夜空的“宝藏”——仙女座星系，我们能用肉眼观测到吗？

作者|冯梓洋

审核|董晨晖

编辑|赵经远

星系演化探测器（GALEX）拍摄的仙女座星系紫外线波段图像。图像来源：NASA

仙女座星系（Andormeda Galaxy）在天空中位于奎宿七（仙女座ν）的西北方向，即仙女座的左腿膝盖处，肉眼看上去是一个暗淡的椭圆形光斑。根据哈勃-德沃古勒星系分类法（Hubble-de Vaucouleurs galaxy classification），仙女座星系是一个SA(s)b型星系，其中的SA代表正常旋涡星系（即不是棒状旋涡星系），(s)表示没有环状结构的星系，b意为旋臂较为松散。它是为数不多肉眼可见的河外天体之一，直径约为15万光年，将近银河系直径的两倍，距离地球约为250万光年 ，是距离最近的大型河外星系。仙女座星系和它的伴星系（M32、M110等）、三角座星系M33、大小麦哲伦云和我们所处的银河系等数十个星系构成了本星系群，仙女座星系是其中最大的星系。

本星系群部分星系的位置。图像来源：Wikipedia

仙女座星系在天球上的位置为赤经00h42m44.33s,赤纬41°16′07.5″（历元J2000），总视星等约为3.4，是梅西叶天体中最亮的星系，甚至在5级光污染地区都能用肉眼勉强看见。它的视大小为3°09′06.00″×1°01′42.00″，比著名的猎户座大星云的视面积还要大三倍。它常见的编号有M31、NGC 224、PGC 2557、UGC 454等等。

仙女座星系在天空中的位置。图像来源：Stellarium

由于其较亮的视星等，早在很久之前，仙女座星系就已被许多人观测过，并已广为人知，但现今留存的最早记载是波斯天文学家阿卜杜勒-拉赫曼·苏菲（Abd al-Rahman al-Sufi）在公元964年前后所著的《恒星之书》（The Book of Fixed Stars），其中将仙女座星系描述为“一朵小云”。

1612年，德国天文学家西门·马里乌斯（Simon Marius）首次使用天文望远镜观测仙女座星系并将其记录下来，他把这个天体描述为“从牛角尖看到的一团火焰”。而我国在清朝时为奎宿增补了23颗星，仙女座星系即为其一，它被称为奎宿增廿一。1764年，法国天文学家查尔斯·梅西叶（Charles Messier）在寻找彗星时注意到了这片模糊的小云，并将它收入自己的星表中，编号为M31。1850年，爱尔兰天文学家第三代罗斯伯爵威廉·帕森斯（William Parsons, 3rd Earl of Rosse）首次为它绘制了素描。1888年，威尔士天文爱好者艾萨克·罗伯茨（Isaac Roberts）拍摄了它的第一幅照片。

罗伯茨拍摄的第一幅仙女座星系照片。图像来源：Wikipedia

对于夜空中这片模糊“小云”的真实身份，数百年来众说纷纭。长久以来，人们认为它是位于银河系内的星云，因此它也曾被错误地称为仙女座星云。1745年，法国物理学家皮埃尔·莫佩尔蒂（Pierre Maupertuis）首次推测它可能是由众多恒星组成的天体系统。1755年，德国哲学家伊曼努尔·康德（Immanuel Kant）也指出这类“旋涡星云”应该是类似于银河系的天体系统，而非银河系内的星云。1785年，英国天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）也曾经持类似的看法，但他估计的距离显然是错误的——他认为仙女座星云与我们的距离不会超过天狼星距离的2000倍（即1.7万光年）。1850年，德国博物学家亚历山大·洪堡（Alexander Hunboldt）在其著作《宇宙：对世界的简要物理描述》（Cosmos: A Sketch of a Physical Description of the Universe）中提出了“岛宇宙（island universe）”的概念，他将宇宙中无数类似银河系的天体系统比喻成海洋里的小岛。

沙普利（左）-柯蒂斯（右）大辩论。图像来源：giganet.sampa.br

但是要证明旋涡星云是银河系之外的天体系统并没有那么容易，各种观测数据之间存在相互矛盾（比如虽然可以分解出部分星云中的恒星，但无论如何也难以分辨另一些星云中的恒星），这使得岛宇宙理论一直存在争议，形成了天文学史上长达百年的岛宇宙之争，这一问题还导致了发生在1920年的沙普利-柯蒂斯大辩论（Shapley–Curtis Debate，Great Debate）。

美国天文学家哈罗·沙普利（Harlow Shapley）认为，与仙女座星云类似的旋涡星云是银河系的一部分。而美国天文学家希伯·柯蒂斯（Heber Curtis）则认为，旋涡星云在银河系之外，是和银河系一样的“岛宇宙”。早在数年前，沙普利就已通过造父变星周光关系推算出了银河系的大小[周光关系是绝对星等与光变周期之间的关系，可用来测量距离，美国天文学家亨利爱塔·勒维特（Henrietta Leavitt）在1908和1912年发现并确立了这一关系]，他的计算结果指出银河系的直径是30万光年，这比今天的认知要大。看来，还需要测量出这些旋涡星云的距离才能解决这一争论了。

1923年10月6日，哈勃使用胡克望远镜拍摄的仙女座星系。他最初在图中发现了3颗新星，并用“N”标记，但他后来发现上方的“新星”其实是一颗造父变星，于是将其标记更改为“VAR！”，这是在仙女座星系中发现的首颗造父变星。图像来源：NASA

1923年起，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在仙女座星云中发现了数颗造父变星，利用周光关系测量了它的距离，发现它远在90万光年之外。虽然现在看来哈勃测得的距离偏小，但也远远超出了当时所知的银河系范围，打破了人们的认知，最终证实包括仙女座星云在内的旋涡星云是独立于银河系的天体系统，如今它们被称为星系。

仙女座星系无疑是研究最多的河外星系。由于我们位于银河系内，正如“不识庐山真面目，只缘身在此山中”所说，我们能观测到的银河系范围十分有限，无法一窥全貌，只能借助计算机模拟它的构造。与其他星系相比，仙女座星系距离较近、亮度较高，而且它的结构与银河系十分相似，这些因素使其成为了科学研究的热门天体，天文学家可以通过观测仙女座星系，来了解我们自己所在的银河系的结构与演化。

哈勃空间望远镜拍摄的仙女座星系局部。图像来源：NASA

对于天文爱好者而言，仙女座星系是一个具有极大观赏与科学价值的天体，不论是萌新还是大佬都能很轻松地找到它。除了目视、摄影这两种常见的玩法之外，天文爱好者还可以通过公众超新星搜寻项目（PSP，https://nadc.china-vo.org/psp/）、自有设备或远程望远镜获得的数据，搜寻仙女座星系中爆发的新星，从而为科学研究作出力所能及的贡献。据估计，仙女座星系每年爆发约40颗新星，有许多专业/业余巡天项目致力于搜寻这些捉摸不定的天体。虽然由于距离遥远，仙女座星系中的新星通常没有银河系内的新星那么明亮，但它们的最大亮度往往能达到17.5星等左右，仍在业余器材的能力范围内。小星可以很自豪地说，作为我国最早开展巡天观测的业余天文台，星明天文台目前已发现约60颗位于仙女座星系中的新星，近几年的战绩在全球范围内更是名列前茅。

星桥法寻找仙女座星系。图像来源：Stellarium

仙女座星系的可观测时间在夏季到次年早春这一段时间里，尤以秋冬季为佳。要想找到这个星系，可以借助秋季四边形：顺着秋季四边形北边的两颗星[室宿二（飞马座β）和壁宿二（仙女座α）]一路往东，依次找到奎宿五（仙女座δ）和奎宿九（仙女座β），顺着奎宿九往西北方向找去就会遇到奎宿八（仙女座μ），将奎宿九与奎宿八的连线延长一倍，就能找到仙女座星系啦。

仙女座星系是最著名也是最美丽的河外星系之一，迄今为止它已经存在了数十亿年。研究表明，仙女座星系正在以每秒300公里的速度朝银河系飞奔而来，40亿年后将会与银河系合并形成新的星系，不过我们显然无法亲眼看到这一事件了，然而在漫长的历史岁月中，仙女座星系却一直陪伴着我们，见证着人类探索宇宙的伟大征程。

参考资料

1、Andromeda Galaxy,Wikipedia,https://en.wikipedia.org/wiki/Andromeda_Galaxy

2、M31,SEDS Messier Database,http://www.messier.seds.org/m/m031.html

3、宇宙岛之争，苏宜，《天文学新概论》第六章，第四版

4、Anromeda Galaxy,LEIF J. ROBINSON,,Philips Astronomy Encyclopedia

5、AnromedaGalaxy,NASA,https://www.nasa.gov/missions/chandra/andromeda-galaxy-vibaj/

关于仙女座星系的更多疑问，欢迎大家在评论区留言，小星会为你一一解答哦~

关注微信公众号/新浪微博/科普中国/头条号“星明天文台”，和小星一起踏遍星辰，收获浪漫吧~