6.银河系和其他星系
定 义：我们的银河系只是浩瀚宇宙中的亿万星系之一。
发现历史：1864年左右，威廉·哈金斯证认出一些遥远的星系是由大量恒星组成的。
关键突破：1925年，埃德温·哈勃（Edwin Hubble）用造父变星（Cepheid variable stars，编注：变星的一种，它的光变周期与它的光度成正比，因此可用于测量星际和星系际的距离）直接测量了星系的距离。
重要意义：确定宇宙真实大小对于理解我们在其中的位置至关重要。
银河系的直径有10万光年，其中包含了大约2000亿颗像太阳这样的恒星，虽然这已经远远超出了人类的理解能力，然而现实是，即使是银河系这样庞大的旋涡状恒星系统，相对于浩瀚宇宙而言，也不过是海滩上的一粒沙子。
随着18、19世纪望远镜的不断改进，我们能够观测到更多类型的天体，其中就包括夜空中的弥漫光斑。法国天文学家查尔斯·梅西耶（Charles Messier）等人在1774年编制了第一个这类天体的目录。英国天文学家威廉·赫歇尔和约翰·赫歇尔（John Herschel，译注：他是威廉·赫歇尔的儿子）花了大量时间研究这些天体，并分析它们的结构。其中一些天体被证明是松散的恒星汇集而成的恒星群体，另外一些则是紧密聚集在一起的球状恒星群体。也有一些是纤细丝缕般弥漫的光斑，有些内部显然还嵌有恒星，还有些是有着泡状结构或者旋涡状结构的。在19世纪80年代，丹麦‒爱尔兰天文学家德雷尔（J.L.E. Dreyer）编制了颇具影响力的非恒星天体新总表（（NewGeneral Catalogue of non-stellar objects，在表中他将这些天体分类为疏散星团、球状星团、弥漫星云、行星状星云和旋涡星云（译注：旋涡星云实际上是指旋涡星系，虽然由于宇宙膨胀，遥远星系的光谱确实都表现为宇宙学红移，但是邻近星系相对于我们银河系的不同运动方向，其光谱有时会展现出多普勒红移，有时会表现为多普勒蓝移。比如仙女星云，也就是仙女星系，因为正在向银河系靠近，所以其光谱展现的是蓝移）。
探测旋涡星云
19世纪后期，天文学家们利用摄影技术，通过长时间曝光来捕捉这些天体的光线，照相所揭示的细节比通过目镜直接看到的要多得多。从1864年开始，天文学家威廉·哈金斯将照相技术和光谱学结合起来，收集了各种星云的光谱，结果他发现许多星云都具有发射谱，虽然只发射几种特定波长的光，但大多数星云被证明具有吸收谱，即连续光谱上叠加了数十条暗线。这表明弥散星云是由发光气体组成的，而旋涡形、球形或椭圆形的星云则包含了恒星。
一些天文学家认为，旋涡星云尤为可能是正在形成中的太阳系，但是其他人则认为要么它们绕着银河系旋转，要么它们本身就是遥远的星系。一个启发性的事实是，旋涡星云通常远离银河系的平面，位于天空中相对空旷的区域。
仙女座星系是天空中最显眼的“旋涡星云”，也是最容易观察到的银河系以外的星系。图中方框标示的区域包含了埃德温·哈勃观测到的第一颗造父变星，通过它的光变，哈勃首次揭示了这个旋涡星系离我们的实际距离超过200万光年。
“大辩论”
1909年左右，在位于美国亚利桑那州弗拉格斯塔夫的洛厄尔天文台（Lowell Observatory），维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）对星云光谱进行了广泛的研究。1912年，斯里弗取得了重大突破，他发现一些旋涡星云的吸收线从正常位置向光谱的红端移动。夜空中最亮的旋涡星云是仙女星云（Andromeda Nebula）。斯里弗将这些“红移”解释为多普勒效应，表明旋涡星云正高速离开我们。这一发现为此后埃德温·哈勃发现宇宙膨胀铺平了道路，但也进一步证明了旋涡星云位于银河系之外。1913年，斯里弗还通过识别旋涡星云接近边缘和远离边缘的微小红移差异，发现了旋涡星云正在缓慢旋转。
到20世纪20年代早期，天文学家们分裂为两大阵营，其中一派认为宇宙是紧凑的，并不比银河系本身大多少，另外一派则认为宇宙要大得多，其范围一直延伸到我们难以想象的遥远距离。1920年，在史密森尼博物馆（Smithsonian Institution）的一次颇具影响的辩论中，天文学家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）和希伯·柯蒂斯（Heber D. Curtis）讨论了论辩双方的证据。这场“大辩论”在5年后才得到解决，这得感谢亨丽爱塔·勒维特（Henrietta Swan Leavitt）、埃纳尔·赫茨普龙（Ejnar Hertzsprung）和埃德温·哈勃等天文学家的工作。
“天文学家们分裂为两大阵营，其中一派认为宇宙是紧凑的，另外一派则认为宇宙要大得多，其范围一直延伸到我们难以想象的遥远距离。”
测量距离
通过使用一种被称为造父的变星，勒维特帮助建立了宇宙距离尺度。造父变星是一种黄超巨星，以数天到数月为周期改变其自身的亮度。1912年，勒维特证认并测量了几颗造父变星的亮度变化。这些造父变星都位于大麦哲伦星云（LMC）中，使得勒维特能够假设这些恒星的距离大致相同，因此它们的视亮度的不同反映了实际光度的差异。这揭示了一种周期‒光度关系：一颗造父变星越明亮，它的光变周期就越长。
此后不久，丹麦天文学家埃纳尔·赫茨普龙独立测定了银河系中几个相对较近的造父变星的距离，这有助于确定距离尺度。赫茨普龙又估计了勒维特选用的大麦哲伦星云中那些造父变星的距离，结果让人瞠目结舌，它们距离我们16万光年，这表明大麦哲伦星云确实远在银河系之外。
在20世纪20年代，埃德温·哈勃使用美国加利福尼亚州威尔逊山天文台（Mount Wilson Observatory）的2.5米（100英寸）胡克望远镜（Hooker Telescope）测量了一些最亮的旋涡星云，并证认了其中的造父变星。1925年，哈勃发表了他的研究结果，即这些旋涡星云通常距离我们数百万甚至数千万光年远。哈勃继续研究并得到了进一步的发现，这一发现改变了我们对宇宙的看法和我们在其中的位置。后来，以他的名字命名的哈勃空间望远镜（HST）将他的工作继续向前推进。
埃德温·哈勃毫无疑问地确定，我们的星系只是亿万星系之一。现在天文学家们认为，宇宙中的星系数量就像银河系中的恒星一样多。通过哈勃空间望远镜和其他天文台在空间和地面上的工作，我们对这些恒星之城的起源和结构了解得越来越多。
这幅计算机可视化图像来自大型强子对撞机（LHC）的紧凑型μ介子螺线管探测器（CMS）实验，实验捕获了一次两个高速行进的质子之间的对撞。对撞将两个质子的质量转化为能量，从而产生一大堆亚原子粒子。