天文學(xué)第八章

1、第八章 河外星系 8.1 星系的形態(tài)和分類 8.2 測(cè)量星系 8.3 星系集團(tuán) 8.4 星系的演化 8.1星系的形態(tài)和分類 1. 河外星系的發(fā)現(xiàn) 1750年，英國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”（island universes) 。星云的觀測(cè)1781年法國天文學(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年英國天文學(xué)家William Herschel 發(fā)表包含2500個(gè)天體的星表。1864年John Herschel發(fā)表The General Catalogue of

2、 Nebulae and Clusters of Stars, 后來演變?yōu)榘^10,000個(gè)星系的New General Catalogue。如仙女星系：M 31，NGC 224。不同顏色的星系不同顏色的星系1920年， Shapley發(fā)現(xiàn)球狀星團(tuán)的空間球?qū)ΨQ分布，通過觀測(cè)球狀星團(tuán)內(nèi)的天琴座RR型變星，確定銀河系的大小（100 kpc）和太陽系到銀心的距離（16 kpc）。 1920年，沙普利-柯蒂斯 (Shaplry-Curtis) 關(guān)于宇宙尺度的大辯論 (the great debate)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

3、銀河系內(nèi)氣體云，銀河系就是整個(gè)宇宙。宇宙是由無數(shù)類似“旋渦星云”的星系構(gòu)成的。(3) 旋渦星云在天球上的分布為什么有“隱帶” (zone of avoidance)？ 沙普利：銀河系對(duì)旋渦星云施加了一種未知的排斥力 旋渦星云的隱帶分布和退行現(xiàn)象。 柯蒂斯：有些旋渦星云（實(shí)際是側(cè)視旋渦星系）的中心面有一條暗帶。如果銀河系也有類似的暗帶，如果我們位于銀河系的暗帶中，如果旋渦星云是河外天體， 旋渦星云的分布出現(xiàn)隱帶 1924年，哈勃分解出仙女座大星云 (M31) 中的造父變星。 證明仙女座大星云確實(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150 kpc（實(shí)際距離800 kpc） 最遠(yuǎn)的球狀

4、星團(tuán)的距離 (100 kpc) 。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(1) 橢圓星系 (elliptical galaxies) 橢球形的星系，符號(hào)為E. 按橢率大小的增加分為E0、E1.E7八個(gè)次型。n=10(a-b)/a 主要由星族恒星構(gòu)成，沒有星系盤，沒有或僅有少量星際氣體和塵埃，顏色偏紅。恒星作雜亂的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。 中心區(qū)域最亮，亮度向邊緣遞減。大小和質(zhì)量相差懸殊。 巨橢圓星系 106 pc矮橢圓星系 103 pc(2) 旋渦星系 (s

5、piral galaxies) 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 (barred spiral galaxies) 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

6、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)無明顯對(duì)稱性的星系，符號(hào)為Irr。 無旋臂和中心核區(qū)。 富含星際氣體、塵埃和年輕恒星。 分為Irr和Irr 兩類。I型星系具有隱約可見的旋渦結(jié)構(gòu)，型星系無定型的外貌，往往有明顯的塵埃帶。它們可能是正在爆發(fā)或

7、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) 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)盤包含年輕和年老的恒星，暈只有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旋臂中有恒星形成過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規(guī)則軌道運(yùn)動(dòng)橢圓星系 (E) 球形或橢球形，除中心核區(qū)外無其他結(jié)構(gòu)只有年老的恒星沒有或很少氣體和塵埃近1010 yr沒有明顯的恒星形成過程恒星繞繞星系核心作無規(guī)則軌道運(yùn)動(dòng)不規(guī)則星系(Irr) 無明顯結(jié)構(gòu)包含年輕和年老的恒星富含氣體和塵埃強(qiáng)烈的恒星

8、形成過程恒星和氣體作無規(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41010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。 8.2 測(cè)量星系 1.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：20 Mpc(2) 標(biāo)準(zhǔn)燭光法 (the standard candle) 通過比較星系中可證認(rèn)的某些標(biāo)準(zhǔn)（明亮）天體的視星等和絕對(duì)星等來確定星系的距離。特點(diǎn)：光度高且分布范圍狹窄星系M100中的造父變星標(biāo)準(zhǔn)燭光源最遠(yuǎn)距離（Mpc）O, B型超巨星30新星60HII區(qū)80Ia型超新星650明亮星系1500(3) 星系的速度彌散光度經(jīng)驗(yàn)關(guān)系 Tully-Fisher關(guān)

9、系對(duì)旋渦星系，速度彌散V = 220(L /L)0.22H原子21厘米譜線寬度速度彌散光度 200 Mpc距離 Faber-Jackson 關(guān)系對(duì)橢圓星系，速度彌散V = 220(L /L)0.25星系的速度彌散光度經(jīng)驗(yàn)關(guān)系星系中的恒星運(yùn)動(dòng) 譜線位移 譜線致寬星系質(zhì)量越大 恒星運(yùn)動(dòng)速度越快 速度彌散越大 譜線越寬星系質(zhì)量越大 光度越高 光度譜線寬度(4) 紅移法 1912-1920年，V. M. Slipher通過測(cè)量旋渦星系的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。 一些星系的距離、CaII的H、 K譜線和退行速度 1929年Hubble與Humason發(fā)現(xiàn)由

10、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 VH0D其中哈勃常數(shù)H057-73 kms-1Mpc-1 Hubble Humason哈勃定律 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 (cosmological redshift)如果宇宙的膨脹是均勻的，可以確定：星系的距離DV/H0和宇宙的年齡 tD/V1/H0 星系的退行表明在過去它們必定離得很近，宇宙膨脹的起點(diǎn)是什么？利用星系紅移測(cè)量星系的距離紅移zV/c目前的距離 (Mly)回溯時(shí)間 (Myr)0.00.00.00.00.10.095140113361.00.68815648310.0

11、0.9842102297541001.027101100191.03009610029宇宙距離階梯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 NGC 247：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 -1012 M不規(guī)則星系質(zhì)量 108 -1010 M矮橢圓星系質(zhì)量 106 -107 M星系團(tuán)質(zhì)量 1013 -1014 M(4) 星系中

12、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）901032010330103150103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 8.3 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

13、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 (binary galaxies)多重星系 (multiple galaxies)星系群 (group of galaxies)星系團(tuán) (cluster of galaxies)超星系團(tuán) (supercluster of galaxies) 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 (the Local Group) 銀河系所處的星系群，大小約1 Mpc。 由銀河系、仙女星系（M 31）等附近約30個(gè)星系組成。包含 3個(gè)旋渦星系（銀河系、M 31、M 33），4個(gè)不規(guī)則星系（大、小麥哲倫云等），

14、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)。本星系群的空間分布本星系群的空間分布(1) 大、小麥哲倫云大、小麥哲倫云 (Magellanic Clouds) 1519年由F. Magellan首先記載。 離銀河系最近的星系。 LMC：距離D = 50 kpc，質(zhì)量M = 21010M，直徑d = 10 kpc。 SMC：距離D = 60 kpc，質(zhì)量M = 4109M，直徑d = 6 kpc。 不規(guī)則星系。 含有大量的年輕恒星和中性H 氣體（遠(yuǎn)超過銀河系），但塵埃含量極少。 超新星1987A爆發(fā)

15、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（M 31） 本星系群內(nèi)質(zhì)量最大的星系。距離690 kpc，直徑 60 kpc。 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) M 33 本星系群內(nèi)質(zhì)量第三的星系。距離720 kpc，直徑18 kpc。 Sc型旋渦星系。 有大量星族I天體。 2. 星系團(tuán) (clusters of galaxies)CL1358+62 星系團(tuán) (clusters of galaxies)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18 Mpc，直徑3

16、Mpc，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 90 Mpc, 直徑 3 Mpc，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，由此可估計(jì)星系團(tuán)的質(zhì)量：M rV2/G對(duì)一個(gè)典型的富星系團(tuán)：r 1 Mpc, V 1000 km/s M 21014 M星系團(tuán)通常包含 1000 星系，每個(gè)星系的光度 LMW 1010 L 質(zhì)光比

17、 M/L 20 M/L 星系團(tuán)中 95% 的物質(zhì)是暗物質(zhì)！ 星系際氣體 (intergalactic gas) lX射線衛(wèi)星觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在星系團(tuán)內(nèi)存在大量的熱氣體（溫度107 - 108 K，密度1 cm-3 ）。l氣體的質(zhì)量與星系團(tuán)的可見質(zhì)量相仿或稍高。l因此它不能解決星系團(tuán)的短缺質(zhì)量問題。 室女星系團(tuán)為了束縛熱氣體，星系團(tuán)內(nèi)必定包含大量暗物質(zhì)星系A(chǔ)bell 2390（上）和MS2137.3-2353 （下）的X射線（左）與光學(xué)（右）像。氣體與恒星的質(zhì)量僅為束縛氣體所需質(zhì)量的13%3. 星系間的相互作用 星系團(tuán)內(nèi)星系的分布更為致密 相互碰撞的可能性更大 天 體太陽系行星 銀河系恒星 星系團(tuán)內(nèi)星系

18、距離/直徑105106102哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的（100小時(shí)）深場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在109 pc距離處存在大量年青的、不規(guī)則形態(tài)的小星系。表明在100億年前星系間的碰撞是十分普遍的。 星系碰撞的后果 (1)星系形態(tài)的變化和星暴 (starburst) 現(xiàn)象 潮汐力 星系際物質(zhì)橋（尾）氣體壓縮 大量恒星快速形成（星暴星系） NGC 1531/2 Stefans QuintetM51的旋渦結(jié)構(gòu)、塵埃與恒星 旋臂形成過程的數(shù)值模擬NGC 4676a/b車輪（Cartwheel）星系NGC 4038/9 (Antennae)Antennae星系形成的數(shù)值模擬星暴星系M 82M64: The Sleeping Be

19、auty Galaxy 中心與外圍區(qū)域、恒星與周圍的氣體和塵埃反向轉(zhuǎn)動(dòng)NGC4622: backwards spiral galaxyHubbles Advanced Camera Unveils a Panoramic New View of the UniverseThe Tadpole Galaxy, UGC 10214The Mice, NGC 4676(2) 星系的并合和吞食 巨橢圓星系的形成線索 巨橢圓星系與矮橢圓星系的質(zhì)量比 107在星系高密度區(qū)（如富星系團(tuán)中心）旋渦星系的數(shù)量很少。超巨橢圓星系特征：(i) 非常延展的暈，(ii) 中心區(qū)有多個(gè)核，(iii) 通常位于星系團(tuán)的核心

20、。 星系團(tuán)Abell 2199中心星系核區(qū)的小星系 兩個(gè)漩渦星系的并合橢圓星系星系團(tuán)MS1054-93中的星系碰撞過程星系并合的數(shù)值模擬4. 超星系團(tuán) (superclusters) (1)超星系團(tuán)由若干（幾十-幾百）星系團(tuán)組成的星系集團(tuán)。 大小約100 Mpc，質(zhì)量可達(dá)約1016 M。成員星系團(tuán)之間的引力作用較弱 超星系團(tuán)膨脹。 質(zhì)量較大的超星系團(tuán)具有細(xì)長、纖維狀結(jié)構(gòu)，無明顯的核心和對(duì)稱性。 長：100-300 Mpc寬：50-100 Mpc wide厚：5-10 Mpc (2) 本超星系團(tuán)本星系群所處的超星系團(tuán)，中心在室女星系團(tuán)附近，半徑約30 Mpc。本超星系團(tuán)質(zhì)量 1015 M扁平形態(tài)

21、（旋轉(zhuǎn)？）本星系群以250-350 kms-1的速度向室女座方向運(yùn)動(dòng)(3) 宇宙的大尺度結(jié)構(gòu) (large scale structure)大尺度（100 Mpc）星系紅移巡天。通過同時(shí)觀測(cè)幾千個(gè)星系的光譜確定其位置與距離。 星系的分布是不均勻的，具有類似海綿狀的結(jié)構(gòu)，由細(xì)長的纖維（超星系團(tuán)）及其周圍的巨洞 (voids) 組成。 巨洞的典型大小為50 Mpc。宇宙中大部分物質(zhì)位于纖維結(jié)構(gòu)上，約占整個(gè)空間體積的1%-2%?！伴L城”Two Degree Field (2dF)星系紅移巡天250 Mly對(duì)300Mly尺度的數(shù)值模擬不同距離處星系密度的變化8.4 星系的演化 1. 星系的形成 比較：星系形成恒星形成困難：沒有觀測(cè)