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1、第六章，银河系第六章，银河系1.1. 银河银河Milky wayMilky way2.2. 弥漫星云弥漫星云3.3. 星团星团4.4. 银河系的结构银河系的结构5.5. 旋臂与银河系的自转旋臂与银河系的自转 我们肉眼看见的所有恒星，以及许许多多因为太我们肉眼看见的所有恒星，以及许许多多因为太暗而肉眼看不见的恒星，包括我们的太阳和太阳系暗而肉眼看不见的恒星，包括我们的太阳和太阳系在内，都属于一个巨大的在内，都属于一个巨大的恒星系统恒星系统，即，即银河系银河系。银。银河系中还包括许多河系中还包括许多星团、星际介质和星云星团、星际介质和星云。“不识庐山真面目，只缘身在此山中。不识庐山真面目，只缘身在
2、此山中。”我们身处我们身处银河系之中，看到的是一条横贯夜空的银河。一条银河系之中，看到的是一条横贯夜空的银河。一条朦胧不清的光带，绵延天空一整周。平均宽度约为朦胧不清的光带，绵延天空一整周。平均宽度约为2020度。度。 银河系的恒星在光带非常密集。在银河的暗带，银河系的恒星在光带非常密集。在银河的暗带，有大量的星际介质和暗星云存在。有大量的星际介质和暗星云存在。1.银河系银河系 银河系的发现经历了漫长的过程。银河系的发现经历了漫长的过程。 伽利略伽利略首先用望远镜观测，发现银河由首先用望远镜观测，发现银河由恒星恒星构成。构成。 T.T.赖特、赖特、I.I.康德康德、J.H.J.H.朗伯朗伯等认
3、为，银河和全部恒星等认为，银河和全部恒星 可能集合成一个巨大的恒星系统。可能集合成一个巨大的恒星系统。 1818世纪后期，世纪后期，F.W.F.W.赫歇尔赫歇尔开始恒星计数的观测，以确开始恒星计数的观测，以确 定恒星系统的结构和大小，定恒星系统的结构和大小，他断言恒星系统呈扁盘他断言恒星系统呈扁盘 状，太阳离盘中心不远。状，太阳离盘中心不远。 他去世后，其子他去世后，其子J.F.J.F.赫歇尔赫歇尔继承父业，继续进行深入继承父业，继续进行深入 研究，把恒星计数的工作扩展到南天。研究，把恒星计数的工作扩展到南天。 2020世纪初，天文学家把以银河为表观现象的恒星系统世纪初，天文学家把以银河为表观
4、现象的恒星系统 称为银河系。称为银河系。 J.C. J.C.卡普坦应用统计视差的方法测定恒星的平均距卡普坦应用统计视差的方法测定恒星的平均距 离，结合恒星计数，得出一个银河系模型：离，结合恒星计数，得出一个银河系模型：太阳居太阳居 中，银河系呈圆盘状，直径中，银河系呈圆盘状，直径8Kpc8Kpc，厚，厚2Kpc2Kpc。 H.H.沙普利沙普利应用应用造父变星造父变星的的周光关系周光关系，测定球状星团的，测定球状星团的 距离，从球状星团的分布来研究银河系的结构和大距离，从球状星团的分布来研究银河系的结构和大 小。他的模型是：小。他的模型是：银河系是一个透镜状的恒星系统，银河系是一个透镜状的恒星系
5、统， 太阳不在中心。太阳不在中心。银河系直径银河系直径80Kpc80Kpc，太阳离银心，太阳离银心 20Kpc20Kpc。这些数值太大，因为沙普利在计算距离时未。这些数值太大，因为沙普利在计算距离时未 计入星际消光。计入星际消光。 2020世纪世纪2020年代，银河系自转被发现以后，沙普利的银年代，银河系自转被发现以后，沙普利的银 河系模型得到公认。河系模型得到公认。6.2 6.2 弥漫星云弥漫星云十八世纪后期，威廉十八世纪后期，威廉赫歇尔等天文学家发现了许多赫歇尔等天文学家发现了许多云雾状斑点的天体，称为星云；实质上它们是云雾状斑点的天体，称为星云；实质上它们是河外星系（星系）和星云。河外星
6、系（星系）和星云。星云分为星云分为行星状星云，弥漫星云行星状星云，弥漫星云等；超新星遗迹也归等；超新星遗迹也归入其中。入其中。 弥漫星云又可分为发射星云，反射星云和暗星云三弥漫星云又可分为发射星云，反射星云和暗星云三 种，其实这三种星云的物质成分基本上是一样的，种，其实这三种星云的物质成分基本上是一样的， 都是由气体和尘埃组成。都是由气体和尘埃组成。 光盘上有许多星云的照片，非常漂亮光盘上有许多星云的照片，非常漂亮。 星云也属于星际物质星云也属于星际物质。其实它们也是由这些物质组。其实它们也是由这些物质组 成，不过是物质密度较大的团块而已。成，不过是物质密度较大的团块而已。现已确认，现已确认，
7、恒星就是在一些物质密度较大的分子云恒星就是在一些物质密度较大的分子云 中产生的。有些分子云至今还在形成新的恒星。中产生的。有些分子云至今还在形成新的恒星。 质量非常大而浓密的分子云，会碎裂成一些较小的质量非常大而浓密的分子云，会碎裂成一些较小的 团块。这些团块的大小约等于恒星直径的几百万团块。这些团块的大小约等于恒星直径的几百万 倍。由于引力作用，团块开始迅速收缩，在大约几倍。由于引力作用，团块开始迅速收缩，在大约几 十万年之后，在云团中心形成了一个高温、高压、十万年之后，在云团中心形成了一个高温、高压、 高密度的气体球，并在其核心触发了由四个氢原子高密度的气体球，并在其核心触发了由四个氢原子
8、 核聚变成一个氦原子核的反应，释放出大量的热和核聚变成一个氦原子核的反应，释放出大量的热和 光，成为恒星。光，成为恒星。 恒恒星星往往往往成成群群分分布布。一一般般地地，我我们们把把恒恒星星数数在在十十个个以以上上又又有有相相互互联联系系的的星星群群叫叫做做“星星团团”。比比如如金金牛牛座座中的中的“昴星团昴星团”、“毕星团毕星团”，巨蟹座的蜂巢星团等。，巨蟹座的蜂巢星团等。 根根据据星星团团包包含含的的恒恒星星数数、星星团团的的形形状状和和在在银银河河系系中中位置分布的不同，星团又分为位置分布的不同，星团又分为疏散星团和球状星团疏散星团和球状星团。 疏疏散散星星团团一一般般由由十十几几到到几
9、几千千颗颗恒恒星星组组成成，结结构构松松散散、形形状状也也不不规规则则。它它们们一一般般分分布布在在银银道道面面附附近近，也也被被称称作作“银银河河星星团团”, ,由由比比较较年年轻轻的的恒恒星星组组成成。在在银银河河系系内内发现的疏散星团目前有一千多个，其中包括刚发现的疏散星团目前有一千多个，其中包括刚提到的金牛座昴星团、毕星团。提到的金牛座昴星团、毕星团。 6.3 6.3 星团星团 球状星团中球状星团中的恒星远比疏散星团中的多得多，它的恒星远比疏散星团中的多得多，它由成千上万、多至几十万的恒星组成。它们聚集成球由成千上万、多至几十万的恒星组成。它们聚集成球形，越往中心越密集。形，越往中心越
10、密集。 球状星团大多都分布在银河系中心方向。一个球球状星团大多都分布在银河系中心方向。一个球状星团内的恒星差不多都是在同一时期形成的，它们状星团内的恒星差不多都是在同一时期形成的，它们的演化过程也大致相同，都属于的演化过程也大致相同，都属于老年恒星老年恒星。比较著名。比较著名的如武仙座的球状星团的如武仙座的球状星团M13M13，它由大约二百五十万颗，它由大约二百五十万颗恒星组成，离我们大约恒星组成，离我们大约2.52.5万光年。万光年。 M136.4 6.4 银河系的结构银河系的结构(1) 银盘 (disk) 、 (2) 核球 (bulge) 、 (3) 银晕 (halo) 、(4) 银冕 (
11、corona) 银盘是星系的主体，直径约为十万光年银盘是星系的主体，直径约为十万光年，中间部分，中间部分厚度大约六千光年，太阳附近银盘的厚度大约为三千厚度大约六千光年，太阳附近银盘的厚度大约为三千光年，银盘主要是由四条巨大的旋臂环绕组成，它是光年，银盘主要是由四条巨大的旋臂环绕组成，它是由无数的蓝色恒星组成的，太阳位于人马座臂和英仙由无数的蓝色恒星组成的，太阳位于人马座臂和英仙座臂之间的猎户座臂上，距离银心座臂之间的猎户座臂上，距离银心2800028000光年或者光年或者8.58.5千秒差距。千秒差距。 银盘一个非常引人注目的结构是有旋涡状的旋臂，银盘一个非常引人注目的结构是有旋涡状的旋臂，因
12、此银河系属于旋涡星系。旋臂中的天体属于十分年因此银河系属于旋涡星系。旋臂中的天体属于十分年轻的亮星和疏散星团。轻的亮星和疏散星团。 核球核球: : 星系的中心凸出部分，是一个很亮的球状，直径约星系的中心凸出部分，是一个很亮的球状，直径约为两万光年，厚一万光年，这个区域由高密度的恒星为两万光年，厚一万光年，这个区域由高密度的恒星组成，主要是年龄大约在一百亿年以上老年的红色恒组成，主要是年龄大约在一百亿年以上老年的红色恒星，星，很多证据表明，在中心区域存在着一个巨大的黑很多证据表明，在中心区域存在着一个巨大的黑洞，星系核的活动十分剧烈。洞，星系核的活动十分剧烈。 银晕和银冕银晕和银冕: :银河晕轮
13、弥散在银盘周围的一个球形区域内，银河晕轮弥散在银盘周围的一个球形区域内，银晕银晕直直径约为径约为3030万光年万光年, ,这里恒星的密度很低，分布着一些由老这里恒星的密度很低，分布着一些由老年恒星组成的球状星团，年恒星组成的球状星团，有人认为有人认为，在银晕外面还存在，在银晕外面还存在着一个巨大的呈球状的射电辐射区，称为着一个巨大的呈球状的射电辐射区，称为银冕银冕，银冕至银冕至少延伸到距银心一百千秒差距或三十二万光年远。少延伸到距银心一百千秒差距或三十二万光年远。 银河系是一个银河系是一个巨型旋涡巨型旋涡星系星系，SbSb型，共有型，共有4 4条条旋旋臂臂。包含一、二千亿颗恒星。银河系整体作。
14、包含一、二千亿颗恒星。银河系整体作较差自转较差自转，太阳处自转速度约太阳处自转速度约220220千米秒，太阳绕银心运转一千米秒，太阳绕银心运转一周约周约2.52.5亿年。银河系的目视星等为亿年。银河系的目视星等为20.520.5等，银河等，银河系的总质量大约是我们太阳质量的系的总质量大约是我们太阳质量的1 1万亿倍，大致万亿倍，大致1010倍于银河系全部恒星质量的总和。这是倍于银河系全部恒星质量的总和。这是暗物质暗物质存在的存在的强有力证据。关于银河系的年龄，目前占主流的观点强有力证据。关于银河系的年龄，目前占主流的观点认为，银河系在宇宙诞生的大爆炸之后不久就诞生了，认为，银河系在宇宙诞生的大
15、爆炸之后不久就诞生了，年龄大概年龄大概 在在145145亿岁左右，上下误差各有亿岁左右，上下误差各有2020多亿年。多亿年。星族星族(population)19441944年由年由Walter BaadeWalter Baade首先提出。首先提出。发现星系晕与核球中的恒星明显比盘中的恒星发现星系晕与核球中的恒星明显比盘中的恒星颜色偏红。颜色偏红。星族星族I恒星恒星 年轻的、富金属恒星（金属丰度为太阳值的年轻的、富金属恒星（金属丰度为太阳值的0.1-2.5倍），主要位于银盘中倍），主要位于银盘中，绕银心作圆轨道运动，绕银心作圆轨道运动。如疏散星团。如疏散星团。星族星族II恒星恒星年老的、贫金属恒
16、星（金属丰度为太阳值的年老的、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，倍），主要位于银晕和核球中，以银心作为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。心球对称分布绕银心作无规则的椭圆轨道运动。如如球状星团。球状星团。不同星族恒星的轨道运动特征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。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，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。且轨道取向是随机的。 银河系是星系类型中的旋涡星系一类的典型。它的银河系是星系类型中的旋涡星系一
17、类的典型。它的核心周围是一个巨大的中央核球，并有缠绕着它的旋核心周围是一个巨大的中央核球，并有缠绕着它的旋臂。这些弯曲的旋臂使银河系的外形看上去像是一个臂。这些弯曲的旋臂使银河系的外形看上去像是一个庞大的车轮。庞大的车轮。 银河系包括银河系包括4 4条大的和条大的和2 2条小的旋臂。条小的旋臂。太阳系太阳系坐落在坐落在较短的猎户座旋臂上，位于英仙座旋臂和人马座旋臂较短的猎户座旋臂上，位于英仙座旋臂和人马座旋臂之间。之间。旋臂是银河系里新的恒星诞生的摇篮旋臂是银河系里新的恒星诞生的摇篮。 6.5 6.5 旋臂与银河系自转旋臂与银河系自转问题：问题：银河系的旋涡结构是怎样形成的？银河系的旋涡结构是
18、怎样形成的？旋涡结构为什么能维持很长时间？旋涡结构为什么能维持很长时间？（在银河系和其他盘星系中发现旋臂存在说明（在银河系和其他盘星系中发现旋臂存在说明旋臂的维持时间相当长）旋臂的维持时间相当长） 旋臂的理论解释旋臂的理论解释 (1)旋臂不是物质臂旋臂不是物质臂如果旋臂始终由同样的物质构成：如果旋臂始终由同样的物质构成：太阳公转周期太阳公转周期2108yr，太阳年龄，太阳年龄5109yr太阳绕银心至少转了太阳绕银心至少转了20圈圈较差转动较差转动旋臂缠绕（或放松）旋臂缠绕（或放松）旋臂消失旋臂消失表征旋臂的主要是年轻天体表征旋臂的主要是年轻天体大质量恒星的寿命大质量恒星的寿命107yr旋臂消失
19、旋臂消失 (2)密度波理论密度波理论 由林家翘和徐瑕生由林家翘和徐瑕生1963年在年在Lindblad工作工作的基础上提出的基础上提出旋臂是密度波的表现。旋臂是密度波的表现。星系引力势扰动星系引力势扰动银盘内的天体以椭圆轨道运动银盘内的天体以椭圆轨道运动运动速度变化运动速度变化轨道取向相互耦合轨道取向相互耦合物质密度的规则变化物质密度的规则变化密度波密度波密度波在银盘内传播，导致物质压缩和恒密度波在银盘内传播，导致物质压缩和恒星形成星形成密度波的形成密度波的形成在无扰动势在无扰动势f 的情况下，引力势是轴对称的，银盘的情况下，引力势是轴对称的，银盘上的恒星与气体云的运动为匀速圆轨道运动上的恒星
20、与气体云的运动为匀速圆轨道运动。f = 0加入扰动引力势加入扰动引力势f =A(r)cos(m)同轴椭圆轨道同轴椭圆轨道(m=2)由由于于引引力力势势随随方方位位角角的的变变化化而而变变化化，天天体体的的运运动动速速度不再是均匀的。度不再是均匀的。加入扰动引力势加入扰动引力势f =A(r)cosm-(r)非同轴椭圆轨道非同轴椭圆轨道黑线代表极小引力势位置在引力势波谷处，物质速度减慢、密度增大。在引力势波谷处，物质速度减慢、密度增大。椭圆轨道相互耦合椭圆轨道相互耦合密度波密度波A.银河系的较差转动银河系的较差转动方法方法测量恒星和气体云谱线的测量恒星和气体云谱线的Doppler位移（视向速度）位
21、移（视向速度）随银经的变化。随银经的变化。太阳附近恒星视向速度（或太阳附近恒星视向速度（或自行）的周期性变化：自行）的周期性变化：在太阳周围在太阳周围360度的范围内，度的范围内，恒星的谱线位移表现出周期恒星的谱线位移表现出周期性的蓝移和红移。性的蓝移和红移。银河系的转动是较差转动银河系的转动是较差转动在太阳附近，距离银心越远，转动速度越小在太阳附近，距离银心越远，转动速度越小天体的转动速度相对于太阳的运动速度天体的视向速度B. 自转曲线自转曲线银河系自转速度或角速度随半径变化的曲线银河系自转速度或角速度随半径变化的曲线 内区：刚体转动，外区：较为平坦。内区：刚体转动，外区：较为平坦。在太阳附
22、近：转动速度随半径的增大而减小。在太阳附近：转动速度随半径的增大而减小。 C.银河系质量银河系质量 在太阳轨道内包含的质量为：在太阳轨道内包含的质量为：M =R0V02/G 1.01011M银河系的可见质量约为银河系的可见质量约为2.01011M银河系的实际质量远超过银河系的实际质量远超过1011M，表明在银晕和银冕中存，表明在银晕和银冕中存在大量的在大量的暗物质暗物质。(3) 暗物质暗物质(darkmatter) 由银河系的自转曲线得知，由银河系的自转曲线得知，银晕中的不可见物质质银晕中的不可见物质质量远远超过量远远超过银河系可见物质质量。银河系可见物质质量。暗物质的特征：在所有波段都不产生
23、辐射，仅有引暗物质的特征：在所有波段都不产生辐射，仅有引力作用。力作用。暗物质的可能成分暗物质的可能成分：MACHOs(MassiveCompactHaloObjects)如褐矮星、行星、致密星、电离气体等。如褐矮星、行星、致密星、电离气体等。WIMPs(WeaklyInteractingMassiveParticles)如质量非零的中微子或其他未知亚原子粒子如质量非零的中微子或其他未知亚原子粒子。习题习题1.你是注意否不同季节银河在天空中的位置变化？你是注意否不同季节银河在天空中的位置变化？为什么会有这种变化？为什么会有这种变化？2.试描述银河系的结构。试描述银河系的结构。3.银河系中有哪几类天体？银河系中有哪几类天体？4.球状星团和疏散星团有什么不同？球状星团和疏散星团有什么不同？2006重大太空发现揭晓：土星阳光令人称奇重大太空发现揭晓：土星阳光令人称奇今年今年9月，月，“卡西尼卡西尼”号飞船捕捉到了这张令人叹为观止的土星及其发光微弱光环的照片。号飞船捕捉到了这张令人叹为观止的土星及其发光微弱光环的照片。 上面的照片中，土星环附近可以看到一个不太亮的光点，那正是我们所生活的地球。
