天文学概论_6_银河系和河外星系解读

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1、西华师范大学公共选修课 天 文 学 概 论,第五讲 银河系和河外星系,刘雄伟 物理与电子信息学院,（一）人类探索银河系的历程 （二）银河系的结构 （三）银河系的成员,一，银河系,夏秋两季，星空中有条光带，从北到南横跨天空。这就是银河。 我国牛郎织女的故事：牛郎星、织女星和天津四组成夏季大三角。,（一）人类探索银河系的历程,1609年，当伽利略用望远镜对准银河时， 看到多如牛毛的星星。 18世纪中叶，康德推测：银河、恒星和 太阳共同组成了一个非常庞大的天体系统， 形状很像一个磨盘。 英国天文学家赫歇尔观测十几万颗恒星， 确认银河是一个天体系统。,银河是什么？,1609年，伽利略： “借助望远镜，

2、我的观察十分细致而直 观。银河不是别的，是汇聚成群的无数恒 星的大集合。无论把望远镜指向它的哪个 部位，大量恒星立即进入视野。它们中的 许多大而明亮，小的恒星则多得数不清。” 之后的100多年，天文学家仍沉溺于太 阳系的研究。不关心银河系。,建立银河系结构的关键,要想建立银河系的结构模型，需要准确地 测量一批恒星的距离，包括很远的边缘处的 恒星的距离，很困难。,非常强的星际尘埃消光； 光学上很难测量距离 100 pc 银盘里的天体,NGC1232,不识银河真面目，只缘身在此河中。,一个扁平形状的恒星系统，长度和厚度大约是6:1，边缘不那么整齐，太阳在正中心。,赫歇尔的银河截面图（1785年发表

3、）,1776年，38岁的英国天文学家威廉赫歇尔开始观测恒星，十来年观测117600颗恒星，被誉为恒星天文学之父。妹卡罗琳赫歇尔终身做他的助手，未嫁。,赫歇尔的银河系模型的问题,尺度太小 赫歇耳认为在银河系内约有1亿颗恒星；测距离的方法不准确：用恒星的视亮度估计距离。 银河系尺度为7500光年，厚度是1300光年。太小了。 中心不对 认为太阳系是银河系的中心。,直径为5.5万光年，厚度为1.1 万光年，包含了474亿颗恒星。 太阳靠近银河系中心，银心在北天的仙后 座。（保留了赫歇尔的错误） 主要的原因：对银河系内星际介质及其消 光作用缺乏认识，把距离估计错了。,卡普坦的小银河系模型 （1922年

4、）,沙普利的大银河系模型 （1922年） 否定太阳是银河系中心。 正确指出中心在南半球人马 座以西的地方。 银河系直径33万光年，比真实尺度大了3倍。原因 是没有考虑星际消光，距离估计远了。 沙普利仅用几年时间获得的银河系模型，公认比卡普坦的模型好。,改用球状星团的空间分布来估计银河系的 结构。 球状星团亮，看得远，数目少。 采用新的估计距离的方法：造父变星方法 和天琴座RR变星方法。 发现球状星团的分布不对称，说明太阳不 在银河系中心。球状星团绝大部分都分布在 人马座方向，找到了银河系中心。,沙普利的研究方法的优越性,球状星团在银河系中的分布,左图：分布在银河两边 右图：由球状星团分布，确定

5、银河系中心,（二）、银河系的结构 随着现代大型望远镜的使用以及观测技术和方法的进步，对银河系的认识逐渐清晰,形状象一个大铁饼。 由银盘、银晕、核球和旋臂等组成。 直径810万光年。 太阳离中心约3.3万光年。 银河系并没有一个明显的边界。,1，结构,太阳系附近的3条旋臂,2，银河系旋臂是银河系内物质密集的部分，共发现了4条：三千秒差距臂、英仙臂、人马臂和猎户臂。,3, 银河系多波段观测结果,射电（0.4GHz) 中性氢 射电（2.7GHz) 分子氢 红外 远红外 光学 X射线 Gamma射线,银河系较差自转：在靠近银心的地方，接近于刚体旋转；离银心较远地方，角速度变小。 自转周期为2.5亿年。

6、 从恒星绕行轨道曲线，找出绕行中心：银心在人马座方向上，离太阳约3.3万光年。,4，银河系的自转,1999年 中国韩金林、乔国俊利用脉冲星的偏振测量出银河系的磁场结构！,5，银河系的磁场,（三）、银河系的成员 除了恒星，还有星团、星际介质、分子云、星云等等,球状星团,球状星团形状呈球形或椭球形，包含成千上万颗恒星，越往中心密度越大。 直径一般为100-300光年，包含几千到几百万颗恒星。 银河系中约有500多个球状星团，至今已确认100多个，大多分布在银晕中。,武仙座球状星团 M13,外形不规则，包含的成员星比球状星团少得 多，少的只有几十个，最多1000多个。 疏散星团的数目比球状星团多许多

7、，约有1.8 万个，已发现了1000多个。 疏散星团中的成员星种类十分复杂，分三类： 只有主序星；主序星及一些黄色和红色巨星； 主序星及很多黄色和红色巨星。 大多数疏散星团都比较年轻。,疏散星团,日本昴星团望远镜拍摄的金牛座昴星团,在我国民间俗称七姐妹星团，肉眼可见。 是最明亮的疏散星团。亮星周围有暗的反射星云。,星际介质,恒星之间的气体、尘埃、宇宙线与磁场 氢占70，以3种形成存在，即氢原子(H)、电离氢(H)和氢分子（H2）。氦（He）占28%。 来自超新星、新星、行星状星云、恒星风以及从外面进入银河系的碎快。 尘埃占星际质量的比例仅1，直径 0.01-0.1微米。吸收和散射可见光的能力很

8、强，是星际消光的主要因素。,星云由气体和尘埃微粒组成，总称为银河星云。 银河星云一般都比较暗弱，肉眼可见的只有猎户座大星云。 按照形态，分为弥漫星云和行星状星云。 星云恒星形成区。,银河系星云,著名的暗星云 马头星云 形状酷似一匹骏马的头部而得名。 位于猎户星座中心区域。 星云中的气体和尘埃处于杂乱无章的运动状态之中，随着时间的推移，马头的形状会发生变化。,著名的亮星云 猎户座星云,天空中最明亮的发射星云。 猎户座星云是著名的恒星形成区。能生育几百或几千课恒星。,银河系是孤立的宇宙岛？ 18世纪中叶，德国哲学家康德猜想宇宙中还存在着无数个与银河系类似的天体系统。 1922年，哈勃的观测证明了河

9、外星系的存在。,二，河外星系,早在18世纪，就有两种看法： 1，银河系外的巨大恒星系统； 2，银河系内部气体尘埃云，形成恒星的区域。,（一）仙女座大星云是什么？,1922年开始，哈勃利用造父变星测距法，测定仙女座大星云中造父变星的距离为约为90万光年（实际上是220万光年），远远超出了银河系的直径，由此确认仙女座大星云是河外星系。 认识宇宙的一次飞跃,哈勃发现河外星系,仙女座大星云 M31（NGC224） 最明亮，肉 眼可见。 侧面对着我 们，旋臂的特 征不很明显。 M31核心部分有两个相距仅5光年的核。可能是几十亿年前的一个小星系闯入了仙女座大星云，经过引力的吸引作用形成了两个核。,总数达2

10、000亿。最远的河外星系有100多 亿光年。 天文研究的范围扩展到以百亿光年为尺度 的广阔空间。 我们接收到百亿光年远的天体的辐射，是 百亿年以前发出的，是宇宙早期发生的事件。,（二）河外星系知多少？,对数量众多、形态各异的河外星系，哈勃1926年提出了哈勃星系分类法：椭圆星系，旋涡星系和不规则星系,哈勃星系分类法,椭圆星系的形状是圆 球形或椭球形，没有旋 涡结构，中间部分较明 亮。 椭圆星系数目不多， 占河外星系总数的17。 质量最大和最小的河外星系都是椭圆星 系。最大和最小的相差107倍！,1，椭圆星系,2，美丽的旋涡星系,旋涡星系NGC1232,旋涡星系M101,数量最多、形态最美的，都

11、有明亮的核心，弯曲的旋臂以及旋臂上突出的结点和斑点。 旋臂上物质比较稠密，有比较多的气体、和尘埃，因此成为孕育恒星的场所。,草帽星系（旋涡）,基本是侧面对着我们，看不清楚旋涡结构,中心有棒状结构。 旋臂源于棒的两端。 属于旋涡星系。,NGC 1365,3，棒旋星系,4，透镜状星系,介于椭圆星系和旋涡星系之间的、无旋臂的盘星系。 主要由年老恒星组成，气体很少。,没有一定形状 的亮斑，没有核 球，没有旋臂。 大、小麦哲伦 云：离银河系最近。观测到许多与银河系中相同的天体，有像太阳一样的恒星，巨星、超巨星、变星、中子星、造父变星；星团、星云等。,5，不规则星系,与正常星系不同，表现各异，很复杂，有

12、如下几种： （1）射电星系：射电波段特别强； （2）赛弗特星系：光度强，兰光连续谱； （3）星暴星系：恒星大量产生； （4）致密星系：直径小，密度大，像恒星： （5）爆发星系：大量抛射气体； （6）马卡良星系：紫外连续谱强；,6、不平静的特殊星系,类星体（活动星系核）,类星体观测上很像恒星，但是通过光谱红移发现它们非常遥远，因此它们非常明亮。它们实际上是活动星系核，亮度超过其宿主星系。,有些类星体有喷流，是正在吸积物质的证据 有些喷流视速度可以超过光速！,（三）多重星系、星系团和超星系团,恒星喜欢“群居”，它们中大部分都是双 星、多重星或者星团，“孤家寡人”比较少。 星系更是如此。目前已知的几

13、千亿个河 外星系，它们形成双星系、多重星系，星 系团乃至超星系团。,1、多重星系,所有的星系，几乎都有自己的伴侣。 银河系与大小麦哲伦云，是一个非常典型的三重星系。近年来发现伴星系又增加了9个，变成十二重星系。,施特芳5重星系,五个星系分别为 NGC7317，7318A， 7318BA，7319和 NGC7320， 由于星系间的激 烈作用，在星系间 产生由几百万颗比 较年青恒星组成的 星团。,比星系群更大的星系集团是星系团。目前已经确认的星系团有上万个。星系团形态有比较对称的“规则”型和不对称的“不规则”型。,2、星系团,由几十几百个星系团组成，大小约100Mpc,质量约1016太阳质量，成员

14、星系团之间引力作用弱，导致膨胀。质量较大的超星系团具有细长、纤维状结构，没有明显的核心 和对称性； 宇宙中至少有50 个左右超星系团,3，超星系团,4，宇宙的大尺度结构长城,星系的分布不均匀，具有类似海绵状结构，由细长的纤维（超星系团）及其周围的巨洞组成。巨洞的典型大小为50 Mpc。 宇宙中大部分物质位于纤维结构上，约占整个空间面积的1%-2%。,（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 之间的距离比星系本身的尺度大不了太多。 银河系和仙女座大星云尺度分别为10万和16万光年，之间相距220万光年，才大十几倍。 大约有15%的星系都经历过碰撞的事件。因挤压使 物质

15、密度骤然增加，进而催发一批新的恒星诞生。,1、星系碰撞很容易,NASA预言40亿年后银河系将与仙女座星系相撞,两星系相撞的结果往往是质量较大的星系将质量较小的星系“吃掉”，合并成一个更大一些的星系。 合并过程漫长，长达几十亿年。有时，两个椭圆星系相撞会变成两个旋涡星系，有时两个旋涡星系相撞以后也会合并为一个椭圆星系。相撞导致的结果由多种因素决定。 计算机数值模拟星系的碰撞。,星系相撞的结果,宇宙中互扰星系还有很多。有1800个互扰 星系被列入星表。 （1）带孩子的星系M51 （2）天线星系 （3）车轮星系 （4）老鼠星系 （5）蝌蚪星系,2、几个典型的互扰星系,M51是第一个显示旋涡结构的河外

16、星系。在它旁边有一个较小的伴星系NGC5195。相互作用导致结构发生某些畸变。天文学家戏称M51为带孩子的星系。,带孩子的星系 M51,NGC4038和NGC4039碰撞形成，“长出”两条细长、弯曲的“天线”，酷似昆虫的一对触角。,天线星系,一大、一小两个 星系碰撞而成。 小星系碰上大星 系，增加了大星系 的引力，将大星系 周围的恒星吸引到 星系中心。 当小星系远离大星系时，大星系的引力骤减， 恒星又四散离去，形成美丽的车轮状的光环。,车轮星系,蝌蚪星系：距离地球4.2亿光年，拖着一条由恒星组成的“尾巴”酷似一尾游动着的蝌蚪。,老鼠星系：是一对旋涡星系（NGC4676a和NGC4676b），两个星系互相作用，分别拖着由恒星和气体组成的长尾,星系团也会碰撞 著名的子弹星系团，是暗物质存在的强烈证据！,子弹星系团的多波段合成图,思考和复习题,1，为什么测量银行的结构非常困难？ 2，为什么哈勃被誉为“星系之父”？ 3，星系有哪几类？ 4，星系如何组成宇宙的结构？,