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星系是由恒星、气体、尘埃和暗物质组成的巨大宇宙岛，它们因引力而聚合在一起。哈勃望远镜已经揭示了星系的形状、结构和历史的复杂细节，无论这些星系是否是单独的、小星系群的一部分、还是处在巨大的星系团中。从星系中心的超大质量黑洞，到恒星形成的巨大爆发，再到星系之间的巨大碰撞，这些发现让天文学家能够探测星系的当前属性，并研究它们如何形成并随着时间演化。 01 — 星系类型 天文学家将星系分为三大类：椭圆型、旋涡型和不规则型。这些星系的大小范围宽广，从包含少至1亿颗恒星的矮星系到拥有超过1万亿颗恒星的巨星系。 椭圆星系约占所有星系的三分之一，形状从近乎圆形到非常椭长。它们拥有相对较少的气体和尘埃，包含较老的恒星，不再活跃地形成恒星。其中最大、最稀有的被称为巨椭圆星系，直径约30万光年。天文学家认为，它们是由较小的星系并合而成的。更常见的是矮椭圆星系，它们只有几千光年宽。 旋涡星系呈现为扁平的、由恒星、气体和尘埃组成的蓝白色圆盘，其中心有淡黄的核球。这些星系分为两类：正常旋涡星系和棒旋星系。在棒旋星系中，恒星棒贯穿中央的核球。棒旋星系臂通常起始于恒星棒的末端，而非核球。旋涡星系正在活跃地形成恒星，在近域宇宙中占所有星系的很大一部分。 不规则星系尘埃非常少，它们既非圆盘状，也非椭圆状。天文学家在深入观察宇宙时（相当于在回望过去）经常看到不规则星系。这些星系在旋涡星系和椭圆星系形成之前的早期宇宙中非常丰富。 三种主要的星系类型（上）和对应的真实星系（下）。@ A. Feild (STScI) 除了这三种经典类别之外，天文学家还发现了许多形状不同寻常的星系，它们似乎处于星系演化的过渡阶段。这包括那些在碰撞或相互作用过程中的星系，以及那些有气体喷流的活动核的星系。 02 — 暗物质 1970年代末期，天文学家维拉·鲁宾在研究星系的自转时，她发现巨大的旋涡仙女星系似乎在奇怪地自转。这显然违反了牛顿和开普勒定律：星系边缘的物质和中心附近的物质移动的速度一样快，尽管她能看到的大部分质量都集中在中心。一些额外的不可见的暗物质似乎将星系维系在一起。检查星系后，她发现了星系中存在着一个巨大的暗物质晕。 仙女星系（银河系的邻居）的详细视图。它包含1亿多颗可分辨的恒星和数千个星团。这幅全景图从星系中央核球横贯恒星尘埃带，直至较为稀疏的外盘。@ NASA, ESA, J. Dalcanton, B.F. Williams, and L.C. Johnson, the PHAT team, and R. Gendler 近半个世纪后，科学家们仍然不知道暗物质是什么。但他们知道暗物质约占宇宙物质的84%（参见：精确测量宇宙中物质的总量）。不可见且无处不在的暗物质影响着星系内恒星的运动、星系之间的引力以及早期宇宙中物质的聚集。 暗物质存在的最佳证据之一来自星系团1E 0657-556，也被称为子弹星系团。这个星系团是两个大星系团碰撞后形成的，这是宇宙大爆炸以来已知的最高能的事件。由于星团对的主要组成部分（恒星、气体和暗物质）在碰撞过程中的行为有所不同，因此科学家能够分别对它们进行研究。 子弹星系团是两个大星系团碰撞后形成的。钱德拉X射线探测到的热气体为图中两个粉红色的团块，包含两个星系团中的大部分普通重子物质。右侧的子弹形团块是其中一个星系团的热气体，它在碰撞过程中穿过了另一个较大星系团的热气体。哈勃和麦哲伦望远镜拍摄的光学图像显示了橙色和白色的星系。图片中的蓝色区域描绘了天文学家在星系团中发现的大部分质量。星系团中的大部分物质（蓝色）显然与普通物质（粉色）是分开的，这直接证明了星系团中几乎所有物质都是暗的。@ X-ray: NASA/CXC/M.Markevitch et al.; Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScI; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. 哈勃和麦哲伦望远镜在可见光下观测到的星系中的恒星大多没有受到碰撞的影响，直接穿过了星系。钱德拉X射线天文台在X射线波段看到的两个碰撞星系团的热气体包含了星团对的大部分普通物质。由于气体发生电磁相互作用，因此两个星系团的气体速度都比恒星慢得多。这次碰撞中的第三要素--暗物质--是通过背景天体的引力透镜间接探测到的。 暗物质不会发生电磁相互作用，它是暗的！因此在碰撞过程中，两个星系团的暗物质团块像恒星一样悄无声息地滑过彼此，留下了热气体（大部分普通物质)。引力透镜效应与暗物质（而非热气体）保持关联。如果热气体是星系团中质量最大的成分，则不会看到这样的效应。相反，这些观测似乎是暗物质的第一个直接证据。 03 — 星系碰撞 虽然星系之间的距离看起来很大，但星系的直径也很大。与恒星相比，星系彼此相对较近。它们相互作用，甚至发生碰撞。当星系碰撞时，它们会穿过彼此。它们的恒星不会相互碰撞，因为其间距非常遥远。然而，碰撞星系之间的引力相互作用可能会产生新的恒星、超新星甚至黑洞。碰撞能够扭曲星系的形状，计算机模型显示旋涡星系之间的碰撞最终能够形成椭圆星系。 两个旋涡星系在几亿年前碰撞的残骸。碰撞将暗尘埃拉成长条状，遍布整个星系。它还压缩了巨大的气体和尘埃云，点燃了星系内新恒星的形成。@ NASA, ESA, and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration 40亿年后，我们的银河系注定要和邻近的旋涡仙女星系发生碰撞。太阳可能会被抛到银河系的一个新区域，但我们的地球和太阳系没有被摧毁的危险。仙女座，也被称为M31，现在距离我们250万光年，但在这两个星系之间的相互引力和它们周围不可见的暗物质的作用下，它正在无情地坠向银河系。 根据哈勃数据得出的计算机模拟显示，这两个星系在相遇后，还需要20亿年甚至更长时间才能在引力的作用下完全并合。它们将被重塑为单个的椭圆星系，类似于在近域宇宙中常见的那种。模拟显示，我们的太阳系可能会被甩到距离星系核心更远的地方。 37.5亿年后仙女星系接近时的夜空。银河系由于仙女星系的引力而开始扭曲。@ NASA, ESA, Z. Levay and R. van der Marel (STScI), T. Hallas, and A. Mellinger 更复杂的是，本星系群中的第三大星系，三角星系或M33，将会加入碰撞，也许之后会与仙女星系/银河系对并合。M33先撞击银河系的可能性很小。 04 — 星系形成 星系的外观和组成是经过数十亿年与恒星和其它星系群的相互作用形成的。虽然我们不确定星系的形成方式及其形状，但我们对它们的起源和演化有了一些了解。利用超级计算机，科学家们可以回望过去，模拟一个星系如何在宇宙早期形成并成长为我们今天所看到的样子。
星系从何而来？ 天文学家埃德温·哈勃的观测导致了宇宙正在膨胀的观点。根据膨胀率，科学家估计宇宙的年龄为138亿年。因为你向空间看得越深，你看到的时间就越久远，因此我们说数十亿光年远的星系是在大爆炸后不久形成的。虽然大多数星系形成较早，但数据显示，有些星系是在过去几十亿年里形成的--从宇宙的角度来看，时间相对较晚。 早期的宇宙主要充满氢和氦，其中一些区域的密度略高于其它区域。这些稠密的区域略微减缓了宇宙的膨胀，让氢和氦聚集成在空间盘旋的小云层。引力使这些云中的气体坍缩并形成第一代恒星。这些第一代恒星很快就燃尽了。 引力继续使云层坍缩。当其它云相互靠近时，引力使它们相互碰撞并形成更大的旋转团。随着云团进一步坍缩，它们变成了旋转的圆盘，积聚了更多的气体和尘埃。新的恒星形成了，形成了遍布星群的广阔的旋臂。沿着外围散布着球状星团，以及由气体、尘埃和暗物质组成的晕。 大型天文台起源深空巡天（GOODS）中的一组旋涡星系按其距离（即出现的时间）进行分组。数十亿年来，结构的变化是显而易见的。@ NASA, ESA, F. Summers and Z. Levay (STScI) 虽然哈勃无法看到第一代星系，但它可以追踪星系在大部分宇宙时间里的演化。哈勃深场系列图像和其它深空巡天已经揭示了宇宙中不同距离的星系，因此也揭示了它们在不同时期的演化。更远的、时间更早的星系，结构较不发达。较近的、时间更晚的星系，逐渐成长为我们在近域宇宙中看到的星系形状。
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