哈工大天文学概论第一节2模板

TheGalaxyWhatAreGalaxies?•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-degreeMilkyWayPanorama2.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3.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360~04.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(演化充分的恒星,宇宙形成以后,不出银盘即死亡)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(宇宙形成之初的古老恒星或小质量,无重元素)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5利用球状星团测定R0和V0(距离测定)•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.•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(无规则,随机)分布在银河的两侧，并且有向人马座聚集的倾向。TheCreatorMilkyWay•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(4)银河系质量•在太阳轨道内包含的质量为：(理论求解)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度的视线范围内，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旋臂乃是恒星密集之处,恒星只是旋臂中的匆匆过客.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。Red:1-3keVGreen:3-5keVBlue:5-8keVX射线观测ChandraX-raySurveyoftheGalacticCenterSummary100kpc1kpc100pc1pc银河系中心的10倍放大想象图2.银晕(theGalactichalo)(1)球状星团年老的星族II恒星、以银心为中心球状分布，在椭圆轨道上绕银心旋转（V~100kms-1），离银心最远距离达100kpc。(2)热气体•弥漫的X射线辐射表明在银晕中存在大量的热气体。热气体晕（X射线）恒星（光学）NGC4631(3)暗物质(darkmatter)•由银河系的自转曲线得知，银晕中的不可见物质质量远远超过银河系可见物质质量。•暗物质的特征：在所有波段都不产生辐射，仅有引力作用。•暗物质的可能成分：①MACHOs(MassiveCompactHaloObjects)browndwarfs,planets,neutronstars,blackholesetc②WIMPs(WeaklyInteractingMassiveParticles)littleweaksubatomicnon-baryonicmatter河外星系一、星系的形态和分类1.河外星系的发现1750年，英国教士赖特提出银河是恒星系统。1755年，康德指出旋涡星云的扁平形态是由于转动引起的，它们是和银河类似的“宇宙岛”（islanduniverses)。哈勃的裁决•1924年，哈勃(EdwinHubble)分解出“仙女座大星云”(M31)中的造父变星，证实它确实是恒星系统。•由造父变星周光关系哈勃估计M31的距离285kpc（实际距离770kpc）最远的球状星团的距离(100kpc)。因此“仙女座大星云”必定是河外星系!2.星系的哈勃分类•根据星系形态的不同，哈勃首先提出星系可以分为椭圆星系、透镜状星系、旋涡星系、棒旋星系和不规则星系5种类型，称为哈勃分类。TheHubbleSequence,orTheHubbleTuningFork(2)旋涡星系(Spiralgalaxies)•具有旋涡结构的星系，符号为S。•中心是球状或椭球状的核球，外面是扁平的星系盘。从核球两端延伸出两条或两条以上螺旋状旋臂叠加在星系盘上，盘外面是球状的星系晕。•星系盘颜色偏蓝，星系晕和核偏红。(近似银河系)•在星系盘、特别是旋臂上主要是星族I恒星以及气体和尘埃，核球和星系晕主要由星族Ⅱ恒星组成。－21MV－17(3)棒旋星系(Barredspiralgalaxies)•中心有棒状结构的旋涡星系，符号为SB。•旋臂源于棒的两端。•按照棒的大小和旋臂的缠卷程度，棒旋星系可以分为SBa,SBb,SBc三个次型。其中SBa型棒最大，旋臂缠卷最紧。•银河系可能是一个SBb或SBc型星系。(4)透镜状星系(Lenticulargalaxies)•介于椭圆星系和旋涡星系之间的、无旋臂的盘星系，根据核心是否有棒状结构，符号相应为S0或SB0。•在形态上，透镜状星系与旋涡星系的主要差别是没有旋臂；与椭圆星系的主要差别是有星系盘。•主要由年老恒星组成，气体很少。(5)不规则星系(Irregulargalaxies)•外型或结构无明显对称性的星系，符号为Irr。•无旋臂和中心核区。•富含星际气体、尘埃和年轻恒星。M82IC5152－18MV－10小结旋涡/棒旋星系(S,SB)椭圆星系(E)不规则星系(Irr)由恒星和气体构成的扁盘（包含旋臂和核球）和星系晕。棒旋星系的核心有棒状结构。球形或椭球形，除中心核区外无其他结构。无明显结构。盘包含年轻和年老的恒星，晕只有年老的恒星。只有年老的恒星。包含年轻和年老的恒星。盘包含大量气体和尘埃，晕中的气体和尘埃很少。没有或很少气体和尘埃。富含气体和尘埃。旋臂中有恒星形成过程。近1010yr没有明显的恒星形成过程。强烈的恒星形成过程。盘中的恒星和气体绕星系核心作圆轨道运动，晕中的恒星绕绕星系核心作无规则轨道运动。恒星绕绕星系核心作无规则轨道运动。恒星和气体作无规则运动。3.Numbersofgalaxies•Therearearound4×1010galaxiesintheobservableuniverse.•Over60%ofgalaxiesareelliptical,fewerthan30%arespiral,andfewerthan15%areirregular.二、星系的测量1.星系距离的测量(1)TheCepheidvariablemethod最远距离：~20Mpc(2)Thestandardcandlemethod通过比较星系中可证认的某些标准（明亮）天体的视星等和绝对星等来确定星系的距离。特点：光度高且基本恒定。星系M100中的造父变星标准烛光源最远距离（Mpc）球状星团~5行星状星云~20O,B型超巨星~30新星~60HII区~80Ia型超新星~650明亮星系~1500(