天坍缩成大崩塌（见宇宙的命运）。减速因子的真实数值是如此接近0.5，测量它又是如此困难，致使观测者还不知道等待我们的命运是什么。


奥伯斯佯谬

奥伯斯佯谬（Olbers paradox），1826年，德国天文学家H.W.M.奥伯斯指出，一个静止、均匀、无限的宇宙模型会导致如下结论：黑夜与白天一样亮。但实际上夜空却是黑的。理论同观测的这种矛盾称为奥伯斯佯谬。采用天体之间有吸光物质、天体寿命有限或天体有演化、引力常数随距离而变化等都难以解决奥伯斯佯谬。在现代的膨胀宇宙模型里，奥伯斯佯谬不存在。


哈勃距离

哈勃距离（汉语拼音：Ha bo ju li；英语：Hubble distance），指哈勃常数H的倒数H-1具有时间的量纲 。H-1 称为哈勃时间。光在哈勃时间内走过的距离称为哈勃距离。又称哈勃半径。如果取H＝50千米／（秒·百万秒差距），则哈勃距离为6000百万秒差距，或200亿光年。对于宇宙年龄小于或等于哈勃时间的那些宇宙模型，哈勃距离就是可以观测到的最大距离。对于其他宇宙模型，哈勃距离没有什么特殊意义。


氦丰度

氦丰度（ Heabundance ），H abundance 同位素在自然界中的丰度指的是该同位素在这种元素的所有天然同位素中所占的比例。星际物质中氢和氦的质量丰度比约为75/25，除去氢、氦之外的其它物质（包括放射性物质）大约占到1-3%。这类物质天文学界把它们称之为铁类物质，它们是在恒星内的核聚变过程中所产生的。
氦元素丰度一般定义为(nHe/nH)× 100。光球氦丰度约为8.5,而高速太阳风氦丰度一般不超过5。


零压宇宙解

零压宇宙解，建立宇宙模型时，要计算宇宙物质产生的引力场，首先就要解引力场方程。按大尺度空间观点，可以把宇宙物质看作是由松散介质或尘埃组成的体系。但质点间的压力和辐射压都比其静能密度小得多，可忽略不计（即令介质的压力为零）。由此得出的引力场方程的宇宙解，叫作零压宇宙解，并把相应的模型称为尘埃宇宙模型。


宇宙常数

宇宙常数（ cosmological constant ），1917年，爱因斯坦利用他的引力场方程，对宇宙整体进行了考察。为了解释物质密度不为零的静态宇宙的存在，他在场方程中引进一个与度规张量成比例的项，用符号Λ表示。该比例常数很小，在银河系尺度范围可忽略不计。只在宇宙尺度下，Λ才可能有意义，所以叫作宇宙常数。1929年，哈勃发现星系红移的哈勃定律，确定静态宇宙模型与实际不符。因此爱因斯坦多次提出应该取消宇宙常数；但有些学者，如爱丁顿、德西特、泽尔多维奇则认为宇宙常数可能有新的物理意义，不宜轻易抛弃。目前，学者们对宇宙常数的看法并不一致，有的认为是正值；有的认为是负值；有的认为是常数；有的则认为它随时间而变化。但多数倾向于取正值，其物理意义可能代表宇宙真空场的能量－动量张量与可能存在于物质之间的斥力。估计宇宙常数的上限为10-57厘米-2。


大数假设

大数假设（汉语拼音：Dɑshu Jiashe；英语：large number hypothesis），20 世纪30年代，英国物理学家 P.A.M. 狄拉克注意到，由电子电荷e、电子质量m、质子质量M和万有引力常数G组成的无量纲量e2／GmM的数值是1040，而以原子尺度为单位的宇宙半径也是 1040。他认为这一事实不是偶然的巧合，而是反映了宇宙的内在联系，并称之为大数假设。
　　此外，还可以用物理常数和宇宙学量组成其他一些无量纲的大数。这些大数之间有着简单的代数关系。如宇宙中的粒子数约1080，宇宙膨胀到极大时的半径与基本粒子的大小之比值约 1040，静电力与万有引力之比值约1040，基本粒子大小与普朗克长度之比值约 1020，宇宙中的光子数与重子数之比约 1010，等等。为什么存在这些简单关系？大数究竟变不变？都是宇宙学要探讨的问题。


红移

红移（ red shift ），电磁波谱中谱线向长波方向的移动。对于可见光就是向红端的移动。红移z的定义是： z＝Δλ/ λ 式中 λ为源发射谱线的波长。Δ λ为观测到的波长改变量。Δ λ＞0，表示波长增加，即红移；Δλ＜0，表示波长减少，即蓝移。宇宙学问题中， z一般都大于0，因而往往把它作为红移的符号。 z是无量纲的标量，当它远小于1时，按照 多普勒效应，把它乘以光速 c即可得到光源同观测者相对的视向速度 v＝ cz（当 z较大时，应改为相对论表达式：

1914年，美国天文学家V.M.斯莱弗发现，他观测到的15个旋涡星云（现在知道它们都属于银河系所在的本星系群）中11个的光谱都呈现红移。实际上，在本星系群以外迄今尚未发现有蓝移的星系光谱。1929年，E.P.哈勃发现了星系的红移量和距离成正比的规律，即哈勃定律v＝H0r。式中比例系数H0称为哈勃常数，观测值约为71千米/（秒·百万秒差距），仍有百分之几的误差。光速与哈勃常数的比值具有长度的量纲，称为哈勃半径，粗略地说等于光自宇宙大爆炸以来走过的距离，即可观察宇宙的半径，约140亿光年。利用哈勃定律，可由观测到的红移求出星系的距离，从而得到星系在三维空间的分布，了解宇宙的大尺度结构。更重要的是，若将红移解释为多普勒退行速度效应，则能得出可观测的宇宙作整体膨胀的结论。所以，星系的红移的发现成为20世纪以来影响最为深远的宇宙现象。
表达红移–距离关系的函数图像称为哈勃图。当红移较大时，在该图上红移–距离关系将偏离哈勃定律表示的直线。偏离的情况现在主要用来检验宇宙的几何性质。20世纪90年代以来，高红移超新星的哈勃图显示宇宙是平坦的。
多年来，还提出了许多解释红移的假说，如光子老化说、物理常数变化理论等。有人还试图用不均匀宇宙模型、多重爆炸宇宙学等来说明对哈勃定律的偏离，但都过于牵强。只有以广义相对论为基础的宇宙膨胀论不仅可解释哈勃定律，还能说明如宇宙微波背景辐射和奥伯斯佯谬等一系列观测到的现象，因而得到人们公认。


哈勃定律

哈勃定律（汉语拼音：Ha bo ding lv；英语：Hubble'slaw），1929年，E.P.哈勃发现河外星系视向退行速度v与距离d成正比，即
　　　　　　v＝Hd
　　这个关系称为哈勃定律，又称哈勃效应。式中 H 称为哈勃常 数。哈勃定律中，v以千米／秒为单位，d以百万秒差距为单位，H的单位是千米／（秒·百万秒差距）。哈勃定律有着广泛的应用，它是测量遥远星系距离的唯一有效方法。只要测出星系谱线的红移，再换算出退行速度，便可由哈勃定律算出该星系的距离。哈勃定律中的速度和距离不是直接可以观测的量。直接观测量是红移和视星等。因此，真正来自观测、没有掺进任何假设的是红移-视星等关系。在此基础上再加上一些假设，才可得到距离-速度关系。


哈勃常数

哈勃常数（汉语拼音：Ha bo chang shu；英语：Hubble constant），哈勃定律中星系退行速度同距离的比值。它是一个常数，常用H表示，单位是千米／（ 秒·百万秒差距）。准确地定出哈勃常数值是星系天文学的一项重要工作。最初，E.P.哈勃本人把哈勃常数值定为500。1931年，他和M.L.哈马逊把值修订为526。1952年，W.巴德指出，仙女星系中造父变星的星等零点应改动1.5等  ，由此哈勃常数值被修订为260。1958年A.R.桑德奇的研究又将值降低到75。20世纪70年代，桑德奇等人再次修订哈勃常数值，得到H ＝55，只及当年哈勃测定值的1／10。用这个值推算的星系距离比当年哈勃所得的结果大10倍。70年代后，许多天文学家用多种方法测定H 值，结果互不相同。测定哈勃常数值是一项非常困难的工作，现一般认为，H值应在50～100之间。


红移－视星等关系

红移－视星等关系（ redshift-apparent magnitude relation ），1929年，哈勃发现了河外星系的视向速度和距离有线性关系（见哈勃定律）。1931年，他进一步肯定了视向速度和视星等之间的线性关系：

lgv＝0.2m＋B

式中v是视向速度，m是视星等，B是与绝对星等有关的常数（见星等）。
此后半个世纪内，天文学家们因为测定星系的距离十分困难，就不去测定速度－距离关系，而去推算速度-视星等(lgv-m)的关系。假定宇宙间同类天体的绝对星等M相同，而且绝对星等不是时间的函数（即没有演化效应），那么依据哈勃定律(v=HDL)和绝对星等M与光度距离DL之间的定义关系(m=5lgDL+M+25)，就可以求得上述速度－视星等关系。关系式中m的系数0.2反映了哈勃线性律。这一点很重要，否则速度－视星等关系的线性就不能表示速度-距离关系的线性。1975年有人得到663个正常星系、230个射电星系和265个类星体的红移－视星等关系，把这三类天体的m值组合后可得系数为0.3088。
应该指出，直接来自观测、没有掺进任何假设的是红移－视星等关系。以红移z（或lgz，或lgcz）为纵坐标，视星等m为横坐标，可以绘制红移-视星等图，通常称为哈勃图。根据罗伯逊－沃尔克度规，可以算出红移z和视星等m之间的近似关系：

m=5lgz+1.086(1－q0)z+常数

式中q0为减速因子。


速度－距离关系

速度－距离关系（ velocity-distance relation ），1929年哈勃发现星系的退行速度与距离成正比，这是速度与距离之间最简单的（线性的）关系。在天文学上，星系的速度和距离是不能直接测定的，可以直接测定的是星系的红移和视星等（见星等）。哈勃把观测到的红移归因于多普勒效应，从而得到退行速度，并根据星系中造父变星的周光关系定出了星系的距离。假设红移z与距离D之间的关系为：

z=bDα

式中 a、 b为常数；并假设所有星系的绝对星等相同，则根据绝对星等与 距离之间的定义 关系可得：

式中C1为常数，即lgz与视星等m有线性关系。根据大量星系的(lgz，m)观测资料，以lgz和m为坐标轴，可定出直线(2)的斜率。只有当这个斜率为0.2时才对应于红移与距离之间的线性关系。如z较小，则和光速c的乘积cz即为退行速度，因而速度与距离也是线性关系。如z较大(例如大于0.2)，就要以相对论公式来代替经典的多普勒效应公式，这时速度与距离的关系就显得复杂了。1962年霍金斯根据474个星系的红移-视星等图的斜率，得出红移与距离的1.66次方程成正比；如果仅就这474个星系中430个亮于+14等的星系而言，红移则与距离的2.22次方成正比。1975年莱恩等人根据663个正常星系得出斜率为0.199，根据230个射电星系得出斜率0.194，根据265个类星体得出斜率0.135，这都表明红移与距离之间的关系同线性关系有一定程度的偏离。从罗伯逊－沃尔克度规，作为一级近似，可以得到速度-距离间的线性关系。霍金斯、斯特芬森、维尔茨和陆启铿等许多学者，分别根据不同的宇宙模型得出红移与距离的平方成正比。在西格尔的时间几何宇宙理论中，z=tg2(r/R)（R为宇宙半径），当r很小时，红移也与距离的平方成正比。

沃库勒通过对红移－距离关系是否线性和各向同性的分析，研究了本超星系团的结构。雅哥拉等人则由红移-距离关系的非各向同性论证了非速度红移的存在。


红移－距离关系

红移－距离关系，表达红移–距离关系的函数图像称为哈勃图。当红移较大时，在该图上红移–距离关系将偏离哈勃定律表示的直线。偏离的情况现在主要用来检验宇宙的几何性质。20世纪90年代以来，高红移超新星的哈勃图显示宇宙是平坦的。
霍金斯、斯特芬森、维尔茨和陆启铿等许多学者，分别根据不同的宇宙模型得出红移与距离的平方成正比。在西格尔的时间几何宇宙理论中，z=tg2(r/R)（R为宇宙半径），当r很小时，红移也与距离的平方成正比。


K改正

K改正（ K-correction ），对于河外天体光谱因红移造成的歪曲在进行光度测量时须加的改正。红移使得从天体发出的波长为λ1的光谱线在观测处移至(1+z)λ1，亦即从红移为z的天体到达观测者的波长为λ的光，发出时的波长为 或者可表示为λ=(1+ z)λ 1。原来发出时处在波长间隔λ k1－λ l1内的辐射，观测时便处在(1+ z)(λk1－λ l1)间隔内。通过观测天体的辐射流确定 星等时，总是观测其某一特定波段范围内的辐射，以确定某一特定的星等。这样，在没有红移的情况下比较不同天体的这一特定视星等时，所比较的才是同一波段范围内的辐射。而当比较具有不同z的两个天体的同一特定视星等时，所比较的实际上是这两个天体的处在不同波段范围内的辐射。
对于银河系天体，红移一般很小，它的影响可忽略不计。对于河外天体，红移一般较大，就要考虑红移对星等测量的影响。因为不同红移z的天体的光谱受到不同的歪曲，所以在讨论热距离模数mbol－Mbol时，除要考虑星际消光改正项A外，还要再加上一改正项K，即K改正：

mbol－Mbol=m－M－K－A

式中 m- M是使用响应曲线为 S(λ)的辐射接收系统所得到的距离模数观测值； K 改正的单位为星等，数值为

其中第一项是由于红移后波段展宽而加上的 改正；第二项是由于红移后波段频移而加上的 改正。 I(λ)是波长λ处的入射能流，是在相对于天体静止的坐标系内，并作了望远镜接收系统 改正和大气消光 改正的。
由于不同类型天体的I(λ)函数形式不同，它们的K改正也不同。1936年，哈勃在假设I(λ)为黑体辐射的前提下，第一次计算了K改正。M.L.哈马逊等人引用斯特宾斯等的观测，在1956年首次给出了K改正的观测值。


引力红移

引力红移（ Gravitational redshift ），由广义相对论可推知，处在引力场中的辐射源发射出来的光，当从远离引力场的地方观测时，谱线会向长波方向（即向光谱红端）移动，移动量与源及观测者两处引力势差的大小成正比。光谱线的这种位移称为引力红移。这种效应最初是在天体中，特别是在白矮星中（因为白矮星表面的引力较强）得到证实的。二十世纪六十年代，庞德、雷布卡和斯奈德采用穆斯堡尔效应的实验方法，测量由地面上高度相差22.6米的两点之间引力势的微小差别所造成的谱线频率的移动，定量地验证了引力红移。结果表明实验值与理论值完全符合。


运动学宇宙学

运动学宇宙学（ kinematical cosmology ），根据时间、空间和引力理论阐明宇宙在大尺度上的时空结构和整体运动规律的学科。它着重讨论宇宙时空性质和运动学特征，而不过多地涉及宇宙演化的物理机制等问题。现代宇宙学中最早出现的一些宇宙理论，如相对论宇宙学、稳恒态宇宙模型、等级式宇宙模型等都属于这一范畴。除等级式宇宙模型一类的理论以外，大多数关于宇宙运动特性的讨论，都在一定程度上承认宇宙物质在大尺度上是均匀、各向同性分布的观点。不过，近年来，对于不满足均匀，各向同性条件和非理想流体的宇宙运动学问题也进行了讨论，有人还研究了物质自旋与空间挠率等对宇宙运动学特性的影响。


相对论宇宙学

相对论宇宙学（ relativistic cosmology ），在爱因斯坦的引力理论和相对论力学的基础上建立起来的宇宙理论。它的一些基本结论都是根据所谓宇宙学原理(即宇宙物质在大尺度上具有均匀各向同性)的假定而推得的。在这种宇宙理论中，空间各点的曲率处处相同，但弯曲程度可以随时间变化（不改变其正负号）。其中正曲率（空间曲率署符k=+1）对应于一个没有边界、但体积有限的闭合宇宙；零曲率(k=0)对应于一个平直的开放宇宙；负曲率(k=-1)则对应于一个双曲型的开放宇宙。宇宙的膨胀或收缩运动在所有方向上是一样的，它可以由度规公式中的宇宙标度因子R=R(t)来描述。R随宇宙时t的相对变化率就是哈勃常数，即H=凟/R。知道了R随时间的变化，也就知道了宇宙的历史和发展趋向。假定星系可以设想为均匀而静止地分布在整个空间中，那么就可用理想流体的能量－动量张量来描述它们。这时，根据引力场方程，就能推出均匀各向同性宇宙学模型的动力学方程：

式中 G为引力常数。给定物态方程的压力 p= p( ρ)，可求得函数 R( t)，详细分析 R( t)的性质，就得到各种典型的 相对论 宇宙模型。


大爆炸宇宙学

大爆炸宇宙学（汉语拼音：dɑbɑozhɑ Yuzhouxue；英语：big-bang cosmology），现代宇宙学中最有影响的一种学说。

基本观点
　　基本观点是，宇宙曾经历了一段从热到冷的演化。在这个过程中，宇宙不断地膨胀，物质密度不断变稀。宇宙的整个演化过程就像是一次巨大的爆炸。根据大爆炸宇宙学的模型，大爆炸的整个过程是：在宇宙的极早期，物质密度极高，温度也极高，在 100亿度以上，宇宙间只有一些基本粒子形态的物质。而后，宇宙迅速膨胀，温度很快下降，当温度降至约10亿度时，化学元素开始形成。温度进一步降至100万度时，形成化学元素的过程结束，宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。温度再降至几千度时，辐射同物质分离，宇宙间主要是气态物质。在引力的作用下，气体凝聚成气云，并进一步形成恒星、星系，成为人们今天观测到的宇宙。
　　大爆炸宇宙模型同其他宇宙模型相比能够解释较多的观测事实，因此，已被绝大多数天文学家所接受。

研究历程
　　早在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现，即不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙无限紧密。
　　1950年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开始就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。"整个空间"可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。
　　根据大爆炸宇宙论，早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。


宇宙学原理

宇宙学原理（ cosmological principle ），认为宇宙中不存在任何优越位置的假设。它是N.哥白尼关于地球不是宇宙中心观念的推广，是大多数现代宇宙学模型的基础。宇宙学研究的对象是整个可观测时空范围的大尺度特征。现已探测到的距离尺度约140亿光年，包含约1千亿个星系。根据星系计数、射电源计数和宇宙微波背景辐射等实测资料得知，在大于一亿光年的范围内，物质的空间分布是均匀的和各向同性的。就是说，在宇宙学尺度上，任何时刻三维空间是均匀的和各向同性的。它的含义是：①在宇宙学尺度上，空间任一点和任一点的任一方向，在物理上是不可分辨的，即无论其密度、压强、曲率、红移都是相同的。但同一点的不同时刻，各种物理量却可不同，所以宇宙学原理容许存在宇宙演化。②宇宙中各处的观测者，观察到的物理量和物理规律是完全相同的，没有任何一个观测者是特殊的。地球上观察到的宇宙演化图景，在其他天体上也会看到，所以能建立宇宙时概念。既然任何随时间演变的天体和现象都可用来标度时间，宇宙图景也能作为时间标度。宇宙中处处有完全相同的宇宙图景，也有完全相同的宇宙时。完全宇宙学原理是宇宙学原理的进一步推广。它的大意是：不仅三维空间是均匀的和各向同性的，整个宇宙在不同时刻也是完全相同的。根据宇宙学原理可推导出演化宇宙的罗伯逊–沃尔克度规。运用完全宇宙学原理则能得到稳恒态宇宙度规，利用不同的度规可建立各种宇宙模型。由于大量证据表明宇宙是随时间演化的，因此完全宇宙学原理不能描述真实的宇宙。


宇宙时

宇宙时（ cosmic time ），全宇宙都适用的统一时间，也称宇宙标准时或普适时。它用演化着的宇宙本身作为时计来计量。宇宙中存在一些宇宙标量场(例如微波背景辐射温度)，处处都是单调递减的，利用这种宇宙标量场就能确定宇宙时。有了宇宙时，就可以研究宇宙空间的大尺度结构。宇宙学原理认为宇宙空间在大尺度上是均匀各向同性的，这一论断必须以宇宙时的存在为条件。
以宇宙学原理为前提，采用共动坐标系，把空-时的描述分解为空间的描述和时间的描述而得到罗伯逊－沃尔克度规：

式中 ｒ， θ， φ为球面坐标， R( t)为 宇宙标度因子， k为空间曲率署符， t即为 宇宙 时，也就是相对于共动观测者静止的时钟所指示的时间。这样， 宇宙学原理还可以表述为：每一个共动观测者观测 宇宙所得到的结果都是相同的，不过他们计量的时间必都是 宇宙 时，可以彼此核对；而在广义相对论里，不同坐标系之间的这种核对往往是不可能的。引进 宇宙 时的概念，不仅使描述 宇宙大大简化（这种描述最后只归之为 宇宙标度因子 R( t)随 宇宙 时的变化），而且使描述 宇宙整体的演化成为可能。


宇宙模型

宇宙模型（汉语拼音：Yuzhou Moxing；英语：Cosmological Model），对宇宙的大尺度时空结构、运动形态和物质演化的理论描述。又称模型宇宙。按照宇宙大尺度结构，有两种不同的模型。①均匀模型，即认为大尺度上物质的分布基本上是均匀各向同性的，满足宇宙学原理，另一种是等级模型，认为天体的分布是逐级成团的，物质分布在任何尺度上都具有非均匀性。按照运动形态，也有两种模型。②把红移解释为系统性运动，各种膨胀宇宙模型都属于此类。另一种则把红移解释为另外的机制。按照演化来区分，则有演化模型和稳恒态模型。前者认为宇宙大尺度上的物质分布和物理性质随着时间有明显的变化，后者则认为宇宙的基本特征不随时间变化。在已有的各种宇宙模型中，大爆炸宇宙模型最有影响。它解释的观测事实最多。因而，已被普遍接受。
　　宇宙学家造不出物质的宇宙模型，但他们能够建立数学方程组来说明各种可能宇宙的行为。这些宇宙（英文词首字母是小写“u”）就是宇宙模型。它们有的能说明现实宇宙（英文词首字母是大写“U”）的某些事，有的却什么也说明不了。 有些方程式比较容易解，研究这些模型的行为只需要一支铅笔、几张纸，再加点儿智力就行了。阿尔伯特·爱因斯坦就是这样发现了广义相对论方程式预言的宇宙膨胀；亚历山大·弗里德曼和其他人也是这样发展了对相对论允许的各种宇宙的认识。 其他宇宙模型考虑了更多的细节和更复杂的相互作用，它们的方程式只能借助高速电子计算机求解。但我们宇宙有一个既奇妙又可能很重要的特点，就是它看来可以很好地用爱因斯坦方程式的最简单解来描述——爱因斯坦自己就说过，“关于宇宙的最不可理解的事就是宇宙是能够理解的”。 以不带宇宙学常数的爱因斯坦方程式为基础的三组最简单宇宙模型，是以它们描述的宇宙最终命运来划分的。开宇宙是始于大爆炸并永远膨胀下去的宇宙；闭宇宙是始于大爆炸、膨胀到一个确定大小然后坍缩为大崩塌的宇宙；平坦宇宙正好在前两者的分界线上，它永远膨胀但越来越慢，在终结状态下永久“徘徊”而不坍缩。闭宇宙模型的一个变种是，大崩塌由“反冲”取代，因而宇宙重复地膨胀和坍缩。虽然我们的宇宙可能是开的，也可能是闭的，但它却难以同平坦宇宙区分开。 增加一个宇宙学常数，就可以创造更复杂的模型。有一个模型起始于无穷大，收缩到有限大小，然后再次膨胀；另一个模型从大爆炸开始向外膨胀，然后膨胀减慢以至停止，在大小不变的情况下停留任意长的时间，然后再次膨胀。还提出过其他一些模型。但这些奇异的模型被认为同现实宇宙没有多少关系。另见减速因子、稳恒态假说。


稳恒态宇宙模型

稳恒态宇宙模型（ steady-state model ），1948年，英国天文学家H.邦迪、F.霍伊尔和T.戈尔德共同提出的一种宇宙模型。它以完全宇宙学原理为前提，认为宇宙的性质在大尺度时空范围内稳恒不变。不仅在空间上是均匀的、各向同性的，而且在时间上也处于稳定状态，尽管宇宙并非静止。稳恒态宇宙模型可避免大爆炸理论的奇点困难，但要求在宇宙膨胀过程中物质密度不变，物质就必须连续不断地从虚空中创生。诞生率是平均每100亿年在一立方米体积内产生一个氢原子。这样就违背了一些普遍适用的守恒律，如重子数守恒、轻子数守恒、质能守恒等定律。从观测角度来看，稳恒态模型的预言与星系分布和射电源计数显示的宇宙演化不符。特别是根据这种模型也难以解释宇宙微波背景辐射，因而1965年以后在与大爆炸模型的竞争中失利。尽管如此，稳恒态模型由于刺激了关于元素起源的核合成理论的诞生，在历史上仍然功不可没。但它与大爆炸理论最新成就的一种暴胀宇宙模型有异曲同工之处。


等级式宇宙模型

等级式宇宙模型（ hierarchic model ），法国天文学家沃库勒等倡导的一种宇宙学说。这种学说认为宇宙在结构上是分层次的，如恒星、星系、星系团、超星系团以至更大的集团。随着尺度的变化，集团的性质也在变化。所谓宇宙的均匀性与各向同性，对不同层次有不同涵义。十八世纪中期，德国物理学家朗伯特曾提出过天体逐级成团分布的概念。他把太阳系叫作第一级，第二级是比太阳系大得多的所谓星团，第三级是银河系。1908年瑞典天文学家沙利叶提出了等级式宇宙模型，并且指出，根据这种模型可以克服奥伯斯佯谬的困难，即：当第n+1级与n级的半径比大于n+1级所包含的n级天体的个数的平方根时，天体到达地面的总光通量就是有限的，或者说远处天体对光通量的贡献可以是任意小的数值，因而不会发生“黑夜和白天一样亮”的所谓奥伯斯佯谬现象。
沃库勒坚持并发展了他们的观点。由现代观测知道天体的分布是成团的。星系计数现可达100兆秒差距范围。沃库勒认为即使在这样大的尺度，天体分布的起伏也不是随机性的，而是存在更高级的团聚现象。他不同意宇宙学原理认为宇宙在大尺度上是均匀的和各向同性的。他认为，既然在直到目前星系计数所及的尺度上，星系的分布都有明显的非随机成团现象，不能设想一旦大于这一计数的总尺度，成团性就会消失而表现为均匀分布。根据等级式宇宙模型推出，平均密度随观测距离加大而减小，这已为20多个量级的半径范围和45个量级的密度范围的观测资料所证实，不能设想一旦超过这个范围，这种关系就不复存在而代之以某一均匀密度。沃库勒认为宇宙学原理是“由于美学上的偏见和数学上的简化”而提出来的。如果天体分布是成团的，则宇宙膨胀要受这种成团影响而出现起伏，哈勃常数要因不同密度的起伏而改变，因而宇宙模型不能作统一处理。
等级式宇宙模型目前还没有精确的数学表述和确切的理论预言，兹威基和奥尔特等许多人也不同意沃库勒的结论。他们认为成团性终止于星系团一级，至多终止于超星系团一级。


阶梯式宇宙模型


爱因斯坦静态宇宙模型

爱因斯坦静态宇宙模型（ Einstein static model ），爱因斯坦于1915年提出广义相对论后，1917年用它来考察宇宙，建立了现代宇宙学中的第一个宇宙模型。由于当时尚未发现河外星系的普遍退行现象，他的模型是一个有物质无运动的静态宇宙。若假定宇宙中物质的分布松散，解引力场方程可得出爱因斯坦静态宇宙度规如下：

式中r，θ，φ为球极坐标，t为宇宙时。由此建立的模型是一个有限无边的封闭宇宙，宇宙半径R和宇宙常数Λ的关系是Λ=1/R2。宇宙空间体积是2π2R3。若用ρ表示宇宙物质平均密度，宇宙总质量就等于2π2R3ρ。


德西特静态宇宙模型

德西特静态宇宙模型（ de Sitter static model ），膨胀宇宙的一种模型。其中没有物质和辐射，膨胀由宇宙学常数驱动。1917年由荷兰天文学家W.德西特通过解爱因斯坦场方程提出。尽管这个模型在物理上不合理，但它首次引入了真实宇宙可能膨胀的观念。一个非常类似于德西特模型中的膨胀阶段在现代的暴胀宇宙理论中也起着重要作用。


弗里德曼宇宙模型

弗里德曼宇宙模型（ Friedmann cosmological model ），一种描述含物质和辐射但没有宇宙学常数的膨胀宇宙模型。由苏联数学家A.弗里德曼于1922年在均匀各向同性条件下解爱因斯坦引力场方程得出。1929年，E.P.哈勃发现星系退行速度与距离成正比的关系（见哈勃定律），从此以后，弗里德曼宇宙模型受到广泛的重视。凡宇宙常数Λ=0的均匀的、各向同性的宇宙模型，通称为弗里德曼宇宙，成为标准大爆炸模型的基础。


勒梅特宇宙模型

勒梅特宇宙模型（ Lemaître model ），膨胀宇宙的一种模型。1927年，比利时天文学家G.勒梅特把弗里德曼度规作为一个宇宙模型进行研究，得出了宇宙膨胀的概念。通常把宇宙学常数为零的均匀各向同性宇宙模型叫作弗里德曼宇宙，而将宇宙学常数不为零的宇宙称为勒梅特宇宙。勒梅特宇宙中空间可能具有正曲率但会永远膨胀。这个模型的特点是存在一个宇宙尺度因子几乎不随时间变化的所谓滑行时期。这一时期之前，物质产生的吸引超过宇宙学常数产生的排斥，宇宙呈减速膨胀。这一时期中宇宙呈准静态。这一时期之后，后者反超前者，宇宙膨胀变为加速。20世纪90年代以后，有证据表明空间平坦但宇宙学常数不为零的宇宙模型更与天文观测相符。


尘埃宇宙模型

尘埃宇宙模型（ dust universe model ），建立宇宙模型时，要计算宇宙物质产生的引力场，首先就要解引力场方程。按大尺度空间观点，可以把宇宙物质看作是由松散介质或尘埃组成的体系。但质点间的压力和辐射压都比其静能密度小得多，可忽略不计（即令介质的压力为零）。由此得出的引力场方程的宇宙解，叫作零压宇宙解，并把相应的模型称为尘埃宇宙模型。


膨胀宇宙模型

膨胀宇宙模型（ expanding universe model ），以宇宙膨胀为前提的宇宙模型。1927年，勒梅特提出大尺度空间随时间膨胀的概念。1929年，哈勃发现河外星系退行速度与距离成正比的哈勃定律。爱丁顿随即把二者联系起来，提出了膨胀宇宙的假说。现代宇宙学中，除1917年最早建立的爱因斯坦静态宇宙模型和德西特静态宇宙模型属于静态型而外，其他如弗里德曼宇宙模型、稳恒态宇宙模型、大爆炸宇宙学等都属于膨胀宇宙模型。


开放宇宙模型

开放宇宙模型（ open universe model ），弗里德曼宇宙模型的一个解。在宇宙学原理这一前提下，解爱因斯坦引力场方程，得宇宙的动态时空度规：

式中 r， θ， φ为球极坐标， t为 宇宙时， k为空间曲率署符， R( t)为 宇宙距离标度因子，它随时间变化的规律可以用来描述 宇宙的过去历史和未来演化趋势。令凟和惗分别表示 R对 宇宙时间的一次变率和二次变率。定义哈勃常数 H 0=凟/ R，减速因子 q 0=－ R惗/凟 2。若取 H 0=50公里/(秒·百万秒差距)， 宇宙常数 Λ=0，当减速因子 q 0=1/2、空间曲率为零时， 宇宙物质有一临界密度 ρ c=4.7× 10 -30克/厘米  3。倘若目前的 宇宙物质平均密度 ρ 0≤ ρ c，即0≤ q 0≤1/ 2 宇宙将永远膨胀下去。由此算出 k=-1或0，即对应于三维双曲空间或平直空间。在此种 宇宙中，光线永远回归不到“原处”，这就是开放宇宙模型。假如 ρ 0＞ ρ c，则 q 0＞1/2， 宇宙的膨胀将逐渐减慢，终于停止。由此算出 k=+1，即对应于三维球面空间。在这种 宇宙中，光线有可能返回到“原处”，因此称闭合宇宙模型，也称胀缩宇宙模型。根据目前的观测资料，从不同的途径求出的减速因子各不相同。按 宇宙物质平均密度的观测值，得 ρ 0＜ ρ c，即 q 0＜1/2， 宇宙是 开放的；按星系的哈勃图， q 0＞1/2， 宇宙是闭合的或胀缩的。这个矛盾目前尚未解决。


天体演化学

天体演化学（ Cosmogony ），天文学的一个分支，研究各种天体以及天体系统的起源和演化，也就是研究它们的产生、发展和衰亡的历史。天体的起源是指天体在什么时候，从什么形态的物质，以什么方式形成的；天体的演化是指天体形成以后所经历的演变过程。通常说的天体演化，往往也包括起源在内。

目录

1 诞生和发展
2 研究的内容

2.1 太阳系的起源和演化
2.2 恒星的起源和演化
2.3 星系的起源和演化
2.4 宇宙的起源和演化

诞生和发展
法国笛卡儿和布丰在1644年和1745年先后提出天体形成的看法。科学的天体演化学至今只有二百多年的历史。十八世纪中叶以前，欧洲在学术思想上占统治地位的仍是万物（包括天体）不变的僵化的自然观。德国哲学家康德于1755年和法国数学家拉普拉斯于1796年各自提出了太阳系起源的星云说，从而在僵化的自然观上打开了一个缺口，这对自然科学和哲学都产生了重大影响（见康德和拉普拉斯星云说）。
到二十世纪，随着科学技术的发展，不仅是太阳系，而且有关各类恒星、银河系以及河外星系的观测资料和新发现越来越多。随着理论物理学各分支的建立，现代天体物理学发展起来了。天体观测研究的新成果推动了天体演化学的发展。太阳系起源和演化的研究很活跃。在恒星的演化研究方面，取得重大突破。星系的起源和演化问题成为当前的科学前沿之一。
天体演化学是以天文学各分支学科为基础的，它依据天文学、物理学、化学、地球科学、数学等学科的理论，利用各天体层次（行星、恒星、星系）的观测资料，探讨各种天体和天体系统的演变规律，阐述它们各种特征的由来和发展。因此，不仅有天文学者，也有不少物理学、化学、地学、数学、哲学方面的学者从事天体演化的研究。

研究的内容
天体演化同物质结构和生命起源等基本理论问题有密切的关系，特别是同地球科学有更直接的关系，因此，天体演化的研究具有重要的理论与实践意义。天体演化学的研究内容包括以下几个方面。

太阳系的起源和演化
研究太阳系各类天体（主要是行星、卫星、小行星、彗星）的形成和演变，说明太阳系的现有特征，一般侧重于起源的研究。自康德提出太阳系起源的星云说以后的二百多年中虽然已有四十多种学说，但至今还没有一种完善的理论被普遍接受。困难在于我们能直接观测到的只是千千万万个行星系中的唯一的“样品”──太阳系。有关太阳系的起源和演化的学说分为灾变说和星云说两类：灾变说认为行星的物质是因为某种偶然的巨变（如另一颗恒星走近或碰到太阳，或太阳爆发）而从太阳中分出来的；星云说认为行星物质和太阳由同一原始星云形成（共同形成说）或由太阳俘获来的（俘获说）。灾变说在二十世纪上半叶盛行，现在基本上已被否定。近年来，一些星云说学者的观点逐渐接近。他们认为：太阳系是在约五十亿年前从星际云中分出的一个原始星云形成的。原始星云有自转，在自吸引作用下收缩；中心部分形成太阳，外部形成星云盘；盘中的尘粒和小冰粒沉降到赤道面形成尘层，集聚成固体块──星子；星子结合成行星和卫星等。

恒星的起源和演化
对恒星演化的认识比较一致。一般都主张弥漫说：星际云在自吸引收缩中碎裂为许多小云，各小云集聚成恒星。分子云、球状体、赫比格－阿罗天体、红外源、天体微波激射源可能是从星际云到恒星的过渡性天体。恒星完成了引力收缩阶段后，内部开始热核反应，成为主序星；再经过较长时间（太阳约为一百亿年）后变为红巨星；然后经过不稳定的变星阶段，通过爆发，由行星状星云变为白矮星，或通过猛烈的超新星爆发成为中子星；最后失去发光能力归宿到黑矮星（有人认为也可能归宿于黑洞）。恒星的质量愈大，演化就愈快。现在仍然有恒星在诞生。在恒星起源问题上，也有少数人坚持超密说，认为恒星是由超密物质转化而成的。

星系的起源和演化
也存在弥漫说和超密说。弥漫说认为，星系际弥漫物质逐渐集聚成很大的星系际云，然后分裂成较小的云，形成各种大小不同的星系集团。这种说法能够较满意地说明银河系的自转、各星族的空间分布和空间运动以及化学组成等方面的差别。超密说认为，银河系最初是超密物质，它抛出的物质形成各星族的恒星、银盘、银晕和旋臂，而余下的超密物质形成银核（见银心）。其他星系也都是超密物质形成的。超密说与大爆炸宇宙说相适应。有的学说认为星系类型序列代表演化序列（从椭圆星系向旋涡星系、不规则星系演化，或者反向演化）；有的学说主张星系演化与初始条件（角动量或质量、密度等）有关。关于星系起源演化问题还没有定论，有待进一步探讨。

宇宙的起源和演化
常与宇宙模型一起在宇宙学中论述。有大爆炸宇宙学等学派。有些科学家从物质形态转化的角度看，将宇宙线起源、化学元素起源等问题也作为天体演化的课题。