1、4.4 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 64 kpc， 恒星分布十分密集， 数密度 1,600 ly-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（ 5104 pc-3 )，比太阳附近恒星密度高107倍。,对银心区域的近红外(2.2m)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100 ly范围： 从人马座
2、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10 ly 范围： 热电离气体的热辐射， 旋臂状形态。,(4) 银心 (nucleus),由银心附近恒星的运动推测在银心集中了3106 M的质量。 人马座A的尺度 10 AU 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。,2. 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
3、100 kms-1）， 离银心最远距离达100 kpc。,(2)热气体,Chandra卫星的观测表明在银晕中存在大量的热气体。,热气体晕（X射线）,银盘内恒星（光学）,(3) 暗物质 (dark matter),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 ：MACHOs (Massive Compact Halo Objects)如褐矮星、行星、致密星、电离气体等。 WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) 如质量非零的中微子或其他未知亚原子粒
4、子。,4.5 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,初始状态 约100-140亿年前，原初气体云 (100 kpc) 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。
5、 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体云的特征：球对称分布，以无规则轨道绕银心旋转。 第一代恒星中的超新星爆发过程使气体云中重元素丰度逐渐增大。 迄今球状星团中的恒星只剩下低质量恒星。,(3) 银盘形成 气体收缩的同时旋转加快，形状变扁，银盘出现。 银盘密度不断增加，第一代星族I恒星形成，恒星以圆轨道绕银心转动。 随着恒星的演化和超新星爆发，新生恒星金属元素丰度逐渐增加。 银河系的外晕可能形成于银河系和其他小星系间的相互作用。,4.6 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
6、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”（island universes) 。,星云的观测,1781年法国天文学家Messier发表了包含110个星云的“梅西耶星表”，其中40个实际上是星系。 1800年英国天文学家William Herschel 发表包含2500个天体的星表。 1864年John Herschel发表The General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars, 后来演变为包含超过10,000个星系的New General Catalogue。 如仙女星系：M 31，NGC 224。,1920年，沙普利-
7、柯蒂斯 (Shaplry-Curtis) 关于宇宙尺度的大辩论 (the great debate),辩论焦点 (1) “旋涡星云”的距离是多大？ (2) “旋涡星云”是恒星系统还是气体云？,“旋涡星云”是银河系内气体云，银河系就是整个宇宙。,宇宙是由无数类似“旋涡星云”的星系构成的。,哈勃的裁决,1924年，哈勃分解出“仙女座大星云” (M31) 中的造父变星。 证实“仙女座大星云”确实是恒星系统。 由造父变星周光关系估计“仙女座大星云”的距离150 kpc（实际距离800 kpc） 最远的球状星团的距离 (100 kpc) 。 因此“仙女座大星云”必定是河外星系 !,2. 星系的哈勃分类,
8、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。,哈勃音叉图,(2) 旋涡星系 (spiral galaxies),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。 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恒星组成。,按照核球的大小和旋臂的缠卷程度，旋涡星系可以分为Sa, Sb, Sc三个次型。Sa型核球最大，旋臂缠卷最紧，Sc型核球最小，旋臂缠卷
9、最松。,(3) 棒旋星系 (barred spiral galaxies),中心有棒状结构的旋涡星系，符号为SB。 旋臂源于棒的两端。 按照核球的大小和旋臂的缠卷程度，旋涡星系可以分为SBa, SBb, SBc三个次型。其中Sa型核球最大，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,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,外型或结构无明显对称性的星系，符号为Irr。 无旋臂
10、和中心核区。 富含星际气体、尘埃和年轻恒星。 分为Irr和Irr 两类。I型星系具有隐约可见的旋涡结构，型星系无定型的外貌，往往有明显的尘埃带。它们可能是正在爆发或爆发后的星系，或是受伴星系的引力扰动而扭曲了的星系。,M82,IC5152,小结,3. 星系的相对数目,目前可观测宇宙中大约有41010个星系。 不规则星系数目最多，其次是旋涡星系和椭圆星系。,4.7 测量星系,星系距离的测量 (1) 利用造父变星的周光关系测量星系距离 最远距离：20 Mpc (2) 标准烛光法 (the standard candle) 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
11、。 特点： 光度高且基本恒定。,星系M100中的造父变星,(3) 红移法,1912-1920年，V. M. Slipher通过测量旋涡星系谱线的Doppler位移发现绝大多数的星系具有谱线红移，即它们正在远离银河系。,1929年Hubble与Humason发现由星系谱线红移得到的星系退行速度V与星系的距离D成正比，称为哈勃定律 VH0D 其中哈勃常数 H057-73 kms-1Mpc-1,Hubble Humason,哈勃定律的意义,哈勃定律反映了宇宙的膨胀 由宇宙膨胀引起的星系的谱线红移称为宇宙学红移 (cosmological redshift)。星系的距离DV/H0如果宇宙的膨胀是均匀的
12、，可以确定：宇宙的年龄 tD/V1/H0 星系的退行表明在过去它们必定离得很近，宇宙膨胀的起点是什么？,2. 星系质量的测量,(1) 旋涡星系的自转曲线 谱线位移 自转速度 质量,星系 NGC 247：蓝色和红色分别表示恒星和HII 区的辐射 自转曲线：实心和空心点分别代表HII 区和HI 区，实线代表只考虑可见物质的自转曲线,(2) 双重星系与星系团,谱线位移 星系的运动速度+星系间的距离 统计（引力）质量,(3) 测量结果,正常漩涡星系与椭圆星系质量 1011 -1012 M 不规则星系质量 108 -1010 M 矮椭圆星系质量 106 -107 M 星系团质量 1013 -1014 M
13、,(4) 星系中的暗物质,漩涡星系的自转曲线 引力质量比可见质量大3-10倍。 星系团的引力质量大约是可见质量的10-100倍。 宇宙中90%以上的质量来自暗物质。,3. 星系的基本性质,4.8 星系集团,星系在空间的分布并不是均匀的，在相互引力的作用下有聚集成团的倾向。 根据成员星系的多少，星系集团可以分为 双重星系 (binary galaxies)多重星系 (multiple galaxies)星系群 (group of galaxies)星系团 (cluster of galaxies)超星系团 (supercluster of galaxies) 星系集团越大，它们的物质密度与宇宙平
14、均物质密度就越接近。,1. 本星系群 (the Local Group),银河系所处的星系群，大小约1 Mpc。 由银河系、仙女星系（M 31）等附近约30个星系组成。包含 3个旋涡星系（银河系、M 31、M 33），4个不规则星系（大、小麦哲伦云等），和20多个椭圆星系。,银河系和仙女座星系是本星系群中质量最大的两个星系，分别位于本星系群的两端，在引力作用下分别带领周围质量较小的星系相互绕转。,(1) 大、小麦哲伦云,大、小麦哲伦云 (Magellanic Clouds),1519年由F. Magellan首先记载。 离银河系最近的星系。 LMC：距离D = 50 kpc，质量M = 210
15、10M，直径d = 10 kpc。 SMC：距离D = 60 kpc，质量M = 4109M，直径d = 6 kpc。 不规则星系。 含有大量的年轻恒星和中性H 气体（远超过银河系），但尘埃含量极少。 超新星1987A爆发于大麦哲伦云。,大、小麦哲伦云有一个共同的中性H包层，并向银河系延伸形成麦哲伦流。,(2) 仙女星系（M 31）,本星系群内质量最大的星系。距离690 kpc，直径 60 kpc。 Sb型旋涡星系。 有一个明亮的、椭圆型的核。 有7个伴星系，都是椭圆星系。,(3) M 33,本星系群内质量第三的星系。距离720 kpc，直径18 kpc。 Sc型旋涡星系。 有大量星族I天体。
16、,2. 星系团 (clusters of galaxies),CL1358+62,星系团 (clusters of galaxies),不规则星系团形态松散，主要由旋涡星系组成,室女（Virgo）星系团 距离18 Mpc，直径3 Mpc， 成员星系2500个，其中椭圆星系占19%，旋涡星系占68%。,室女星系团的中心区域,规则星系团结构致密、球对称分布，主要由椭圆星系和透镜状星系组成,后发(Coma)星系团 距离 90 Mpc, 直径 3 Mpc， 成员星系6700个， 椭圆星系聚集在星系团中心，旋涡星系分布在外围。,富星系团与贫星系团,后发星系团包含几千个星系,武仙星系团中的星系数目不足10
17、0,星系团的质量 星系团由于成员星系的运动而免于坍缩，由此可估计星系团的质量：M rV2/G对一个典型的富星系团：r 1 Mpc, V 1000 km/s M 21014 M星系团通常包含 1000 星系，每个星系的光度 LMW 1010 L 质光比 M/L 20 M/L 星系团中 95% 的物质是暗物质！,3. 超星系团 (superclusters),超星系团 由若干（几十-几百）星系团组成的星系集团。 大小约100 Mpc，质量可达约1016 M。 成员星系团之间的引力作用较弱 超星系团膨胀。 质量较大的超星系团具有细长、纤维状结构，无明显的核心和对称性。 长：100-300 Mpc宽：50-100 Mpc wide厚：5-10 Mpc,(2) 本超星系团,质量 1015 M 扁平形态（旋转？） 本星系群以250-350 kms-1的速度向室女座方向运动,(3) 宇宙的大尺度结构 (large scale structure),大尺度（100 Mpc）星系红移巡天。 通过同时观测几千个星系的光谱确定其位置与距离。 星系的分布是不均匀的，具有类似海绵状的结构，由细长的纤维（超星系团）及其周围的巨洞 (voids) 组成。 巨洞的典型大小为50 Mpc。 宇宙中大部分物质位于纤维结构上，约占整个空间体积的1%-2%。,
