星系的物理性质

可观测到的宇宙估计至少有1000亿个星系，其中许多星系中有数十亿颗恒星。这些星系大多远离地球和银河系，因此很难近距离观测。为了测量这些遥远星系的距离和大小，人们必须使用一些物体，比如行星星云或者是某种已知亮度的超新星，然后用它们的视亮度来测量它们与地球的距离。另一个被用来测量遥远星系距离的关系是测量它们的旋转速度，然后将这些关系与星系的旋转速度、质量和光度之间的已知关系联系起来。可远距离测量转速，计算绝对亮度;然后与视亮度进行比较，就可以计算出星系的距离。通过使用这些方法来测量星系之间的距离，科学家们发现大多数星系与地球之间的距离都很遥远，大多数距离远远超过20百万秒差距。此外，星系的大尺度结构排列也有一定的秩序，许多星系位于星系团、超星系团和其他更大的结构中。

确定遥远星系的质量是很困难的。对于距离地球约50千秒差距内的螺旋星系，不同螺旋臂的转速可以通过每个旋臂的多普勒频移来确定，如果知道与星系中心的距离，则可以使用牛顿运动定律来计算星系的质量。对于更遥远的星系，人们必须依靠不太可靠的方法来估计它们的质量。一种方法是寻找双星系系统，然后测量它们的轨道大小和轨道周期，从而利用开普勒第三定律计算它们的质量。这些不同的方法揭示了大多数螺旋星系和大型椭圆星系的质量约为1011-1012个太阳质量，而不规则星系的质量往往较小，为108-1010个太阳质量。矮椭圆行星质量最小，通常包含106-107个太阳质量。

大多数螺旋星系和许多椭圆星系的旋转特性表明，它们周围有多余的质量，但这些质量不发光，被认为是暗物质。在许多情况下，暗物质的数量估计是星系中发光物质质量的3-10倍。星系团似乎也与大量的暗物质有关，计算表明，它们的质量一定是单个星系团的10到100倍。这些计算得出了一个令人震惊的结论:宇宙的90%一定是由不可见的暗物质组成的，在任何电磁波长下都无法探测到，只能通过其引力效应观测到。

对星系团的x射线观测表明，一些星系团与强烈的x射线辐射有关，这些射线被解释为来自存在于星系团内的星系间气体的热气体。据估计，在某些情况下，这种气体的质量大约与可见物质的质量相同，甚至更多，但仍然远远小于用a来解释引力观测所需要的质量10的倍数到100年。

星系的运动在不同的观测尺度上显示出有趣的模式。星系团中的单个星系的运动看起来是随机的，但在宇宙中一些最大尺度的观测中，星系团的运动显示出非常有序的模式。近一个世纪以来，其中一些运动已经被部分地理解了。1912年，美国天文学家维斯托·斯莱弗(Vesto Slipher)与美国天文学家珀西瓦尔·洛厄尔(Percival Lowell, 1855-1916)(洛厄尔天文台创始人，哈佛大学校长)合作，发现他观测到的每个螺旋星系都有红移光谱;斯莱弗推断它们都在远离地球。这一观测已经扩展到包括所有已知的星系，它们正从各个方向远离地球。不在星系团中的单个星系正在远离，就像星系团中的星系群一样，即使它们在星系团中有一些随机的运动。此外，随着观测的不断改进，人们越来越清楚，星系离地球越远，红移越大，后退的速度也越快。

在20世纪20年代，天文学家埃德温·哈勃绘制了一系列星系红移的图，并计算出它们的后退速度与地球距离的关系。他发现有一种直线关系，即速度随着距离的增加而稳定地增加。这种比例被称为哈勃定律，所有星系彼此远离的总体情况被称为哈勃流。哈勃的流提供了宇宙正在膨胀的明确证据。

哈勃定律可以写成:

其中V是退行速度，D是距离，H0是比例常数(如哈勃

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距地球10亿秒差距内许多星系的退行速度与距离的关系图，说明了哈勃定律，退行速度与距离成正比(由Chaisson和MacMillan修正)

退行速度和距离之间的常数)。距离/退行速度图上直线的斜率等于哈勃常数，结果是大约75公里/秒每百万秒差(46.5英里/秒每330万光年)。然而，哈勃常数的确切值是不确定的，几乎所有的估计都在每百万秒差距37-56英里/秒(60-90公里/秒)的范围内。哈勃常数代表了对宇宙膨胀速率的最佳估计。

哈勃定律在测量遥远物体的距离方面也非常有用。由于退行速度与物体的距离成正比，测量退行速度(从光谱的红移)很简单，然后使用哈勃定律直接估计距离。这种方法甚至适用于非常遥远的物体，并被用于计算到宇宙中已知的最遥远物体的距离——物体Q051-279，它的红移显示退行速度为光速的93%，距离为4000百万秒差距。的电磁辐射现在在地球上观测到的Q051-279是大约130亿年前产生的，接近大爆炸的时间(目前估计是137.3亿+/- 1.2亿年前)。2004年，哈勃太空望远镜利用广义相对论的引力透镜效应发现了另一个极其遥远的物体。在广义相对论中，远处物体前景中的大质量物体可以弯曲和放大来自远处物体的光，使其更容易被观测到。2004年，一组科学家在一个星系团(Abell 2218)中发现了一个被引力透镜放大的物体，这个物体是一个小而紧凑的恒星系统，直径约2000光年，距离约130亿光年。根据目前对宇宙年龄的估计，科学家们估计，现在到达地球的这个物体发出的光是在宇宙只有7.5亿年的时候产生的。

利用强大的望远镜和哈勃定律，科学家们现在可以绘制出宇宙的大尺度结构。事实证明，宇宙并不是恒星和星系系统的随机集合，而是星系和星系团的有图案的分布，它们被排列成一种弦状或丝状的网络，被称为空洞的大部分空白空间隔开。天文学家已经将这些弦状特征映射到气泡状空洞的表面，就好像宇宙是由一个空气泡系统组成的，星系团沿着气泡表面形成链。几个气泡相交的区域往往是最密集的星系团和超星系团所在的地方。这些气泡状结构的起源是有争议的，但必须与密度波动或涟漪有关，在宇宙形成的早期阶段，随着时间的推移和宇宙的膨胀而增长。

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