星系是由恒星、星际气体、尘埃及通常存在的暗物质组成，并由引力束缚在一起的庞大系统。星系的规模差异极大，小型星系仅有几千颗恒星，巨型星系则可包含数万亿颗恒星。它们的形态、恒星族群和恒星形成速率也各不相同。包含太阳系的银河系就是一个例子。研究星系既有助于了解单个恒星系统的行为，也有助于理解整个宇宙中结构的演变。(science.nasa.gov)
组成与尺度
星系的可见外观只能反映其组成的一部分。恒星贡献了星系的大部分可见光，而气体和尘埃则为新恒星的形成提供物质。在旋涡星系中，这些成分分布在扁平的盘内，中央通常还有一个核球。包围星系的晕中包含较老的恒星、星团和暗物质。年轻恒星在富含气体的旋臂中尤为显眼，而较老的恒星族群则遍布星系盘、核球和晕。(science.nasa.gov)
星系的大小可跨越数个数量级。已知最小的星系直径可能仅有几百光年，而最大的星系则可超过一百万光年。光年是距离单位，而非时间单位。银河系恒星盘的直径超过十万光年，其周围的其他组成部分还延伸至明亮星系盘以外。实际大小、恒星族群和总质量是不同的属性，因此仅凭视亮度无法描述一个星系的规模。(science.nasa.gov)
形态分类
星系通常按照其可见结构分类：
- **旋涡星系**具有星系盘和旋臂，通常围绕着中央密集的恒星区域。棒旋星系的中心还横贯着一条细长的恒星结构。
- **椭圆星系**外观平滑，呈圆形或拉长的椭圆形。它们通常包含较老的恒星族群，冷气体相对较少，正在进行的恒星形成活动也较为有限。
- **透镜状星系**具有星系盘和中央核球，但没有明显的旋臂。它们的恒星族群和较低的恒星形成活跃程度往往与椭圆星系相似。
- **不规则星系**没有规则的旋涡状或椭圆形轮廓。其中一些因近距离相遇时的引力作用而发生形变，并含有大量气体和尘埃。(science.nasa.gov)
这些类别描述的是外观，并不代表每个星系都必须经历的演化顺序。相互作用的星系可能呈现介于常见类别之间的结构，而并合则可能显著改变星系的形态。根据中心活动进行分类是另一种独立的方法：活动星系也可以是旋涡星系、椭圆星系或不规则星系。(science.nasa.gov)
动力学与暗物质
恒星和气体的运动揭示了质量的分布。星系旋转曲线以距星系中心的距离为横轴、轨道速度为纵轴。在许多盘状星系中，外围的轨道速度保持近似恒定，而不是像质量主要集中在中心时所预期的那样随距离增加而下降。这些测量结果是存在广泛分布的不可见质量成分的重要证据，通常被解释为暗物质晕。(cosmos.esa.int)
暗物质的存在是通过引力效应推断出来的，而非通过其发出的普通光线。根据星系旋转及其他运动的测量结果，星系所需的质量可能远大于可见恒星和气体所能提供的质量。暗物质究竟是什么仍未确定，但在主流模型中，它为星系的形成与组装提供了引力框架。(science.nasa.gov)
形成与演化
在大爆炸之后的早期宇宙中，物质开始向密度较高的区域聚集，星系形成过程由此启动。在以暗物质为基础的模型中，较小的结构通过逐级合并的方式成长为较大的结构。气体在这些结构内聚集，一轮又一轮的恒星形成活动逐渐构建起它们的恒星族群。对遥远星系的观测使研究者能够探究这一过程的不同阶段，而不必仅仅依赖附近已经成熟的星系。(science.nasa.gov)
星系通过吸收气体、形成恒星和星系并合不断演化。在近距离相遇过程中，相互作用的引力会使星系发生形变，而受到压缩的气体则可能引发剧烈的恒星形成活动。由于恒星之间的距离极大，单个恒星通常不会相撞。如果两个星系并合，形成的新星系可能与原来的任何一个都截然不同。(science.nasa.gov)
恒星也会改变星系的化学组成。比氢和氦更重的元素通过包括核合成在内的恒星过程产生，并通过恒星的质量流失和超新星爆发散布出去。因此，后续世代恒星形成时所吸收的气体，其组成不一定与最初的物质相同。富含重元素的物质也可能逸入星系之间的空间。(science.nasa.gov)
中心黑洞与活动
大多数大型星系的中心都有一个超大质量黑洞。周围物质在吸积盘中聚集时，会升温并发出强烈辐射，形成活动星系核。一些系统还会产生高速喷流。类星体属于特别明亮的活动星系核。它们的观测特征部分取决于光度和观测方向。中心黑洞的增长与其宿主星系之间有何关系，仍是重要的研究课题。(science.nasa.gov)
环境与观测
星系往往属于受引力束缚的星系群，或规模更大的星系团。银河系和仙女座星系都属于本星系群。星系团包含数百至数千个星系，以及高温气体和暗物质。星系群、星系团、丝状结构和相对空旷的空洞共同构成了宇宙网；规模更大的超星系团集合通常并不是整体受引力束缚的系统。(science.nasa.gov)
现代对星系的认识，部分源于距离测量。1923年，埃德温·哈勃在仙女座星系中发现了一颗造父变星；后续观测证实，仙女座星系位于银河系之外。如今，深度成像能够观测宇宙历史中不同时期的星系，而光谱学则用于研究它们的化学组成和运动。由于远处的光需要经过一段时间才能抵达我们这里，观测所呈现的是遥远星系在较早演化阶段的样貌。(science.nasa.gov)