河外星係是位於銀河係之外的由幾十億至幾千億顆恒星星雲和星際物質組成的天體係統，簡稱星係。各星係在大小、組成和結構等方麵，彼此差別很大。宇宙中沒有兩個星係的形狀是完全相同的，每一個星係都有自己獨特的外貌。但是由於星係都是在一個有限的條件範圍內形成的，因此它們有一些共同的特點，人們可以對它們進行大體的分類。同時，星係的空間分布也不是隨機的，它們幾乎全都排布成群或團，其每一個的成員星係，少則幾個，多則可達萬個。
本章首先介紹在多種星係分類係統中應用得最廣泛的哈勃星係分類法，詳細闡釋每類星係的形態、結構特征及其典型代表星係；其次介紹雙重星係和多重星係、星係群和星係團、超星係團和總星係；最後介紹星係的起源和演化。
從本質上說，我們無論是用肉眼還是通過望遠鏡仰望夜空看到的一切都是星係，或者說是星係的一部分。當我們談到星係時，需要建立“大”的概念：星係是幾乎無法想象的巨大的引力係統。一直到20世紀20年代初，絕大多數天文學家仍然認為銀河係就是整個宇宙，因為靠當時的觀測技術無法辨別由高密度的氣體和塵埃形成的“星雲”與由恒星係統構成的河外“星係”之間的差異。1924年2月，美國天文學家哈勃運用“變星測量法”，測算出仙女座大星雲與地球的距離，比當時估算的銀河係直徑大得多，並估算出其質量和密度與銀河係大體相當，首次確認了“河外星係”的存在。現在人們觀測到的河外星係已達1000億個，有的離我們較近，可以清楚地觀測到它們的結構，有的非常遙遠，目前所知最遠的星係離我們有近200億光年。有人估計河外星係數目大得驚人，若畫一個半徑為20億光年的圓球，其內含有約30億個星係。
河外星係是指位於銀河係之外的由幾十億至幾千億顆恒星星雲和星際物質組成的天體係統，如同遼闊海洋中星羅棋布的島嶼，因此也被稱為“宇宙島”，簡稱星係。在眾多的星係中，隻有極少很亮的才有專門的名稱，如大、小麥哲倫星係，仙女座大星係等，絕大多數河外星係則用某個星雲星團表裏的號數來命名，如M31、M104、M82、NGC1300（M代表梅西耶星表編號，NGC代表新星雲和星團總表編號）。盡管有些諸如河外星雲之類的稱呼應改為星係，但由於曆史原因，人們至今還沿用著。
各星係在大小、組成和結構等方麵彼此差別很大，但它們幾乎全都排布成群或團，其每一個的成員星係，少則幾個，多則可達萬個。星係的直徑通常以幾萬光年計。在一個星係團內，星係之間的平均距離為100萬～200萬光年。星係團之間的間距可能再大上百倍。每個星係均由為數眾多（大多是從幾億個到萬億個）的恒星組成。在許多星係（如銀河係）中，都能檢測到由星際氣體和塵粒組成的星雲。
2.1星係類型
2.1.1星係的分類
宇宙中沒有哪兩個星係的形狀是完全相同的，每一個星係都有自己獨特的外貌。但是由於星係都是在一個有限的條件範圍內形成的，因此它們有一些共同的特點，這使人們可以對它們進行大致的分類。在多種星係分類係統中，天文學家哈勃於1926年提出的分類係統是應用得最廣泛的一種。哈勃根據星係的形態把它們分成三大類：橢圓星係、旋渦星係和不規則星係。
通過觀測和統計表明，星係中旋渦星係所占比例最大，不規則星係占比例最少。在已觀測到的數千億個星係中，橢圓星係約占17％，標準旋渦星係占50％，棒旋星係占30％，不規則星係隻占3％。
2.1.2橢圓星係
橢圓星係由於自旋速度快慢不同而使橢圓扁率有所不同，自旋越快，橢圓越大，星係越扁。橢圓星係的特點是中心區最亮，亮度由中心向邊緣遞減。由於中心區星體過於密集，所以想分辨它們是極為困難的，隻有離地球比較近的橢圓星係才能用大型望遠鏡分辨出其外圍的成員——恒星。
同一類型的河外星係質量差別很大，有巨型星係和矮型星係之分，其中以橢圓星係的質量差別最大。質量最小的矮橢圓星係和球狀星團相當，而質量最大的超巨型橢圓星係可能是宇宙中最大的恒星係統，質量範圍約為太陽的千萬倍到百萬億倍。
橢圓星係的直徑範圍是1～15萬秒差距。總光譜型為K型，是紅巨星的光譜特征，顏色比旋渦星係紅，說明年輕的成員星沒有旋渦星係裏的多。
M87M87是一個著名的巨型橢圓星係，位於春夜星空的室女座，在梅西耶星表中的編號為87，NGC編號為4486。它是一種外觀和我們銀河係非常不同的星係，就以橢圓星係來說，M87也是一個很奇特的星係。這個星係位於室女座星係團的中心，比一般的星係要大很多，直徑足足有12萬光年，比我們的銀河係還要大，離我們約有5000萬光年。在這張影像中，擁有大量的由無數顆恒星組成的古老球狀星團，這些球狀星團是環拱著M87明亮核心的昏暗亮斑。一般來說，橢圓星係所擁有的恒星數量和旋渦星係差不多，不過在外觀上，它具有渾圓的外貌，這點和扁平的旋渦星係非常不同。除此之外，它沒有旋臂結構，含有極少量的雲氣和塵埃。M87是最明亮的橢圓星係之一，視亮度為8.6等，它的角直徑（觀察天體時，通常以地球上看到的大小來描述，單位是角，這就是角直徑）大約為7分，我們通過一架口徑20厘米左右的小型天文望遠鏡就能欣賞到這個著名的橢圓星係。
由於M87有一個巨大的噴流，所以受到天文學家特別的關注。噴流又稱宇宙噴流或宇宙噴流燈。M87是一個非常活躍的星係，早在1918年，天文學家就已經發現M87是一個很不一般的橢圓星係，他們觀測到從橢圓星係M87的核心向外發出一條細而直的光束，長度大約達5000光年，就像是M87噴出的一束發光流體，頗為壯觀，噴流由此而得名，M87也因此而出名。受到當時觀測設備水平的限製，無法對M87的噴流進行更深入細致的觀測和研究。但是從此天文學家就一直對M87的噴流牽腸掛肚，始終給予高度的關注。20世紀中期射電天文學蓬勃發展起來之後，人們在室女座方向發現了一個很強的射電源，命名為室女座α。隨後又發現室女座α原來就來自M87和它的噴流。天文學家發現M87具有奇異的巨大噴流現象已經很多年了，而且這道起源自M87星係核心的巨大噴流始終存在著。M87這巨大的噴流到底是怎麼產生的？究竟是什麼樣的神奇力量能讓巨大的噴流長期保持永不消失？雖然這個問題已經爭論了許多年，但是直到如今仍然沒有得到一個統一的認識。目前比較流行的觀點認為，M87的噴流是在一個相當於24億個太陽質量的巨大黑洞的作用下產生的，這個質量巨大的黑洞就隱藏在這個橢圓星係的核心。M87為我們提供了一個探索星係和黑洞奧秘的極好的活樣本。
2.1.3旋渦星係
旋渦星係是目前觀測到的數量最多、外形最美麗的一種星係。它的形狀很像江河中的旋渦，因此而得名。這類星係在其對稱麵附近含有大量的彌漫物質，從正麵看，形狀像旋渦；從側麵看，呈梭狀。銀河係、仙女座星雲、三角座星雲都是這種類型的星係。
旋渦星係無論在形態結構上還是在恒星成分上同橢圓星係都有很大的不同。旋渦星係是一個盤狀結構，裏麵通常有一個直徑5萬～15萬光年的星係球核，通常由第二星族的恒星組成。許多球核被認為在核心有超重黑洞寄宿著，這些黑洞雖從未被直接觀察到，但許多都能間接證明其存在。球核有些特性與橢圓星係相似（縮減至較低的質量和光度）。大多數情況下，核心隆起部分接近於球體，一般球核的厚度約為整個星係直徑的1/10，其直徑大者，可達直徑的一半。
大量的塵埃和氣體分布在星係盤上。這些由星團、單個恒星或許還有其他物質構成一個稀疏的、或多或少為球狀的暈，叫作星係暈。從側麵看，它在主盤麵上呈現為一條窄的塵埃帶，有明顯的消光現象。星係暈能伸展到盤結構之外很遠處，並擁有星係總質量的大部分，其中主要是第二星族天體，其典型代表是球狀星團。一個中等質量的旋渦星係往往有100～300個球狀星團，這些星團隨機地散布在星係盤周圍空間。
仙女座星係M31是一個典型的巨型旋渦星係，在梅西耶星表中的編號為31，NGC編號為224，是秋夜星空中最美麗的天體係統，也是第一個被證明是河外星係的天體係統，還是肉眼可以看見的最遙遠的天體係統（3.5等星）。當時人們尚不知道它是旋渦星係，把它與氣體星雲混淆在一起而取名為“仙女座大星雲”，至今人們仍然喜歡這樣稱呼它。
M31離銀河係很近，距太陽大約220萬光年，其旋臂是由發射狀星雲和疏散星團組成的條帶，用肉眼就能隱隱約約地看到它，宛如天穹上漂浮著的一片薄雲。仙女座M31的直徑大約有18萬光年，裏麵有約4000億顆恒星。在彩圖中，M31的細節披露得非常清楚。中央是由第二星族的恒星組成的核部。各旋臂是由發射星雲、暗淡無光的氣體、銀河星團和藍巨星組成的條帶，上述成員均為第一星族天體。旋臂雖然很亮，但核部以外的光主要來自一個由光度等於或略小於巨星的恒星組成的墊層。旋臂就疊加在這個幾近透明的恒星墊層上，因此透過旋臂之間的墊層部分仍能看到更遙遠的星係。觀測結果表明，墊層的形狀類似於橢球，它分布在星係中央平麵的上下，富含球狀星團，其顏色比旋臂稍紅，因此可能屬於第二星族。
風車星係（M101、NGC5457）是旋渦星係的又一個範例，位於大熊座，正麵朝向地球，距離地球大約2100萬光年（600萬秒差距）。皮埃爾·梅香在1781年3月27日發現了風車星係，將它描述為“沒有恒星的星雲，非常黑暗和巨大，視直徑有6~7分”，隨後他將此發現轉達給梅西耶，梅西耶在核對了位置之後將之登錄於梅西耶目錄中，並作為最後一個記錄。2006年2月28日，美國國家航空航天局（NASA）和歐洲太空局（ESA）發布了一張風車星係非常詳細的照片，在當時，那張照片是哈勃太空望遠鏡所拍的最大和最詳細的星係照片。
與銀河係比較，M101真的是一個大星係，它的直徑約17萬光年，幾乎是銀河係的兩倍。其質量最常被引用的數值是160億倍太陽質量，但這個數值毫無疑問是偏低的，因為M101的低亮度會導致這樣的低估。另一個值得關注的是這個星係巨大且極端明亮的氫遊離區，在照片上有3000處之多。氫遊離區是在星係之中，因自身的引力而收縮的高密度氫雲氣區，當局部地區的氫原子密度足以引發氫融合反應時，新的恒星就將誕生。理所當然的，氫遊離區經常有許多非常明亮和高溫的年輕恒星，促使雲氣呈現藍色。
另一方麵，這次遭遇也增強了M101螺旋臂的密度波，增強的密度波導致星係間的氫氣體被壓縮，觸發了強烈的恒星形成活動。近代觀測發現，風車星係M101裏有超新星爆發，而且亮度攀升至10等左右。M101離銀河係的距離是2100萬光年，換句話說，地球在恐龍時代，這顆超新星就爆發了，它的光芒用了2100萬年穿越宇宙到達地球時，主宰這個星球的並非恐龍，而是人類了。
三角座星係（M33、NGC598）是位於北天三角座的一個螺旋星係。三角座星係在本星係群中是第三大的星係，直徑超過五萬光年，比鄰近的仙女座係和我們的銀河係略小一些，並可能受到仙女座星係的重力約束，但在宇宙中仍可算是一個大的螺旋星係。在良好的觀測環境下，三角座星係能以肉眼直接看見。
M33距離銀河係約有三百萬光年，位置很靠近仙女座星係。而從地球看出去，這幅由27張照片拚湊出來的極清晰M33馬賽克影像，美妙地呈現出星係鬆散漩渦臂上的藍色星係團和粉紅色恒星形成區。其中洞穴狀的NGC604，是從星係中心向右上方伸展之漩渦臂上最明亮的恒星形成區。像M31一樣，M33眾多已經經過精確量測的變星，讓這個鄰近的螺旋星係成為一個測定宇宙距離尺度的宇宙量天尺。
草帽星係（M104、NGC4594）又稱闊邊帽星係、墨西哥帽星係。是室女座星係團南沿最大的成員星係之一，大小約為五萬光年，距離地球2800萬光年，屬於Sa-Sb型旋渦星係，光度8.7等。因星係中央隆起明亮的核（事實上是球狀星團）與核附近像草帽的帽簷般向四周輻射散開的宇宙灰塵，使其看起來好似一頂墨西哥草帽而得名。草帽星係壯觀的塵埃環，它孕育了許多年輕的亮星，環上有許多細致的特殊結構，到現在為止，天文學家對它的成因並不完全了解。草帽星係的中心，在電磁波波譜的各種波長上都發出很強的輻射，天文學家相信，它的核心可能藏著一個大黑洞。
棒旋星係是旋渦星係的變體，是一種有棒狀結構貫穿星係核的旋渦星係。按全天的亮星係統計，棒旋星係約占15％；按較暗的星係統計，棒旋星係所占比例提高到25％。棒旋星係在質量、光度和光譜，成員天體的星族類型、氣體和塵埃的分布，星係盤和星係暈的結構以及空間分布的特征等方麵，都和正常旋渦星係相似。棒旋星係運動方麵的特征是：核心常為一個大質量的快速旋轉體，運動狀態和空間結構複雜，棒狀結構內部和附近的氣體、恒星都有非圓周運動。星係盤在星係的外部居主要地位，占星係質量的很大一部分。棒狀結構的光度占星係光度的10%～20％，顏色往往比旋臂紅。
NGC1300是波江座的一個棒旋星係，其大小超過10萬光年，距離地球6100萬光年。2004年9月，哈勃望遠鏡曾為它拍過照片，在龐大的棒狀結構的星係中心有一個3300光年的螺旋結構。
2.1.4透鏡星係
透鏡星係是橢圓星係和旋渦星係之間的過渡型星係，因外形像側視的透鏡而得名。這類星係可分為無臂旋渦星係S0和無臂棒旋星係SB0兩種。透鏡星係與橢圓星係的主要區別是透鏡星係有星係盤，橢圓星係沒有星係盤；透鏡星係與旋渦星係的主要區別是旋渦星係有旋臂，透鏡星係沒有旋臂。
北京時間2008年2月22日，歐洲的科學家稱利用哈勃太空望遠鏡在遙遠的宇宙中發現了67個引力透鏡星係。這些引力透鏡星係是在橢圓形或透鏡形的超大質量星係周圍發現的，並表現出了極少量沒有旋臂或螺旋盤的氣體和塵埃。
2.1.5不規則星係
人們觀測到的許多星係在哈勃星係序列中都找不到合適的位置，無法將其分類為橢圓星係或旋渦星係，這些星係被稱為不規則星係，它們沒有對稱結構，或者根本就沒有任何結構可言。不規則星係沒有核球，盡管有時它們看起來是某種結構的殘餘（Ⅰ型不規則星係），但仍不足以憑此將它們納入哈勃星係序列。Ⅱ型不規則星係則根本沒有任何結構。
在早期哈勃的原始分類中，通常把既不是橢圓星係也不是旋渦星係的星係都歸到不規則星係裏，但今天更通常的做法是進一步將這些星係區分為“正常”不規則星係和特殊星係。不規則星係不是宇宙中的特例，天文學家認為全部星係中有1/5的星係在某種程度上可以歸為不規則星係或特殊星係。
不規則星係一般較小，多屬於矮星係，其質量從10萬~1000萬個太陽質量不等，尺度範圍為一千至幾十萬光年，是名副其實的“小人國”。在全天最亮星係中，不規則星係隻占3%。在光譜中它顯示為O、B型，為藍白色星，含有大量的氦和氫等氣體，其中年輕的恒星很多，有些還是剛剛誕生的。