
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文檔簡(jiǎn)介
1、第四篇第四篇 銀河系與河外星系(銀河系與河外星系(1) 銀河系銀河系 1 銀河系的整體結(jié)構(gòu) 2 銀河系的旋渦結(jié)構(gòu) 3 核球和銀暈 4 銀河系的演化本講內(nèi)容1 銀河系的整體結(jié)構(gòu)銀河系的整體結(jié)構(gòu) 1. 銀河系全貌 銀河是天空中的一個(gè)環(huán)帶,在人馬座附近最亮、最寬,它的中心線(xiàn)近似為天球上的一個(gè)大圓。西方稱(chēng)為“Milky Way galaxy”,中國(guó)古人稱(chēng)為“天河”銀河系廣角圖像光學(xué)波段的銀河系光學(xué)波段的銀河系射電波段的銀河系射電波段的銀河系紅外波段的銀河系紅外波段的銀河系X射線(xiàn)波段的銀河系射線(xiàn)波段的銀河系射線(xiàn)波段的銀河系射線(xiàn)波段的銀河系For the Galaxy is nothing else th
2、an a congeries of innumerable stars distributed in clusters. in The Starry Messenger2. 銀河系研究簡(jiǎn)史銀河系研究簡(jiǎn)史 1610年伽利略Galilei(意)首先用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)銀河由無(wú)數(shù)恒星組成。 1750年 賴(lài)特T. Wright(英) :太陽(yáng)是球殼狀分布的無(wú)數(shù)恒星中的一顆。 1755年 康德I. Kant(德):銀河系是恒星組成的旋轉(zhuǎn)扁盤(pán),是“宇宙島”之一。 1785年赫歇爾W. Herschel(英)通過(guò)計(jì)量不同方向的恒星密度,得到第一幅銀河系整體圖像。銀河系為扁盤(pán)狀,太陽(yáng)位于中心附近。683683天區(qū),天區(qū)
3、,1111萬(wàn)顆恒星萬(wàn)顆恒星 1922年卡普坦J. Kapteyn(荷)利用照相底片測(cè)量不同天區(qū)的恒星密度,用統(tǒng)計(jì)視差求得恒星距離,首次估計(jì)銀河系直徑為50,000 ly,厚度為10,000 ly,假設(shè)太陽(yáng)位于銀河系中心附近。 1920年沙普利H. Shapley(美)發(fā)現(xiàn)球狀星團(tuán)均勻地分布在銀河的兩側(cè),并且有向人馬座聚集的傾向。 Shapley利用球狀星團(tuán)內(nèi)的天琴RR型變星測(cè)量星團(tuán)距離,并給出球狀星團(tuán)的空間分布。 Shapley認(rèn)為球狀星團(tuán)是銀河系的子系統(tǒng),并以銀心為分布中心。 Shapley估計(jì)太陽(yáng)系到銀心的距離為16 kpc. 在Shapley的模型中,銀河系的結(jié)構(gòu)是扁盤(pán)狀的,直徑為100
4、 kpc.3. 銀河系結(jié)構(gòu)銀河系結(jié)構(gòu) 銀河系是一個(gè)具有旋渦結(jié)構(gòu)的盤(pán)狀星系。質(zhì)量 1012M,直徑 105 ly (30 kpc) 主要成分(1) 銀盤(pán) (disk)、(2) 核球 (bulge)、(3) 銀暈(halo)銀盤(pán):直徑30 kpc, 厚度300 pc球狀星團(tuán)核球銀暈我們?cè)谶@銀河系結(jié)構(gòu)銀河系結(jié)構(gòu)4. 星族星族 (population) 1944年由巴德(Baade)首先提出。 發(fā)現(xiàn)星系暈與核球中的恒星明顯比盤(pán)中的恒星顏色偏紅。 銀河系中的恒星分屬兩個(gè)星族:星族I和星族II 星族I恒星 年輕的、富金屬恒星(金屬豐度為太陽(yáng)值的0.1-2.5倍)主要位于銀盤(pán)中 ,繞銀心作圓軌道運(yùn)動(dòng) 。如疏
5、散星團(tuán)。(天文上常用鐵與氫的原子數(shù)之比Fe/H表示金屬豐度 ) 星族II恒星年老的、貧金屬恒星(金屬豐度為太陽(yáng)值的0.001-0.03倍),主要位于銀暈和核球中,以銀心作為中心球?qū)ΨQ(chēng)分布繞銀心作無(wú)規(guī)則的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。如球狀星團(tuán)。2 銀河系的旋渦結(jié)構(gòu)銀河系的旋渦結(jié)構(gòu) 1. 銀盤(pán) 構(gòu)成:星族I恒星、氣體和塵埃 直徑:D 30 kpc厚度:h 70-300 pc D h2. 銀河系旋臂的證認(rèn)銀河系旋臂的證認(rèn) (1) 光學(xué)觀(guān)測(cè) 示蹤天體 O, B型星、年輕的疏散星團(tuán)、發(fā)射星云和一次電離氫(HII)區(qū)、經(jīng)典造父變星。 方法視星等 絕對(duì)星等(標(biāo)準(zhǔn)燭光)距離模數(shù) m-M 距離造父變星周光關(guān)系 距離 限制 星
6、際塵埃消光。 太陽(yáng)附近恒星的分布(2) 射電觀(guān)測(cè) 示蹤天體 HI區(qū)、分子云。 方法 測(cè)量HI區(qū)21 cm譜線(xiàn)和分子云的毫米波譜線(xiàn)Doppler譜線(xiàn)位移 視向速度 轉(zhuǎn)動(dòng)速度比較銀河系自轉(zhuǎn)曲線(xiàn) 距離 限制 氣體云的轉(zhuǎn)動(dòng)是非圓的,在圓運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還有無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)。 (3) 觀(guān)測(cè)結(jié)果觀(guān)測(cè)結(jié)果 銀河系存在旋臂結(jié)構(gòu) :英仙 (Perseus) 臂、人馬 (Sagittarius) 臂、獵戶(hù) (Orion) 臂、天鵝 (Cygnus) 臂.太陽(yáng)位于獵戶(hù)臂上 問(wèn)題:?jiǎn)栴}: 銀河系的旋渦結(jié)構(gòu)是怎樣形成的? 旋渦結(jié)構(gòu)為什么能維持很長(zhǎng)時(shí)間?(在銀河系和其他盤(pán)星系中發(fā)現(xiàn)旋臂存在說(shuō)明旋臂的維持時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng))3. 旋臂的理論解釋
7、旋臂的理論解釋 (1)旋臂不是物質(zhì)臂 如果旋臂始終由同樣的物質(zhì)構(gòu)成:太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期 2108 yr,太陽(yáng)年齡 5109 yr 太陽(yáng)繞銀心至少轉(zhuǎn)了20圈較差轉(zhuǎn)動(dòng) 旋臂纏繞(或放松) 旋臂消失表征旋臂的主要是年輕天體大質(zhì)量恒星的壽命107 yr 旋臂消失 (2) 密度波理論密度波理論 由林家翹和徐瑕生1963年在林德布拉德Lindblad工作的基礎(chǔ)上提出旋臂是密度波的表現(xiàn)。 星系引力勢(shì)擾動(dòng) 銀盤(pán)內(nèi)的天體以橢圓軌道運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)速度變化 軌道取向相互耦合物質(zhì)密度的規(guī)則變化密度波 密度波在銀盤(pán)內(nèi)傳播,導(dǎo)致物質(zhì)壓縮和恒星形成 密度波的形成在無(wú)擾動(dòng)勢(shì)f 的情況下,引力勢(shì)是軸對(duì)稱(chēng)的,銀盤(pán)上的恒星與氣體云的運(yùn)動(dòng)為勻速
8、圓軌道運(yùn)動(dòng)。f = 0加入擾動(dòng)引力勢(shì) f =A(r)cos(m)同軸橢圓軌道 (m=2)由于引力勢(shì)隨方位角的變化而變化,天體的運(yùn)動(dòng)速度不再是均勻的。加入擾動(dòng)引力勢(shì) f =A(r)cosm-(r)非同軸橢圓軌道黑線(xiàn)代表極小引力勢(shì)位置在引力勢(shì)波谷處,物質(zhì)速度減慢、密度增大。橢圓軌道相互耦合 密度波生活中的密度波生活中的密度波 旋臂的運(yùn)動(dòng) 密度波旋渦圖樣繞銀心剛體轉(zhuǎn)動(dòng),= 13.5 kms-1kpc-1 在銀河系內(nèi)區(qū),恒星的運(yùn)動(dòng)速度超過(guò)旋渦圖樣速度(0= 25 kms-1kpc-1);在外區(qū)恒星比旋渦圖樣運(yùn)動(dòng)得更慢。 旋臂上年輕天體的形成 氣體云運(yùn)動(dòng)接近旋臂 壓縮、碰撞塵埃帶 氣體云坍縮 恒星和HI
9、I區(qū)形成3 核球和銀暈核球和銀暈 1. 核球 (bulge) (1) 特點(diǎn) 銀心在人馬座方向,橢球形,大小64 kpc,恒星分布十分密集, 數(shù)密度1,600 ly-3, 是銀河系平均恒星密度的105倍。 (2) 光學(xué)觀(guān)測(cè)光學(xué)觀(guān)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)自年老的星族天體(如紅巨星)。 (3) 紅外與射電觀(guān)測(cè)紅外與射電觀(guān)測(cè) 觀(guān)測(cè)表明銀心區(qū)域的恒星分布高度密集( 5104 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(2.2m)觀(guān)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(4) X, 射線(xiàn)觀(guān)測(cè)射線(xiàn)觀(guān)測(cè) 強(qiáng)X
10、,射線(xiàn)輻射源Chandra衛(wèi)星的X射線(xiàn)觀(guān)測(cè)CGRO衛(wèi)星對(duì)銀心區(qū)域的射線(xiàn)觀(guān)測(cè)表明每秒109噸正反物質(zhì)湮滅。Chandra X-ray Survey of the Galactic CenterRed: 1-3 keV Green: 3-5 keV Blue: 5-8 keV(5) 銀心銀心 (nucleus) 由銀心附近恒星的運(yùn)動(dòng)推測(cè)在銀心集中了3106 M的質(zhì)量。 人馬座A的尺度 10 AU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(guān)測(cè)到銀心X射線(xiàn)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
11、黑洞的物質(zhì)吸積。2. 銀暈銀暈 (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 100 kms-1),離銀心最遠(yuǎn)距離達(dá)100 kpc。 (2)熱氣體熱氣體 Chandra衛(wèi)星的觀(guān)測(cè)表明在銀暈中存在大量的熱氣體。熱氣體暈(X射線(xiàn))銀盤(pán)內(nèi)恒星(光學(xué))(3) 暗物質(zhì)暗物質(zhì) (dark matter) 由銀河系的自轉(zhuǎn)曲線(xiàn)得知,銀暈中的不可見(jiàn)物質(zhì)質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)銀河系可見(jiàn)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 :MACHOs (Massive Compact Halo Objects)如褐矮星、行星、致密星、電離氣體等。
12、WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) 如質(zhì)量非零的中微子或其他未知亞原子粒子。利用引力透鏡導(dǎo)致的光變現(xiàn)象搜尋銀暈中的暗物質(zhì)利用引力透鏡導(dǎo)致的光變現(xiàn)象搜尋銀暈中的暗物質(zhì)4 銀河系的起源銀河系的起源 1. 觀(guān)測(cè)線(xiàn)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)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?chē)男请H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
13、系的起源銀河系的起源 (1)初始狀態(tài) 約100-140億年前,原初氣體云 (100 kpc) 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(chēng)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(pán)形成 氣體收縮的同時(shí)旋轉(zhuǎn)加快,形狀變扁,銀盤(pán)出現(xiàn)。 銀盤(pán)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)
14、。 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。 我國(guó)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)銀河系中心存在超大質(zhì)量黑我國(guó)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞的最新證據(jù)洞的最新證據(jù) 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)沈志強(qiáng)研究員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際天文研究小組,通過(guò)對(duì)位于我們銀河系中心被稱(chēng)為人馬座A A* *(SgrSgr A A* *)的神秘射電發(fā)射源的高空間分辨率觀(guān)測(cè),發(fā)現(xiàn)了支持“我們太陽(yáng)系所在的銀河系的中心存在超大質(zhì)量黑洞”觀(guān)點(diǎn)的迄今為止最令人信服的證據(jù)。該研究成果刊登在該研究成果刊登在20052005年年1111月月3 3日出版的英國(guó)日出版的英國(guó)自然自然周刊上。周刊上。 沈志強(qiáng)及其合作者,包括美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)魯國(guó)鏞,美國(guó)加州理工學(xué)院的梁茂昌,美國(guó)哈佛史密松天體物理中心的賀曾樸(現(xiàn)任中國(guó)臺(tái)灣天文暨天文物理研究所所長(zhǎng))和趙軍輝,利用國(guó)際先進(jìn)的甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉陣(VLBA)于2002年11月3日成功獲得了Sgr A*在3.5毫米波長(zhǎng)上的首個(gè)圖像,并進(jìn)而確定該源的真實(shí)直徑與地球軌道半徑相當(dāng)。也就是說(shuō),這個(gè)至少400萬(wàn)倍于太陽(yáng)質(zhì)量的Sgr A*所占區(qū)域的直徑只有1.5億公里,由此推斷出的最小質(zhì)量密度比任何目前已知的黑洞候選者的密度都要大了一萬(wàn)億倍以上,強(qiáng)烈地支持Sgr A*是超大質(zhì)量黑洞的物理解釋。 更令人興奮的是,這是天文學(xué)家第一
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