第四篇 银河系及河外星系1(银河系)

第四篇银河系与河外星系（1）

—银河系§1银河系的整体结构 §2银河系的旋涡结构§3核球和银晕本讲内容§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。西方称为“MilkyWaygalaxy”,中国古人称为“天河”。银河系广角图像希腊神话传说，宙斯（Zeus）是希腊众神庙里的主神，即神上之神，跟玉皇大帝有一样，宙斯的妻子就是他的妹妹赫拉（Hera），赫拉是众女神之神，地位相当于王母娘娘了，赫拉的奶汁和唐僧肉具有相同的效力，谁吮吸了她的奶汁，便会长生不老。宙斯是个不安分的神，暗地里和有夫之妇阿尔克墨涅私通，生下了赫拉克勒斯。宙斯希望赫拉克勒斯将来能长生不老，就偷偷地把赫拉克勒斯放在睡着的赫拉身旁，让赫拉克勒斯吮吸赫拉的奶汁，谁知赫拉克勒斯吮吸太猛，惊醒了赫拉，她发现吃奶的不是自己的儿子，便一把把孩子推开。可是她用力太猛，奶汁直喷到了天上，便成了MilkWay（奶路）TheOriginoftheMilkyWay，意大利文艺复兴时期著名画家Tintoretto的油画（1575-1580）西方：奶路，TheMilkyWayGalaxyTheGalaxyMilkyWay整个银河系有3000亿颗恒星

要数9400年!"FortheGalaxyisnothingelsethanacongeriesofinnumerablestarsdistributedinclusters."

——inTheStarryMessenger2.银河系研究简史1610年伽利略Galilei（意）首先用望远镜发现银河由无数恒星组成。1750年赖特T.Wright（英）：太阳是球壳状分布的无数恒星中的一颗。

1755年康德I.Kant（德）：银河系是恒星组成的旋转扁盘，是“宇宙岛”之一。1785年赫歇尔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。683天区，11万颗恒星1922年卡普坦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年沙普利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,并给出球状星团的空间分布。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。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)主要成分(1)银盘(disk)、(2)核球(bulge)、(3)银晕(halo)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.星族(population)1944年由巴德(Baade)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。银河系中的恒星分属两个星族：星族I和星族II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。(天文上常用铁与氢的原子数之比Fe/H表示金属丰度)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。§2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~70-300pc

D

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h2.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、发射星云和一次电离氢（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。

(3)观测结果

银河系存在旋臂结构: 英仙(Perseus)臂、 人马(Sagittarius)臂、猎户(Orion)臂、天鹅(Cygnus)臂. 太阳位于猎户臂上问题：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

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

由林家翘和徐瑕生1963年在林德布拉德工作的基础上提出——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§3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。

(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Ⅱ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(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:1-3keV

Green:3-5keV

Blue:5-8keV(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。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~100kms-1），离银心最远距离达100kpc。

(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(darkmatter)

由银河系的自转曲线得知，银晕中的不可见物质的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我国天文学家发现银河系中心存在超大质量黑洞的最新证据

中国科学院上海天文台沈志强研究员领导的一个国际天文研究小组，通过对位于我们银河系中心被称为人马座A*（SgrA*）的神秘射电发射源的高空间分辨率观测，发现了支持“我们太阳系所在的银河系的中心存在超大质量黑洞”观点的迄今为止最令人信服的证据。该研究成果刊登在2005年11月3日出版的英国《自然》周刊上。沈志强及其合作者，包括美国国家射电天文台台长鲁国鏞，美国加州理工学院的梁茂昌，美国哈佛—史密松天体物理中心的贺曾樸（现任中国台