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1、银河系的结构和演化,河北师大物理学院 李 冀,物理学新进展系列讲座,我们生活在银河系，我们绕着银河系的一颗恒星运动，我们的生命受惠于银河系，而且我们的生命是用银河系恒星中的炼出来的物质做成的。 银河系的结构怎样？ 银河系的起源和演化如何？ 银河系是否还存在地外文明？,提 纲,一、银河系概况 二、银河系的研究历史 三、银河系结构和组成 四、银河系起源和演化 五、银河系的归宿,一、银河系概况,在夏季晴朗的夜晚，如果没有月亮，你遥望夜空，会看到有一条银白色的光带从东北方向伸向天穹的另一端，这宛若薄纱般的光带就是银河。 在我国古代,人们把银河看作是天上的河流。我们的祖先给它起了许多好听的名字:银河、天
2、河、长河、明河、秋河、河汉、银汉、天汉、星汉等不下二十几个。 在西方,银河被称为Milk Way,意即奶路,据古希腊神话,这横贯天空的奶白色银河,是天神的妻子赫拉乳房中喷出的乳汁。,由于太阳系几乎位于这个盘的中心平面，并且更趋向于盘的外边缘而不是盘的中心，因此我们看到的只是盘的侧面一条叫做“天河”的白色光带。,今天已经知道，银河这条光带是由无数颗星星组成的。在银河系内，绝大部分可见的恒星位于一个巨大的薄盘之内。,星星之河,银河系中栖息着约2000亿颗恒星，它们彼此差异极大，几乎无一完全相同者。 最亮的恒星一天中发出的光，比太阳今后2000年内发的光还多；而最暗的恒星是如此黯淡，如果用其中一颗代
3、替太阳，那么正午时分的天空将比月夜还要昏暗。 银河系中最热的恒星因产生大量紫外辐射而呈蓝色；最冷的恒星则呈红色。 最大的恒星如果放在太阳系中心，会触及土星；最小的恒星却比夏威夷群岛的几个主岛还要小。 银河系最老的恒星可以追溯到100多亿年前银河系本身形成之时，而最年轻的恒星比你我还年轻。,全天的2,5000颗最亮的恒星(B-V0)分布图,银河系的基本数据,总质量：约1万亿太阳质量 总目视光度：约150亿太阳光度 绝对目视星等：-20.6（太阳是-26.7） 银心位置：人马座 银盘直径：约13万光年 暗晕直径：很大，但未知 太阳银心距：2.7万光年 太阳的轨道周期：2.3亿年 在太阳位置的自传速
4、度：220km/s,银河系全貌,银河是天空中的一个环带，在人马座附近最亮、最宽，它的中心线近似为天球上的一个大圆。,银河系广角图像,光学波段的银河系,射电波段的银河系,红外波段的银河系,X射线波段的银河系,射线波段的银河系,二、 银河系的研究简史,楚辞中的著名的天问 阴阳三合，何本何化？ 斡维焉系，天极焉加？ 八柱何当，东南何亏？ 九天之际，安放安属？ 隅隈多有，谁知其数？ 天何所沓？十二焉分？ 日月安属？列星安陈？,阴阳参合而生宇宙，哪是本体哪是演变？ 天体轴绳系在哪里？天极不动设在哪里？ 八柱撑天对着何方？东南为何缺损不齐？ 平面上的九天边际，抵达何处联属何方？ 边边相交隅角很多，又有谁能
5、知其数量？ 天在哪里与地交会？黄道怎样十二等分？ 日月天体如何连属？众星在天如何置陈？,For the Galaxy is nothing else than a congeries of innumerable stars distributed in clusters. in The Starry Messenger,1610年Galileo Galilei（意）首先用望远镜发现银河由无数恒星组成。,虽然从非常久远的古代，人们就认识了银河系。但是对银河系的真正认识还是从近代开始的。,1750年，英国天文学家莱特（Wright T.）: 认为银河系是扁平的。,1755年 哲学家康德（I. K
6、ant）： 银河系是恒星组成的旋转扁盘，是“宇宙岛”之一。 太阳是球壳状分布的无数恒星中 的一颗。,1785年英国天文学家威廉赫歇耳 (W. Herschel)通过计量不同方向的恒星密度，得到第一幅银河系整体图像。 银河系为扁盘状，太阳位于中心附近。,1920年H. Shapley（美）发现球状星团均匀地分布在银河的两侧，并且有向人马座聚集的倾向。 Shapley利用球状星团内的天琴RR型变星测量星团距离，并给出球状星团的空间分布。,The Creater Milky Way,Shapley认为球状星团是银河系的子系统，并以银心为分布中心。 Shapley估计太阳系到银心的距离为16 kpc.
7、 在Shapley的模型中，银河系的结构是扁盘状的，直径为100 kpc. 1kpc=3.262光年,1922年卡普坦 J. Kapteyn（荷）利用照相底片测量不同天区的恒星密度，用统计视差求得恒星距离，首次估计银河系直径为50,000 ly，厚度为10,000 ly，假设太阳位于银河系中心附近。-扁平结构,1926年，瑞典天文学家林得布拉德（Lindblad Bertil）分析出银河系也在自转。,星际介质与银河系的大小,早期对银河系的研究集中在可见光波段，天文学家并不了解星际介质的存在及其消光作用，因而得到关于银河系结构的错误的结论。 直到20世纪30年代特朗普勒证实星际物质存在后，人们才
8、认识到星际介质的尺度及其重要影响。这一偏差才得到纠正。并发展了射电与红外的手段来研究银河系的结构。,三、 银河系的结构,银河系是一个具有旋涡结构的盘状星系。,Spiral Galaxies(a) This galaxy, catalogued as NGC 2997 and seen nearly face-on, is somewhat similar in its overall structure to our own Milky Way Galaxy and Andromeda. (b) The galaxy NGC 4565 happens to be oriented in suc
9、h a way that we see it edge-on, allowing us to see clearly its disk and central bulge.,银盘：直径30 kpc, 厚度300 pc,球状星团,核球,银晕,我们在这,结构成分：(1) 银盘disk；(2) 核球bulge； (3) 银晕halo；(4) 银冕corona,星族 (population),1944年由Walter Baade首先提出。 发现星系晕与核球中的恒星明显比盘中的恒星颜色偏红。,星族I恒星 年轻的、富金属恒星（金属丰度为太阳值的0.1-2.5倍） 主要位于银盘中 ，绕银心作圆轨道运动 。如
10、疏散星团。 星族II恒星 年老的、贫金属恒星（金属丰度为太阳值的0.001-0.03倍），主要位于银晕和核球中，以银心作为中心球对称分布绕银心作无规则的椭圆轨道运动。如球状星团。,不同星族恒星的轨道运动特征,星系盘内的恒星绕银心作规则的圆轨道运动。 晕中的恒星绕银心作大偏心率的椭圆轨道运动，且轨道取向是随机的。,金属丰度越低的恒星离银道面越远 银河系演化,星族I与II天体的特征,银河系的银盘是热的星云、冷的尘埃和百亿颗恒星的家,3.1 银盘的结构,银盘是银河系恒星分布的主体，外形呈轴对称和平面对称的扁平圆盘状，犹如运动场上的铁饼，直径约为8.2万光年。太阳到银河系中心的距离(银心距)约为2.7
11、万光年，离银盘对称平面仅有20光年30光年。 银盘厚度并不均匀，近中心处厚，边缘部分薄，除暗晕部分外，银河系总质量的85%90%集中在银盘内。 根据星系的哈勃分类法，银河系是一个Sb或Sc型的旋涡星系，这种旋涡结构表现为在银盘中存在若干条旋臂，它们是气体、尘埃和年轻恒星的集中分布区。旋臂的实际形状很复杂，有的地方会分叉，形成所谓支臂。,银盘恒星数密度的变化,除暗晕外，银河系中的物质主要以恒星形式分布在银盘中，在银道面附近，恒星数密度最高，随着银面距z的增大，恒星数密度渐而降低。 D0是银道面上(z=0处)的恒星数密度，h称为标高。标高的含意是，银面距每增大h秒差距，恒星的数密度便减小到1/e。
12、 利用实测资料确定函数的具体形式(D0和h的值)，便成为研究银河系结构和恒星分布的主要内容之一。 自赫歇尔时代以来，天文学家一直认为银盘中恒星只具有单一的指数分布结构银盘，仅此而已。,厚盘的发现,1 9 8 3 年， 两位英国天文学家吉尔莫(N.Gilmore)和莱德(G.Reid)经过详细的研究后首次明确提出，银盘中的恒星可以分属于薄盘和厚盘两种形态不同的结构。 他们发现，恒星在垂直银道面方向上的分布需要用2个指数成分来表述：在银面距z1000pc内，银盘恒星可以用一个指数分布来描述，标高约为300pc, 这就是薄盘，也就是原来意义上的银盘。 另一方面，在银面距z=10005000pc范围内
13、的恒星主要属于第二个指数成分，标高约为1450pc, 称为厚盘。,不过，构成薄盘和厚盘的恒星在空间分布上并不是截然分开的，而是互相套叠在一起，其间并没有任何使之一分为二的边界，这正是厚盘结构不容易发现的原因。 在靠近银道面处，主要是薄盘恒星，如太阳附近区域内厚盘恒星仅占恒星总数的2%左右。由于薄盘恒星的标高比厚盘恒星小得多，随着银面距的增大，薄盘恒星的数密度迅速减小，因而在远离银道面的地方就以厚盘恒星为主了。,薄盘和厚盘的恒星，在物理学和运动学性质上的明显差异。,年轻薄盘 年老薄盘 厚盘 晕 太阳附近 9% 87% 4% 0.1% 恒星百分比 标高z/光年 350 1000 3500 ？ 平均
14、V速度km/s 0 -10 -30 -200 平均Fe/H 0 -0.2 -0.7 -2.0 平均年龄Gyr 10 典型代表 天狼 太阳 大角 球状星团,厚盘的形成和演化成为天体物理研究的新热点,随着银河系厚盘的发现，原来关于银河系恒星分布的3成分(核球+银盘+银晕)模型，应代之以4成分(核球+薄盘+厚盘+银晕)模型。 今天，银河系厚盘的存在，已经为天文界所普遍接受。不仅如此，在一些河外旋涡星系中也发现了存在厚盘的观测证据。 因此，至少对一部分星系来说，厚盘很可能是星系结构中普遍存在的一种成分，它的形成和性质必然与星系演化过程密切相关。,3.2 核球和银晕,1. 核球 (bulge) (1)
15、特点 银心在人马座方向 椭球形 大小 64 kpc 恒星分布十分密集 数密度 1,600 ly-3 是银河系平均恒星密度的105倍。,GC,(2) 光学观测,在光学波段，核球附近区域受星际气体和尘埃的遮挡。目前观测到的核球恒星很少。 辐射主要来自年老的星族I天体（如红巨星）。,(3) 红外与射电观测,观测表明银心区域的恒星分布高度密集（ 5104 pc-3 )，比太阳附近恒星密度高107倍。,对银心区域的近红外(2.2m)观测（辐射主要来自年老的星族I恒星）,强射电源人马座(Sagittarius) A,银心的射电观测,银心周围100 ly范围： 从人马座A延伸出射电弧， 平行射电弧与银道面垂
16、直， 射电弧的形态与本地磁场有关。,银心的射电观测,银心周围10 ly 范围： 热电离气体的热辐射， 旋臂状形态。,(4) X, 射线观测,强X,射线辐射源,Chandra卫星的X射线观测,CGRO卫星对银心区域的射线观测表明每秒109吨正反物质湮灭。,核球的X-射线辐射,这些隐藏在宇宙深处的新发现恒星，都是些个头巨大的家伙，大部分恒星质量都在太阳的30到50倍之间。这里质量越大的恒星，其发射的光芒就越为耀眼。有一颗质量为太阳50倍的恒星，亮度比太阳高出近五个等级，相当于10万颗太阳的亮度。,Chandra X-射线卫星对银心的巡天,Red: 1-3 keV Green: 3-5 keV Blue: 5-8 keV,此次观测到的银河系中心黑洞，位于距离地球大约2万6千光年的 银河系星系中央区。,(5) 银心 (nucleus),由银心附近恒星的运动推测在银心集中了3106 M的质量。 人马座A的尺度 10 AU 大质量的黑洞?,银心附近红巨星的运动,银河系的10倍放大想象图,100 kp
