清華大學(xué)天文學(xué)導(dǎo)論-8銀河系

1、天文學(xué)導(dǎo)論第三部分第三部分 星系與宇宙學(xué)星系與宇宙學(xué)第08講 銀河系 The Milky Way / The Galaxy第09講 河外星系 Extragalactic Galaxies第10講 活動(dòng)星系核 Active Galactic Nuclei (AGN)第11講 宇宙學(xué) Cosmology天文學(xué)導(dǎo)論第第11講講 銀河系銀河系 O Milky Way, sister in whitenessTo Canaans rivers and the bright Bodies of lovers drowned,Can we follow toilsomelyYour path to othe

2、r nebulae?Guillaume Apollinaire (1880-1918) 本講內(nèi)容1. 銀河系多波段圖像2. 銀河系研究簡(jiǎn)史3. 銀河系的結(jié)構(gòu)4. 銀河系的自轉(zhuǎn)5. 銀暈：暗物質(zhì)6. 銀河系旋渦圖樣的測(cè)定7. 核球與銀心：超大質(zhì)量黑洞的證據(jù)1。銀河系多波段圖像 銀河是天空中的一個(gè)光（環(huán)）帶，在人馬座附近最亮、最寬，它的中心線近似為天球上的一個(gè)大圓 銀河的傳說 中國(guó)民間傳說 西方神話：奶之路 Milky Way 銀河系廣角圖像光學(xué)波段的銀河系The optical sky is dominated by the light of billions of stars in the M

3、ilky Way. Dark patches are caused by obscuration of the starlight by interstellar dust21 厘米中性氫射電輻射的銀河系21 radio emission by neutral H in the interstellar gas. The radio emission is not absorbed by the dust clouds. Most of the H gas is concentrated in a very thin layer in the Milky Way近紅外波段的銀河系大小麥哲倫星云

4、遠(yuǎn)紅外波段的銀河系A(chǔ)t shorter wavelengths (white) we see a bulge 核球 of stars (mainly red giants) at the center of the Milky Way. At longer wavelengths (red) we see the emission from the dust clouds.X射線波段的銀河系藍(lán)色圓點(diǎn)表示銀河系內(nèi)的X射線雙星和超新星遺跡 射線波段的銀河系This all-sky view from Fermi reveals bright emission in the plane of the

5、 Milky Way (center), bright pulsars and super-massive black holes2。銀河系研究簡(jiǎn)史（自學(xué)） 1609，伽利略首先用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)銀河，發(fā)現(xiàn)銀河由無數(shù)個(gè)恒星組成For the Galaxy is nothing else than a congeries of innumerable stars distributed in clusters. - from The Starry Messenger 1750，英國(guó)天文學(xué)家賴特（Thomas Wright ）：太陽是球殼狀分布的無數(shù)恒星中的一顆 1755, 德國(guó)哲學(xué)家康德：銀河系是由恒

6、星組成的旋轉(zhuǎn)扁盤系統(tǒng), 是諸多這樣的“島宇宙”之一- Universal Natural History and Theory of Heaven 1785，英國(guó)著名天文學(xué)家威廉赫歇爾（William Herschel） : 用一個(gè) 48-inch 望遠(yuǎn)鏡計(jì)量不同方向的恒星密度，得到第一幅銀河系的“整體”圖像：銀河系為扁盤狀，太陽位于中心附近6400 ly1300 ly赫歇爾假設(shè)：所有恒星一樣亮；星際空間透明Herschels Milky Way卡普坦的小銀河系模型 1920和1922，荷蘭天文學(xué)家卡普坦（Jacobus Kapteyn）：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

7、距離。銀河系是一個(gè)由恒星組成的盤，直徑為 55,000 光年，厚度為 11,000光年，包含474億顆恒星。太陽靠近銀河系中心，銀心在北天的仙后座沙普利的大銀河系 1920, 美國(guó)天文學(xué)家沙普利（Harlow Shapley）：利用球狀星團(tuán)內(nèi)的造父變星和天琴RR型變星測(cè)量星團(tuán)距離，給出球狀星團(tuán)的空間分布。發(fā)現(xiàn)球狀星團(tuán)均勻地分布在銀河的兩側(cè)，有向人馬座聚集的傾向Globular clusters (black dots) superposed on an infrared image of the sky from the COBE satellite. If the Solar System

8、were at the center of the Milky Way, the clusters would be distributed uniformly over the sky. But they are obviously concentrated in one direction, toward the center of the Milky Way. 沙普利認(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 由此估算太陽到銀心（球狀星團(tuán)分布的中心）的距離為 50,000 光年（2倍現(xiàn)代的估算值） 銀河系的結(jié)構(gòu)是扁盤狀，直徑 33萬光年Shapleys Milky Way星際介質(zhì)與

9、銀河系的大小 早期對(duì)銀河系的研究集中在可見光波段，由于不了解星際介質(zhì)的存在及其消光作用，因而得出錯(cuò)誤結(jié)論 直到20世紀(jì)30年代人們才認(rèn)識(shí)到星際介質(zhì)的分布范圍及其對(duì)觀測(cè)的重要影響，并發(fā)展了射電與紅外的手段來研究銀河系的結(jié)構(gòu)3。銀河系的整體結(jié)構(gòu)(1) 銀盤(disk) ：旋臂 (2) 核球(bulge)：棒狀(3) 球狀星團(tuán)（150） (4) 銀暈(halo) (5) 銀冕(corona)銀河系是一個(gè)具有旋渦結(jié)構(gòu)的棒旋星系 直徑： 105 ly (30kpc) 厚度： 2000 ly 恒星數(shù)： 2000 億 質(zhì)量： 1012 M 太陽處（距銀心27,000 光年）自轉(zhuǎn)周期 2.5億年，速度250k

10、m/s 便于描述恒星在銀河系中的空間分布和運(yùn)動(dòng) 坐標(biāo)原點(diǎn)：觀測(cè)者；坐標(biāo)系平面：銀道面 天體位置在銀道坐標(biāo)系中的計(jì)量： 銀經(jīng) l (0-360度)： 從銀心方向開始、沿銀道面 按逆時(shí)針方向計(jì)量。 銀緯 b (-90 +90度)： 從銀道面量起，向北為正， 向南為負(fù)。銀道坐標(biāo)系銀道面與地球公轉(zhuǎn)面、天赤道面不重合 銀心方向： =17h 45.7m, = -2900 北銀極坐標(biāo)：=12h 51.4m, = 2708星族 population 1944年，Walter Baade （巴德）發(fā)現(xiàn)銀暈與核球中的恒星明顯比銀盤中的恒星顏色偏紅，由此提出星族的概念仙女星系仙女星系星族I恒星 Population

11、 I stars 年輕的富金屬恒星 主要位于銀盤和旋臂中 繞銀心作圓軌道（低速）運(yùn)動(dòng) 疏散星團(tuán) 最亮的星：藍(lán)巨星 星齡 100 億年 Ia 型超新星 無大量氣體與塵埃 無活動(dòng)恒星形成 金屬元素質(zhì)量豐度0.1-1%Pop I and II 的軌道4。銀河系的自轉(zhuǎn) 較差轉(zhuǎn)動(dòng) (differential rotation) 在太陽附近，距離銀心越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度越小天體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度相對(duì)于太陽的運(yùn)動(dòng)速度天體相對(duì)于太陽的視向速度 紅點(diǎn)為太陽銀道坐標(biāo)較差轉(zhuǎn)動(dòng)太陽周圍多普勒位移的周期變化 背離銀心方向看 朝向銀心方向看銀河系較差轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)量方法 1927，奧爾特（Jan Oort）首次利用恒星譜線位移測(cè)量銀河系的

12、自轉(zhuǎn)速率 測(cè)量恒星和氣體云譜線的多普勒位移（視向速度）隨銀經(jīng)的變化 在太陽周圍360度的范圍內(nèi)，恒星和氣體云的譜線位移表現(xiàn)出周期性的藍(lán)移和紅移 太陽附近（以太陽為中心不同距離）恒星和氣體云的視向速度的周期性變化 紅外與21厘米中性氫輻射完整的銀河系自轉(zhuǎn)速率太陽附近恒星的視向速度的變化銀河系的自轉(zhuǎn)曲線 Rotation Curve 自轉(zhuǎn)曲線銀河系自轉(zhuǎn)速度（或角速度）隨半徑（到銀心距離）變化的曲線 內(nèi)區(qū)：剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，外區(qū)：較為平坦；在太陽附近：轉(zhuǎn)動(dòng)速度隨半徑的增大而減小 黃虛線：銀河系內(nèi)恒星與氣體（發(fā)光亮物質(zhì)）給出的轉(zhuǎn)動(dòng)速度. 紅實(shí)線：實(shí)際測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)速度銀河系的質(zhì)量分布 離心力： Fcen=mV2/R

13、 引力： Fg=GMm/R2 中心（引力）質(zhì)量： M=V2R/G 銀河系質(zhì)量是延展分布的 恒星和氣體云（發(fā)光物質(zhì)）所在軌道半徑所構(gòu)成的球體內(nèi)的凈質(zhì)量 估計(jì)的質(zhì)量隨半徑增加而增加銀河系的質(zhì)量分布：暗物質(zhì)的由來 黃線：給定半徑內(nèi)的累計(jì)可觀測(cè)質(zhì)量 恒星和氣體的凈質(zhì)量（虛黃線）小于由自轉(zhuǎn)曲線估計(jì)的質(zhì)量（紅線）數(shù)倍 由自轉(zhuǎn)曲線估算的質(zhì)量和由可見的恒星和氣體估算的質(zhì)量的差值稱為暗物質(zhì)（不發(fā)光）銀河系的質(zhì)量：大量暗物質(zhì) 在太陽軌道以內(nèi)包含的質(zhì)量為：M1.01011M 銀河系的可見質(zhì)量 2.01011M 由自轉(zhuǎn)曲線 銀河系的實(shí)際質(zhì)量遠(yuǎn)超過1011M 1012M表明在銀暈和銀冕中存在大量的暗物質(zhì) 暗物質(zhì)位于(發(fā)

14、光)銀河系的外圍，即暗物質(zhì)暈dark matter halo暗物質(zhì)暈 幾乎水平的轉(zhuǎn)動(dòng)曲線表明暗物質(zhì)主導(dǎo)銀河系外圍質(zhì)量 5。銀暈 The Galactic Halo 球狀星團(tuán)：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 100 kpc半徑內(nèi)大約有170 球狀星團(tuán)暗物質(zhì) dark matter 由銀河系的自轉(zhuǎn)曲線得知，銀暈中的不可見物質(zhì)的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過銀河系中可見物質(zhì)的質(zhì)量 暗物質(zhì)的特征：在所有波段幾乎都不產(chǎn)生輻射，也不與輻射作用 暗物質(zhì)通過其施加給周圍環(huán)境的引力作用表明自身的存在 宇宙中暗物質(zhì)無處不在。宇宙中大于80

15、%的物質(zhì)是暗物質(zhì) 暗物質(zhì)極其重要：不僅使銀河系能夠聚集在一起，而且主宰整個(gè)宇宙的演化和命運(yùn)(銀河系中)暗物質(zhì)的可能成分 MACHOs (MAssive Compact Halo Objects) : 極低質(zhì)量恒星, 褐矮星, 致密星 (白矮星、中子星和黑洞), 電離氣體，行星等 雖不可見，但能產(chǎn)生微引力透鏡效應(yīng) 不構(gòu)成暗物質(zhì)主體！ WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles): 如質(zhì)量非零的中微子（被否定）或其它未知亞原子粒子非重子物質(zhì)MACHO 的微引力透鏡效應(yīng)MACHO 計(jì)劃 驗(yàn)證銀河系中的暗物質(zhì)是否主要是褐矮星或行星之類的天體 目前這個(gè)假設(shè)被否

16、定LMCMount Stromlo Observatory, Canberra, AustraliaThe 50 inch dome 雙色光變曲線 微引力透鏡 MACHOs 測(cè)量銀河系核球中的1千萬顆恒星以及LMC中的8百萬顆恒星 微引力透鏡事例：銀河系核球中45例； LMC中4例MACHO 計(jì)劃的結(jié)果 對(duì)大麥哲倫云和銀河系核球中恒星的研究結(jié)果： 銀暈中MACHO質(zhì)量 21011M 單個(gè)MACHO的質(zhì)量 0.1-1 M 銀暈中普通物質(zhì)的氣體密度遠(yuǎn)小于暗物質(zhì)所要求的 WIMPs 實(shí)驗(yàn)還沒有“看到”任何暗物質(zhì) 清華大學(xué)工程物理系主導(dǎo)的錦屏暗物質(zhì)探測(cè)計(jì)劃 ？6。銀河系的旋渦結(jié)構(gòu) 銀盤 構(gòu)成：星族I恒

17、星、氣體和塵埃 直徑：D 30 kpc 10萬光年 厚度：h 70-300 pc D h 顯著特征為旋臂 正發(fā)生恒星形成NGC1232銀河系旋臂的證認(rèn): 光學(xué)觀測(cè) 恒星 距離（+銀道坐標(biāo)） 分布 測(cè)量： 視星等 光度（如：造父變星周光關(guān)系） 距離 限制：星際塵埃消光 近距離恒星 太陽附近恒星的分布銀河系旋臂的證認(rèn): 射電觀測(cè) HI區(qū)、分子云 測(cè)量HI區(qū)21 cm譜線和分子云(CO)的毫米波譜線的多普勒位移 視向速度自轉(zhuǎn)速度（銀經(jīng)）比較銀河系自轉(zhuǎn)曲線距離+銀經(jīng) 分布 限制：氣體云的轉(zhuǎn)動(dòng)是非圓的，在圓運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還有無規(guī)則運(yùn)動(dòng) Doppler 展寬蘭移蘭移銀河系的旋臂結(jié)構(gòu) 銀河系主要有4個(gè)旋臂： 矩

18、尺座（Norma）臂 盾牌-半人馬座（Scutum-Centaurus）臂 人馬座（Sagittarius)臂 英仙座（Perseus）臂 太陽位于一條小小的名叫獵戶座（Orion）臂的附近，而獵戶座臂位于人馬座臂和英仙座臂之間射電觀測(cè)可穿透銀心！由HI的21cm 輻射和其它觀測(cè)重建的銀河系旋渦結(jié)構(gòu)銀河系的旋渦特征是沒有疑問的！ Left: NGC1232, a spiral galaxy seen nearly face-on. Right: NGC891, a spiral galaxy seen edge-on.Spitzer（斯皮策）紅外空間望遠(yuǎn)鏡2008年6月：80萬張紅外快照（包括

19、1.1億多顆恒星）表明銀河系主要由兩條旋臂構(gòu)成： 盾牌-半人馬座臂 英仙座臂7。核球和銀心 The Galactic Bulge and Center 核球（銀心）在人馬座方向，橢球形？，大小 64 kpc， 恒星分布十分密集 強(qiáng)射電、紅外和伽馬射線源：Saggitarius A *（Sgr A* ） 人馬座最強(qiáng)的射電源 Sgr A* 非常接近銀心COBE 看到的銀河系遠(yuǎn)紅外圖像：銀盤和核球光學(xué)波段 核球附近區(qū)域受星際氣體和塵埃的遮擋而顯得平淡紅外觀測(cè) 銀心區(qū)域的恒星分布高度密集( 5104 pc-3 )，是太陽附近恒星密度的105倍Mid-infrared image 對(duì)銀心區(qū)域的近紅外(2.2m)觀測(cè)（輻射主要來自年老的星族II恒星）強(qiáng)射電源：人馬座 (Sgr) A* 核心是強(qiáng)射電源 Sgr A* arcs, threads, and filaments 超新星遺跡 銀河系中心區(qū)域的低頻射電圖 銀心周邊 100 pc 范圍 延展的細(xì)絲（垂直于銀道面）：沿銀心附近的磁力線 銀心周邊 10 pc 范圍“迷你”旋臂mini-spirals: 被恒星電離的氣體和塵埃：環(huán)繞銀心 “迷你”旋臂的