总星系是什么
通常把我们观测所及的宇宙部分称为总星系。也有人认为，总星系是一个比星系更高一级的天体层次，它的尺度可能小于、等于或大于观测所及的宇宙部分。总星系的典型尺度约100亿光年，年龄为150亿年量级。通过星系计数和微波背景辐射测量证明总星系的物质和运动的分布在统计上是均匀和各向同性的，不存在任何特殊的位置和方向。总星系物质含量最多的是氢，其次是氦。从1914年以来，发现星系谱线有系统的红移。如果把它解释为天体退行的结果，那就表示总星系在均匀地膨胀着。总星系的结构和演化，是宇宙学研究的重要对象。
有一种观点认为，总星系是在一次大爆炸中形成的。这种大爆炸宇宙学解释了不少观测事实（元素的丰度、微波背景辐射、红移等）。另一种观点则认为，现今的总星系是由更大的系统坍缩后形成的，但这种观点并不能解释微波背景辐射。
总星系并不是一个具体的星系，也不像本星系群、本超星系团那样的天体系统，而是指用现有的观测手段和方法，所能被人们观测和探测到的全部宇宙间范围。
星系的定义
星系一词源自于希腊文中的galaxias，广义可以是由无数的恒星系（当然包括恒星的自体）、尘埃（如星云）组成的运行系统。参考我们的银河系，是一个包含恒星、气体的星际物质、宇宙尘和暗物质，并且受到重力束缚的大质量系统。典型的星系，从只有数千万颗恒星的矮星系到上兆颗恒星的椭圆星系都有，全都环绕着质量中心运转。除了单独的恒星和稀薄的星际物质之外，大部分的星系都有数量庞大的多星系统、星团以及各种不同的星云。
恒星系或称星系，是宇宙中庞大的星星的“岛屿”，它也是宇宙中最大、最美丽的天体系统之一。到目前为止，人们已在宇宙观测到了约1千亿个星系。它们中有的离我们较近，可以清楚地观测到它们的结构；有的非常遥远，目前所知最远的星系离我们有将近150亿光年。
星系的演变过程
按照宇宙大爆炸理论，第一代星系大概形成于大爆炸发生后10亿年。在宇宙诞生的最初瞬间，有一次原始能量的爆发。随着宇宙的膨胀和冷却，引力开始发挥作用，然后，幼年宇宙进入一个称为“暴胀”的短暂阶段。原始能量分布中的微小涨落随着宇宙的暴胀也从微观尺度急剧放大，从而形成了一些“沟”，星系团就是沿着这些“沟”形成的。
哈勃太空望远镜拍摄的遥远的年轻星系照片，其中包含有正在形成中的星系团（原星系）。18个正在形成中的星系团的单独照片。每个星团距地球约100亿光年。
著名的“哈勃深空”照片。展示了1000多个在宇宙形成后不到10亿年内形成的年轻星系。
哈勃深空图片。箭头所指的可能是迄今为止发现的最遥远的星系。
阿贝尔2218星系群。照片反映了宇宙中的“引力透镜”现象。
两个相邻的星系NGC1410、NGC1409因引力作用而互相吸取物质。
随着暴胀的转瞬即逝，宇宙又恢复到如今日所见的那样通常的膨胀速率。
在宇宙诞生后的第一秒钟，随着宇宙的持续膨胀冷却，在能量较为“稠密”的区域，大量质子、中子和电子从背景能量中凝聚出来。100秒后，质子和中子开始结合成氦原子核。在不到两分钟的时间内，构成自然界的所有原子的成分就都产生出来了。大约再经过30万年，宇宙就已冷却到氢原子核和氦原子核足以俘获电子而形成原子了。这些原子在引力作用下缓慢地聚集成巨大的纤维状的云。不久，星系就在其中形成了。大爆炸发生过后10亿年，氢云和氦云开始在引力作用下集结成团。随着云团的成长，初生的星系即原星系开始形成。那时的宇宙较小，各个原星系之间靠得比较近，因此相互作用很强。于是，在较稀薄、较大的云中凝聚出一些较小的云，而其余部分则被邻近的云所吞并。
同时，原星系由于氢和氦的不断落入而逐渐增大。原星系的质量变得越大，它们吸引的气体也就越多。一个个云团各自的运动加上它们之间的相互作用，最终使得原星系开始缓慢自转。这些云团在引力的作用下进一步坍缩，一些自转较快的云团形成了盘状；其余的大致成为椭球形。这些原始的星系在获得了足够的物质后，便在其中开始形成恒星。这时的宇宙面貌与今天便已经差不多了。星系成群地聚集在一起，就像我们地球上海洋中的群岛一样镶嵌在宇宙空间浩瀚的气体云中，这样的星系团和星系际气体伸展成纤维状的结构，长度可以达到数亿光年。如此大规模的星系的群集在广阔的空间呈现为球形。
给星系分类
宇宙中没有两个星系的形状是完全相同的，每一个星系都有自己独特的外貌。但是由于星系都是在一个有限的条件范围内形成，因此它们有一些共同的特点，这使人们可以对它们进行大体的分类。在多种星系分类系统中，天文学家哈勃于1925年提出的分类系统是应用得最广泛的一种。哈勃根据星系的形态把它们分成三大类：椭圆星系、旋涡星系和不规则星系。椭圆星系分为七种类型，按星系椭圆的扁率从小到大分别用E0—E7表示，最大值7是任意确定的。
该分类法只限于从地球上所见的星系外形，原因是很难确定椭圆星系在空间中的角度。旋涡星系分为两族，一族是中央有棒状结构的棒旋星系，用SB表示；另一种是无棒状结构的旋涡星系，用S表示。这两类星系又分别被细分为三个次型，分别用下标a、b、c表示星系核的大小和旋臂缠绕的松紧程度。不规则星系没有一定的形状，而且含有更多的尘埃和气体，用Irr表示。另有一类用S0表示的透镜型星系，表示介于椭圆星系和旋涡星系之间的过渡阶段的星系。
属E0型椭圆星系的NGC4552。该星系位于室女座。
NGC4486，同样位于室女座，属E1型椭圆星系。
NGC4479属于E4型椭圆星系，位于室女座。
NGC205椭圆星系，属于E6型，位于仙女座。
位于六分仪座的NGC3115，属E7型椭圆星系，也有把它归为S0型的。
位于狮子座的NGC3623，属Sa型旋涡星系。
属Sb型的NGC3627旋涡星系，位于狮子座。
猎犬座的NGC5194旋涡星系，属Sc型。左侧是一个矮星系。
NGC3351位于狮子座，属SBb型棒旋星系。
SBc型棒旋星系NGC3992，位于狮子座。
银河系的卫星系“大麦哲伦云”，属不规则星系。
NGC3034不规则星系，位于大熊星座。
宇宙中的大部分大星系都是旋涡星系，其次是椭圆星系，不规则星系占的比较最小。旋涡星系自转得比较快，其盘面中含有大量尘埃和气体，这些物质聚集成能供恒星形成的区域。这些区域发育出含有许多蓝星的旋臂，所以盘面的颜色看上去偏蓝。而在其棒状结构和中央核球上稠密地分布着许多年老的恒星。与旋涡星系相比，椭圆星系自转得非常慢，其结构是均匀而对称的，没有旋臂，尘埃和气体也极少。造成这种局面的原因是早在数十亿年前恒星迅速形成时就已经将椭圆星系中的所有尘埃和气体消耗完了。其结果是造成这些星系中无法诞生新的恒星，因此椭圆星系中包含的全都是老年恒星。
宇宙中约有10亿个星系的中心有一个超大质量的黑洞，这类星系被称为“活跃星系”。类星体也属于这类星系。
此外还有一类个子矮小的“矮星系”。这类星系不像大型星系那样明亮，但其数量非常多。银河系附近有许多矮星系，其数量比所有其他类型星系之和都多。在邻近的星系团中也已发现了大量的矮星系。其中一些形状规则，多半都含有星族域的恒星；形状不规则的矮星系一般含有明亮的蓝星。
星系的形状一般在其诞生之时就已经确定了，此后一直都保持着相对稳定，除非发生了星系碰撞或邻近星系的引力干扰。
椭圆形状的星系
椭圆星系是河外星系的一种，呈圆球型或椭球型。中心区最亮，亮度向边缘递减，对距离较近的，用大型望远镜望远镜可以分辨出外围的成员恒星。同一类型的河外星系，质量差别很大，有巨型和矮型之分。其中以椭圆星系的质量差别最大：质量最小的矮椭圆星系和球状星团相当，而质量最大的超巨型椭圆星系可能是宇宙中最大的恒星系统；质量范围为太阳的千万倍到百万亿倍，光度幅度范围从绝对星等—9等到—23等。椭圆星系质量光度比为50~100，而旋涡星系的质光比为2~15。表明椭圆星系的产能效率远远低于旋涡星系。椭圆星系的直径范围是1~150千秒差距。总光谱型为K型，是红巨星的光谱特征。颜色比旋涡星系红，说明年轻的成员星没有旋涡星系里的多，由星族域天体组成，没有或仅有少量星际气体和星际尘埃，椭圆星系中没有典型的星族玉天体蓝巨星。椭圆星系根据哈勃分类，按其椭率大小分为E0、E1、E2、E3、……E7共八个次型，E0型是圆星系，E7是最扁的椭圆星系。椭圆星系的形成，有一种星系形成理论认为，椭圆星系是由两个旋涡扁平星系相互碰撞、混合、吞噬而成。天文观测说明，旋涡扁平星系盘内的恒星的年龄都比较轻，而椭圆星系内恒星的年龄都比较老，即先形成旋涡扁平星系，两个旋涡扁平星系相遇、混合后再形成椭圆星系。还有人用计算机模拟的方法来验证这一设想，结果表明，在一定的条件下，两个扁平星系经过混合的确能发展成一个椭圆星系。加拿大天文学家考门迪在观测中发现，某些比一般椭圆星系质量大的多的巨椭圆星系的中心部分，其亮度分布异常，仿佛在中心部分另有一小核。他的解释就是由于一个质量特别小的椭圆星系被巨椭圆星系吞噬的结果。但是，星系在宇宙中分布的密度毕竟是非常低的，它们相互碰撞的机会极小，要从观测上发现两个星系恰好处在碰撞和吞噬阶段是非常困难的。所以，这种形成理论还有待人们去深入探索。
旋涡结构的星系
具有旋涡结构的河外星系称为旋涡星系，在哈勃的星系分类中用S代表。
螺旋星系的螺旋形状，最早是在1845年观测猎犬座星系M51时发现的。螺旋星系的中心区域为透镜状，周围围绕着扁平的圆盘。从隆起的核球两端延伸出若干条螺线状旋臂，叠加在星系盘上。螺旋星系可分为正常旋涡星系和棒旋星系两种。按哈勃分类，正常旋涡星系又分为a、b、c三种次型：Sa型中心区大，稀疏地分布着紧卷旋臂；Sb型中心区较小，旋臂较大并较开展；Sc型中心区为小亮核，旋臂大而松弛。除了旋臂上集聚高光度O、B型星、超巨星、电离氢区外，同时还有大量的尘埃和气体分布在星系盘上。从侧面看在主平面上呈现为一条窄的尘埃带，有明显的消光现象。旋涡星系通常有一个笼罩整体的、结构稀疏的晕，叫做星系晕。其中主要是星族域天体，其典型代表是球状星团。
一个中等质量的旋涡星系往往有100~300个球状星团。随机地散布在星系盘周围空间。在往外，可能还有更稀疏的气体球，称为星系晕。旋涡星系的质量为10亿到1万亿个太阳质量，对应的光度是绝对星等—15~—21等。直径范围是5~50千秒差距。Sa型星系的总光谱型为K，Sb型为F~K，Sc型为A~F。产生总光谱的主要天体既有高光度早型星，又有高光度晚型星。星族玉天体组成星系盘和旋臂，星族域天体主要构成星系核、星系晕和星系冕。
棒状螺旋形星系
棒旋星系是中心呈长棒形状的螺旋形星系，一般的螺旋形星系的中心是有圆核的，而棒旋形星系的中心是棒形状，棒的两边有旋形的臂向外伸展。
外形不规则不规则星系
外形不规则，没有明显的核和旋臂，没有盘状对称结构或者看不出有旋转对称性的星系，用字母Irr表示。在全天最亮星系中，不规则星系只占5%。按星系分类法，不规则星系分为Irr玉型和Irr域型两类。玉型的是典型的不规则星系，除具有上述的一般特征外，有的还有隐约可见不甚规则的棒状结构。它们是矮星系，质量为太阳的1亿~10亿倍，也有可高达100亿倍太阳质量的。
它们的体积小，长径的幅度为2~9千秒差距。星族成分和Sc型螺旋星系相似：O—B型星、电离氢区、气体和尘埃等年轻的星族玉天体占很大比例。域型的具有无定型的外貌，分辨不出恒星和星团等组成成分，而且往往有明显的尘埃带。一部分域型不规则星系可能是正在爆发或爆发后的星系，另一些则是受伴星系的引力扰动而扭曲了的星系。所以玉型和域型不规则星系的起源可能完全不同。
发现仙女座星系
M31在天文学史上有着重要的地位。1786年，赫歇尔第一个将它列入能分解为恒星的星云。1924年，哈勃在照相底片上指认出M31旋臂上的造父变星，并根据周光关系算出距离，确认它是银河系之外的恒星系统。现代测定它的距离是670千秒差距（220万光年）。直径是50千秒差距（16万光年），为银河系的两倍，是本星系群中最大的一个。1944年，巴德又分辨出M31核心部分的天体，指认出其中的星团和恒星，并指明星族的空间分布与银河系相。M31旋臂上是极端星族玉，其中有O—B型星、亮超巨星、OB星协、电离氢区。在星系盘上观测到经典造父变星、新星、红巨星、行星状星云等盘族天体。中心区则有星族域造父变星。晕星族成员的球状星团离星系主平面可达30千秒差距以外。
近年来还发现，M31成员的重元素含量，从外围向中心逐渐增加。这种现象表明，恒星抛射物质致使星际物质重元素增多的过程，在星系中心区域比外围部分频繁得多。1914年皮斯探知M31有自转运动。1939年以来历经巴布科克等人的研究，测出从中心到边缘的自转速度曲线，并由此得知星系的质量。
据目前估计，M31的质量不小于3.1伊1011个太阳质量，比银河系大一倍以上，是本星系群中质量最大的一个。M31的中心有一个类星核心，直径只有25光年，质量相当于107太阳，即一立方秒差距内聚集1500个恒星。类星核心的红外辐射很强，约等于银河系整个核心区的辐射。但那里的射电却只有银心射电的1/20。射电观测指出，中性氢多集中在半径为10千秒差距的宽环带中。氢的含量为总质量的1%，这个比值较之银河系的（1.4%~7%）要小。由此可以认为，M31的气体大部分已形成恒星。M31和银河系相似，对二者进行对比研究，就能为了解银河系的运动、结构和演化提供重要的线索。
星系间的可怕碰撞
