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3 星系
星系是構成宇宙的基本單位，其中每一個都包含了百萬顆、數十億顆、甚至上兆顆的恆星，以及氣體及灰塵。如果我們在宇宙中找得到生命，我們幾乎可以確定能夠在星系當中找到。我們的銀河系是一個典型的大型螺旋星系，在30,000秒差距的直徑裡，含括了大約三千億顆恆星（彩色插圖2-4）。在銀河系周圍數十億秒差距的範圍內（稱之為「現知的宇宙」），包含了數十億個通常以群集方式存在的星系，而每一個星系集團又由上千個星系所組成。這些星系來自曾經一度不具特徵且幾乎完全均勻的介質，而在大爆炸之後的一百五十億年當中形成了這些星系。研究這些星系是近代天文學最刺激的領域之一， 因為我們對它們到底是如何形成的仍所知不多，也不了解為何有一些星系會產生像是「類星體」(quasars) 這種宇宙中最大能量的奇妙天體，或是為何會產生巨大的暗物質空洞。對於在宇宙中尋找生命的課題，瞭解星系以及它們所包含的星球的演化歷史是極其重要的，因為生命要是想存在，它就必須在星球演化的過程中，找到星球所提供足夠穩定的條件以使自己有機會演化。
雖然離我們最近的文明就在銀河系中（希望如此！），我們得謹記銀河系只是宇宙這個尚待
探索的海洋中的一粒細沙罷了。想要真正探討宇宙中生命的這個問題，我們必須考慮不同型態的星系，以及它們之中不同型態的恆星與雲氣。這樣才能讓我們瞭解到底銀河系多具有代表性，這就如同仔細研究了鄰近的行星，才能使我們知道地球多具有代表性一樣。
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<螺旋星系> (Spiral Galaxies)
在地球上的我們居於銀河系的外圍區域，而銀河系本身是一個巨大的螺旋體，由恆星、氣體，及塵埃組成，類似天文學家稱為NGC6744的另一個螺旋星系（圖3.1）。由於目前的科技無法讓我們飛到銀河系之外，因此我們不能像觀察NGC6744一般看到一整個銀河系。取而代之的，我們從裡面看，所見到的銀河部分是一條充斥了星球的亮帶，像是天空中的一條銀色
溪流（圖3.2）。雖然在眾多有如樹叢的恆星中，想要探看銀河系這座森林很不容易，我們仍然可以試圖從內部描繪出銀河系的結構。經由種種努力，天文學家能定位出太陽在銀河中的位置︰我們位於分隔銀河系上、下半部的對稱平面上，但是以8000秒差距的距離繞行銀河系的中心，這表示我們位在銀河的外部，有如身處銀河社區的郊野，而眾星之間則有空曠的空間。
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圖3.1，一個天文學家稱為NGC 6744的螺旋星系，它距離我們約有1500萬秒差距，而具有複雜的旋臂結構。這些旋臂標示出星系中最年輕、最高溫、最明亮的恆星或恆星形成區域之所在。
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圖3.2我們在天空中看到的「銀河」，由各式聚集在我們這個螺旋星系平面上的恆星所組成。由於太陽系也位於此平面上，當我們向四周環顧這個平面時，會比向約略垂直於此平面的方向看到的星球數目多得多。
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直到不久以前，天文學家只有一種方法研究像我們這樣的其他星系。他們觀測星系發出的可見光，然後分析其光譜。但是過去幾十年來，其他波段也成為天文學家研究的範疇，像是無線電波、紅外線、紫外線，以及最近的X射線與珈瑪射線等波段。新的觀測帶來新的發現。舉例來說，X射線的觀測讓我們比利用可見光研究仙女座星系（圖3.3）更內部的區域。這些新的觀測大大增加了我們對銀河結構及演化的瞭解，而自然也導致天文學家好奇到底還有多少尚待發掘。
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圖3.3 不同波段的光子揭露一個天體截然不同的面貌，因為這些光子通常源自不同的過程。舉例來說，仙女座星系的紅外影像（中圖）只略微類似上圖中的可見光影像（此為反白圖），而仙女座星系最核心部分的X射線影像在放大後（下圖），其中的X射線源則完全無法在可見光照片（上圖）中找到對應的星球。X射線源是星系核心附近高能量活動之所在。
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<螺旋星系的結構> (The Structure of Spiral Galaxies)
像銀河這樣的螺旋星系有兩個顯著的性質，其一是大多的恆星分佈在星系盤面上，使得螺旋星系的形狀有如一個扁盤，厚度勉強達到其直徑的百分之一（圖3.4）。第二個特質則是盤面上最明亮的恆星集中在旋臂 (spiral arms) 上，有如在圖3.1所見。旋臂是螺旋星系之如此稱呼的原因，但是螺旋星系具有一個扁平結構的事實，要比旋臂的存在還來得重要。另外也很重要的是，除了恆星聚集成的扁盤外，每個螺旋星系有個由老年恆星構成的「中央凸起」 (central bulge) 或稱「核心」 (nucleus) 的部分，以及「球暈」 (halo) 的部分。這些老年恆星顯然是在星系收縮成為扁盤狀之前就已經形成了。
螺旋星系盤面的外型似乎由旋臂主宰，表面上看起來要比實際上令人印象深刻得多。旋臂包含最明亮、最年輕的星球；它們是從最近（也就是幾千萬年前）才開始照耀的。雖然這些星球標示出旋臂，但在作為鄰近行星表面的生命能量來源這方面，卻絲毫沒有用處，因為這些星球不到一億年就燃燒殆盡，因此在可能繞行這些明亮有如迅熄的火炬附近的行星上面，沒有足夠的時間讓生命發展。在螺旋星系盤面上比較老的星球（像是我們的太陽）在盤面上，不管是在旋臂中或是旋臂之間到處都有。因此，星系盤面實際上的星球密度是相當均勻的，而螺旋結構只不過是年輕、高溫而極明亮的星球點綴出的光亮罷了。
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圖3.4 螺旋星系（例如我們的銀河系）中大部分的星球分佈在一個平薄的星系盤面上，圍繞著星球集中的中央凸起部分。（見彩圖1-4）
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圖3.5 螺旋星系中的密度波圖樣是由高、低密度交錯的區域構成的。這個圖樣繞著星系的中心運行，和恆星的軌道同方向，但是比任何繞行的恆星都動得慢。
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為何最年輕、最明亮的星球只存在螺旋星系的旋臂上呢？螺旋星系的旋臂來自於一個繞中心旋轉的波動圖樣（圖3.5）。這個圖樣由高密度（旋臂之中）以及低密度（旋臂間）相互交錯的區域構成。在這個轉動的圖樣中，旋臂中的物質密度比旋臂之間大一些，有如水波的漣漪，只不過將水換成恆星以及瀰散在恆星之間的氣體。還有，水波是由水裡的擾動向外擴散，而密度波則繞著星系旋轉，有如圖3.5所示。
雖然星系旋臂中的物質密度並不比旋臂之外大太多，然而這一點額外的密度卻對盤中的氣體雲有重要的效應。旋臂中額外的密度意味著加諸於星際空間遊走的氣體雲的平均壓力也隨之增加，而當星際雲氣進入波形圖樣的較濃密處，四周驟然增加的壓力會把雲氣分裂成小碎塊，然後小碎塊經由本身的重力縮凝成恆星（見??頁）。這樣過程的結果就是在旋臂中生出年輕的星球，旋臂因此提供了大型的太空搖籃。最接近旋臂與旋臂間區域的邊界之前緣孕育了最最年輕的恆星（圖3.6）。
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圖3.6 當環繞的物質掃越過高密度的區域，氣體雲容易被擠壓成更高的密度，以致在某些區域引發恆星形成。這個過程造成年輕恆星的誕生，以及形成恆星的區域，而這些區域則標示出星系旋臂的區域。
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螺旋星系中的恆星，以及用來製造它們的氣體雲，都環繞著星系中心運轉，就好比太陽系中的行星繞著太陽（圖3.7）。每一個恆星的軌道都是平衡的結果也就是軌道之內的物質合起來的重力吸引，與該星球的動量，或者說欲在空間中走直線的趨勢互相平衡。螺旋星系中大部分的星球都以近乎圓形的軌道繞行中心，我們的太陽也是。太陽繞行銀河系一周需時約兩億四千萬年。太陽和大多數的恆星一樣，在繞行的同時會上下擺動，以太陽來說，離開銀河盤面上下最大可達80秒差距的最大距離（再次見圖3.7）。
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圖3.7 一般恆星（例如我們的太陽）在螺旋星系盤面上繞著星系中心，一邊以近乎圓形的軌道運行，一邊同時上下擺動好幾次。基本繞行中心的軌道直徑達數千秒差距，需費時數億年，而上下的擺動則只讓恆星離開星系平面數十秒差距。
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<螺旋星系中的暗物質> (Dark Matter in Spiral Galaxies)
在過去的廿年間，對有如我們銀河系這樣的大型螺旋星系中恆星運動研究，揭露了一個驚人的事實：這些星系中絕大部分的物質位在年老恆星的球暈結構之外，我們根本不知道這些物質的形式到底為何（圖3.8）！透過基本的探查，天文學家推測螺旋星系中大部分的物質不以恆星，而是以未知形式的｛暗物質｝ (dark matter)存在。暗物質的證據來自它們加諸於天文學家{看得到}的物質上的重力。
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圖3.8 示意此圖繪出環繞在銀河系以及其他類似星系四周的「暗物質」。因為暗物質看不到──也因為我們不知道它們的成分──觀看任何這樣的圖示時都必須加入大量的想像。要是把圖中央看到的星系旁邊全畫成空白或許會比較精確一些！
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像這樣的天文探查是如何進行的呢？首先，我們仔細研究銀河系及其他大型螺旋星系，試圖決定距離星系中心不同的星球在軌道上運動的快慢（圖3.9）維拉•露蘋（Vera Rubin）及其同事在1970年代便進行了這樣的研究，而且得到驚人的發現：距離中心遠處的恆星，它們的軌道速率並未如預期隨著距離增加而減慢。天文學家之所以如此預期是因為可見的物質（也就是恆星）在5,000到15,000秒差距之外數量便明顯地減少，但是研究星球運動的結果卻揭發出不同的物質分佈。想要解釋所觀測到的星球運動，星系大部分的物質必須位於螺旋星系可見的星系盤與球暈｛之外｝。因此而歸納出的結論就是對於一個大型螺旋星系而言，絕大部分的質量（最多達百分之九十到九十五）不在星球上，而是在圍繞著可見的星球與星球形成區域四周的暗物質中。
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圖3.9 藉由研究星球繞著星系中心運行的速率，天文學家推論出像我們銀河這樣的螺旋星系，其周圍存有由暗物質所構成的暈狀結構。即使遠離中心，但恆星軌道速率仍保持一定的這個事實，顯示有極多暗物質的存在。這樣的暗物質球暈所包含的質量是星系中星球全部質量的10到100倍。
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在「螺旋星系中存有大量暗物質」的事實。目前已為專家普遍接受。這個結果並不證明整個宇宙主要是由暗物質組成，但是卻強烈暗示這樣的推論。這個結果也無法證明暗物質的數量多到足以使宇宙收縮。如果要使宇宙收縮，暗物質光是佔了百分之九十或九十五宇宙的物質還不夠，而必須是百分之九十九。而這些暗物質正是天文學家目前正設法得知其性質的東西。因此雖然有關螺旋星系的結果頗有意思，但只是引人入勝而無法明確告訴我們有關宇宙整體的情形。
<橢圓星系> (Elliptical Galaxies)
橢圓星系是另外一種主要的星系類型。它們星系不像螺旋星系那樣，具有由恆星構成的扁盤結構。橢圓星系當中的恆星幾乎成球形散佈，有時則鼓突成橢圓體（見圖3.10）。由於橢圓星系沒有如是旋臂的複雜結構外觀，因此它們彼此都很相似。橢圓星系的數量和螺旋星系差不多，而大型橢圓星系當中所包含的恆星數目可以和最大的螺旋星系一般多，或甚至更多，但由於橢圓星系中星球的運動要比在螺旋星系中混亂，因此天文學家無法輕易推算出橢圓星系中所包含的暗物質數量。
橢圓星系和螺旋星系在搜尋外星生命方面還有一個很重要的不同，那就是星際氣體及塵埃的含量。橢圓星系幾乎不含星際氣體與塵埃，而螺旋星系的盤面則含量豐富，佔了百分之幾的質量（圖3.11）
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圖3.10 大型橢圓星系，例如此處所示的M49，包含了數千億顆星，相當於大型螺旋星系。橢圓星系的大小規模和大型螺旋星系差不多，但形狀迥然不同。橢圓星系中的恆星全都繞中心運動，但不全在同一個平面上，而螺旋星系中的恆星則幾乎在同一平面上運行。
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圖.11 螺旋星系中介於恆星之間的是大量的氣體與塵埃，它們多半集結成密度較高的雲氣區域。氣體（多數是氫及氦）是透明的，但是塵埃則會吸收可見光而產生暗帶。在這張NGC4565螺旋星系的側面圖中，便可看到吸光物質所造成的暗帶。
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星際氣體及塵埃是恆星形成的重要原始材料。來自爆炸星體噴發出的物質，豐潤了星際物質當中除了氫與氦除外的其他元素（見第六章），因此在尋找生命時，星際物質也同樣重要。橢圓星系含有很少，或不含有星際物質，意味它們很久以前就停止製造星球了。天文學家也的確在橢圓星系中找不到年齡少於數十億年的年輕星球，而驗證了這個看法。螺旋星系中則含有年齡只有數百萬年的星球，另外有些星球正在形成，或不久後會形成。雖然生命的起源還是有可能在時間上遠落後於恆星（或周圍行星）的形成（見第八章），我們仍可以得到如下的結論：橢圓星系不可能包含了很多生命最近才出現的地方。對比之下，螺旋星系就有各種可能出現生命的地方，從數十億年的行星系統（像是我們50億年的太陽系），直到現在還在形成中的行星。這表示在我們銀河系這個典型的螺旋星系的不同角落，應該充滿各式形成生命的重要元素，等著有能力探索銀河系的文明來研究。
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當天文學家研究星系團中個別星系的運動狀態時，發現了一個驚人的結果，類似於星球在星系當中星球運動的情形。星系團中包含的暗物質顯然遠多於我們看到的全部星球的物質。我們之所以知道這個事實，是因為星系團成員的運動速率大於只由星球提供質量的情形。如果不是因為暗物質，這些星系早就在它們形成後這段期間內逃脫星系團了，要不然它們現在就會動得慢些。因此星系團提供了巨量暗物質存在的證據，雖然我們仍不知道這些暗物質多半是存在個別的星系之中，還是位於星系之間，瀰散分佈在整個星系團當中。
<不規則星系> (Irregular Galaxies)
除了螺旋星系及橢圓星系，還有第三種星系，就是不規則星系。螺旋星系加上橢圓星系佔了所有我們看到星系的百分之九十。不規則星系不像螺旋星系，也不像橢圓星系；它們既沒有螺旋星系的扁盤結構，也沒有橢圓星系的平滑橢圓體外觀。圖3.12是兩個有名的不規則星系，也就是我們銀河系的衛星星系，稱作大、小麥哲倫雲 (Large and Small Magellanic Clouds) 。不規則星系當中氣體及星球間塵埃的質量比例是最高的，達總質量的百分之20到50。相比之下，在螺旋星系的盤面這個比例只有百分之幾，而在橢圓星系裡則不到百分之一。因為不規則星系內部擁有最劇烈的恆星形成的活動，天文學家研究它們以進一步得知形成照亮夜空的恆星是如何形成的。
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圖3.12 銀河系兩個最近的鄰居是稱作大麥哲倫雲（左）以及小麥哲倫雲（右）的衛星星系。它們兩個都是不規則星系，且都包含50 億到100億顆星。
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<星系的形成> (The Formation of Galaxies)
天文學家認為除了少數一些不規則星系以外，所有這些星系都已經存在數十億年了。星系的形成顯然在150億到200億年前的大爆炸後不久（數十億年內）就已經開始了。有關星系形成過程的細節仍是天文學家辯論的題材。但是似乎可以確定原星系 (protogalaxies；也就是正在形成的星系)要比現在的星系大，而由於內部物質自己的重力而收縮。天文學家找到很多相撞星系的例子，並且相信這些相撞事件會導致氣體雲相撞，而加速星球形成的速率。有些理論認為橢圓星系不是直接形成的，而是螺旋星系相撞後合併在一起而造成的。想要回答「星系到底是如何形成的？」這個簡單的問題，我們必須投入更多的研究。
<星團> (Star Clusters)
不論星系形成的詳細過程如何，當一個原星系收縮到目前的尺寸時，第一批形成的天體是「球狀星團」 (globular clusters)，也就是在幾個秒差距直徑範圍內群聚的上萬顆恆星（圖3.13）。球狀星團屬於星系的一部份，但是因為它們形成時，原星系（後來演變成星系）的規模比較大，因此很多球狀星團以非常扁長的軌跡繞著星系中心運行，有時達到離中心極遠的距離（圖3.14）。在後來形成球狀星團的原星團 (protoclusters) 當中的氣體一定歷經進一步的分裂，成為原恆星 (protostars；也就是正在形成的恆星)，因為今日我們在球狀星團中只看到星球，沒看到星際物質。絕大多數球狀星團內的星球屬於已知最老的恆星，而且都沒有像標示出螺旋星系旋臂的那些亮星一樣年輕。這些球狀星團中的星球相對含有較少比氦重的元素，這也是它們年紀大的另一個表徵（見??頁）。不論如何，很多這類星球的光度要比太陽強，所以要是我們住在一個繞行球狀星團恆星的行星上，高度集中的恆星會使我們有十幾個恆星鄰居，每一個的亮度都像地球上的滿月一般明亮！
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圖3.13 在武仙座 (Hercules) 方向的球狀星團M13，離我們大約8,000秒差距，星團的直徑約10秒差距，其中包含約五十萬顆星球。
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在螺旋星系的盤面上，我們看到另一種不同星團，就是「疏散星團」 (open cluster)，或
稱做「銀河星團」 (galactic cluster)。疏散星團的大小和球狀星團差不多，直徑約幾個秒差距，但是只包含數百顆星，最多不過數千顆星，不若球狀星團中的數十萬顆，甚至百萬顆星。疏散星團只存在螺旋星系盤面上的這個事實，表示這些星團是在星系收縮成盤狀以後才形成的。（橢圓星系內沒有疏散星團，但在內部及外圍有很多球狀星團。）疏散星團並非在星系的整個生命期（對我們的銀河系來說，至目前約是一百億年）都維持星團的狀態。球狀星團因為包含足夠的質量，因此得以將自己束縛住，而在數十億年間各為獨立的單位；疏散星團則不然，其包含的星球數目不足以讓星團在整個星系的生命期一直保持緊密狀態。星系旋轉一圈大約需時一、兩億年，而大約在星系旋轉約十幾圈以後，疏散星團中的星球便散佈開，而成為星系盤面上一般的星球。舉例來說，我們的太陽可能就和其他數百顆星一起形成，而成為一個鬆散的星協 (association)，但是我們不知道這些太陽的兄弟姊妹現在在哪裡。它們一定比離我們最近的恆星鄰居要遠得多。
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圖3.14 銀河系中的球狀星團並非集中在星系的盤面上，而主要分佈在中央凸起的部分，以及從盤面上下四方向外延伸呈球形的區域。
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現在還存在的一個典型疏散星團，像是「昴宿星團」 (Pleiades；見圖3.15及彩圖6)，
其年齡在千萬年到數億年之譜，當中還存有製造個別恆星後所剩下的氣體與塵埃。由於我們認為生命的起源與發展需要至少數億年，甚至數十億年，因此年輕星團看起來並不是尋找外星生命的好地方。我們認為昴宿星團中所有的恆星都太年輕了，不足以讓生命在可能繞行它們的行星上面萌芽。我們尋找生命的希望並不在年輕、明亮的星團成員，而是充斥在星系（例如銀河系）當中，那些比較不為人注意、年紀較長的恆星（但也不能太老，以致缺乏重元素）。
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圖3.15 昴宿星團是個疏散星團（或稱為銀河星團），位於金牛座 (Taurus) 的方向，距離太陽系約120秒差距，而在約5個秒差距的範圍內，僅包含了約一百顆星。
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<電波星系> (Radio Galaxies)
在數以兆億計，我們可以觀測到的星系中，我們發現有一些特殊星系發射出大量的電波。由於恆星的核反應只產生少量的電波，同時因為星系主要由恆星組成，因此可以斷言我們面對的必定是特殊的星系。天文學家稱那些每秒在電波波段輻射的能量相當於（或大於）可見光波段的星系為「電波星系」。為了顯示這情形有多特殊，試把一個電波星系和銀河系比較：銀河系是一個典型的大型螺旋星系，它每秒鐘在電波波段輻射的能量只有可見光波段區區的百萬分之一而已。
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電波星系之能夠發射巨量的電波光子，顯然是因為其內部劇烈的活動。天文學家在仔細研究這些星系發出的電波光子後，知道大多數電波星系的電波輻射來自同步 (synchrotron) 輻射過程。這個名詞歸因於科學家使用粒子加速器首先觀察到這個過程的細節，其過程乃是當帶電粒子以近光速在磁場中運動，因而加速（改變速度或運動方向或者兩者都改變）而產生光子。其中必須包括四個完整的因素，也就是帶電粒子、接近光速的速度、磁場，以及加速度。若是如此，就會產生光子，同時具備特殊的譜形分佈，以致雖在億萬秒差距之外也能辨認得出。
藉由同步過程產生的光子帶走帶電粒子部份的能量，如果沒有額外的能量補充，帶電粒子終將減速而無法再由同步過程產生能量。因此電波星系內必須有某種劇烈的活動（不斷地）把粒子加速到極高速，雖然我們還無法指出這個劇烈活動的起因。
來自電波星系的電波光子通常發源自遠離星系中心的廣大區域，甚至常常超過星系可見星球的範圍（圖3.16）。最為大家所接受有關電波星系的理論認為，星系的中心是粒子獲得巨大加速之所在。藉由某種過程，一些奇特的星系會將高速的粒子噴往相反的方向。當粒子向外移動時，它們會碰到星系之間的氣體。高速移動的粒子想要清除這些氣體愈來愈困難，有如雪耙效應 (snowplow effect) 般終使粒子緩慢下來，而最後堆積在雲氣的外層。電波輻射因此也在「電波雲氣」的邊緣達到高峰，有如圖3.16所示。
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圖3.16 電波星系3C388發射的電波主要來自兩個巨大、對稱、位於可見星系兩端的區域，但是這些區域比星系可見光的部分大上數百倍。
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<類星體> (Quasars)
類星體也稱作「類星電波源」(quasistellar radio sources) ，是已知最遠的天體，同時是最強大的發光源。類星電波源的名字源自於它們大多數都發射大量的電波，而第一批發現的這類天體的確發出驚人的能量。當天文學家在可見光的照片上找到對應的天體時，看到的是像星球一樣的光點（圖3.17）。這些像星球般的光點，當分散成不同的顏色光譜時，讓天文學家吃了一驚，因為這些天體沒有他們研究恆星時所熟悉的那些光譜特徵。經過一段時間的困惑，史密特 (Maarten Schmidt) 及格林斯坦 (Jesse Greenstein) 終於悟出了解答：來自最初發現的兩個類星體的光線，由於受到非常大的紅移，以致我們所熟悉的光譜特徵都已經從黃色波段移到紅色。這兩個類星體的紅移被認為是都卜勒效應的結果，而因此推測它們的後退速度分別達到光速的百分之十五及百分之卅。
天文學家根據哈柏定律計算出，上述的後退速度對應兩個類星體的距離分別是九億秒差距及十八億秒差距。這樣的距離相當於最遙遠的星系了，然而這兩個類星體看起來的亮度卻和距離近了一百倍的大型星系相當，因此表示類星體的亮度是大型星系的一萬倍！到目前為止，偵測到的類星體後退速度可達光速的百分之九十以上，距離則超過120億光年。更神秘的是，類星體比星系來得小。類星體通常看起來像點光源，而即使是最遙遠的星系看起來都是一片模糊的光斑（圖3.18）。一些複雜的論證讓天文學家相信多數類星體的直徑不超過從太陽到半人馬座 α 星的距離（譯注：也就是不到數光年）！
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圖3.17 像是3C48（左）及3C147（右）這樣的類星體看起來像一個點。事實上它們不是恆星，而是具備龐大能量的物體，距離在數億到數十億秒差距之外。
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天文學家目前已經偵測到類星體的紅外線及X射線輻射，也發現有些類星體每秒鐘內發射的這些光子的能量，甚至超過在可見光或電波波段的能量。如果我們對類星體距離的估計無誤，當我們把所有形式的光子能量都加起來時，會發現有些類星體每秒發出的能量是一個大型星系的十萬倍。
沒有人確實瞭解為何類星體能夠在如此小的體積內放射出如此多的能量，或是其龐大的能量輸出為何會在不算長的時間內發生改變。類星體可能代表了星系形成的早期過程，因為它們極遙遠的距離表示我們看到的是其數十億年前的樣子。最流行的類星體模型引用了天文學上最引人入勝的其中一個理論：「吸積盤」 (accretion disk) 中的物質迴旋掉入「超質量黑洞」 (supermassive black hole)。
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圖3.18 即使是最遙遠的星系看起來也是一片模糊的光斑，而不是一個點。這個星系團離我們約10 億秒差距，而我們看到的這些星系是它們30億年前的樣子。這張照片中所有不是正圓的光點都是星系團中的成員星系。
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<吸積盤與超質量黑洞> (Accretion Disks and Supermassive Black Holes)
對天文學家而言，「吸積盤」乃是由繞行一個強重力源，而軌道愈來愈緊密的物質所組成。而「黑洞」則是重力非常強大的天體，以致於沒有任何東西 --- 甚至是光線或任何沒有質量的粒子 --- 能逃離距黑洞中心超過某個臨界的距離。那個距離等於3公里乘上黑洞的質量（以太陽質量為單位）。一個相當於太陽質量的天體，若經由某種方式把自己的質量擠壓在3公里方圓之內，便成為一個黑洞。此後便沒有東西能從該距離之內部跑出來，而離得較遠的物質則起碼理論上在穿越臨界距離之前還有機會逃脫。
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圖3.19 目前解釋類星體的最佳模型，是假設在超質量黑洞周圍有個盤平盤，在其中物質以迴旋的方式前進，最後落入黑洞。在這個「吸積盤」內物質由於彼此的碰撞而加熱到極高溫，同時發射出大量X射線、紫外線、可見光、紅外線，以及電波輻射。
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正如第六章討論的，質量和太陽差不多的黑洞是恆星生命結束的方式之一。但是對類星體而言，我們還得想像出更離奇的天體，也就不單只考慮一個太陽的質量，而是想像｛十億倍太陽質量｝的物質。如果這些物質集中在30億公里的半徑內，它們就變成一個黑洞，也就是天文學家所說的「超質量黑洞」。任何物體只要靠近這個黑洞中心30億公里之內，便再也逃不出來（圖3.19）。
而30億公里相當於天王星繞行太陽的軌道大小；換句話說，一個超質量黑洞的大小與太陽系差不多（但是太陽系只包含了一個太陽質量，就是太陽本身，而非包含了十億個）。這樣的物體會吸引物質，然而掉進黑洞的物質多半不會直接掉進去，而是以迴旋的軌道繞進去，愈來愈接近黑洞，直到最後穿過臨界距離，我們就再也看不到了。
然而在此之前，掉入的物質會在黑洞周圍形成一個吸積盤。這個吸積盤不但看得到，而且還
相當壯觀。當物質迴旋掉入時，它們愈動愈快，同時越接近臨界距離，物質密度會愈來愈高。迴旋物質之間彼此以巨大的速度互撞，將吸積盤中的物質加熱，而使其發光，尤其是內緣的區域最強（但不包括實際的中心，該處仍是黑的）
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類星體很有可能就是物質迴旋落入超質量黑洞的吸積盤。這可能是在大型星系的早期，在當時一個超質量黑洞形成了，而附近的物質被重力向內吸引的同時，明亮地照耀直到湮滅。當黑洞用罄四周鄰近的物質時，這個時期可能就結束了，只剩下那些離黑洞較遠，繞行在「安全」軌道上的物質能長久地安然存在。如果這個模型正確，類星體應該在黑洞「吃完了食物」後便會消失。每個大型星系，包括我們自己的銀河系在中心都可能曾經有個活躍的超質量黑洞，消化光了數十億年前讓吸積盤成為類星體的物質。
<類星體會是星系間的信號燈嗎？> (Could Quasars Be Intergalactic Beacons?)
如果讓想像力更自由的飛翔，我們可以把類星體想像成很理想的信號燈，而某個文明正藉著它們隔著億萬光年讓我們知道其存在。但是我們沒有這樣的證據，而且要知道以能量來說，用類星體來吸引注意是很浪費的。我們在第十八章會討論到，一個波長及頻率受到特殊限定的電波訊號足以吸引別人的注意，同時能傳達訊息，卻只需要相當於類星體所輸出極微小部份的能量。這也是為什麼我們在地球上使用特定的一些波段發射收音機與電視訊號，而非用信號彈或乾脆使用全部的波段蓋掉其他的無線電訊號。目前可以確定的是類星體是自然而非人為的謎，尤其當我們完全無法思議一個文明如何能製造出類星體時，這個結論就更堅定了。
<結語>
大爆炸150億年後，物質不再如早期宇宙那樣，均勻分佈在空間中，而是以成堆的方式出現，
稱為恆星；這些恆星又群集成星系及星系團。這樣的群體在早期的宇宙歷史中，靠著本身的重力聚集在一起，然後收縮到目前的大小，而宇宙其他的部分則繼續膨脹。
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螺旋星系約佔全部星系數量之半，具有盤狀的物質分佈，其中由最年輕、最明亮的恆星標示出醒目的旋臂。橢圓星系是第二種主要的星系種類，要比螺旋星系圓凸得多，同時顯然已經將其原始的氣體與塵埃全部變成恆星。螺旋星系中則仍有百分之幾的質量仍在盤中的星際物質。不規則星系沒有特殊的結構，它們有百分之廿到五十的質量屬於星際物質。我們現在知道螺旋星系──非常可能也包括橢圓星系──擁有暗物質構成的巨大球暈，這些球暈包覆在可看到的星球分佈範圍之外。
在螺旋、橢圓與不規則星系中，小部分的恆星屬於緊密的星團。螺旋星系包含兩種截然不同的星團：球狀星團代表原始星系收縮時首先形成的部分；它們龐大而綿延的軌道使它們比其他大部分的恆星都還要遠離星系中心。對比之下，疏散星團只存在螺旋與不規則星系當中，在橢圓星系中則沒有，而且在螺旋星系中總是位於對稱的星系盤面附近。疏散星團（像是昴宿星團）通常由年輕的恆星組成，且只有數百個成員星，不似球狀星團可以擁有將近百萬顆星。
類星體 --- 也稱類星電波源 --- 在照片上看起來有如光點，不像星系所顯示的模糊光斑。類星體除了電波輻射，還發出巨量的紅外線、可見光，以及X射線。類星體的可見光光譜具有目前所觀測到的最大紅移。如果這些紅移來自宇宙膨脹，類星體一定就是目前偵測到最遙遠的物體了，同時也是最具威力的發光源。類星體巨大的能量可能來自掉入中央超質量黑洞的物質，當迴旋向內時產生高能量的碰撞而受熱直到湮滅。
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<問題>
1. 為何星系群集在一起，而非均勻分佈在太空裡？這和大爆炸後不久宇宙的整體外觀
有何不同？
2. 螺旋星系與橢圓星系在哪些方面彼此類似？這兩類星系的主要差別又在哪裡？
3. 為什麼螺旋星系中最年輕的恆星總是出現在星系的螺旋臂上呢？如果這些恆星的生命期只有幾百萬年，螺旋的圖樣何以能夠持續數億，甚至數十億年之久？
4. 銀河系中兩種主要的星團之間有何差異？在橢圓星系中也有類似的星團嗎？
5. M87 與 NGC7793 這兩個星系的視亮度幾乎相同，但是 M87 的距離幾乎是 NGC7793 的4倍。這兩個星系的光度彼此相比如何呢？
6. 分別考慮從獵戶座星雲（距離1600光年）、銀河系中心（25,000光年）、仙女座星系（2百萬光年），以及3C9類星體（80億光年）到達地球的光線。在光線分別離開這些天體時，
我們附近正發生了哪些事情呢？
7. 一個落到地面的雪花所攜帶的動能差不多是1爾格。比起來一座電波望遠鏡的天線指向某個類星體，每平方公尺上每秒所接收到的能量大約是1爾格的10億分之一。如果想要每秒能夠收到來自類星體，相當於雪花掉落千分之一的能量，得要建造多大的天線？對於直徑100公尺的天線，想要收集到相當於一個掉落雪花的能量，需要收集多久的時間呢？
8. 名為 3C147 的類星體在可見光波段的光譜中顯示 0.55 的紅移；也就是說，光譜中所有的波長都比在地球實驗室中長了百分之55。試問類星體光譜中光線的頻率及能量會如何改變？
9. 由於都卜勒效應，觀測到的光子能量與原來光子能量的數學關係是
觀測到的能量／原來的能量 ＝ ??
此處 v 是後退的速率，而 c 則是光速。如果類星體3C147的紅移是由於都卜勒效應造成的，那麼它後退的速率有多快呢？
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<進階參考資料>