科普知識(shí)堆天文學(xué)概論

第六章星系星系是幾十億顆至幾千億顆恒星以及星際氣體和塵埃物質(zhì)等組成的天體系統(tǒng)，它占據(jù)了幾千光年至幾十億光年的空間距離。

人類所能觀測(cè)到的所有星系統(tǒng)稱為總星系。天文學(xué)上所指宇宙往往就是指總星系，是有限的，而哲學(xué)上的宇宙無(wú)論時(shí)間還是空間都是無(wú)限的。星系（galaxy）與星云（nebula）最初，人們認(rèn)識(shí)星系時(shí)并沒有認(rèn)識(shí)到它是由恒星組成的系統(tǒng)，而認(rèn)為它是由彌漫的物質(zhì)組成的星云。如：典型的旋渦星系仙女座大星云被成為“星云”。英國(guó)天文學(xué)家赫歇耳在觀察星云的時(shí)，用他的大望遠(yuǎn)鏡居然把星云分解成恒星，所以他斷言所有的星云都能分解成恒星，只要有足夠大口徑的望遠(yuǎn)鏡?，F(xiàn)在我們知道星云確實(shí)不能分解成恒星，如蟹狀星云，它是超新星爆發(fā)的遺跡。此外，還存在由彌漫物質(zhì)組成的處于恒星形成早期階段的星云。星系被認(rèn)為星云星云被認(rèn)為星系星系和星云是兩個(gè)不同的概念6.1銀河系（the

Milky

Way）幾乎所有我們?cè)谝雇硇强湛吹降臇|西都屬于銀河系。銀河像一條亮帶穿過星空。從銀河系外看，我們的銀河系非常像我們的鄰居仙女星系（Andromedagalaxy）銀河系的基本參量銀河系總質(zhì)量：1011M⊙~1012M⊙

銀河系恒星數(shù)：1.2×1011顆銀河系年齡：1010年銀河系直徑：30000秒差距太陽(yáng)距銀心距離：10000秒差距肉眼可觀察恒星：6000顆6.1.1銀河系的結(jié)構(gòu)(1)盤（disk）核隆起（NuclearBulge）暈（halo）太陽(yáng)球狀星團(tuán)（GlobularClusters）銀河系的結(jié)構(gòu)(2)星系盤（GalacticPlane）星系中心（GalacticCenter）這些結(jié)構(gòu)非常難測(cè)量，因?yàn)?1)我們?cè)阢y河內(nèi)2)距離的測(cè)量非常難3)通往中心的視線被氣體和灰塵阻擋

早期研究銀河的形狀被認(rèn)為像磨刀石,太陽(yáng)接近中心。18世紀(jì)中葉，人們普遍認(rèn)為銀河系中的恒星是對(duì)稱分布的。1785年赫歇耳（WilliamHerschel）用恒星計(jì)數(shù)法描繪出銀河的結(jié)構(gòu)，認(rèn)為銀河是扁平狀的結(jié)構(gòu)。他的依據(jù)是光學(xué)波段的觀測(cè)。1930年最終確立了現(xiàn)代銀河系的結(jié)構(gòu)。6.1.2探索銀河系結(jié)構(gòu)I.選擇可以在整個(gè)銀河系看到明亮的物體,跟蹤他們的方向和距離。II.在可見光之外的波長(zhǎng)觀測(cè)物體（繞過光學(xué)掩星的問題）,并統(tǒng)計(jì)他們的方向和距離III.跟蹤物體相對(duì)我們?cè)诓煌较蛏宪壍浪俣菼利用星團(tuán)探索星系星團(tuán)的兩種類型:1)開放星團(tuán)：最近形成恒星的年輕星團(tuán)，在星系的盤內(nèi)OpenclustershandcPersei2)球狀星團(tuán)：老的、集中在的恒星群;主要在一個(gè)星系周圍的暈中。GlobularClusterM19球狀星團(tuán)

高密度星團(tuán)5萬(wàn)–100萬(wàn)顆恒星

老的(~11billionyears),處在主星序下部的恒星在我們銀河系中大約有近200個(gè)球狀星團(tuán)GlobularClusterM80定位銀河系的中心球狀星團(tuán)的分布不集中在太陽(yáng)……而是在一個(gè)直接(可視)觀測(cè)被嚴(yán)重遮擋的位置。探索銀河系大質(zhì)量恒星和開放星團(tuán)O型和B型恒星是最大規(guī)模、最明亮的恒星(不幸的是,也最短命的)=>尋找很年輕星團(tuán)或星協(xié)包括OB星協(xié)。OB星協(xié)OB星系到OB星協(xié)的距離可以通過造父變星確定。OB星協(xié)勾畫出3個(gè)近太陽(yáng)旋臂。人馬臂（Sagittariusarm）獵戶座天鵝座臂（Orion-Cygnusarm）珀?duì)栃匏梗≒erseusarm）SunII可見光以外的觀測(cè)

紅外視圖行星際灰塵（吸收可見光）輻射的主要是紅外光。紅外像紅外發(fā)射吸收不是很強(qiáng)，可以提供了一個(gè)清晰的整個(gè)銀河。星核星盤銀河系的射電圖像波長(zhǎng)在21cm的射電圖像,跟蹤中性氫。星際塵埃不吸收無(wú)線電波，我們可以觀察到任何方向整個(gè)銀河系在無(wú)線電波。射電觀測(cè)21-cm射電觀測(cè)揭示了中性氫在整個(gè)銀河系的分布。到氫云的距離可以通過徑向速度測(cè)量(多普勒效應(yīng)!)GalacticCenterSun中性氫集中在螺旋臂。銀心的射電圖像許多超新星遺跡；殼層和細(xì)絲SgrAArcSgrA*:Thecenterofourgalaxy銀河系中心有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞。SgrA跟蹤分子云CO分子的射電輻射可以用來(lái)跟蹤分子云的分布。在某些方向，許多分子云相互重疊。運(yùn)用速度的信息可以將云分解。分子云集中在螺旋臂。銀河系的結(jié)構(gòu)顯示塵埃的分布SunRingBar恒星和中性氫的分布X射線圖像

銀河中心ChandraX-rayimageofSgrA*在X射線圖像中銀心超大質(zhì)量黑洞，相對(duì)于其他星系中心來(lái)說(shuō)異常微弱。銀河系中心區(qū)域包含許多黑洞和中子星X射線雙星。暗弱銀心致密天體III銀河系中的軌道運(yùn)動(dòng)(1)盤恒星:在星系盤內(nèi)，軌道接近圓形暈恒星:高度橢圓軌道，隨機(jī)繞行方向。銀河系中的軌道運(yùn)動(dòng)(2)差速旋轉(zhuǎn)

太陽(yáng)圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)，220km/s。1繞行一周大約2.4億年。

恒星越接近中心，轉(zhuǎn)動(dòng)越快。

恒星軌道越遠(yuǎn)其運(yùn)行越慢。從軌道速度推算質(zhì)量M=11billionMsunM=25billionMsunM=100billionMsunM=400billionMsun軌道內(nèi)的質(zhì)量越大,太陽(yáng)沿軌道繞銀河系中心的旋轉(zhuǎn)越快。結(jié)合質(zhì)量:M=4billionMsun

銀河系的質(zhì)量如果所有的質(zhì)量集中在,旋轉(zhuǎn)曲線將會(huì)遵循一個(gè)修改版的開普勒第三定律rotationcurve=orbitalvelocityasfunctionofradius銀河系盤內(nèi)的總質(zhì)量:

大約2億Msun加上來(lái)自暈中的質(zhì)量總共:大約1萬(wàn)億Msun大多數(shù)的質(zhì)量是不發(fā)射任何輻射:暗物質(zhì)!在銀河系中心的一個(gè)黑洞通過跟蹤銀河中心附近單個(gè)恒星的軌道，黑洞的質(zhì)量可以確定為~260萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。6.1.3星族吸收線幾乎完全來(lái)自氫:

星族II許多吸收線也來(lái)自更重的元素(金屬):

星族I形成之初，銀河系的氣體只包含氫和氦。更重的元素(“金屬”)是后來(lái)在恒星內(nèi)部產(chǎn)生的。=>年青的恒星比老年恒星包含更多的金屬。星族星族I:

年青恒星：富含金屬；位于旋臂和盤面星族II:

年老恒星:貧金屬;位于暈中(球狀星團(tuán))和核中。宇宙中元素的豐度對(duì)數(shù)刻度所有比He更重的元素是非常罕見的。線性刻度6.1.4銀河噴泉

新形成恒星區(qū)域的多個(gè)超新星產(chǎn)生非常熱的氣體泡。這些熱的氣泡可以沖破銀河的星盤產(chǎn)生銀河噴泉。

但這些氣體冷卻時(shí)，它會(huì)落回到盤上，在整個(gè)銀河系傳播重元素。6.1.5銀河系的起源傳統(tǒng)的理論:準(zhǔn)球形氣云分割成小塊,形成最初、缺乏金屬的恒星(星族II);旋轉(zhuǎn)云崩潰成一個(gè)盤狀結(jié)構(gòu)后來(lái)恒星(星族I)被限制在星系的盤內(nèi)100多億年前，有一個(gè)巨大的星系際云，在自身引力的作用下收縮，在收縮過程中分成了若干云塊，其中一塊大云形成了后來(lái)的銀河系，其他云塊則形成大、小麥哲倫星系和其他河外星系。恒星形成的螺旋臂旋臂基本上是靜止的激波恒星和氣體云繞銀河系中心和越過螺旋臂激波激發(fā)恒星形成通過OB星離子化的波前和超新星激波，恒星自立形成。螺旋臂內(nèi)自給的恒星形成星系形成的區(qū)域由于不同的旋轉(zhuǎn)而被拉長(zhǎng)由于離子化的波前和超新星激波恒星的形成是自給。6.2河外星系在銀河系之外，還有更深遠(yuǎn)的空間，那里分布著與銀河系類似的天體系統(tǒng)——星系、星系群和星系團(tuán)。河外星系的觀測(cè)和研究改變了人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。多種多樣的星系哈勃深空:對(duì)天空一個(gè)明顯空曠區(qū)域10天的曝光圖即使看起來(lái)空區(qū)域的天空包含成千上萬(wàn)的非常微弱,非常遙遠(yuǎn)的星系。大量的星系形態(tài)：旋渦星系（Spirals）

橢圓星系（Ellipticals）不規(guī)則星系（Irregular）6.3星系的分類SaSbScE0=SphericalSmallnucleus;looselywoundarmsE1E6E0,…,E7Largenucleus;tightlywoundarmsE7=Highlyelliptical星系中的氣體和塵埃富含氣體和塵埃的旋渦星系橢圓星系幾乎沒有氣體和塵埃星系與磁盤和隆起,但沒有灰塵被稱為S0棒旋星系一些螺旋顯示明顯的棒結(jié)構(gòu)中心次類:SBa,…,SBc,

不規(guī)則星系星系碰撞或聚合的結(jié)果

非常活動(dòng)的恒星形成(“星爆星系”)小(“矮星系”)大星系的衛(wèi)星星系(e.g.,麥哲倫星系)LargeMagellanicCloudNGC4038/4039TheCocoonGalaxy用Irr表示。根據(jù)光譜偏重的顏色分為IrrI，和IrrII兩種次型。仙女座大星云

銀河系附近的三個(gè)著名星系大麥哲倫星云

小麥哲倫星云

6.3星系的分類橢圓星系：呈橢圓形，扁度差別較大。橢圓星系用字母E表示，后面跟一個(gè)表示扁度的數(shù)字10x（a-b）/a橢圓星系旋渦星系旋渦星系：具有旋渦結(jié)構(gòu)，中心為球狀或橢球狀核心部分，又有兩條或更多條旋臂從核心延伸出去。旋渦星系用字母S表示，根據(jù)核球大小和旋臂伸展程度分為Sa，Sb，Sc次型。旋渦星系Grand-designgalaxyM51(自我維持的恒星形成區(qū)沿螺旋臂模式都清晰可見。旋臂的本質(zhì)機(jī)會(huì)巧合的小螺旋星系位于大背景星系的前面。相對(duì)暗的空間背景，旋臂表現(xiàn)很亮(新形成的、大質(zhì)量的恒星!)…但黑暗(氣體和塵埃在致密恒星云)是相對(duì)明亮背景的大星系旋臂上恒星的形成超新星激波，O、B型恒星離子化的波前，以及激波波前形成的旋臂激發(fā)了恒星的形成。螺旋臂是靜止的激波,激發(fā)恒星的形成。