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        根據(jù)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的深空照片，可觀測(cè)到的星系估計(jì)有500億以上，而這如此眾多的星系卻可以分為橢圓星系、旋渦星系和不規(guī)則星系三大類以及若干次型，稱為哈勃序列。

我們所在的星系一一銀河系是一個(gè)旋渦星系。從側(cè)面看，它是一個(gè)中央凸起（稱核球）的扁平薄盤（稱銀盤），從上面看像是水中的一個(gè)旋渦，旋渦星系即由此得名。太陽(yáng)繞銀河系中心轉(zhuǎn)一圈約需2億年，處于銀盤內(nèi)的其它恒星也以近圓形軌道繞銀心轉(zhuǎn)動(dòng)，它們年齡較輕，金屬含量較高，顏色較藍(lán)，稱為星族I。組成核球的恒星與銀盤成較大傾角沿橢圓形軌道運(yùn)行，年齡較老，金屬含量較低，顏色較紅，稱為星族II。旋渦星系中還存在占總質(zhì)量一定比例的氣體和塵埃（稱星際物質(zhì)），這些主要以分子云形式存在的星際物質(zhì)提供了形成恒星的原料。橢圓星系根本沒有星盤成分，只有由年老的紅色恒星組成的核球，所含的星際物質(zhì)也很少，幾乎沒有新形成的明亮的藍(lán)色恒星。不規(guī)則星系有的雖含有年輕明亮的星族I天體，但缺乏對(duì)稱性，有的則顯示出不規(guī)則吸收的塵埃條帶。

        起初，人們?cè)压诸愋蛄锌闯墒茄莼蛄?。但是，星系演化的途徑究竟是從橢圓星系到旋渦星系再到不規(guī)則星系，還是相反，即從不規(guī)則星系到旋渦星系再到橢圓星系，這個(gè)問題卻爭(zhēng)論了幾十年之久。一種意見主張，星系形成之初是形態(tài)最簡(jiǎn)單的球狀氣團(tuán)，由于自轉(zhuǎn)逐漸變扁，同時(shí)發(fā)生收縮，密度增大，氣體凝聚為恒星，扁平部分形成旋渦，旋渦逐漸松卷以至消失。換句話說，星系是從橢圓星系經(jīng)過旋渦星系最后演化成不規(guī)則星系的。直到今天，人們將橢圓星系稱為“早型”星系，旋渦星系和不規(guī)則星系稱為“晚型”星系，就是來源于這一歷史背景。40年代以后人們發(fā)現(xiàn)橢圓星系氣體成分很少，主要由顏色較紅的老年恒星組成。相反，越“晚型”的星系氣體含量及顏色較藍(lán)的恒星越多。于是又有人主張星系的演化是從不規(guī)則星系到旋渦星系，最后到橢圓星系。但這種觀點(diǎn)也遇到了困難。首先是恒星彼此間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不可能使扁平的旋渦星系厚度增加成為球狀的橢圓星系，此外，如果認(rèn)為含有老年恒星的橢圓星系是處于演化晚期的星系，那如何說明旋渦星系的核球內(nèi)也有許多老年恒星呢？

        到60年代，人們積累了構(gòu)成星系各類恒星和氣體成分的豐富現(xiàn)測(cè)資料，特別是恒星內(nèi)部結(jié)掏演化理論和恒星大氣理論趨于成熟，為70年代以后建立星系演化的現(xiàn)代圖景準(zhǔn)備了條件。

        如果暫時(shí)不考慮本性尚不清楚的暗物質(zhì)成分，星系可以看作是由恒星和氣體這兩種動(dòng)力學(xué)性質(zhì)不同的成分構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。氣體是一個(gè)耗散系統(tǒng)，可以通過碰撞、輻射而損失能量，而恒星間距離很大，碰撞罕見，不會(huì)損失能量。在這個(gè)意義上，氣體類似于等溫系統(tǒng)，而恒星則類似于絕熱系統(tǒng)。不過這兩個(gè)子系統(tǒng)并不彼此獨(dú)立。部分氣體將凝聚形成恒星，而恒星在演化過程中將通過星風(fēng)和超新星爆發(fā)把一部分氣體放回星際介質(zhì)中去。

        設(shè)想一個(gè)初始質(zhì)量和星系相當(dāng)?shù)墓铝怏w云在自身引力作用下坍縮，坍縮過程中氣體密度增加，而溫度由于輻射冷卻效應(yīng)卻并不升高。這種高密度低溫的氣云由于引力不穩(wěn)定性發(fā)生分裂形成恒星。恒星一旦形成后不再參與耗散過程，保持著自己的角動(dòng)量和隨機(jī)運(yùn)動(dòng)能量，從而不再向中心下落。剩下的氣體云則繼續(xù)在耗散過程中因輻射冷卻失去能量無法抗拒引力而向中心前進(jìn)。在這一過程中陸續(xù)形成的恒星逐漸掏成一個(gè)向銀心集中的核球成分，直到氣體全部耗盡為止。這就是完全由核球成分構(gòu)成的幾乎沒有氣體的橢圓星系。外區(qū)的恒星由原始?xì)怏w形成，金屬豐度低，內(nèi)區(qū)的恒星由被前代恒星內(nèi)部產(chǎn)生的重元素污染的氣體形成，金屬豐度較高，金屬離子使恒星大氣不透明度增高，從而使有效溫度變低，這種效應(yīng)表現(xiàn)為核球內(nèi)區(qū)星光的顏色較外區(qū)更紅。

        如果氣體云在坍縮前具有較大的軌道角動(dòng)量，離心力將成為抗衡引力坍縮的因素。在耗散過程中失去能量角動(dòng)量的部分氣體將形成和橢圓星系相似的核球成分，由于總角動(dòng)量守恒繼續(xù)存在，外區(qū)的氣體則明縮為一個(gè)旋轉(zhuǎn)的盤成分，由于旋渦狀密度波的觸發(fā)在那里形成一批年輕明亮的藍(lán)星，這就是旋渦星系。

        這樣說來，一個(gè)原始?xì)怏w云演化為橢圓星系還是旋渦星系似乎是由其初始條件決定的。不過星系在宇宙中的分布并不是完全孤立的，它們往往有成對(duì)成群成團(tuán)的傾向。星系之間的相互作用對(duì)其演化過程有著不可忽略的影響。在星系密度較高的過去，星系之間發(fā)生碰撞、合并的概率比目前高得多。兩個(gè)旋渦星系碰撞時(shí)產(chǎn)生的激波可能觸發(fā)大規(guī)模恒星形成，與此相聯(lián)系的超新星爆發(fā)可以把系統(tǒng)中的氣體塵埃成分吹走，猛烈的潮沙力可以將原有的盤成分瓦解，最后形成一個(gè)幾乎沒有氣體的橢圓星系，這一機(jī)制可以解釋許多星系團(tuán)密度較高的中心區(qū)橢圓星系較多，團(tuán)內(nèi)廣泛存在X-射線熱氣體，以及某些橢圈星系核心存在反轉(zhuǎn)部分等并合遺跡的觀測(cè)事實(shí)。

        除了由動(dòng)力學(xué)原因造成星系形態(tài)的變化外，星系中恒星的形成和演化過程是決定星系化學(xué)成分、星氣比例、光度、顏色等物理量隨時(shí)間演化的主要因素。一般來說，大質(zhì)量恒星比小質(zhì)量恒星演化快得多。大質(zhì)量恒星在演化過程中合成碳、氧、鐵這類重元素，通過爆發(fā)形式把它們送回星際介質(zhì)。小質(zhì)量恒星則合成較輕的氮等輕元素，以較平穩(wěn)的形式返回小量物質(zhì)，因此，不同質(zhì)量恒星的比例是控制星系化學(xué)演化的最重要因素之一。為了研究一個(gè)星系的化學(xué)演化史，我們需要知道恒星在形成時(shí)按質(zhì)量的分布（稱初始質(zhì)量函數(shù)），星際氣體轉(zhuǎn)化為恒星的速率（恒星形成率），不同質(zhì)量恒星的核合成能力（即其質(zhì)量中轉(zhuǎn)化為給定元素的比例）和永不返回星際介質(zhì)的質(zhì)量比例（即變?yōu)樽园?、中子星或黑洞等物質(zhì)的比例）。上述演化模型應(yīng)當(dāng)解辭的觀測(cè)事實(shí)包括：星際氣體和恒星的相對(duì)質(zhì)量比；有不同含量重元素的恒星相對(duì)數(shù)目；星系內(nèi)區(qū)和外區(qū)之間的豐度梯度；不規(guī)則星系和旋渦星系金屬豐度的差別等。知道了任一時(shí)刻各類恒星的比例，我們還可以用恒星大氣理論和恒星光譜庫(kù)合成星系的光度、顏色和譜線特征，通過與觀測(cè)比較我們就可以反推出星系的初始質(zhì)量函數(shù)和恒星形成率。不過，如何從理論上將這兩個(gè)重要參數(shù)導(dǎo)出，仍是星系演化研究中最迫切的問題之一。

        研究星系演化的困難之處還在于：人的壽命（約100年），同星系的壽命（約100億年）相比實(shí)在太短，決無可能跟蹤個(gè)別星系的演化歷程。幸而由于光速的有限性，我們可以根據(jù)星系的距離判斷其年齡。如果假設(shè)所有星系誕生于大致相同的年代，那么離我們1億光年的星系看起來就應(yīng)比我們銀河系年輕1億年，離我們100億光年的星系看起來就應(yīng)年輕100億年。正如處于不同地層的化石揭示了地球上生物的演化史一樣，處于不同距離的星系也將反映出宇宙中星系的演化史。星系距離越遠(yuǎn)，我們能收到的光就越弱，地球大氣的消光和抖動(dòng)帶來的模糊效益就越嚴(yán)重。為了克服這一困難，看到真正年輕的星系，人們建造了口徑2.4米的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和一批口徑達(dá)10米級(jí)的地面望遠(yuǎn)鏡，積累了遙遠(yuǎn)星系大樣本的形態(tài)、測(cè)光和分光資料，為直接研究星系的演化過程提供了前所未有的寶貴信息。

        星系團(tuán)成為研究星系演化的首選目標(biāo)是因?yàn)橥恍窍祱F(tuán)內(nèi)的星系與我們的距離大致相同，可以構(gòu)成有統(tǒng)計(jì)意義的大樣本，此外，星系團(tuán)的距離可通過幾個(gè)最亮成員測(cè)得，可以節(jié)省大量望遠(yuǎn)鏡時(shí)間。早在70年代末、80年代初Butcher和Oemler就發(fā)現(xiàn)紅移0.4的遙遠(yuǎn)星系團(tuán)中藍(lán)星系的比例比紅移近于0的后發(fā)團(tuán)高，他們把這一現(xiàn)象歸因于過去50億年中曾有過活躍恒星形成的星系現(xiàn)已消亡的結(jié)果。稱為B-O效應(yīng)的這一現(xiàn)象雖然業(yè)已確認(rèn)，但在星系數(shù)目較少的貧困中并沒有富團(tuán)明顯，所以它究竟只是隨時(shí)間自發(fā)演化的結(jié)果還是也與富星系團(tuán)獨(dú)特的環(huán)境有關(guān)，仍是一個(gè)有待澄清的問題。

        哈勃空間望遠(yuǎn)鏡以其元與倫比的高空間分辨率揭示出遙遠(yuǎn)星系團(tuán)中星系的形態(tài)特征，為解決這一問題提供了新的線索。哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的遙遠(yuǎn)星系團(tuán)CL0939+4713（紅移Z=0.4）的照片表明，不同形態(tài)的星系比例為橢圓星系占40%，旋渦和不規(guī)則星系占60%，（作為對(duì)照，近團(tuán)中橢圓星系的比例占60%），顏色偏紅的星系幾乎全是橢圓星系，而某些最亮的藍(lán)星系則顯示出強(qiáng)相互作用和并合的特征。這些新結(jié)果進(jìn)一步證明，造成B-O效應(yīng)的大多數(shù)藍(lán)星系是普通晚型旋渦星系，這些富氣旋渦星系的并合可能導(dǎo)致早型星系的形成?？梢援a(chǎn)生B-O效應(yīng)的其它因素還包括：

        （a）在星系密度很高的環(huán)境中，潮沙力可以瓦解晚型星系的盤成分從而減少其相對(duì)數(shù)目；（b）在遠(yuǎn)團(tuán)中相互作用觸發(fā)的恒星形成使藍(lán)色星系明亮而易于看到，而近團(tuán)中由于恒星形成時(shí)期結(jié)束，那些星系變暗使能觀測(cè)到的數(shù)目減少。B-O效應(yīng)如此之強(qiáng)以致需要上述幾種因素共同作用才能解釋。紅移Z=0.4的星系團(tuán)只比銀河系年輕50億年左右，人們很想知道紅移更高，即更年輕的星系以致剛誕生的原始星系究竟是什么樣子。

        目前已知的高紅移天體絕大多數(shù)是類星體，在已發(fā)現(xiàn)的8000多個(gè)類星體中，紅移峰值為2左右，紅移最高者略小于5。這些遠(yuǎn)在宇宙邊沿的極年輕的天體實(shí)際上是非常明亮的活動(dòng)星系核，其寄主星系由于遙遠(yuǎn)暗弱得無法用通常的望遠(yuǎn)鏡看到，活動(dòng)星系核還包插光度稍低的賽弗特星系、射電星系，更低光度的低電離發(fā)射線系、沒有或發(fā)射線極弱的蝎虎BL天體等。這類天體的各種性質(zhì)例如空間密度、光度函數(shù)等有著明顯的宇宙學(xué)演化，它們與近宇宙的普通星系是否存在演化上的關(guān)聯(lián)仍是世紀(jì)之交天體物理學(xué)的一個(gè)令人深思的未解之謎。