天文學(xué)概論_6_銀河系和河外星系

1、西華師范大學(xué)公共選修課天天 文文 學(xué)學(xué) 概概 論論劉雄偉物理與電子信息學(xué)院（一）人類探索銀河系的歷程（二）銀河系的結(jié)構(gòu)（三）銀河系的成員一，銀河系 夏秋兩季，星空中有條光帶，從北到南橫跨天空。這就是銀河。 我國牛郎織女的故事：牛郎星、織女星和天津四組成夏季大三角。（一）人類探索銀河系的歷程（一）人類探索銀河系的歷程 1609年，當(dāng)伽利略伽利略用望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)銀河時(shí)，看到多如牛毛的星星。 18世紀(jì)中葉，康德康德推測(cè)：銀河、恒星和太陽共同組成了一個(gè)非常龐大的天體系統(tǒng)，形狀很像一個(gè)磨盤。 英國天文學(xué)家赫歇爾赫歇爾觀測(cè)十幾萬顆恒星，確認(rèn)銀河是一個(gè)天體系統(tǒng)。銀河是什么？銀河是什么？16091609年，伽利略

2、：年，伽利略： “借助望遠(yuǎn)鏡，我的觀察十分細(xì)致而直觀。銀河不是別的，是匯聚成群的無數(shù)恒星的大集合。無論把望遠(yuǎn)鏡指向它的哪個(gè)部位，大量恒星立即進(jìn)入視野。它們中的許多大而明亮，小的恒星則多得數(shù)不清?！?之后的100多年，天文學(xué)家仍沉溺于太陽系的研究。不關(guān)心銀河系。建立銀河系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵建立銀河系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵 要想建立銀河系的結(jié)構(gòu)模型，需要準(zhǔn)確地測(cè)量一批恒星的距離，包括很遠(yuǎn)的邊緣處的恒星的距離，很困難。 非常強(qiáng)的星際塵埃消光； 光學(xué)上很難測(cè)量距離 100 pc 銀盤里的天體NGC1232一個(gè)扁平形狀的恒星系統(tǒng)，長(zhǎng)度和厚度大約是6:1，邊緣不那么整齊，太陽在正中心。赫歇爾的銀河截面圖（赫歇爾的銀河截面圖（

3、1785年發(fā)表）年發(fā)表） 1776年，38歲的英國天文學(xué)家威廉英國天文學(xué)家威廉赫歇爾赫歇爾開始觀測(cè)恒星，十來年觀測(cè)117600顆恒星，被譽(yù)為恒星天文學(xué)之父。妹卡羅琳赫歇爾終身做他的助手，未嫁。 赫歇爾的銀河系模型的問題赫歇爾的銀河系模型的問題尺度太小尺度太小 赫歇耳認(rèn)為在銀河系內(nèi)約有1億顆恒星；測(cè)距離的方法不準(zhǔn)確：用恒星的視亮度估計(jì)距離。 銀河系尺度為7500光年，厚度是1300光年。太小了。 中心不對(duì)中心不對(duì) 認(rèn)為太陽系是銀河系的中心。 直徑為5.5萬光年，厚度為1.1萬光年，包含了474億顆恒星。 太陽靠近銀河系中心，銀心在北天的仙后座。（保留了赫歇爾的錯(cuò)誤） 主要的原因：對(duì)銀河系內(nèi)星際介

4、質(zhì)及其消光作用缺乏認(rèn)識(shí)，把距離估計(jì)錯(cuò)了?？ㄆ仗箍ㄆ仗沟男°y河系模型的小銀河系模型（19221922年）年）沙普利沙普利的大銀河系模型的大銀河系模型（1922年）年） 否定太陽是銀河系中心。正確指出中心在南半球人馬座以西的地方。 銀河系直徑33萬光年，比真實(shí)尺度大了3倍。原因是沒有考慮星際消光，距離估計(jì)遠(yuǎn)了。 沙普利僅用幾年時(shí)間獲得的銀河系模型，公認(rèn)比卡普坦的模型好。 改用球狀星團(tuán)的空間分布來估計(jì)銀河系的結(jié)構(gòu)。 球狀星團(tuán)亮，看得遠(yuǎn)，數(shù)目少。 采用新的估計(jì)距離的方法：造父變星方法和天琴座RR變星方法。 發(fā)現(xiàn)球狀星團(tuán)的分布不對(duì)稱，說明太陽不在銀河系中心。球狀星團(tuán)絕大部分都分布在人馬座方向，找到了銀河

5、系中心。沙普利的研究方法的優(yōu)越性沙普利的研究方法的優(yōu)越性 球狀星團(tuán)在銀河系中的分布球狀星團(tuán)在銀河系中的分布 左圖：分布在銀河兩邊 右圖：由球狀星團(tuán)分布，確定銀河系中心（二）、銀河系的結(jié)構(gòu)（二）、銀河系的結(jié)構(gòu)隨著現(xiàn)代大型望遠(yuǎn)鏡的使用以及觀測(cè)技隨著現(xiàn)代大型望遠(yuǎn)鏡的使用以及觀測(cè)技術(shù)和方法的進(jìn)步，對(duì)銀河系的認(rèn)識(shí)逐漸術(shù)和方法的進(jìn)步，對(duì)銀河系的認(rèn)識(shí)逐漸清晰清晰 形狀象一個(gè)大鐵餅。 由銀盤、銀暈、核球和旋臂等組成。 直徑810萬光年。 太陽離中心約3.3萬光年。 銀河系并沒有一個(gè)明顯的邊界。 1 1，結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)太陽系附近的太陽系附近的3 3條旋臂條旋臂2，銀河系旋臂，銀河系旋臂是銀河系內(nèi)物質(zhì)密集的部分，共發(fā)

6、現(xiàn)了4條：三千秒差距臂、英仙臂、人馬臂和獵戶臂。英仙臂、人馬臂和獵戶臂。3, 銀河系多波段觀測(cè)結(jié)果銀河系多波段觀測(cè)結(jié)果射電（0.4GHz)中性氫射電（2.7GHz)分子氫紅外遠(yuǎn)紅外光學(xué)X射線Gamma射線 銀河系較差自轉(zhuǎn)：在靠近銀心的地方，接近于剛體旋轉(zhuǎn)；離銀心較遠(yuǎn)地方，角速度變小。 自轉(zhuǎn)周期為2.5億年。 從恒星繞行軌道曲線，找出繞行中心：銀心在人馬座方向上，離太陽約3.3萬光年。 4 4，銀河系的自轉(zhuǎn)，銀河系的自轉(zhuǎn)1999年 中國韓金林、喬國俊利用脈沖星的偏振測(cè)量出銀河系的磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)！ 5 5，銀河系的磁場(chǎng)，銀河系的磁場(chǎng)（三）、銀河系的成員（三）、銀河系的成員除了恒星，還有星團(tuán)、星際介質(zhì)、分

7、子云、星云等等球狀星團(tuán)球狀星團(tuán) 球狀星團(tuán)形狀呈球形或橢球形，包含成千上萬顆恒星，越往中心密度越大。 直徑一般為100-300光年，包含幾千到幾百萬顆恒星。 銀河系中約有500多個(gè)球狀星團(tuán)，至今已確認(rèn)100多個(gè)，大多分布在銀暈中。武仙座球狀星團(tuán)武仙座球狀星團(tuán) M13 外形不規(guī)則，包含的成員星比球狀星團(tuán)少得多，少的只有幾十個(gè)，最多1000多個(gè)。 疏散星團(tuán)的數(shù)目比球狀星團(tuán)多許多，約有1.8萬個(gè)，已發(fā)現(xiàn)了1000多個(gè)。 疏散星團(tuán)中的成員星種類十分復(fù)雜，分三類：只有主序星；主序星及一些黃色和紅色巨星；主序星及很多黃色和紅色巨星。 大多數(shù)疏散星團(tuán)都比較年輕。疏散星團(tuán)疏散星團(tuán)日本昴星團(tuán)望遠(yuǎn)鏡拍攝的日本昴星團(tuán)

8、望遠(yuǎn)鏡拍攝的金牛座昴星團(tuán)金牛座昴星團(tuán) 在我國民間俗稱七姐妹星團(tuán)，肉眼可見。在我國民間俗稱七姐妹星團(tuán)，肉眼可見。是最明亮的疏散星團(tuán)。亮星周圍有暗的反射星云。星際介質(zhì)星際介質(zhì) 恒星之間的氣體、塵埃、宇宙線與磁場(chǎng) 氫占70，以3種形成存在，即氫原子(H)、電離氫(H)和氫分子（H2）。氦（He）占28%。 來自超新星、新星、行星狀星云、恒星風(fēng)以及從外面進(jìn)入銀河系的碎快。 塵埃占星際質(zhì)量的比例僅1，直徑 0.01-0.1微米。吸收和散射可見光的能力很強(qiáng)，是星際消光的主要因素。 星云由氣體和塵埃微粒組成，總稱為銀河星云。 銀河星云一般都比較暗弱，肉眼可見的只有獵戶座大星云。 按照形態(tài)，分為彌漫星云和行星

9、狀星云。 星云恒星形成區(qū)。銀河系星云銀河系星云 著名的暗星云著名的暗星云 馬頭星馬頭星云云 形狀酷似一匹駿馬的頭部而得名。 位于獵戶星座中心區(qū)域。 星云中的氣體和塵埃處于雜亂無章的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中，隨著時(shí)間的推移，馬頭的形狀會(huì)發(fā)生變化。 著名的亮星云著名的亮星云獵戶座星云獵戶座星云 天空中最明亮的發(fā)射星云。 獵戶座星云是著名的恒星形成區(qū)。能生育幾百或幾千課恒星。銀河系是孤立的宇宙島？18世紀(jì)中葉，德國哲學(xué)家康德猜想宇宙中還存在著無數(shù)個(gè)與銀河系類似的天體系統(tǒng)。1922年，哈勃的觀測(cè)證明了河外星系的存在。二，河外星系二，河外星系 早在18世紀(jì)，就有兩種看法：1，銀河系外的巨大恒星系統(tǒng)；2，銀河系內(nèi)部氣

10、體塵埃云，形成恒星的區(qū)域。（一）仙女座大星云是什么？（一）仙女座大星云是什么？ 1922年開始，哈勃利用造父變星測(cè)距法，測(cè)定仙女座大星云中造父變星的距離為約為90萬光年（實(shí)際上是220萬光年），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了銀河系的直徑，由此確認(rèn)仙女座大星云是河外星系。仙女座大星云是河外星系。 認(rèn)識(shí)宇宙的一次飛躍認(rèn)識(shí)宇宙的一次飛躍哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系仙女座大星云仙女座大星云M31M31（NGC224NGC224） 最明亮，肉眼可見。 側(cè)面對(duì)著我們，旋臂的特征不很明顯。 M31核心部分有兩個(gè)相距僅5光年的核?？赡苁菐资畠|年前的一個(gè)小星系闖入了仙女座大星云，經(jīng)過引力的吸引作用形成了兩個(gè)核。 總數(shù)達(dá)2000

11、億。最遠(yuǎn)的河外星系有100多億光年。 天文研究的范圍擴(kuò)展到以百億光年為尺度的廣闊空間。 我們接收到百億光年遠(yuǎn)的天體的輻射，是百億年以前發(fā)出的，是宇宙早期發(fā)生的事件。 （二）河外星系知多少？（二）河外星系知多少？對(duì)數(shù)量眾多、形態(tài)各異的河外星系，哈勃1926年提出了哈勃星系分類法：橢圓星系，旋渦星系和不規(guī)則星系哈勃星系分類法哈勃星系分類法3 橢圓星系的形狀是圓球形或橢球形，沒有旋渦結(jié)構(gòu)，中間部分較明亮。 橢圓星系數(shù)目不多，占河外星系總數(shù)的17。 質(zhì)量最大和最小的河外星系都是橢圓星系。最大和最小的相差107倍！1 1，橢圓星系，橢圓星系 2 2，美麗的旋渦星系，美麗的旋渦星系旋渦星系旋渦星系NGC1

12、232NGC1232旋渦星系旋渦星系M101M101 數(shù)量最多、形態(tài)最美的，都有明亮的核心，彎曲的旋臂以及旋臂上突出的結(jié)點(diǎn)和斑點(diǎn)。 旋臂上物質(zhì)比較稠密，有比較多的氣體、和塵埃，因此成為孕育恒星的場(chǎng)所。草帽星系（旋渦）草帽星系（旋渦）基本是側(cè)面對(duì)著我們，看不清楚旋渦結(jié)構(gòu) 中心有棒狀結(jié)構(gòu)。 旋臂源于棒的兩端。 屬于旋渦星系。NGC 13653 3，棒旋星系，棒旋星系4 4，透鏡狀星系，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。 主要由年老恒星組成，氣體很少。 沒有一定形狀的亮斑，沒有核球，沒有旋臂。 大、小麥哲倫云：離銀河系最近。觀測(cè)到許多與銀河系中相同的天體，有像太陽一樣的恒星，巨

13、星、超巨星、變星、中子星、造父變星；星團(tuán)、星云等。5 5，不規(guī)則星系，不規(guī)則星系 與正常星系不同，表現(xiàn)各異，很復(fù)雜，有如下幾種：（1 1）射電星系：射電波段特別強(qiáng)；）射電星系：射電波段特別強(qiáng)；（2 2）賽弗特星系：光度強(qiáng)，蘭光連續(xù)譜；）賽弗特星系：光度強(qiáng)，蘭光連續(xù)譜；（3 3）星暴星系：恒星大量產(chǎn)生；）星暴星系：恒星大量產(chǎn)生；（4）致密星系：直徑小，密度大，像恒星：（5）爆發(fā)星系：大量拋射氣體；（6）馬卡良星系：紫外連續(xù)譜強(qiáng)； 6 6、不平靜的特殊星系、不平靜的特殊星系類星體（活動(dòng)星系核類星體（活動(dòng)星系核） 類星體觀測(cè)上很像恒星，但是通過光譜紅移發(fā)類星體觀測(cè)上很像恒星，但是通過光譜紅移發(fā)現(xiàn)它們

14、非常遙遠(yuǎn)，因此它們非常明亮。它們實(shí)際現(xiàn)它們非常遙遠(yuǎn)，因此它們非常明亮。它們實(shí)際上是活動(dòng)星系核，亮度超過其宿主星系。上是活動(dòng)星系核，亮度超過其宿主星系。有些類星體有噴流，是正在吸積物質(zhì)的證據(jù)有些類星體有噴流，是正在吸積物質(zhì)的證據(jù)有些有些噴流視速度可以超過光速！噴流視速度可以超過光速?。ㄈ┒嘀匦窍?、星系團(tuán)和超星系團(tuán)（三）多重星系、星系團(tuán)和超星系團(tuán) 恒星喜歡“群居”，它們中大部分都是雙星、多重星或者星團(tuán)，“孤家寡人”比較少。 星系更是如此。目前已知的幾千億個(gè)河外星系，它們形成雙星系、多重星系，星系團(tuán)乃至超星系團(tuán)。1 1、多重星系、多重星系 所有的星系，幾乎都有自己的伴侶。 銀河系與大小麥哲倫云，是

15、一個(gè)非常典型的三重星系。近年來發(fā)現(xiàn)伴星系又增加了9個(gè)，變成十二重星系。施特芳施特芳5 5重星系重星系 五個(gè)星系分別為NGC7317，7318A，7318BA，7319和NGC7320， 由于星系間的激烈作用，在星系間產(chǎn)生由幾百萬顆比較年青恒星組成的星團(tuán)。 比星系群更大的星系集團(tuán)是星系團(tuán)。目前已經(jīng)確認(rèn)的星系團(tuán)有上萬個(gè)。星系團(tuán)形態(tài)有比較對(duì)稱的“規(guī)則”型和不對(duì)稱的“不規(guī)則”型。2 2、星系團(tuán)、星系團(tuán) 由幾十幾百個(gè)星系團(tuán)組成，大小約100Mpc,質(zhì)量約1016太陽質(zhì)量，成員星系團(tuán)之間引力作用弱，導(dǎo)致膨脹。質(zhì)量較大的超星系團(tuán)具有細(xì)長(zhǎng)、纖維狀結(jié)構(gòu)，沒有明顯的核心和對(duì)稱性； 宇宙中至少有50個(gè)左右超星系團(tuán)3

16、 3，超星系團(tuán)，超星系團(tuán)4 4，宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)長(zhǎng)城長(zhǎng)城（四）星系碰撞和星系演化（四）星系碰撞和星系演化 星系互相遭遇的事件很多，由于星系很大，星系之間的距離比星系本身的尺度大不了太多。 銀河系和仙女座大星云尺度分別為10萬和16萬光年，之間相距220萬光年，才大十幾倍。 大約有15%的星系都經(jīng)歷過碰撞的事件。因擠壓使物質(zhì)密度驟然增加，進(jìn)而催發(fā)一批新的恒星誕生。1 1、星系碰撞很容易、星系碰撞很容易NASA預(yù)言預(yù)言40億年后銀河系將與仙女座星系相撞億年后銀河系將與仙女座星系相撞 兩星系相撞的結(jié)果往往是質(zhì)量較大的星系將質(zhì)量較小的星系“吃掉”，合并成一個(gè)更大一些的星系。 合并過程

17、漫長(zhǎng)，長(zhǎng)達(dá)幾十億年。有時(shí)，兩個(gè)橢圓星系相撞會(huì)變成兩個(gè)旋渦星系，有時(shí)兩個(gè)旋渦星系相撞以后也會(huì)合并為一個(gè)橢圓星系。相撞導(dǎo)致的結(jié)果由多種因素決定。 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬星系的碰撞。 星系相撞的結(jié)果星系相撞的結(jié)果 宇宙中互擾星系還有很多。有1800個(gè)互擾星系被列入星表。 （1）帶孩子的星系M51 （2）天線星系 （3）車輪星系 （4）老鼠星系 （5）蝌蚪星系2 2、幾個(gè)典型的互擾星系、幾個(gè)典型的互擾星系M51是第一個(gè)顯示旋渦結(jié)構(gòu)的河外星系。在它旁邊有一個(gè)較小的伴星系NGC5195。相互作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生某些畸變。天文學(xué)家戲稱M51為帶孩子的星系。 帶孩子的星系帶孩子的星系 M51M51NGC4038和NGC4039碰撞形成，“長(zhǎng)出”兩條細(xì)長(zhǎng)、彎曲的“天線”，酷似昆蟲的一對(duì)觸角。天線星系天線星系 一大、一小兩個(gè)星系碰撞而成。 小星系碰上大星系，增加了大星系的引力，將大星系周圍的恒星吸引到星系中