著名的仙女座星系，或 M31，在公众星际派对上引起了人们的注意，不仅因为它是离我们银河系最近的本地星系群的主要成员，还因为大多数人都知道它即将与我们的星系相撞。
有些人变得焦虑地好奇这种碰撞预计会是什么样子，最重要的是，它何时会发生。不过，任何在现场的天文学家都可以向他们保证，合并不会在数十亿年后发生，而且将是渐进的，而不是突然的崩溃。
目前，仙女座位于 250 万光年之外。令人惊讶的是，来自倾斜星系正面的光比它背面的光早大约 65,000 年到达我们。简而言之，我们正在观察一个在空间和时间上都扭曲的图像。
在黑暗、没有月亮的夜晚，仙女座可能首先通过业余望远镜显示为一个微弱而模糊的椭圆形，中心更亮，但长时间观察会发现它的中心核心、前景尘埃带和螺旋结构的暗示。
艾萨克·罗伯茨 （Isaac Roberts） 于 1888 年用他的 20 英寸反射镜拍摄了仙女座大漩涡星云及其主要卫星 M32（中左）和 M110（右下）的精彩照片，这是他由都柏林的霍华德·格拉布 （Howard Grubb） 设计的双望远镜的一部分。图片来源：Yerkes 天文台档案馆
解读仙女座
仙女座的存在自古以来就为人所知。它最初被认为是一个星云，这个术语适用于所有无法分解为恒星的深空天体。人们认为星云位于银河系内，而表现出螺旋图案的系统（如仙女座大星云）被称为螺旋星云，被认为是正在积极形成的恒星。William Herschel 确定 M31 是「无疑是所有大星云中最近的一个」，并估计它的距离约为 18,000 光年。巧合的是，在 1783 年，他眼尖的妹妹卡罗琳（Caroline）本身也是一位多才多艺的天文学家，独立发现了仙女座大星系的两个主要卫星星系之一 M110。
在光谱学和摄影学发展之前，不可能更好地理解螺旋星云。1864 年，以天文光谱学的开创性工作而闻名的英国天文学家威廉·哈金斯 （William Huggins） 表明，与猎户座星云 （M42） 的纯气体发射特性不同，仙女座星系的光谱显示出星状特征，包括暗吸收线。1912 年，美国天文学家 Vesto Slipher 在洛厄尔天文台捕捉到 M31 的光谱显示，该天体的接近径向速度为每秒 186 英里（300 公里），这对于银河系天体来说极不可能，因为它是有史以来测量到的最高速度。
仙女座大星系及其两颗卫星 M110 和 M32 的第一张详细照片由富有的威尔士工程师和业余天文学家艾萨克·罗伯茨 （Isaac Roberts） 于 1888 年拍摄。和他的同时代人一样，罗伯茨认为这是一个正在形成的明星系统。他用他的双望远镜——一个 20 英寸的反射镜和一个位于共用支架上的 7 英寸折射镜——从利物浦附近的私人天文台拍摄了仙女座的照片。
罗伯茨是深空摄影的真正先驱，他意识到需要长时间曝光来记录微弱的模糊物体中的细节。他开发了一种我们现在称为背负式摄影的方法，通过使用安装在导引望远镜顶部的人像相机进行精确跟踪，进行宽视场成像。通过这种方式，他获得了一些突出的深空天体的第一批高分辨率照片，例如昴星团 （M45）、仙女座大、三角座星系 （M33）、面纱星云等等。其中许多照片随后于 1893 年和 1899 年出版在一本名为【恒星、星团和星云照片选集】的两卷本书籍中。
炽热的蓝色年轻恒星，以及它们在其中形成的气体和尘埃茧，都在 GALEX 拍摄的仙女座大星系的紫外线视图中展示。图片来源：NASA/JPL-Caltech
然而，罗伯茨的图像和关于仙女座星系的已知事实并不足以让科学家就星系的分类或距离测量达成一致。1920 年，当天文学家 Heber D. Curtis 和 Harlow Shapley 在关于宇宙尺度的大辩论中对峙时，争论达到了顶峰。柯蒂斯认为螺旋星云在银河系之外，而不是银河系的一部分，而沙普利则持相反的观点。几年后的 1923 年，埃德温·哈勃 （Edwin Hubble） 用当时世界上最大的望远镜——威尔逊山天文台的 100 英寸反射镜拍摄的仙女座大星，解决了仙女座大星照片中的造父变星（用于测量宇宙距离），这场争论得到了不可逆转的解决。使用这个距离指示器，他基本上证明了 M31 是一个远离我们银河系的星系。
一些最亮的球状星团（用Gs标记）和M31中的大质量恒星形成区域NGC 206出现在这些图像中，这些图像是最近用现代的5英寸折射镜（左）和1888年用20英寸反射镜拍摄的。来源：左：Klaus R. Brasch;右：艾萨克·罗伯茨
一双新的眼睛
自从哈勃和他的同时代人打开了现代宇宙学的大门以来，这个世纪已经取得了巨大的进步。也许没有什么比成像技术的演变更生动地说明这一点了。
罗伯茨拍摄的仙女座大星座历史照片需要使用当时可用的非常缓慢且颗粒状的玻璃照相底片进行四个小时的手动引导曝光。尽管如此，它揭示了大量前所未有的细节，不仅彻底改变了天文摄影，而且还提供了第一个图像指示，表明螺旋星云不仅仅是气态云。
大约 130 年后的今天，可以使用 5 英寸复消色差折射镜和光谱修正的 Canon R 数码相机轻松拍摄 M31 的全彩图像。此外，它只需要总共 18 分钟的自动引导曝光时间，就可以记录同样暗淡的恒星，并在星系本身中收集更清晰的细节。此外，由于使用了窄带通滤光片——它优先传输电离氢、H-α（Hα，红色）和 H-β（Hβ，蓝色）以及双电离氧（OIII，蓝色）发射的波长——现代图像揭示了沿着星系旋臂散落的粉红色发射星云、星际尘埃区域（红棕色）和炽热的年轻恒星（蓝色）。
这种年轻恒星的一个突出区域位于NGC 206中，在两张图像的左下角清晰可见。这个巨大的恒星形成区域由于其超热和明亮的 O 型和 B 型恒星以及光散射的星际尘埃而呈现蓝色。它在中等大小的范围内很容易看到。
M31 核心的两个令人困惑的分量显示在这张哈勃太空望远镜的图像中。右下角较暗的那个包含了星系的超大质量黑洞。图片来源：NASA/ESA
向内看
仙女座星系拥有大约 500 个不同年龄、大小和恒星组成的球状星团。相比之下，银河系只有大约 160 个球状星球。是什么导致了两个星系之间的这种巨大差异尚不清楚，但它清楚地反映了它们随时间演化的差异。M31中一些更大、更亮的球状星团可以用中型望远镜分辨。根据我的经验，高质量的 10 英寸瞄准镜、黑暗的天空和适当的识别图表使发现球状物体成为一个具有挑战性但有趣的项目。（ 菲尔·哈灵顿 （Phil Harrington） 的【宇宙挑战：业余爱好者的终极观测清单】（Cosmic Challenge： The Ultimate Observing List for Amateurs ） [剑桥大学出版社，2019 年] 提供了几个这样的挑战 。
罗伯茨会惊讶地发现，他拍摄的M31历史照片也记录了NGC 206和几个球状星团。将他的照片底片与现代照片（上面底部的两张照片）的底片并排比较清楚地表明了这一点。球状星团 G76 位于星系的西南臂，具有最大的视亮度。鉴于 1888 年市面上最先进的照相底片的低灵敏度和颗粒状，罗伯茨的成就确实非同寻常。
由于先进的技术和太空望远镜，我们对仙女座大星系的结构、组成和演化的理解正在迅速提高，这使得获得包括远紫外 （UV） 和红外 （IR） 在内的广泛波长的数据成为可能——这两者都无法通过地面望远镜获得。例如，美国宇航局的星系演化探测器 （GALEX） 太空望远镜在远紫外光和近紫外光下捕捉图像，揭示了在旋臂中形成的炽热年轻恒星。
同样，来自斯皮策太空望远镜的红外图像揭示了有关这个巨大星系的更多层次信息。除了突出它的尘埃波（红色）外，红外数据还揭示了更老的恒星（蓝色）。像这样的图像让天文学家可以通过测量星系的总红外亮度来估计星系的质量。从这些数据中，研究人员推断出 M31 包含大约 1 万亿颗恒星——银河系有 4000 亿颗恒星。
在斯皮策太空望远镜上用 IRAC 拍摄的 M31 合成图像（上图）区分了恒星（蓝色）和尘埃（红色）。图片来源：NASA/JPL-Caltech/P. Barmby （Harvard-Smithsonian
在仙女座的怀抱中
当谈到仙女座大星系的内部结构时，斯皮策图像表明，两个可能分段的螺旋臂从中央杆向外延伸，从而将其归类为条状螺旋。基于哈勃太空望远镜图像的迹象表明，该星系的核心中不仅有一个，而是两个组成部分。神秘、更亮的被称为 P1，而较暗的被称为 P2;P2 包含一个超大质量黑洞。现在我们知道，虽然 P2 确实是 M31 的真正中心，但更亮的部分实际上是一个由围绕黑洞运行的古老红色恒星组成的椭圆环。计算机模拟测试了不同的情景，以更好地了解这种安排是如何形成的，但细节仍不确定。
迄今为止，关于仙女座星系结构和演化历史的最完整总结是通过结合来自多个不同来源的数据获得的，例如欧洲航天局、美国宇航局、国家射电天文台和 IRAM 射电望远镜（上图）。
未来使用詹姆斯韦伯太空望远镜和其他最先进的仪器进行的观测无疑将为我们提供这个伟大星系的更详细的演化图景——进而延伸到我们的银河系。
