第四篇 銀河系及河外星系1(銀河系)

第四篇銀河系與河外星系（1）

—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核球和銀暈本講內(nèi)容§1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大圓。西方稱為“MilkyWaygalaxy”,中國古人稱為“天河”。銀河系廣角圖像希臘神話傳說，宙斯（Zeus）是希臘眾神廟里的主神，即神上之神，跟玉皇大帝有一樣，宙斯的妻子就是他的妹妹赫拉（Hera），赫拉是眾女神之神，地位相當(dāng)于王母娘娘了，赫拉的奶汁和唐僧肉具有相同的效力，誰吮吸了她的奶汁，便會長生不老。宙斯是個不安分的神，暗地里和有夫之婦阿爾克墨涅私通，生下了赫拉克勒斯。宙斯希望赫拉克勒斯將來能長生不老，就偷偷地把赫拉克勒斯放在睡著的赫拉身旁，讓赫拉克勒斯吮吸赫拉的奶汁，誰知赫拉克勒斯吮吸太猛，驚醒了赫拉，她發(fā)現(xiàn)吃奶的不是自己的兒子，便一把把孩子推開?？墒撬昧μ?，奶汁直噴到了天上，便成了MilkWay（奶路）TheOriginoftheMilkyWay，意大利文藝復(fù)興時期著名畫家Tintoretto的油畫（1575-1580）西方：奶路，TheMilkyWayGalaxyTheGalaxyMilkyWay整個銀河系有3000億顆恒星

要數(shù)9400年!"FortheGalaxyisnothingelsethanacongeriesofinnumerablestarsdistributedinclusters."

——inTheStarryMessenger2.銀河系研究簡史1610年伽利略Galilei（意）首先用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)銀河由無數(shù)恒星組成。1750年賴特T.Wright（英）：太陽是球殼狀分布的無數(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，是“宇宙島”之一。1785年赫歇爾W.Herschel（英）通過計量不同方向的恒星密度，得到第一幅銀河系整體圖像。銀河系為扁盤狀，太陽位于中心附近。683天區(qū)，11萬顆恒星1922年卡普坦J.Kapteyn（荷）利用照相底片測量不同天區(qū)的恒星密度，用統(tǒng)計視差求得恒星距離，首次估計銀河系直徑為50,000ly，厚度為10,000ly，假設(shè)太陽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,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估計太陽系到銀心的距離為16kpc.在Shapley的模型中，銀河系的結(jié)構(gòu)是扁盤狀的，直徑為100kpc。3.銀河系結(jié)構(gòu)

銀河系是一個具有旋渦結(jié)構(gòu)的盤狀星系。 質(zhì)量~1012M⊙，直徑~105ly

(30kpc)主要成分(1)銀盤(disk)、(2)核球(bulge)、(3)銀暈(halo)銀盤：直徑~30kpc,厚度~300pc球狀星團(tuán)核球銀暈我們在這銀河系結(jié)構(gòu)4.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中的恒星顏色偏紅。銀河系中的恒星分屬兩個星族：星族I和星族II星族I恒星 年輕的、富金屬恒星（金屬豐度為太陽值的0.1-2.5倍） 主要位于銀盤中，繞銀心作圓軌道運(yùn)動。如疏散星團(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分布繞銀心作無規(guī)則的橢圓軌道運(yùn)動。如球狀星團(tuán)?！?銀河系的旋渦結(jié)構(gòu)

1.銀盤構(gòu)成：星族I恒星、氣體和塵埃直徑：D

~30kpc厚度：h~70-300pc

D

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h2.銀河系旋臂的證認(rèn)

(1)光學(xué)觀測示蹤天體 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 星際塵埃消光。

太陽附近恒星的分布(2)射電觀測示蹤天體 HI區(qū)、分子云。方法 測量HI區(qū)21cm譜線和分子云的毫米波譜線Doppler譜線位移 →視向速度→轉(zhuǎn)動速度 比較銀河系自轉(zhuǎn)曲線 →距離限制 氣體云的轉(zhuǎn)動是非圓的，在圓運(yùn)動的同時還有無規(guī)運(yùn)動。

(3)觀測結(jié)果

銀河系存在旋臂結(jié)構(gòu): 英仙(Perseus)臂、 人馬(Sagittarius)臂、獵戶(Orion)臂、天鵝(Cygnus)臂. 太陽位于獵戶臂上問題：銀河系的旋渦結(jié)構(gòu)是怎樣形成的？旋渦結(jié)構(gòu)為什么能維持很長時間？ （在銀河系和其他盤星系中發(fā)現(xiàn)旋臂存在說明旋臂的維持時間相當(dāng)長）3.旋臂的理論解釋

旋臂不是物質(zhì)臂如果旋臂始終由同樣的物質(zhì)構(gòu)成：太陽公轉(zhuǎn)周期~2×108yr，太陽年齡~5×109yr →太陽繞銀心至少轉(zhuǎn)了20圈 較差轉(zhuǎn)動→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≤107yr→旋臂消失

(2)密度波理論

由林家翹和徐瑕生1963年在林德布拉德工作的基礎(chǔ)上提出——旋臂是密度波的表現(xiàn)。星系引力勢擾動 →銀盤內(nèi)的天體以橢圓軌道運(yùn)動 →運(yùn)動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內(nèi)傳播，導(dǎo)致物質(zhì)壓縮和恒星形成在引力勢波谷處，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§3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。

(2)光學(xué)觀測

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

(3)紅外與射電觀測

觀測表明銀心區(qū)域的恒星分布高度密集（~5×104pc-3)，比太陽附近恒星密度高107倍。對銀心區(qū)域的近紅外(2.2μm)觀測（輻射主要來自年老的星族I恒星）強(qiáng)射電源——人馬座(Sagittarius)A(4)X,γ射線觀測

強(qiáng)X,γ射線輻射源Chandra衛(wèi)星的X射線觀測CGRO衛(wèi)星對銀心區(qū)域的γ射線觀測表明每秒109噸正反物質(zhì)湮滅。ChandraX-raySurveyoftheGalacticCenterRed:1-3keV

Green:3-5keV

Blue:5-8keV(5)銀心(nucleus)

由銀心附近恒星的運(yùn)動推測在銀心集中了~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2000年10月26日Chandra衛(wèi)星觀測到銀心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)的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過銀河系可見物質(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。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)我國天文學(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)

中國科學(xué)院上海天文臺沈志強(qiáng)研究員領(lǐng)導(dǎo)的一個國際天文研究小組，通過對位于我們銀河系中心被稱為人馬座A*（SgrA*）的神秘射電發(fā)射源的高空間分辨率觀測，發(fā)現(xiàn)了支持“我們太陽系所在的銀河系的中心存在超大質(zhì)量黑洞”觀點(diǎn)的迄今為止最令人信服的證據(jù)。該研究成果刊登在2005年11月3日出版的英國《自然》周刊上。沈志強(qiáng)及其合作者，包括美國國家射電天文臺臺長魯國鏞，美國加州理工學(xué)院的梁茂昌，美國哈佛—史密松天體物理中心的賀曾樸（現(xiàn)任中國臺