河外星系是位于银河系之外的由几十亿至几千亿颗恒星星云和星际物质组成的天体系统，简称星系。各星系在大小、组成和结构等方面，彼此差别很大。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的，因此它们有一些共同的特点，人们可以对它们进行大体的分类。同时，星系的空间分布也不是随机的，它们几乎全都排布成群或团，其每一个的成员星系，少则几个，多则可达万个。
本章首先介绍在多种星系分类系统中应用得最广泛的哈勃星系分类法，详细阐释每类星系的形态、结构特征及其典型代表星系；其次介绍双重星系和多重星系、星系群和星系团、超星系团和总星系；最后介绍星系的起源和演化。
从本质上说，我们无论是用肉眼还是通过望远镜仰望夜空看到的一切都是星系，或者说是星系的一部分。当我们谈到星系时，需要建立“大”的概念：星系是几乎无法想象的巨大的引力系统。一直到20世纪20年代初，绝大多数天文学家仍然认为银河系就是整个宇宙，因为靠当时的观测技术无法辨别由高密度的气体和尘埃形成的“星云”与由恒星系统构成的河外“星系”之间的差异。1924年2月，美国天文学家哈勃运用“变星测量法”，测算出仙女座大星云与地球的距离，比当时估算的银河系直径大得多，并估算出其质量和密度与银河系大体相当，首次确认了“河外星系”的存在。现在人们观测到的河外星系已达1000亿个，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近200亿光年。有人估计河外星系数目大得惊人，若画一个半径为20亿光年的圆球，其内含有约30亿个星系。
河外星系是指位于银河系之外的由几十亿至几千亿颗恒星星云和星际物质组成的天体系统，如同辽阔海洋中星罗棋布的岛屿，因此也被称为“宇宙岛”，简称星系。在众多的星系中，只有极少很亮的才有专门的名称，如大、小麦哲伦星系，仙女座大星系等，绝大多数河外星系则用某个星云星团表里的号数来命名，如M31、M104、M82、NGC1300（M代表梅西耶星表编号，NGC代表新星云和星团总表编号）。尽管有些诸如河外星云之类的称呼应改为星系，但由于历史原因，人们至今还沿用着。
各星系在大小、组成和结构等方面彼此差别很大，但它们几乎全都排布成群或团，其每一个的成员星系，少则几个，多则可达万个。星系的直径通常以几万光年计。在一个星系团内，星系之间的平均距离为100万～200万光年。星系团之间的间距可能再大上百倍。每个星系均由为数众多（大多是从几亿个到万亿个）的恒星组成。在许多星系（如银河系）中，都能检测到由星际气体和尘粒组成的星云。
2.1星系类型
2.1.1星系的分类宇宙中没有哪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的，因此它们有一些共同的特点，这使人们可以对它们进行大致的分类。在多种星系分类系统中，天文学家哈勃于1926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，E代表是椭圆，数字是椭圆的扁平程度，0是球形的，也可以当作是巨大的球状星团，7是像铁饼的形状。
在椭圆星系之后是旋涡星系，它分为两支：一支是中央无棒状结构的正常棒旋星系，用S表示；另一支是中央有棒状结构的旋涡星系，用SB表示。
正常旋涡星系从S0开始，表示透镜星系，介于椭圆星系和旋涡星系之间过渡阶段的星系，S的意思是旋涡，0则表示没有旋臂。在这个分支上还有3种形式，都有旋臂的结构，S代表相同的意义，但后面跟随的小写字母则表示星系核的大小和旋臂缠绕的松紧程度。从a到c的含义如下：Sa表示旋臂紧缠且光滑，中心的核心明亮；Sb表示旋臂比较明确，但比Sa的松散；Sc表示旋臂比Sb更为宽松。
棒旋星系中星系都以SB来表示，后随的字母也是表示棒状结构的明确程度，从a到c的含义如下：SBa表示有明亮的核心和紧缠的旋臂；SBb表示旋臂比SBa的结构松散；SBc表示旋臂更加松散，而且中央的核心也较为黯淡。
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。
近年来人们对哈勃星系分类补充了一些类型。这里提出几个常见的类型：Sd和SBd表示核很小、旋臂断断续续、一块一块的，Sd位于Sc之后，SBd位于SBc之后；SM表示麦哲伦云型的星系；dE表示矮椭圆星系，这类星系不像大型星系那样明亮，质量也很小，有的同球状星团差不多，但其数量非常多，银河系附近就有许多矮星系，其数量比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；CD表示特殊的巨椭圆星系；射电星系，是指有较强的射电辐射的星系；活动星系，这是一些核心部分非常明亮而且有强烈活动的星系，星系核发出的光往往占星系总辐射的大半（中心有一个超大质量的黑洞），类星体就属于这类星系，它又包括很多种类型如塞佛特星系、致密星系、马卡良星系等。
通过观测和统计表明，星系中旋涡星系所占比例最大，不规则星系占比例最少。在已观测到的数千亿个星系中，椭圆星系约占17％，标准旋涡星系占50％，棒旋星系占30％，不规则星系只占3％。
2.1.2椭圆星系
椭圆星系由于自旋速度快慢不同而使椭圆扁率有所不同，自旋越快，椭圆越大，星系越扁。椭圆星系的特点是中心区最亮，亮度由中心向边缘递减。由于中心区星体过于密集，所以想分辨它们是极为困难的，只有离地球比较近的椭圆星系才能用大型望远镜分辨出其外围的成员——恒星。
同一类型的河外星系质量差别很大，有巨型星系和矮型星系之分，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，质量范围约为太阳的千万倍到百万亿倍。
椭圆星系的直径范围是1～15万秒差距。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。
椭圆星系M87M87是一个著名的巨型椭圆星系，位于春夜星空的室女座，在梅西耶星表中的编号为87，NGC编号为4486。它是一种外观和我们银河系非常不同的星系，就以椭圆星系来说，M87也是一个很奇特的星系。这个星系位于室女座星系团的中心，比一般的星系要大很多，直径足足有12万光年，比我们的银河系还要大，离我们约有5000万光年。在这张影像中，拥有大量的由无数颗恒星组成的古老球状星团，这些球状星团是环拱着M87明亮核心的昏暗亮斑。一般来说，椭圆星系所拥有的恒星数量和旋涡星系差不多，不过在外观上，它具有浑圆的外貌，这点和扁平的旋涡星系非常不同。除此之外，它没有旋臂结构，含有极少量的云气和尘埃。M87是最明亮的椭圆星系之一，视亮度为8.6等，它的角直径（观察天体时，通常以地球上看到的大小来描述，单位是角，这就是角直径）大约为7分，我们通过一架口径20厘米左右的小型天文望远镜就能欣赏到这个著名的椭圆星系。
由于M87有一个巨大的喷流，所以受到天文学家特别的关注。喷流又称宇宙喷流或宇宙喷流灯。M87是一个非常活跃的星系，早在1918年，天文学家就已经发现M87是一个很不一般的椭圆星系，他们观测到从椭圆星系M87的核心向外发出一条细而直的光束，长度大约达5000光年，就像是M87喷出的一束发光流体，颇为壮观，喷流由此而得名，M87也因此而出名。受到当时观测设备水平的限制，无法对M87的喷流进行更深入细致的观测和研究。但是从此天文学家就一直对M87的喷流牵肠挂肚，始终给予高度的关注。20世纪中期射电天文学蓬勃发展起来之后，人们在室女座方向发现了一个很强的射电源，命名为室女座α。随后又发现室女座α原来就来自M87和它的喷流。天文学家发现M87具有奇异的巨大喷流现象已经很多年了，而且这道起源自M87星系核心的巨大喷流始终存在着。M87这巨大的喷流到底是怎么产生的？究竟是什么样的神奇力量能让巨大的喷流长期保持永不消失？虽然这个问题已经争论了许多年，但是直到如今仍然没有得到一个统一的认识。目前比较流行的观点认为，M87的喷流是在一个相当于24亿个太阳质量的巨大黑洞的作用下产生的，这个质量巨大的黑洞就隐藏在这个椭圆星系的核心。M87为我们提供了一个探索星系和黑洞奥秘的极好的活样本。
2.1.3旋涡星系
旋涡星系是目前观测到的数量最多、外形最美丽的一种星系。它的形状很像江河中的旋涡，因此而得名。这类星系在其对称面附近含有大量的弥漫物质，从正面看，形状像旋涡；从侧面看，呈梭状。银河系、仙女座星云、三角座星云都是这种类型的星系。
旋涡星系无论在形态结构上还是在恒星成分上同椭圆星系都有很大的不同。旋涡星系是一个盘状结构，里面通常有一个直径5万～15万光年的星系球核，通常由第二星族的恒星组成。许多球核被认为在核心有超重黑洞寄宿着，这些黑洞虽从未被直接观察到，但许多都能间接证明其存在。球核有些特性与椭圆星系相似（缩减至较低的质量和光度）。大多数情况下，核心隆起部分接近于球体，一般球核的厚度约为整个星系直径的1/10，其直径大者，可达直径的一半。
大量的尘埃和气体分布在星系盘上。这些由星团、单个恒星或许还有其他物质构成一个稀疏的、或多或少为球状的晕，叫作星系晕。从侧面看，它在主盘面上呈现为一条窄的尘埃带，有明显的消光现象。星系晕能伸展到盘结构之外很远处，并拥有星系总质量的大部分，其中主要是第二星族天体，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，这些星团随机地散布在星系盘周围空间。
仙女座星系M31是一个典型的巨型旋涡星系，在梅西耶星表中的编号为31，NGC编号为224，是秋夜星空中最美丽的天体系统，也是第一个被证明是河外星系的天体系统，还是肉眼可以看见的最遥远的天体系统（3.5等星）。当时人们尚不知道它是旋涡星系，把它与气体星云混淆在一起而取名为“仙女座大星云”，至今人们仍然喜欢这样称呼它。
M31离银河系很近，距太阳大约220万光年，其旋臂是由发射状星云和疏散星团组成的条带，用肉眼就能隐隐约约地看到它，宛如天穹上漂浮着的一片薄云。仙女座M31的直径大约有18万光年，里面有约4000亿颗恒星。在彩图中，M31的细节披露得非常清楚。中央是由第二星族的恒星组成的核部。各旋臂是由发射星云、暗淡无光的气体、银河星团和蓝巨星组成的条带，上述成员均为第一星族天体。旋臂虽然很亮，但核部以外的光主要来自一个由光度等于或略小于巨星的恒星组成的垫层。旋臂就叠加在这个几近透明的恒星垫层上，因此透过旋臂之间的垫层部分仍能看到更遥远的星系。观测结果表明，垫层的形状类似于椭球，它分布在星系中央平面的上下，富含球状星团，其颜色比旋臂稍红，因此可能属于第二星族。
风车星系（M101、NGC5457）是旋涡星系的又一个范例，位于大熊座，正面朝向地球，距离地球大约2100万光年（600万秒差距）。皮埃尔·梅香在1781年3月27日发现了风车星系，将它描述为“没有恒星的星云，非常黑暗和巨大，视直径有6~7分”，随后他将此发现转达给梅西耶，梅西耶在核对了位置之后将之登录于梅西耶目录中，并作为最后一个记录。2006年2月28日，美国国家航空航天局（NASA）和欧洲太空局（ESA）发布了一张风车星系非常详细的照片，在当时，那张照片是哈勃太空望远镜所拍的最大和最详细的星系照片。
与银河系比较，M101真的是一个大星系，它的直径约17万光年，几乎是银河系的两倍。其质量最常被引用的数值是160亿倍太阳质量，但这个数值毫无疑问是偏低的，因为M101的低亮度会导致这样的低估。另一个值得关注的是这个星系巨大且极端明亮的氢游离区，在照片上有3000处之多。氢游离区是在星系之中，因自身的引力而收缩的高密度氢云气区，当局部地区的氢原子密度足以引发氢融合反应时，新的恒星就将诞生。理所当然的，氢游离区经常有许多非常明亮和高温的年轻恒星，促使云气呈现蓝色。