【天文學(xué)】第四講-銀河系-河外星系-2

§4.4核球和銀暈

1.核球(bulge)(1)特點(diǎn)銀心在人馬座方向，橢球形，大小~6×4kpc，恒星分布十分密集，數(shù)密度~1,600ly-3,是銀河系平均恒星密度的105倍。

GC(2)光學(xué)觀測(cè)

在光學(xué)波段，核球附近區(qū)域受星際氣體和塵埃的遮擋。輻射主要來(lái)自年老的星族I天體（如紅巨星）。

(3)紅外與射電觀測(cè)

觀測(cè)表明銀心區(qū)域的恒星分布高度密集（~5×104

pc-3)，比太陽(yáng)附近恒星密度高107倍。對(duì)銀心區(qū)域的近紅外(2.2μm)觀測(cè)（輻射主要來(lái)自年老的星族I恒星）強(qiáng)射電源——人馬座(Sagittarius)A銀心的射電觀測(cè)銀心周圍100ly范圍：從人馬座A延伸出射電弧，平行射電弧與銀道面垂直，射電弧的形態(tài)與本地磁場(chǎng)有關(guān)。

銀心的射電觀測(cè)銀心周圍10ly

范圍：熱電離氣體的熱輻射，旋臂狀形態(tài)。(4)銀心(nucleus)

由銀心附近恒星的運(yùn)動(dòng)推測(cè)在銀心集中了~3×106M⊙的質(zhì)量。人馬座A的尺度<10AU

大質(zhì)量的黑洞?銀心附近紅巨星的運(yùn)動(dòng)2000年10月26日Chandra衛(wèi)星觀測(cè)到銀心X射線源的爆發(fā)現(xiàn)象。在幾分鐘內(nèi)，亮度增大約45倍。約3小時(shí)后，亮度快速回落到爆發(fā)前的水平。造成光變的原因被認(rèn)為是大質(zhì)量黑洞的物質(zhì)吸積。2.銀暈

(1)球狀星團(tuán)年老的星族II恒星、以銀心為中心球狀分布，在橢圓軌道上繞銀心旋轉(zhuǎn)（V~100kms-1），離銀心最遠(yuǎn)距離達(dá)100kpc。

(2)熱氣體Chandra衛(wèi)星的觀測(cè)表明在銀暈中存在大量的熱氣體。熱氣體暈（X射線）銀盤內(nèi)恒星（光學(xué)）(3)暗物質(zhì)(darkmatter)

由銀河系的自轉(zhuǎn)曲線得知，銀暈中的不可見物質(zhì)質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)銀河系可見物質(zhì)質(zhì)量。暗物質(zhì)的特征：在所有波段都不產(chǎn)生輻射，僅有引力作用。暗物質(zhì)的可能成分： ①M(fèi)ACHOs(MassiveCompactHaloObjects)

如褐矮星、行星、致密星、電離氣體等。

②WIMPs(WeaklyInteractingMassiveParticles)

如質(zhì)量非零的中微子或其他未知亞原子粒子?！?.5銀河系的起源

1.觀測(cè)線索銀河系物質(zhì)的化學(xué)組成和動(dòng)力學(xué)特征：金屬元素豐度越低的天體離銀道面越遠(yuǎn)（星族I—星族II）。

基本假設(shè)恒星誕生于星際氣體云中，它們的元素豐度反映了氣體云的元素豐度。恒星（球狀星團(tuán)）繼承了氣體云的轉(zhuǎn)動(dòng)。大質(zhì)量恒星演化得快，將核合成產(chǎn)生的重元素拋射到周圍的星際介質(zhì)中。隨著銀河系的演化，新形成的恒星的金屬豐度逐漸增加。

2.銀河系的起源

初始狀態(tài)

約100-140億年前，原初氣體云

(~100kpc)在引力作用下坍縮。原初氣體云只由H和He構(gòu)成，沒(méi)有重元素。在坍縮過(guò)程中形成致密的核心和云塊。(2)銀暈形成云塊在坍縮過(guò)程中不斷碎裂成為更小的團(tuán)塊。大約100億年前，團(tuán)塊形成第一代（星族II）恒星（球狀星團(tuán)）。球狀星團(tuán)保持坍縮氣體云的特征：球?qū)ΨQ分布，以無(wú)規(guī)則軌道繞銀心旋轉(zhuǎn)。第一代恒星中的超新星爆發(fā)過(guò)程使氣體云中重元素豐度逐漸增大。迄今球狀星團(tuán)中的恒星只剩下低質(zhì)量恒星。

(3)銀盤形成氣體收縮的同時(shí)旋轉(zhuǎn)加快，形狀變扁，銀盤出現(xiàn)。銀盤密度不斷增加，第一代星族I恒星形成，恒星以圓軌道繞銀心轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著恒星的演化和超新星爆發(fā)，新生恒星金屬元素豐度逐漸增加。

銀河系的外暈可能形成于銀河系和其他小星系間的相互作用。

§4.6星系的形態(tài)和分類

1.河外星系的發(fā)現(xiàn)

1750年，英國(guó)教士賴特提出銀河是恒星系統(tǒng)。1755年，康德指出旋渦星云的扁平形態(tài)是由于轉(zhuǎn)動(dòng)引起的，它們是和銀河類似的“宇宙島”（islanduniverses)。星云的觀測(cè)1781年法國(guó)天文學(xué)家Messier發(fā)表了包含110個(gè)星云的“梅西耶星表”，其中40個(gè)實(shí)際上是星系。1800年英國(guó)天文學(xué)家WilliamHerschel

發(fā)表包含2500個(gè)天體的星表。1864年JohnHerschel發(fā)表TheGeneralCatalogueofNebulaeandClustersofStars,后來(lái)演變?yōu)榘^(guò)10,000個(gè)星系的NewGeneralCatalogue。如仙女星系：M31，NGC224。1920年，沙普利-柯蒂斯(Shaplry-Curtis)關(guān)于宇宙尺度的大辯論

(thegreatdebate)辯論焦點(diǎn)(1)“旋渦星云”的距離是多大？(2)“旋渦星云”是恒星系統(tǒng)還是氣體云？“旋渦星云”是銀河系內(nèi)氣體云，銀河系就是整個(gè)宇宙。宇宙是由無(wú)數(shù)類似“旋渦星云”的星系構(gòu)成的。哈勃的裁決1924年，哈勃分解出“仙女座大星云”

(M31)中的造父變星。

→

證實(shí)“仙女座大星云”確實(shí)是恒星系統(tǒng)。

由造父變星周光關(guān)系估計(jì)“仙女座大星云”的距離150kpc（實(shí)際距離800

kpc）>最遠(yuǎn)的球狀星團(tuán)的距離

(100kpc)。因此“仙女座大星云”必定是河外星系

!2.星系的哈勃分類根據(jù)星系形態(tài)的不同，哈勃首先提出星系可以分為橢圓星系、透鏡狀星系、旋渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系5種類型，稱為哈勃分類。

哈勃音叉圖(2)旋渦星系(spiralgalaxies)

具有旋渦結(jié)構(gòu)的星系，符號(hào)為S。中心是球狀或橢球狀的核球，外面是扁平的星系盤。從核球兩端延伸出兩條或兩條以上螺旋狀旋臂疊加在星系盤上，盤外面是球狀的星系暈。星系盤顏色偏藍(lán)，星系暈和核偏紅。在星系盤、特別是旋臂上主要是星族I恒星以及氣體和塵埃，核球和星系暈主要由星族Ⅱ恒星組成。

按照核球的大小和旋臂的纏卷程度，旋渦星系可以分為Sa,Sb,Sc三個(gè)次型。Sa型核球最大，旋臂纏卷最緊，Sc型核球最小，旋臂纏卷最松。(3)棒旋星系(barredspiralgalaxies)

中心有棒狀結(jié)構(gòu)的旋渦星系，符號(hào)為SB。

旋臂源于棒的兩端。

按照核球的大小和旋臂的纏卷程度，旋渦星系可以分為SBa,SBb,SBc三個(gè)次型。其中Sa型核球最大，旋臂纏卷最緊。

銀河系可能是一個(gè)SBb或SBc型星系。

(4)透鏡狀星系介于橢圓星系和旋渦星系之間的、無(wú)旋臂的盤星系，根據(jù)核心是否有棒狀結(jié)構(gòu)，符號(hào)相應(yīng)為S0或SB0。在形態(tài)上，透鏡狀星系與旋渦星系的主要差別是沒(méi)有旋臂；與橢圓星系的主要差別是有星系盤。

主要由年老恒星組成，氣體很少。

(5)不規(guī)則星系

外型或結(jié)構(gòu)無(wú)明顯對(duì)稱性的星系，符號(hào)為Irr。

無(wú)旋臂和中心核區(qū)。富含星際氣體、塵埃和年輕恒星。分為IrrⅠ和IrrⅡ兩類。I型星系具有隱約可見的旋渦結(jié)構(gòu)，Ⅱ型星系無(wú)定型的外貌，往往有明顯的塵埃帶。它們可能是正在爆發(fā)或爆發(fā)后的星系，或是受伴星系的引力擾動(dòng)而扭曲了的星系。

M82IC5152小結(jié)旋渦/棒旋星系(S,SB)

橢圓星系(E)不規(guī)則星系(Irr)由恒星和氣體構(gòu)成的扁盤（包含旋臂和核球）和星系暈。棒旋星系的核心有棒狀結(jié)構(gòu)球形或橢球形，除中心核區(qū)外無(wú)其他結(jié)構(gòu)無(wú)明顯結(jié)構(gòu)盤包含年輕和年老的恒星，暈只有年老的恒星只有年老的恒星包含年輕和年老的恒星盤包含大量氣體和塵埃，暈中的氣體和塵埃很少?zèng)]有或很少氣體和塵埃富含氣體和塵埃旋臂中有恒星形成過(guò)程近1010

yr沒(méi)有明顯的恒星形成過(guò)程強(qiáng)烈的恒星形成過(guò)程盤中的恒星和氣體繞星系核心作圓軌道運(yùn)動(dòng)，暈中的恒星繞繞星系核心作無(wú)規(guī)則軌道運(yùn)動(dòng)恒星繞繞星系核心作無(wú)規(guī)則軌道運(yùn)動(dòng)恒星和氣體作無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)3.星系的相對(duì)數(shù)目

目前可觀測(cè)宇宙中大約有4×1010個(gè)星系。不規(guī)則星系數(shù)目最多，其次是旋渦星系和橢圓星系。

§4.7測(cè)量星系

星系距離的測(cè)量

(1)利用造父變星的周光關(guān)系測(cè)量星系距離最遠(yuǎn)距離：~20Mpc(2)標(biāo)準(zhǔn)燭光法(thestandardcandle)通過(guò)比較星系中可證認(rèn)的某些標(biāo)準(zhǔn)（明亮）天體的視星等和絕對(duì)星等來(lái)確定星系的距離。特點(diǎn)：光度高且基本恒定。星系M100中的造父變星(3)紅移法

1912-1920年，V.M.Slipher通過(guò)測(cè)量旋渦星系譜線的Doppler位移發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的星系具有譜線紅移，即它們正在遠(yuǎn)離銀河系。

1929年Hubble與Humason發(fā)現(xiàn)由星系譜線紅移得到的星系退行速度V與星系的距離D成正比，稱為哈勃定律

V＝H0×D

其中哈勃常數(shù)

H0＝57-73kms-1Mpc-1

HubbleHumason哈勃定律的意義

哈勃定律反映了宇宙的膨脹

由宇宙膨脹引起的星系的譜線紅移稱為宇宙學(xué)紅移

(cosmologicalredshift)。

星系的距離D＝V/H0

如果宇宙的膨脹是均勻的，可以確定：

宇宙的年齡t＝D/V＝1/H0

星系的退行表明在過(guò)去它們必定離得很近，宇宙膨脹的起點(diǎn)是什么？2.星系質(zhì)量的測(cè)量

(1)旋渦星系的自轉(zhuǎn)曲線譜線位移→自轉(zhuǎn)速度→

質(zhì)量

星系NGC247：藍(lán)色和紅色分別表示恒星和HII區(qū)的輻射自轉(zhuǎn)曲線：實(shí)心和空心點(diǎn)分別代表HII區(qū)和HI區(qū)，實(shí)線代表只考慮可見物質(zhì)的自轉(zhuǎn)曲線

(2)雙重星系與星系團(tuán)

譜線位移→

星系的運(yùn)動(dòng)速度

+星系間的距離→

統(tǒng)計(jì)（引力）質(zhì)量

(3)測(cè)量結(jié)果正常漩渦星系與橢圓星系質(zhì)量~1011-1012M⊙不規(guī)則星系質(zhì)量~108-1010M⊙矮橢圓星系質(zhì)量~106-107M⊙星系團(tuán)質(zhì)量~1013-1014M⊙(4)星系中的暗物質(zhì)

漩渦星系的自轉(zhuǎn)曲線→引力質(zhì)量比可見質(zhì)量大3-10倍。星系團(tuán)的引力質(zhì)量大約是可見質(zhì)量的10-100倍。宇宙中90%以上的質(zhì)量來(lái)自暗物質(zhì)。3.星系的基本性質(zhì)

旋渦星系不規(guī)則星系矮橢圓星系巨橢圓星系直徑（ly）90×10320×10330×103150×103質(zhì)量（M⊙）1011-1012106105-1071013光度（L⊙）10101091081011顏色藍(lán)（盤）紅（暈與核）

藍(lán)紅紅氣體百分比5%15%＜1%＜1%恒星類型年輕（盤）年老（暈與核）年輕年老年老質(zhì)光比(M/L)Irr＜(M/L)S＜(M/L)E

，

(M/L)⊙＝1§4.8星系集團(tuán)

星系在空間的分布并不是均勻的，在相互引力的作用下有聚集成團(tuán)的傾向。根據(jù)成員星系的多少，星系集團(tuán)可以分為 雙重星系(binarygalaxies)

多重星系(multiplegalaxies)

星系群(groupofgalaxies)

星系團(tuán)(clusterofgalaxies)

超星系團(tuán)(superclusterofgalaxies)星系集團(tuán)越大，它們的物質(zhì)密度與宇宙平均物質(zhì)密度就越接近。

1.本星系群(theLocalGroup)

銀河系所處的星系群，大小約1

Mpc。由銀河系、仙女星系（M31）等附近約30個(gè)星系組成。包含

3個(gè)旋渦星系（銀河系、M31、M33），4個(gè)不規(guī)則星系（大、小麥哲倫云等），和20多個(gè)橢圓星系。銀河系和仙女座星系是本星系群中質(zhì)量最大的兩個(gè)星系，分別位于本星系群的兩端，在引力作用下分別帶領(lǐng)周圍質(zhì)量較小的星系相互繞轉(zhuǎn)。(1)大、小麥哲倫云大、小麥哲倫云(MagellanicClouds)

1519年由F.Magellan首先記載。離銀河系最近的星系。

LMC：距離D=50kpc，質(zhì)量M=2×1010M⊙，直徑d=10kpc。

SMC：距離D=60

kpc，質(zhì)量M=4×109M⊙，直徑d=6kpc。

不規(guī)則星系。含有大量的年輕恒星和中性H氣體（遠(yuǎn)超過(guò)銀河系），但塵埃含量極少。

超新星1987A爆發(fā)于大麥哲倫云。大、小麥哲倫云有一個(gè)共同的中性H包層，并向銀河系延伸形成麥哲倫流。(2)仙女星系（M31）

本星系群內(nèi)質(zhì)量最大的星系。距離~690kpc，直徑~60kpc。Sb型旋渦星系。有一個(gè)明亮的、橢圓型的核。有7個(gè)伴星系，都是橢圓星系。(3)M33

本星系群內(nèi)質(zhì)量第三的星系。距離~720kpc，直徑~18kpc。Sc型旋渦星系。有大量星族I天體。

2.星系團(tuán)(clustersofgalaxies)CL1358+62

星系團(tuán)(clustersofgalaxies)不規(guī)則星系團(tuán)—形態(tài)松散，主要由旋渦星系組成

室女（Virgo）星系團(tuán)距離~18Mpc，直徑~3Mpc，成員星系~2500個(gè)，其中橢圓星系占19%，旋渦星系占68%。室女星系團(tuán)的中心區(qū)域規(guī)則星系團(tuán)—結(jié)構(gòu)致密、球?qū)ΨQ分布，主要由橢圓星系和透鏡狀星系組成

后發(fā)(Coma)星系團(tuán)距離~90Mpc,直徑~3Mpc，成員星系~6700個(gè)，橢圓星系聚集在星系團(tuán)中心，旋渦星系分布在外圍。富星系團(tuán)與貧星系團(tuán)后發(fā)星系團(tuán)包含幾千個(gè)星系武仙星系團(tuán)中的星系數(shù)目不足100星系團(tuán)的質(zhì)量 星系團(tuán)由于成員星系的運(yùn)動(dòng)而免于坍縮，