银河系介绍

第九章银河系张立云第九章银河系§9.1银河系的整体结构§9.2银河系的转动§9.3银河系的旋涡结构§9.4核球和银晕§9.5银河系的演化§9.1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。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FortheGalaxyisnothingelsethanacongeriesofinnumerablestarsdistributedinclusters.——inTheStarryMessenger2.银河系研究简史1610年GalileoGalilei（意）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，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。1922年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。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。TheCreaterMilkyWayShapley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.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年代人们才认识到星际介质的尺度及其重要影响。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具有旋涡结构的盘状星系。质量~1012M⊙，直径~105ly(30kpc)银河系的主要结构(1)银盘(disk)、(2)核球(bulge)、(3)银晕(halo)、(4)银冕(corona)银盘：指银河系盘面，主要由银河系的旋涡臂构成，旋臂上主要有星协和开放星团，他们是由年轻的恒星所构成，在旋涡臂之间存在有银河系中绝大部分的星际尘埃与气体。银核：包含相当多年轻的热星，核心部分的恒星相当拥挤造成星际尘埃的增温，产生很强的红外线辐射。银晕：包含着较冷、低发光强度、属于低主序星的恒星最主要是包含有非常稳定的球状星团，这些球状星团的年龄是与银河系同寿。旋涡臂：由中心延展至银盘边缘，包含了无数年轻的恒星。在银河系内主要包含三类物质：恒星及恒星集团、星际介质、暗物质银盘：直径~30kpc,厚度~300pc球状星团核球银晕我们在这银河系结构5.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§9.2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，转动速度越小天体的转动速度相对于太阳的运动速度天体的视向速度(3)自转曲线—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。在太阳附近：转动速度随半径的增大而减小。(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⊙，表明在银晕和银冕中存在大量的暗物质。§9.3银河系的旋涡结构1.银盘构成：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。方法视星等绝对星等（标准烛光）距离模数m-M→距离造父变星周光关系→距离限制星际尘埃消光。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→分子云的弧形分布银经银纬蓝移红移(3)观测结果银河系存在旋臂结构英仙(Perseus)臂、船底(Carina)-人马(Sagittarius)臂、猎户(Orion)臂、天鹅(Cygnus)臂太阳位于猎户臂上银河系旋臂问题：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的形成：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，恒星的运动速度超过旋涡图样速度(ω0=25kms-1kpc-1)；在外区恒星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StarFormationinTheSpiralGalaxyM81问题：引力扰动势的起源是什么？核球附近气体的不稳定性？伴星系的引力扰动？核球中棒状结构的影响？(3)自传播恒星形成理论旋臂的形成恒星形成的链式反应：气体云坍缩→年轻星团大质量恒星的辐射和超新星爆发→激波→压缩周围气体→下一代恒星诞生→…天体绕银心较差转动→高密恒星和星际气体旋臂旋臂的维持时间较短。星系NGC628的观测结果与数值模拟的比较(4)两类模型的比较密度波理论自传播恒星形成理论旋臂→恒星形成恒星形成→旋臂对称的整体旋臂(thegranddesign)粗糙的、绒毛状旋臂（片断）对银河系，两种效果可能同时起作用，密度波建立旋臂的基本结构，超新星爆发进一步改变旋臂的形态§9.4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。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。ChandraX-raySurveyoftheGalacticCenterRed:1-3keVGreen:3-5keVBlue:5-8keVRadioMid-infrared6.4keVline(fluorescentradiation)GalacticCenterAcrosstheSpectrum(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2000年10月26日Chandra卫星观测到银心X射线源的爆发现象。在几分钟内，亮度增大约45倍。约3小时后，亮度快速回落到爆发前的水平。造成光变的原因被认为是大质量黑洞的物质吸积。银河系的10倍放大想象图100kpc1kpc100pc1pc2.银晕(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)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)如褐矮星、行星、致密星、电离气体等。②WIMPs(WeaklyInteractingMassiveParticles)如质量非零的中微子或其他未知亚原子粒子。利用引力透镜导致的光变现象搜寻银晕中的暗物质Hubble空间望远镜对邻近球状星团中的红矮星搜寻未果，表明可能存在一个恒星质量下限(~0.2M⊙)，低于该极限的恒星形成率极低，因此在银河系中极小质量恒星的数目极少。CDMS:CryogenicDarkMatterSearchDetectionofWIMPsProvingWIMPsexistrestsonthetheorythat,onoccasion,aWIMPwillinteractwithordinarymatter.ArareWIMPinteractioncantakeplaceinsideasolidobject.ThetricktodetectingaWIMPistowitnessoneoftheseinteractions.§9.5银河系的起源1.观测线索银河系物质的化学组成和动力学特征：金属元素丰度越低的天体离银道面越远（星族I—星族II）。基本假设恒星诞生于星际气体云中，它们的元素丰度反映了气体云的元素丰度。恒星（球状星团）继承了气体云的转动。大质量恒星演化得快，将核合成产生的重元素抛射到周围的星际介质中。随着银河系的演化，新形成的恒星的金属丰度逐渐增加。2.银河系的起源(1)初始状态约100-140亿年前，原初气体云(~100kpc)在引力作用下坍缩。原初气体云只由H和He构成，没有重元素。在坍缩过程中形成致密的核心和云块。(2)银晕形成云块在坍缩过程中不断碎裂成为更小的团块。大约100亿年前，团块形成第一代（星族II）恒星（球状星团）。球状星团保持坍缩气