【深度認識】星系

「星系」(Galaxy) 是宇宙的基本建築磚塊，我們香港人通常稱「星系」做「銀河系」，每個星系內包含數十億、甚至上萬億顆恆星！今天，讓我們走進浩瀚宇宙，一起認識甚麼是星系，拆解其結構、特性與奧秘，並探討它與地球和太陽的關係。

什麼是星系？宇宙中的大家族

「星系」(Galaxy) 是由數億、甚至上兆顆恆星，連同行星、氣體、塵埃及神秘的暗物質( Dark Matter ) 組成的巨大天體系統。我們香港人通常稱「星系」做「銀河系」，但其實這個講法有些問題，因為「銀河系」其實是我們居住的「星系」的名稱！這個要用英文來解釋一下，星系的英文是Galaxy，而我們香港人會把Galaxy翻譯成銀河或銀河系。而我們居住的「星系」的英文名稱叫Milky Way，正確的中文翻譯是「銀河系」！正因為我們香港人會把Galaxy和Milky Way都翻譯做「銀河系」，所以很容易搞亂！

以我們人類居住的太陽系 (Solar System) 來說，它只是銀河系 (Milky Way) 裡眾多恆星系統的其中一員。星系之間則以地心難以想像的距離隔開，浩如煙海，總數可能達到萬億個。

將星系比作宇宙中的一座城市或一個大社區，太陽系只是這大城市裡一個很小很小的家庭。這樣的比喻，也讓我們對「宇宙的無垠」有更切身的體會。

星系的基本參數

生於地球，我們無法直接感受到星系的巨型規模。以下用地球和太陽來比較，幫大家理解這個天體的「尺寸」：

體積： 以我們的銀河系為例，其直徑約有10萬光年(YLY, light-year；一光年是光在一年內走過的距離，約等於9.46兆公里)。這相當於一億倍於地球與太陽的距離 (地球—太陽距離約1.5億公里)。星系的體積通常是太陽的10⁸至10¹²倍以上，直至難以想像的程度。
質量： 銀河系的質量大約是太陽的1-2兆倍。比較特別的是，大部分星系質量並不是來自可見的恆星和行星，而是「暗物質」── 一種暫時未能直接觀察到的神秘物質，佔總質量超過八成。
距離： 最近的星系鄰居就是仙女座星系 (Andromeda Galaxy)，距離地球約250萬光年。對比一下：光從太陽到地球只需8分鐘，但從仙女座的亮星傳來的光需要250萬年！
溫度： 星系本身的平均溫度難以直接定義，因為其包含極冷的星際空間(數度K)至極熱的恆星(上億度K)。星系內星際物質的溫度大致落在幾十至上千Kelvin之間。
成份： 星系主要成份包括：恆星、行星、行星系統、星際氣體(氫、氦等)、星際塵埃，以及不可見的暗物質和暗能量(Dark Energy)。與太陽和地球相比，星系的物質更「多元」和分佈更廣泛。
自轉和公轉： 星系本身也會自轉，例如銀河系繞自身中心公轉一次約需2.25億年。相比地球自轉24小時、公轉一圈365日，星系的時間尺度難以用地球上的生活週期來比較。
歷史： 大多星系形成於宇宙大爆炸( Big Bang )後約數億至十多億年(大約130-137億年前)。銀河系估計已有136億年歷史，幾乎與宇宙同齡。

不同類型的星系與外型多變

在哈勃(Hubble)星系分類系統下，星系基本分為三大類：

橢圓星系(Elliptical Galaxies)：形狀像巨大蛋或橢圓球體，星體密集，多為年老恆星。
螺旋星系(Spiral Galaxies)：擁有明顯「漩渦臂」的結構，如我們的銀河系、仙女座星系。通常在星系中央有一個凸起的核球，四周有旋臂，裡面蘊藏新的恆星誕生。
不規則星系(Irregular Galaxies)：結構無明顯規律或形狀，多由星系間碰撞、引力相互作用引致。

還有些星系包含巨大黑洞，科學家發現差不多每個大型星系中心都有超大質量黑洞(Supermassive Black Hole)。而這些黑洞有甚麼作用？它們不斷吞食周圍的物質，同時也可能釋出大量高能輻射，對星系的形成與演化有深遠影響。

星系的結構與組成——宇宙的複雜拼圖

星系內部構成相當複雜，想像是一個大型「宇宙拼圖」：

中心核球(Bulge)：多是老舊恆星聚集地，中心有時藏著黑洞。
旋臂(Spiral Arms)：在螺旋星系裡，這些旋臂擁有大量氣體、塵埃和年輕恆星，是孕育新星的「搖籃」。
星際介質(Interstellar Medium)：星系內恆星間的空間，充滿低密度分子雲、氣體和塵埃。
星團(Star Clusters)：由上千至上百萬顆恆星組成的群體，有年輕的開放星團(Open Cluster)，也有年老的球狀星團(Globular Cluster)。
暗物質暈(Dark Matter Halo)：一種包圍著星系的神秘物質，它提供額外引力，令星系結構穩定，否則單靠可見物質是攬不住如此龐大的系統。

此外，星系之間還會形成更大的「群」(Group)或「團」(Cluster)，如「本星系群」(Local Group) 就包括銀河系、仙女座星系和上百個較小的星系。星系團又可組成超級星系團(Supercluster)，進而描繪出宇宙的「大規模結構」——像天羅地網一樣連貫整個宇宙。

星系如何形成與演化？

科學家認為：在137億年前宇宙大爆炸後，最初是極為單調的宇宙湯，只有最基本的氫和氦。隨著初期的微小密度波，宇宙中的物質受重力收縮，逐步聚集成為第一批恆星和星團，繼而組成小型星系。隨後這些原始星系經由合併與碰撞，不斷成長，演化為現在可見的螺旋、橢圓和不規則星系。

從星系的顏色和星體分布，天文學家可推敲其年齡和過往歷史。年輕螺旋星系內充滿藍白色輻射，意味新恆星出生頻繁。橢圓星系的紅黃色光，代表內裡多是年紀大的恆星，新恆星誕生已經罕見。

星系對地球、太陽的關聯

每個星系都是一個獨立的「宇宙小天地」。人類居住在銀河系內太陽系的一個角落——距離銀河系中心約2.6萬光年。銀河系中的恆星數量高達千億顆，其中太陽只是一顆普通的黃矮星( G-type Dwarf )。

沒有星系，我們、地球、太陽甚至生物都不會存在。原因很簡單：只有在星系裡，各種元素才可以透過恆星的核聚變產生，並由超新星爆炸釋放到宇宙間，再次聚集成行星及生命。你呼吸的氧、身上的碳，其實都經歷過幾代恆星和星系的鍛鍊與循環。銀河系對我們就像『宇宙的家鄉』，既遙不可及，卻又息息相關。

近代天文學中的星系研究

自從1920年代哈勃證明「仙女座」並非銀河系內的一個星雲，而是另一個與銀河系規模相若的星系起，人類對宇宙的認知徹底改變。現今，哈勃太空望遠鏡(Hubble Space Telescope) 及詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (JWST, James Webb Space Telescope) 更拍下了上萬、上億個遙遠星系的影像，揭示宇宙多樣與壯麗。

星系研究涵蓋：星系如何成長、暗物質與暗能量的功用、超大質量黑洞的形成、恆星誕生率……等尖端問題。這些探索不但讓我們尋找銀河系內外的生命可能，更讓人反思地球的位置——在浩瀚星系間，我們渺小，卻又特別。