哈工大天文学概论第13节

天文学概论ABriefCourseofAstronomyAstronomy4230TheGalaxyWhatAreGalaxies?Collectionofbillionsofstars.Heldtogetherbygravity.NGC4603andNGC4881银河系的整体结构1.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。TheGalaxy,MilkyWay银河系广角图像360-degreeMilkyWayPanorama光学波段的银河系射电波段的银河系红外波段的银河系近红外波段的银河系X射线波段的银河系γ射线波段的银河系FortheGalaxyisnothingelsethanacongeriesofinnumerablestarsdistributedinclusters.——inTheStarryMessenger2.银河系研究简史1610年GalileoGalilei首先用望远镜发现银河由无数恒星组成。1750年T.Wright（英）：太阳是球壳状分布的无数恒星中的一颗。1755年I.Kant（德）：银河系是恒星组成的旋转扁盘系统，是“宇宙岛”之一。1785年W.Herschel（英）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。Herschel’sMilkyWay6400ly1300lyHerschel’sAssumptions:(1)Allstarshavethesamebrightness;(2)Spaceistransparentbetweenthestars.1922年J.Kapteyn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，他认为太阳位于银河系中心附近。1920年H.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。Shapley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。TheCreatorMilkyWayShapley认为球状星团是银河系的子系统，并以银心为分布中心。Shapley由此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.Shapley’sMilkyWay星际介质与银河系大小的测量早期对银河系的研究集中在可见光波段，由于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年代人们才认识到星际介质的分布范围及其对观测的重要影响。并发展了射电与红外的手段来研究银河系的结构。3.银河系结构银河系是一个包含2×1011颗恒星的、具有旋涡结构的盘状星系。质量~1012M⊙，直径~105ly(30kpc)主要成分(1)银盘(disk)（旋臂spiralarm）、(2)核球(bulge)、(3)银晕(halo)、(4)银冕(corona)银盘：直径~30kpc,厚度~300pc球状星团核球银晕我们在这银河系结构4.银道坐标系原点：观测者坐标系平面：银道面银心方向：α=17h45.7m,δ=－29°00′北银极坐标：α=12h51.4m,δ=27°08′天体位置在银道坐标系中的计量银经(longitude)l()从银心方向开始、沿银道面按逆时针方向计量。银纬(altitude)b()从银道面量起，向北为正，向南为负。90~90360~05.星族(population)1944年WalterBaade发现星系晕与核球中的恒星明显比盘中的恒星颜色偏红。Baade由此提出星族的概念。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高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→银河系演化不同星族天体的特征比较银河系的转动1.银河系的转动(1)银河系的较差转动方法测量恒星和气体云谱线的Doppler位移（视向速度）随银经的变化。太阳附近恒星视向速度（或自行）的周期性变化：在太阳周围360度的范围内，恒星的谱线位移表现出周期性的蓝移和红移。银河系的转动是较差转动在太阳附近，距离银心越远，转动速度越小太阳附近恒星的视向速度的变化(3)利用球状星团测定R0和V0球状星团的空间分布大致是球对称的，它们组成的次系的中心就是银心。球状星团绕银心旋转的轨道是无规的，可以认为它们作为一个整体相对于银心不动。测定星团的距离，就可以定出太阳到球状星团次系中心的距离，即太阳到银心的距离。通过观测星团的速度可以求出太阳相对于球状星团次系的运动，即太阳绕银心的转动，R0=8.5kpc，V0=220kms-1太阳的转动角速度ω0=A－B=25kms-1kpc-1，转动周期为2.2×108yr.2.银河系的自转曲线和质量分布(1)RR0:HI云测量在视线方向上的一系列HI云的21厘米谱线的最大位移→最大视向速度Vr,max→轨道运动速度Vr,max=R(ω－ω0)→轨道半径R=R0sinl→ω(R),V(R)(2)RR0:CO分子云和HII区转动角速度ω(R)：观测HII区的发射线、分子云的CO分子毫米波谱线和脉泽(maser)谱线测定视向速度利用Oort公式Vr=R0(ω－ω0)sinl→ω(R)轨道半径R：CO分子云常和HII区成协，可以由HII区内的高温恒星测定其距离。(3)自转曲线内区：刚体转动，外区：较为平坦。(4)银河系质量在太阳轨道内包含的质量为：M=R0V02/G≈1.0×1011M⊙银河系的可见质量约为2.0×1011M⊙银河系的实际质量远超过1011M⊙，表明在银晕中存在大量的暗物质(darkmatter)。DarkHalo银河系的旋涡结构1.银盘(Galacticdisk)构成：星族I恒星、气体和尘埃直径：D~30kpc厚度：h~70-300pcDh2.银河系旋臂的证认(1)光学观测示踪天体O,B型星、年轻的疏散星团、发射星云和HII区、经典造父变星。方法标准烛光造父变星周光关系限制星际尘埃消光太阳附近恒星的分布(2)射电观测示踪天体HI区、分子云。方法测量HI区21cm谱线和分子云的毫米波谱线Doppler谱线位移→视向速度→转动速度比较银河系自转曲线→距离限制气体云的转动是非圆的，在圆运动的同时还有无规运动。CO分子辐射的强度与视向速度分布谱线位移→距离→分子云的分布longitude蓝移红移(3)观测结果银河系的旋臂结构天鹅(Cygnus)臂英仙(Perseus)臂猎户(Orion)臂人马(Sagittarius)臂盾牌－南十字臂(Scutum-Cruxarm)矩尺(Norma)臂太阳位于猎户臂上银河系的旋臂结构银河系的旋臂结构PerseusArmCygnusArmNormaArmScutum-CruxArmSagittariusArmOrionArm问题：银河系的旋涡结构是怎样形成的？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旋臂的维持时间相当长）3.旋臂的理论解释(1)旋臂不是物质臂如果旋臂始终由同样的物质构成：太阳公转周期~2×108yr，太阳年龄~5×109yr→太阳绕银心至少转了20圈较差转动→旋臂缠绕（或放松）→旋臂消失表征旋臂的主要是年轻天体大质量恒星的寿命≤107yr→旋臂消失(2)密度波理论(DensityWaveTheory)由林家翘和徐瑕生1963年在Lindblad工作的基础上提出——旋臂是密度波的表现。星系引力势扰动→银盘内的天体以椭圆轨道运动→运动速度变化轨道取向相互耦合→物质密度的规则变化→密度波密度波在银盘内传播，导致物质压缩和恒星形成密度波的形成在无扰动势f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。f=0加入扰动引力势f=A(r)cos(mf)同轴椭圆轨道(m=2)由于引力势随方位角的变化而变化，天体的运动速度不再是均匀的。加入扰动引力势f=A(r)cos[mfY(r)]非同轴椭圆轨道引力势极小值位置在引力势波谷处，物质速度减慢、密度增大。椭圆轨道相互耦合→密度波生活中的密度波密度波形成原因：物质趋向于最低能态轨道收缩角动量损失（通过密度波传递角动量）密度波维持机制——自组织(self-organization)过程轨道耦合密度增加引力势变化物质运动变化轨道耦合增强旋臂的运动密度波旋涡图样绕银心刚体转动，ω=13.5kms-1kpc-1在银河系内区天体的运动速度超过旋涡图样速度(ω0=25kms-1kpc-1)；在外区天体比旋涡图样运动得更慢。旋臂上年轻天体的形成气体云运动→接近旋臂→压缩、碰撞→尘埃带→气体云坍缩→恒星和HII区形成旋臂上的恒星形成与演化Example:StarFormationintheSpiralGalaxyM81银心和银晕1.核球(bulge)与银心(Galacticcenter)(1)特点银心在人马座方向，核球呈椭球形，大小约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。辐射主要来自年老的星族I天体（如红巨星）。(3)红外与射电观测红外和射电辐射受到星际消光的影响较小，是研究银心的主要途径。红外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105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）Mid-infraredimage强射电源——人马座(Sagittarius)A*TheGalacticCenterregionisfilledwithrelativisticelectronsandmagneticfields,producingstrongradioemission.Thenucleusismarkedbyabrightradiosource,SagittariusA*.100pcaroundtheGCTheextendedparallelfilaments(perpendiculartotheGalacticplane),stretchedalongmagneticfieldlinesinthevicinityofthecenter.10pcaroundtheGCMinispiral:Gasandduststreamersionizedbystarsandspiralingaroundtheverycenter.Atthecenterofthemini-spiralisthestrongandcompactradiosourceSagittariusA*.红外观测精确测定银心附近恒星的位置和运动。射电干涉观测确定射电源SgrA*的大小仅有~2AU.MoreClosetotheGalacticCenterNIRImageStellarMotionaroundtheCenteroftheMilkyWayTheSupermassiveBlackHole