1.4 星系的形态分类

本节摘要：星系的形态远非千篇一律——从近乎完美的球形椭圆到展臂舒卷的螺旋再到混沌无序的不规则形状，差异巨大。哈勃在 1926 年提出的音叉图是星系形态学的基石，此后定量形态学方法又为视觉分类提供了客观补充。本节系统介绍经典分类体系和定量参数方法。

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阅读完本节，你应当能够：

1926 年，哈勃对数百个近邻星系进行了系统的视觉分类，提出了著名的"音叉图"分类方案。这个方案把星系分为三大类，沿着"音叉"的两个分支排列：

椭圆星系序列（音叉的"柄"）：按从圆到扁的顺序标记为 E0（球形）到 E7（最扁的椭圆）。注意 E 后面的数字不代表真实扁率，因为投影效应使得三维形状无法从二维图像唯一确定。椭圆星系外观平滑、缺乏明显结构，颜色偏红（由老年恒星主导），几乎没有气体和尘埃。

螺旋星系序列（音叉的两个"叉"）：分为正常螺旋星系（S）和棒旋星系（SB），各自又按核球大小和旋臂展开程度细分为 a、b、c 三个子型。Sa/SBa 核球大、旋臂紧而短；Sc/SBc 核球小、旋臂松而展。螺旋星系拥有明显的盘面结构，旋臂中富含年轻蓝色恒星和气体，颜色偏蓝。

透镜星系（S0）：位于椭圆和螺旋之间的过渡位置，有盘面但没有旋臂，看起来像边缘朝向我们的螺旋星系剥去了旋臂和气体。

不规则星系（Irr）：不在音叉图上，指不具备上述对称性的星系，如大小麦哲伦云。

椭圆星系和螺旋星系不仅在形态上截然不同，在物理性质上也存在系统性差异，这些差异构成了星系天文学中著名的"形态-颜色"关系的基础：

椭圆星系由老年红色恒星主导，几乎没有气体和尘埃，恒星形成率极低，运动方式以随机运动（速度弥散）为主而非有序旋转。它们通常位于星系团中心，体积大但密度低。典型例子包括 M87 和 NGC 4889 等巨椭圆星系。

螺旋星系拥有显著的盘面结构，盘面上富含气体、尘埃和年轻蓝色恒星，恒星形成活跃。它们的运动方式以盘面的有序旋转为主，旋转速度可达每秒 200 公里以上。螺旋星系多位于低密度环境（场星系或星系群外围）。银河系和 M31 是典型的螺旋星系。

这种形态-颜色-环境之间的关联暗示星系形态不是一成不变的，而是演化历史的产物。星系并合和环境效应可以驱动形态转变——下一章讨论星系内部构造时会进一步展开。

约三分之二的近邻螺旋星系在中心区域拥有一个棒状结构——由恒星组成的刚性旋转棒。银河系本身就是一个棒旋星系（SBbc 型）。棒结构的形成与盘面的动力学不稳定性有关：当恒星盘的恒星速度弥散不够大时，引力不稳定性会驱动棒状模式的增长。

棒对星系演化有重要影响。棒可以驱动气体向内流动，将盘面外缘的气体输送到核球区域，触发中心区域的恒星形成活动，甚至为中心黑洞提供燃料。棒还会扰乱旋臂的对称性，使得棒旋星系的两条旋臂通常从棒的末端延伸出来。

透镜星系（S0）拥有盘面和核球，但缺乏螺旋星系的旋臂结构。从侧面看，S0 星系与螺旋星系很像，都有一个扁平的盘面；但从正面看，S0 星系看起来像一个光滑的椭圆，没有蓝色旋臂。

S0 星系被解释为"被剥夺了气体的螺旋星系"。如果螺旋星系进入星系团环境，热 ICM 的 ram pressure 可以剥离盘面气体，停止恒星形成，旋臂逐渐消散，只留下由老年恒星构成的核球-盘结构。这与 S0 星系多见于星系团而稀疏于场的观测事实一致。

视觉分类有其局限性：分类者的主观判断、投影效应、图像分辨率和波段的差异都会影响分类结果。定量形态学方法试图用数值参数客观地描述星系形态，主要参数包括：

浓度指数（concentration index, C）：测量星系光度的径向分布集中程度，定义为某比例半径内的光度占总光度的比值。椭圆星系的浓度指数通常高于螺旋星系。

不对称性（asymmetry, A）：将星系图像旋转 180 度后与原图比较，量化差异。不对称性高通常与星系并合或剧烈相互作用有关。

Gini 系数（G）：源自经济学中衡量收入不平等的指标，衡量星系像素亮度分布的不均匀程度。

色散（smoothness, S）：测量星系图像偏离光滑椭圆分布的程度，与结构复杂性相关。

这些参数的组合（如 C-A 图、G-M20 图）可以自动分类大量星系，特别适合处理包含数百万个星系的大型巡天数据。

作者与出处

来源：灏天文库

整理：灏天文库整理

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