早在十七世紀(jì)，天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，浩瀚夜空中除了點(diǎn)狀的恒星之外，還有一些外形不太規(guī)則的云霧狀天體。天文學(xué)家當(dāng)時(shí)并不了解這些天體的構(gòu)成是什么，所以將它們籠統(tǒng)稱為“星云”。十八世紀(jì)，德國(guó)的哲學(xué)家康德提出猜想，認(rèn)為這些星云是類似我們銀河系的龐大恒星系統(tǒng)，并指出仙女座星云就是這樣的一個(gè)河外星系。然而，當(dāng)時(shí)沒(méi)有任何靠譜的方法來(lái)測(cè)定這些星云的距離，觀測(cè)水平也不足以分辨出星云的組成物質(zhì)究竟有沒(méi)有恒星，因此這個(gè)猜想遲遲得不到證實(shí)。

星云的本質(zhì)是什么？這個(gè)問(wèn)題的爭(zhēng)論持續(xù)了一百多年。1920年，美國(guó)科學(xué)院舉辦了一次專題辯論會(huì)。會(huì)議上，著名天文學(xué)家柯蒂斯（Heber D. Curtis）和沙普利（Harlow Shapley）對(duì)星云的本質(zhì)各抒己見，展開了激烈的辯論，最終也未能給出結(jié)論。

解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵在于星云距離的測(cè)量。如果星云的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銀河系的尺度，而且又可以分辨為恒星，那么就可以肯定星云是河外星系。

1923年，年輕的天文學(xué)家哈勃（Edwin Powell Hubble）將當(dāng)時(shí)世界最大的2.54米口徑望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了仙女座星云。在觀測(cè)到的高分辨率圖像上，哈勃發(fā)現(xiàn)仙女座星云的邊緣可以分解為一顆顆恒星。哈勃利用其中的一類特殊恒星（造父變星）的光變數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這些恒星離我們的距離超過(guò)100萬(wàn)光年，顯著大于銀河系尺度（約30萬(wàn)光年），證實(shí)了仙女座星云不可能是銀河系內(nèi)的天體。至此，河外星系的存在才被觀測(cè)證實(shí)，哈勃也因?yàn)檫@個(gè)偉大發(fā)現(xiàn)而家喻戶曉。后來(lái)，哈勃陸續(xù)對(duì)其他星云進(jìn)行了觀測(cè)。他發(fā)現(xiàn)，只有部分星云距離我們足夠遠(yuǎn)，是真正的河外星系。其它星云則仍是銀河系內(nèi)的天體，如星團(tuán)、氣體云、超新星遺跡等。

哈勃在觀測(cè)深空 圖源 | 網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于離地球比較近的河外星系，比如仙女座星云，天文學(xué)家還可以通過(guò)其中的造父變星，利用造父變星周光關(guān)系，得到它們到地球的距離。但是對(duì)于太遙遠(yuǎn)的星系，即使利用目前最高分辨率的望遠(yuǎn)鏡，也無(wú)法分辨出其中的單顆恒星，經(jīng)典的造父變星測(cè)距法也就無(wú)能為力了。天文學(xué)家想要測(cè)量出這些星系的距離，必須另辟蹊徑。

哈勃（對(duì)，又是他?。?/span>在1929年發(fā)現(xiàn)，星系的退行速度，和星系與我們的距離成正比。換句話說(shuō)，離我們?cè)竭h(yuǎn)的星系，會(huì)以更大的速度遠(yuǎn)離我們。如今，科學(xué)家知道星系退行是宇宙膨脹的結(jié)果。在實(shí)測(cè)中，星系的退行速度由星系的紅移來(lái)計(jì)算。如一個(gè)天體背離觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，則觀測(cè)者接收到此天體發(fā)出的光，會(huì)比它相對(duì)觀測(cè)者靜止時(shí)波長(zhǎng)更長(zhǎng)，這種觀測(cè)效應(yīng)叫做紅移。紅移越大的天體，它的退行速度也越大，距離地球也越遙遠(yuǎn)。利用星系的紅移，結(jié)合宇宙學(xué)模型，可以計(jì)算星系到觀測(cè)者的距離。這是目前最廣泛使用的河外星系測(cè)距方式。

目前已知最遙遠(yuǎn)的星系，是由哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的。該星系距離地球133億光年，紅移值高達(dá)11.1，距離大爆炸發(fā)生約4億年。在下一代空間望遠(yuǎn)鏡詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）升空之前，該星系有望長(zhǎng)時(shí)間保持該項(xiàng)記錄。

觀測(cè)到的河外星系 圖源 | NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

銀河系和它的鄰居們（目前發(fā)現(xiàn)約有五十個(gè)）組成了一個(gè)星系群體，稱為“本星系群”。本星系群的尺度覆蓋約1000萬(wàn)光年的區(qū)域，其中最大的星系是仙女座星系M31，排行老二的是銀河系。大麥哲倫云和小麥哲倫云也是本星系群中比較著名的兩個(gè)星系，但是比起上面提到的兩位大佬，它們的個(gè)頭要小得多。這些小弟弟、小妹妹們的形態(tài)大多不太規(guī)則，離人們印象中經(jīng)典的盤狀或旋渦狀星系相去甚遠(yuǎn)。

左：本星系群成員的三維分布 圖源 | Andrew Z. Colvin

右：紫金山天文臺(tái)-中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)2.5米大視場(chǎng)光學(xué)巡天望遠(yuǎn)鏡概念圖 圖源 | 紫金山天文臺(tái)

本星系群為研究星系的物理性質(zhì)，以及它們的“鄰里關(guān)系”提供了一個(gè)極佳的實(shí)驗(yàn)室。因此，對(duì)本星系群做更加細(xì)致的觀測(cè)，搜尋更暗弱的成員星系，顯得尤為重要。紫金山天文臺(tái)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)共建的2.5米口徑光學(xué)巡天望遠(yuǎn)鏡（WFST），擁有7平方度的大視場(chǎng)和超強(qiáng)的巡天能力，三天就能夠?qū)Ρ碧靺^(qū)觀測(cè)一遍，觀測(cè)深度比已有的光學(xué)巡天深兩倍，是搜尋本星系群暗弱成員的利器。這架放在青海的望遠(yuǎn)鏡目前正在建設(shè)當(dāng)中，預(yù)計(jì)于2022年完工，2023年開始觀測(cè)。它的加入必會(huì)使我國(guó)在本星系群和近鄰宇宙結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域邁上一個(gè)新臺(tái)階。

現(xiàn)代宇宙學(xué)認(rèn)為，宇宙由大約5%的普通物質(zhì)，27%的暗物質(zhì)和68%的暗能量構(gòu)成。暗物質(zhì)和暗能量是什么，暫且按下不表。剩下那5%的普通物質(zhì)，則主要分布在星系，以及它們周邊的稀薄星際介質(zhì)當(dāng)中。假設(shè)普通物質(zhì)和暗物質(zhì)成協(xié)（即有一團(tuán)普通物質(zhì)的地方，也會(huì)有一團(tuán)暗物質(zhì)），那么，只要知道宇宙中星系的分布，就能夠推斷出宇宙物質(zhì)分布的大抵情況。這是宇宙學(xué)家研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)時(shí)常用的方法。

當(dāng)然，想要用這種方法得到靠譜的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)，需要有足夠大的星系樣本。斯隆數(shù)字巡天（Sloan Digital Sky Survey）是近鄰宇宙最大的一個(gè)星系紅移巡天項(xiàng)目。該項(xiàng)目獲得了80多萬(wàn)個(gè)星系的在宇宙中的三維空間分布信息。利用斯隆巡天的星系樣本，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙中的物質(zhì)并不是均勻分布的，而是構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，稱為“宇宙網(wǎng)”（cosmic web）。在這個(gè)巨大的宇宙網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)就是一個(gè)星系。天文學(xué)家相信，早期宇宙的氣體就是在這樣的巨大網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)和傳輸，并最終聚集塌縮，形成星系。

根據(jù)在哈勃超級(jí)深場(chǎng)（HUDF）中找到的星系推算，目前人類可觀測(cè)的星系有大約?1000-2000?億個(gè)?？紤]到遙遠(yuǎn)宇宙中有許多更為暗弱的星系未被觀測(cè)到，宇宙中星系的總數(shù)目可能會(huì)有上萬(wàn)億個(gè)。

撰稿：潘治政

輪值主編：蘇楊

編輯：王科超、高娜