哈工大天文學(xué)概論第13節(jié)

1、天 文 學(xué) 概 論A Brief Course of Astronomy,Astronomy 4230,The Galaxy,What Are Galaxies?,Collection of billions of stars.Held together by gravity.,,,,NGC 4603 and NGC 4881,銀河系的整體結(jié)構(gòu),1. 銀河系全貌 銀河是天空中的一個(gè)環(huán)帶，在人馬座附近最亮、最寬，它的中心線近似為天球

2、上的一個(gè)大圓。The Galaxy, Milky Way,銀河系廣角圖像,,360-degree Milky Way Panorama,光學(xué)波段的銀河系,射電波段的銀河系,紅外波段的銀河系,近紅外波段的銀河系,X射線波段的銀河系,γ射線波段的銀河系,"For the Galaxy is nothing else than a congeries of innumerable stars distributed in clus

3、ters." ——in The Starry Messenger,2. 銀河系研究簡(jiǎn)史,1610年 Galileo Galilei首先用望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)銀河由無數(shù)恒星組成。,1750年 T. Wright（英） ：太陽(yáng)是球殼狀分布的無數(shù)恒星中的一顆。,1755年 I. Kant（德）：銀河系是恒星組成的旋轉(zhuǎn)扁盤系統(tǒng)，是“宇宙島”之

4、一。,1785年W. Herschel（英）通過計(jì)量不同方向的恒星密度，得到第一幅銀河系整體圖像：銀河系為扁盤狀，太陽(yáng)位于中心附近。,6400 ly,,,1300 ly,Herschel’s Assumptions : (1) All stars have the same brightness;

5、 (2) Space is transparent between the stars.,1922年J. Kapteyn利用照相底片測(cè)量不同天區(qū)的恒星密度，用統(tǒng)計(jì)視差求得恒星距離，首次估計(jì)銀河系直徑為~50,000 ly，厚度為~10,000 ly，他認(rèn)為太陽(yáng)位于銀河系中心附近。,1920年H. Shapley利用球狀星團(tuán)內(nèi)的天琴RR型變星測(cè)量星團(tuán)距離，并給出球狀星團(tuán)的空間分

6、布。Shapley發(fā)現(xiàn)球狀星團(tuán)均勻地分布在銀河的兩側(cè)，并且有向人馬座聚集的傾向。,The Creator Milky Way,Shapley認(rèn)為球狀星團(tuán)是銀河系的子系統(tǒng)，并以銀心為分布中心。Shapley由此估計(jì)太陽(yáng)系到銀心的距離為16 kpc.在Shapley的模型中，銀河系的結(jié)構(gòu)是扁盤狀的，直徑為100 kpc.,,Shapley’s Milky Way,,星際介質(zhì)與銀河系大小的測(cè)量,早期對(duì)銀河系的研究集中在可見光波段，由于

7、天文學(xué)家并不了解星際介質(zhì)的存在及其消光作用，因而得到關(guān)于銀河系結(jié)構(gòu)的錯(cuò)誤的結(jié)論。直到20世紀(jì)30年代人們才認(rèn)識(shí)到星際介質(zhì)的分布范圍及其對(duì)觀測(cè)的重要影響。并發(fā)展了射電與紅外的手段來研究銀河系的結(jié)構(gòu)。,3. 銀河系結(jié)構(gòu),銀河系是一個(gè)包含2×1011顆恒星的、具有旋渦結(jié)構(gòu)的盤狀星系。質(zhì)量~ 1012M⊙，直徑 ~ 105 ly (30 kpc),,主要成分(1) 銀盤 (disk) （旋臂spiral arm）、 (2)

8、核球 (bulge) 、 (3) 銀暈 (halo) 、(4) 銀冕 (corona),,銀盤：直徑~30 kpc, 厚度~300 pc,,球狀星團(tuán),,核球,,銀暈,,我們?cè)谶@,銀河系結(jié)構(gòu),,,,,,,,,,4. 銀道坐標(biāo)系,原點(diǎn)：觀測(cè)者坐標(biāo)系平面：銀道面 銀心方向：α=17h 45.7m, δ=－29°00′ 北銀極坐標(biāo)：α=12 h 51.4 m, δ=27°08′ 天體位置在銀道坐標(biāo)系中的計(jì)量

9、銀經(jīng)(longitude) l ( ) 從銀心方向開始、沿銀道面按逆時(shí)針方向計(jì)量。 銀緯(altitude) b ( ) 從銀道面量起，向北為正，向南為負(fù)。,5. 星族 (population),1944年Walter Baade發(fā)現(xiàn)星系暈與核球中的恒星明顯比盤中的恒星顏色偏紅。Baade由此提出星族的概念。,星族I恒星 年輕的、富金屬恒星（金屬豐度為太

10、陽(yáng)值的0.1-2.5倍）主要位于銀盤中 ，繞銀心作圓軌道運(yùn)動(dòng) 。如疏散星團(tuán)。星族II恒星年老的、貧金屬恒星（金屬豐度為太陽(yáng)值的0.001-0.03倍），主要位于銀暈和核球中，以銀心作為中心球?qū)ΨQ分布繞銀心作無規(guī)則的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)。如球狀星團(tuán)。,不同星族恒星的軌道運(yùn)動(dòng)特征,星系盤內(nèi)的恒星繞銀心作規(guī)則的圓軌道運(yùn)動(dòng)。暈中的恒星繞銀心作高偏心率的橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，且軌道取向是隨機(jī)的。,金屬豐度越低的恒星離銀道面越遠(yuǎn) → 銀河系演化,不同星

11、族天體的特征比較,銀河系的轉(zhuǎn)動(dòng),1. 銀河系的轉(zhuǎn)動(dòng)(1) 銀河系的較差轉(zhuǎn)動(dòng) 方法 測(cè)量恒星和氣體云譜線的Doppler位移（視向速度）隨銀經(jīng)的變化。 太陽(yáng)附近恒星視向速度（或自行）的周期性變化：在太陽(yáng)周圍360度的范圍內(nèi)，恒星的譜線位移表現(xiàn)出周期性的藍(lán)移和紅移。,銀河系的轉(zhuǎn)動(dòng)是較差轉(zhuǎn)動(dòng)在太陽(yáng)附近，距離銀心越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度越小,太陽(yáng)附近恒星的視向速度的變化,(3) 利用球狀星團(tuán)測(cè)定R0和V0,球狀星團(tuán)的空間分布大致是球?qū)ΨQ

12、的，它們組成的次系的中心就是銀心。 球狀星團(tuán)繞銀心旋轉(zhuǎn)的軌道是無規(guī)的，可以認(rèn)為它們作為一個(gè)整體相對(duì)于銀心不動(dòng)。,?測(cè)定星團(tuán)的距離，就可以定出太陽(yáng)到球狀星團(tuán)次系中心的距離，即太陽(yáng)到銀心的距離。 ?通過觀測(cè)星團(tuán)的速度可以求出太陽(yáng)相對(duì)于球狀星團(tuán)次系的運(yùn)動(dòng)，即太陽(yáng)繞銀心的轉(zhuǎn)動(dòng)，R0 = 8.5 kpc，V0 = 220 kms-1太陽(yáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω0 = A－B=25 kms-1kpc-1，轉(zhuǎn)動(dòng)周期為2.2×108 yr.

13、,2. 銀河系的自轉(zhuǎn)曲線和質(zhì)量分布,(1) R < R0 : HI云 測(cè)量在視線方向上的一系列HI云的21厘米譜線的最大位移→ 最大視向速度Vr, max →軌道運(yùn)動(dòng)速度 Vr, max = R(ω－ω0) → 軌道半徑 R = R0 sin l→ ω(R), V(R),(2) R > R0 : CO分子云和HII區(qū)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω (R) ：觀測(cè)HII區(qū)的發(fā)射線、分子云的CO分子毫米波譜線和脈澤(maser)

14、譜線測(cè)定視向速度利用Oort公式 Vr =R0 (ω －ω0) sin l→ω (R) 軌道半徑R：CO分子云常和HII區(qū)成協(xié)，可以由HII區(qū)內(nèi)的高溫恒星測(cè)定其距離。,(3) 自轉(zhuǎn)曲線,內(nèi)區(qū)：剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，外區(qū)：較為平坦。,(4) 銀河系質(zhì)量,在太陽(yáng)軌道內(nèi)包含的質(zhì)量為： M = R0V02/G ≈ 1.0×1011M⊙ 銀河系的可見質(zhì)量約為2

15、.0×1011M⊙ 銀河系的實(shí)際質(zhì)量遠(yuǎn)超過1011 M⊙，表明在銀暈中存在大量的暗物質(zhì)(dark matter)。,Dark Halo,銀河系的旋渦結(jié)構(gòu),1. 銀盤 (Galactic disk)構(gòu)成：星族I恒星、氣體和塵埃 直徑：D ~ 30 kpc厚度：h ~70-300 pc D >> h,2. 銀河系旋臂的證認(rèn),(1) 光學(xué)觀測(cè) 示蹤天體 O, B型星、年輕的疏散星團(tuán)、發(fā)射星云和HII區(qū)、經(jīng)

16、典造父變星。 方法標(biāo)準(zhǔn)燭光造父變星周光關(guān)系 限制 星際塵埃消光,太陽(yáng)附近恒星的分布,(2) 射電觀測(cè) 示蹤天體 HI區(qū)、分子云。方法 測(cè)量HI區(qū)21 cm譜線和分子云的毫米波譜線Doppler譜線位移 → 視向速度 → 轉(zhuǎn)動(dòng)速度比較銀河系自轉(zhuǎn)曲線 → 距離 限制 氣體云的轉(zhuǎn)動(dòng)是非圓的，在圓運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還有無規(guī)運(yùn)動(dòng)。,CO分子輻射的強(qiáng)度與視向速度分布,譜線位移→距離→分子云的分布,longitu

17、de,藍(lán)移,紅移,latitude,(3) 觀測(cè)結(jié)果,銀河系的旋臂結(jié)構(gòu) 天鵝 (Cygnus) 臂 英仙 (Perseus) 臂 獵戶 (Orion) 臂 人馬 (Sagittarius) 臂盾牌－南十字臂(Scutum-Crux arm)矩尺(Norma)臂太陽(yáng)位于獵戶臂上,銀河系的旋臂結(jié)構(gòu),銀河系的旋臂結(jié)構(gòu),Perseus ArmCygnus Arm,Norma ArmScutum-Crux Arm S

18、agittarius Arm,Orion Arm,,,,,,,問題：,銀河系的旋渦結(jié)構(gòu)是怎樣形成的？旋渦結(jié)構(gòu)為什么能維持很長(zhǎng)時(shí)間？（在銀河系和其他盤星系中發(fā)現(xiàn)旋臂存在說明旋臂的維持時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)）,3. 旋臂的理論解釋,旋臂不是物質(zhì)臂 如果旋臂始終由同樣的物質(zhì)構(gòu)成：太陽(yáng)公轉(zhuǎn)周期 ~2×108 yr，太陽(yáng)年齡 ~5×109 yr→ 太陽(yáng)繞銀心至少轉(zhuǎn)了20圈較差轉(zhuǎn)動(dòng) → 旋臂纏繞（或放松） →旋臂消失表征

19、旋臂的主要是年輕天體大質(zhì)量恒星的壽命≤107 yr→ 旋臂消失,,(2) 密度波理論(Density Wave Theory),由林家翹和徐瑕生1963年在Lindblad工作的基礎(chǔ)上提出——旋臂是密度波的表現(xiàn)。星系引力勢(shì)擾動(dòng) →銀盤內(nèi)的天體以橢圓軌道運(yùn)動(dòng)→運(yùn)動(dòng)速度變化軌道取向相互耦合→物質(zhì)密度的規(guī)則變化→密度波密度波在銀盤內(nèi)傳播，導(dǎo)致物質(zhì)壓縮和恒星形成,密度波的形成在無擾動(dòng)勢(shì)f 的情況下，引力勢(shì)是軸對(duì)稱的

20、，銀盤上的恒星與氣體云的運(yùn)動(dòng)為勻速圓軌道運(yùn)動(dòng)。,f = 0,加入擾動(dòng)引力勢(shì) f =A(r)cos(mf)?同軸橢圓軌道 (m=2)由于引力勢(shì)隨方位角的變化而變化，天體的運(yùn)動(dòng)速度不再是均勻的。,加入擾動(dòng)引力勢(shì) f =A(r)cos[mf-Y(r)]?非同軸橢圓軌道,引力勢(shì)極小值位置,,在引力勢(shì)波谷處，物質(zhì)速度減慢、密度增大。橢圓軌道相互耦合 → 密度波,,,,,,,,,,,,,,,生活中的密度波,,密度波形成原因：物質(zhì)趨向于最

21、低能態(tài) ? 軌道收縮 ? 角動(dòng)量損失（通過密度波傳遞角動(dòng)量）密度波維持機(jī)制——自組織(self-organization)過程,軌道耦合,密度增加,引力勢(shì)變化,物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化,軌道耦合增強(qiáng),,,,,,旋臂的運(yùn)動(dòng) 密度波旋渦圖樣繞銀心剛體轉(zhuǎn)動(dòng)，ω= 13.5 kms-1kpc-1 在銀河系內(nèi)區(qū)天體的運(yùn)動(dòng)速度超過旋渦圖樣速度(ω0= 25 kms-1kpc-1)；在外區(qū)天體比旋渦圖樣運(yùn)動(dòng)得更慢。,旋臂上年輕天體的形成 氣

22、體云運(yùn)動(dòng)→接近旋臂 →壓縮、碰撞→塵埃帶 →氣體云坍縮 →恒星和HII區(qū)形成,旋臂上的恒星形成與演化,Example: Star Formation in the Spiral Galaxy M81,銀心和銀暈,1. 核球 (bulge)與銀心 (Galactic center),(1) 特點(diǎn) 銀心在人馬座方向，核球呈橢球形，大小 約 6×4 kpc，恒星分布十分密集，數(shù)密度~ 1,

23、600 ly-3, 是銀河系平均恒星密度的105倍。,GC,(2) 光學(xué)觀測(cè),在光學(xué)波段，核球附近區(qū)域受星際氣體和塵埃的遮擋。 輻射主要來自年老的星族I天體（如紅巨星）。,(3) 紅外與射電觀測(cè),紅外和射電輻射受到星際消光的影響較小，是研究銀心的主要途徑。紅外觀測(cè)表明銀心區(qū)域的恒星分布高度密集（~ 5×104 pc-3 )，比太陽(yáng)附近恒星密度高105倍。,對(duì)銀心區(qū)域的近紅外(2.2μm)觀測(cè)（輻射主要來自年老的星族I恒星）

24、,Mid-infrared image,強(qiáng)射電源——人馬座(Sagittarius) A*,The Galactic Center region is filled with relativistic electrons and magnetic fields, producing strong radio emission. The nucleus is marked by a bright radio source, Sagitt

25、arius A*.,100 pc around the GCThe extended parallel filaments (perpendicular to the Galactic plane), stretched along magnetic field lines in the vicinity of the center.10 pc around the GCMinispiral: Gas and dust str

26、eamers ionized by stars and spiraling around the very center. At the center of the mini-spiral is the strong and compact radio source Sagittarius A*.,,,紅外觀測(cè)精確測(cè)定銀心附近恒星的位置和運(yùn)動(dòng)。射電干涉觀測(cè)確定射電源 Sgr A*的大小僅有 ~2 AU.,More Close to

27、 the Galactic Center,NIR Image,Stellar Motion around the Center of the Milky Way,The Supermassive Black Hole at the Center of the Milky Way,Star S2 in a 15.2 yr orbit around Sgr A*M≈2.6×106 M⊙ (within a space of s

28、ize of < 2AU)It is most likely to be a supermassive black hole.,Red: 1-3 keV Green: 3-5 keV Blue: 5-8 keV,(4) X射線觀測(cè),Chandra X-ray Survey of the Galactic Center,X-ray Emission from Sgr A*,Sgr A* shows either weak

29、X-ray emission in quiescence, or X-ray flares with a period of about one per day. During these flares, the emission rises by factors up to 100 during several tens of minutes and a distinctive point source becomes visibl

30、e at the location of SgrA*.,The short rise-and-decay times of the flares suggest that the radiation must origin from a region within less than 10 Schwarzschild radii of a 3.6 million solar mass black hole.,Gamma-rays fro

31、m GC,Second Black Hole at the Heart of the Milky Way,Summary,,100 kpc,1 kpc,,,,100 pc,1 pc,銀河系中心的10倍放大想象圖,3. 銀暈 (the Galactic halo),(1) 球狀星團(tuán) 年老的星族II恒星、以銀心為中心球狀分布， 在橢圓軌道上繞銀心旋轉(zhuǎn)（V~100 kms-1），離銀心最遠(yuǎn)距離達(dá)100 kpc。,(2) 熱氣體,彌漫的

32、X射線輻射表明在銀暈中存在大量的熱氣體。,熱氣體暈（X射線）,恒星（光學(xué)）,,,NGC 4631,(3) 暗物質(zhì) (dark matter),由銀河系的自轉(zhuǎn)曲線得知，銀暈中的不可見物質(zhì)質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過銀河系可見物質(zhì)質(zhì)量。暗物質(zhì)的特征：在所有波段都不產(chǎn)生輻射，僅有引力作用。暗物質(zhì)的可能成分 ：①M(fèi)ACHOs (Massive Compact Halo Objects)brown dwarfs, planets, neutron s

33、tars, black holes etc ②WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) little weak subatomic non-baryonic matter,The MACHO Project,The primary aim of the project is to test the hypothesis that a significant fraction of