银河系的结构和演化

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MilkWay,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γ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？FortheGalaxyisnothingelsethanacongeriesofinnumerablestarsdistributedinclusters.——inTheStarryMessenger1610年GalileoGalilei（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（WrightT.）:认为银河系是扁平的。1755年哲学家康德（I.Kant）：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。TheCreaterMilkyWay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16kpc.在Shapley的模型中，银河系的结构是扁盘状的，直径为100kpc.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50,000ly，厚度为10,000ly，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（LindbladBertil）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。SpiralGalaxies(a)Thisgalaxy,cataloguedasNGC2997andseennearlyface-on,issomewhatsimilarinitsoverallstructuretoourownMilkyWayGalaxyandAndromeda.(b)ThegalaxyNGC4565happenstobeorientedinsuchawaythatweseeitedge-on,allowingustoseeclearlyitsdiskandcentralbulge.银盘：直径~30kpc,厚度~300pc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WalterBaade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。星族极端星族II(晕星族II）中介星族II盘星族中介星族I(年老星族I)极端星族I(年轻星族I)典型天体亚矮星、球状星团、天琴RR型星长周期变星行星状星云、新星A型星、经典造父变星气体、尘埃、超巨星平均年龄（109yr）17-1215-1012-22-0.10.1垂向距离2000pc700pc400pc160pc120pc垂向速度75kms-125kms-118kms-110kms-18kms-1金属丰度0.0010.0050.01-0.020.020.03-0.04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。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。/0()zhDzDe厚盘的发现1983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z≤1000pc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=1000〜5000pc范围内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35010003500？平均V速度km/s0-10-30-200平均[Fe/H]0-0.2-0.7-2.0平均年龄Gyr3810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)特点银心在人马座方向椭球形大小~6×4kpc恒星分布十分密集数密度~1,600ly-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（~5×104pc-3)，比太阳附近恒星密度高107倍。对银心区域的近红外(2.2μm)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100ly范围：从人马座A延伸出射电弧，平行射电弧与银道面垂直，射电弧的形态与本地磁场有关。银心的射电观测银心周围10ly范围：热电离气体的热辐射，旋臂状形态。(4)X,γ射线观测强X,γ射线辐射源Chandra卫星的X射线观测CGRO卫星对银心区域的γ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。ChandraX-射线卫星对银心的巡天Red:1-3keVGreen:3-5keVBlue:5-8keV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~3×106M⊙的质量。人马座A的尺度10AU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100kpc1kpc100pc1pc2.银晕(1)球状星团年老的星族I