清華大學天文學導論-9星系

1、天文學導論,第09講星系,… it may not be amiss to point out some other remarkable Nebulae which cannot well be less, but are probably much larger than our own system; and being also extended, the inhabitants of the planets that att

2、end the stars which compose them must likewise perceive the same phenomena. For which reason they may also be called milky way. …Sir William Herschel (1738—1822),本講內(nèi)容,河外星系研究簡史星系的哈勃分類法星系距離的測量星系團與宇宙大尺度結(jié)構星系間的碰撞星系（團）質(zhì)量

3、的測量（暗物質(zhì)）,1。河外星系研究簡史,1784年, 法國天文學家梅西耶 (Charles Messier) 發(fā)表了包含110個 “星云 (nebulae)” 的“梅西耶星表”，其中40個實際上是（河外）星系超新星遺跡、星團、星系等不同類型天體最大最亮的星系通常用其在梅西耶星表中的排序數(shù)字來表示仙女座大星系即為M31,New General Catalogue (NGC) 新總表,1800年, 英國天文學家赫歇爾（William

4、Herschel）發(fā)表了有2500個天體的星表1864年，John Herschel （William Herschel之子）發(fā)表 The General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars, 后來演變?yōu)榘^10,000個星系的 New General Catalogue (NGC，新總表)星團、星系等不同類型天體一個星系通常以其在NGC中的排序數(shù)字表示。 如仙女星系 M31

5、也叫 NGC 224,宇宙尺度大辯論 The Great Debate,1920年4月26日，沙普利-柯蒂斯大辯論 Shaplry-Curtis debate： “旋渦星云”的距離是多遠？ “旋渦星云”是恒星系統(tǒng)還是氣體云？沙普利 Shaplry：“旋渦星云”是銀河系內(nèi)的氣體云，銀河系就是整個宇宙柯蒂斯 Curtis: 宇宙是由無數(shù)類似“旋渦星云”的星系構成的， “旋渦星云”是恒星系統(tǒng)（1755年，康德提出“島宇宙”（Isla

6、nd Universes) 的概念：旋渦星云的扁平形態(tài)是由轉(zhuǎn)動引起的。銀河系是無限宇宙中散布的“島宇宙” 之一）,星系之父-哈勃的裁決,1923年，哈勃使用 2.5米望遠鏡分解出 M31 中的造父變星：證實“仙女座大星云”確實是恒星系統(tǒng)由造父變星的周光關系估計“仙女座大星云”的距離285 kpc（實際距離770 kpc） > 最遠的球狀星團的距離(100 kpc) 因此“仙女座大星云”（及其它星云）必定是河外星系!,2。星系

7、的哈勃分類法（音叉圖）,根據(jù)所觀測的星系光學形態(tài)的不同，哈勃首先把星系分為橢圓星系、透鏡狀星系、旋渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系等5大類,,,,,,,2.1 橢圓星系 Elliptical Galaxies,橢球形的星系，符號為E。 按橢率增加又分為E0、E1、... 和E7八個次型主要由星族Ⅱ恒星構成，沒有星系盤，沒有或僅有少量星際氣體和塵埃（中心），顏色偏紅恒星作無規(guī)則的橢圓軌道運動中心區(qū)域最亮，亮度向邊緣遞減大小和質(zhì)量相差

8、懸殊：巨橢圓星系 ~106 pc， 1013M⊙，~20倍銀河系矮橢圓星系 ~103 pc， 107M⊙，十分常見，恒星數(shù)可少到百萬顆,－22 < MV < －18,M87（NGC4486）, E1型巨橢圓星系，位于室女星系團中心。距離4400萬光年，目前已知質(zhì)量最大星系（銀河系的約200倍）；很大星系暈；噴流；TeV 活動星系核,2.2 旋渦星系 Spiral galaxies,具有旋渦結(jié)構的星系，符號為S中心是球狀

9、或橢球狀的核球，外面是扁平的星系盤從核球兩端延伸出兩條或兩條以上螺旋狀旋臂疊加在星系盤上，盤外面是球狀的星系暈星系盤顏色偏藍。在星系盤、特別是旋臂上主要是星族I恒星以及氣體和塵埃，因此星系盤是恒星正在形成的地方核球和星系暈顏色偏紅：主要由星族Ⅱ恒星組成,－21 < MV < －17,旋渦星系的3個次型,按照核球的大小和旋臂的纏卷程度，旋渦星系又分為Sa, Sb, Sc三個次型。Sa型核球最大，旋臂纏卷最緊；Sc型核球最

10、小，旋臂纏卷最松,2.3 棒旋星系 Barred spiral galaxies,中心有棒狀結(jié)構的旋渦星系，符號為SB旋臂源于棒的兩端,NGC 1365 (Type SBc),棒旋星系的3個次型,按照棒的大小和旋臂的纏卷程度，棒旋星系可以分為 SBa,SBb, SBc 三個次型。其中 SBa 型棒最大，旋臂纏卷最緊；而 SBc 型棒最小，旋臂纏卷最松,SBa,SBb,SBc,銀河系很可能是一個 SBb 或 SBc 型星系,2.4 透

11、鏡狀星系 Lenticular galaxies,介于橢圓星系和旋渦星系之間的、無旋臂的盤星系。在形態(tài)上，透鏡狀星系與旋渦星系的主要差別是沒有旋臂；與橢圓星系的主要差別是有星系盤根據(jù)核心是否有棒狀結(jié)構，符號相應為S0或SB0。主要由年老恒星組成，氣體很少,2.5 不規(guī)則星系 Irregular galaxies,外型或結(jié)構沒有明顯對稱性的星系，符號為 Irr無旋臂和中心核區(qū)。富含星際氣體、塵埃和年輕恒星,－18 < MV &l

12、t; －10,SMC,LMC,星系種類越來越多? 新分類法,例如氣體星系,射電圖像：大量H氣體,光學圖像：恒星很少,3。星系距離的測量,標準燭光法：通過比較星系中可證認的某些標準（明亮）天體的視星等和光度，利用輻射的平方反比定律來確定更遠星系的距離標準燭光源 standard candle ：對某些類型的源，可由能夠直接觀測的參數(shù)和光度的關系（由由已知距離的近距天體得到）來推測其光度，其特點是光度高且基本恒定，同時假設這種關系適用

13、于不同的距離,標準燭光源1: 主序星,主序星擬合法（分光視差）：已知主序星 ? 光譜型（表面溫度）? H-R圖主序帶 ? 光度測量銀河系內(nèi)的距離和鄰近星系的距離 – 可測到大約 200,000 光年的距離。這個距離之外能看到的都是些最亮的紅巨星和蘭巨星，這樣的恒星不可能是主序星,標準燭光源2: 造父變星 (Cepheid variables),原型：造父一（仙王座δ）P = 5.4 d,M100中的造父變星距離5600萬光年,不

14、是主序星,可能是中心氦在燃燒的大質(zhì)量恒星，其亮度周期性規(guī)則脈動,造父變星的周光關系 ? 測距離,造父變星的光變（曲線）周期：數(shù)日至數(shù)月光變周期和光度相關：光度越大，則周期越長只要知道某一造父變星的周期，便可得知其光度，再和它的視星等作比較，便可求得它（所在星系）的距離,由已知距離造父變星得出,,海瑞特·斯萬·勒維特 Henreitta Leavitt,1912 年，勒維特首先發(fā)現(xiàn)造父變星的周光關系

15、天琴RR型變星，光變周期0.05-1.5天。不具周光關系，但光度范圍穩(wěn)定，也可由視亮度估計其距離HST 可看到距離1億光年星系中的造父變星,,標準燭光源3: Ia 超新星,白矮星極限質(zhì)量相同 ? Ia 超新星最大光度“基本”相同Ia 超新星的最大光度和它爆發(fā)后的變暗率相關： Ia 型超新星最大光度越大，則其變暗越慢及時觀測超新星的最大亮度 ? 由譜確認是否Ia型 ? 測量亮度的衰變率 ? 比較已知星系距離的Ia 型超新星的標準關系

16、 ? 超新星最大光度 ? 所在星系的距離,星系的速度彌散—光度經(jīng)驗關系,星系質(zhì)量越大 → 星系轉(zhuǎn)動或恒星、氣體運動速度越快 ( → 速度彌散越大) → 譜線越寬星系質(zhì)量越大 → 光度越高 譜線寬度 ? 光度,旋渦星系： 塔利-費舍爾（Tully-Fisher）關系,旋渦星系的速度彌散可由光學譜或射電望遠鏡測得。例如H原子21厘米譜線寬度? 速度彌散?光度?距離 ? ~

17、 200 Mpc 的距離,ΔV = 220×(L /L⊙)0.22,距離模數(shù)m-M = 5log10(d/10pc),橢圓星系：Faber-Jackson 關系,ΔV = 220×(L /L⊙)0.25橢圓星系中恒星軌道高度橢且隨機，不固定在一個扁平的盤上,紅移法,1912-1920年，V. M. Slipher （斯萊弗）通過測量旋渦星系的光譜，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)星系譜線是紅移的，即它們正在遠離銀河系,一些星系CaI

18、I的H、 K譜線、退行速度和距離,哈勃定律 Hubble’s law,1929年，哈勃和 Humason（哈馬遜）發(fā)現(xiàn)由星系譜線（宇宙學）紅移得到的星系退行速度 V 與星系的距離 D 成正比，即著名的哈勃定律: V ＝ H0×D 其中H0為哈勃常數(shù) (Hubble's constant) ? 星系的距離 D=V/H0測量H0 H0＝71±4 kms-1Mpc-1,Hub

19、ble Humason,宇宙距離階梯 Cosmic Distance Ladder,某一階梯估算光度所需要的光度與某個直接觀測量之間的關系大都由前一階梯得到，通過假設同一關系適用于所有距離,還有許多其它估測距離的方法，它們可以互相比較、校準,4。星系團與宇宙的大尺度結(jié)構,星系在空間的分布并不是均勻的，在相互引力（星系之間的暗物質(zhì)）的作用下有聚集成團的傾向根據(jù)成員星系的多少（形狀），星系聚集為星系群 (group

20、 of galaxies)星系團 (cluster of galaxies)星系群與星系團又組成為超星系團 (supercluster of galaxies),4.1 本星系群The Local Group (of Galaxies),銀河系所處的星系群，大小約1.2Mpc由銀河系、仙女星系（M 31）等附近至少40個星系組成。包含3個旋渦星系（銀河系、 M31、M33），4個不規(guī)則星系（大、小麥哲倫云等），20多個矮橢圓星

21、系銀河系和仙女星系是本星系群中質(zhì)量最大的兩個星系，分別位于本星系群的兩端，在引力作用下分別帶領周圍質(zhì)量較小的星系相互繞轉(zhuǎn),本星系群的空間（平面）分布,本星系群的空間（立體）分布,越來越多的矮星系被發(fā)現(xiàn),麥哲倫云(The Magellanic Clouds),1520年由探險家 F. Magellan 首先記載為“夜發(fā)光的云”（“noctilucent clouds”），不是首先發(fā)現(xiàn)?？拷咸鞓O離銀河系“最近的”(不規(guī)則)星系, 環(huán)繞

22、銀河系轉(zhuǎn)動,大、小麥哲倫云 Large/Small Magellanic Clouds (LMC/SMC),LMC (top)：距離D = 50 kpc，質(zhì)量M =2×1010M⊙，直徑d = 10 kpcSMC (bottom)：距離D = 60 kpc，質(zhì)量M =4×109M⊙，直徑d = 6 kpc含有大量的年輕恒星和中性 H 氣體（遠超過銀河系），但塵埃含量極少,麥哲倫氣體流 The Magellani

23、c Stream,包層和氣體流 大約50億年以前，大小麥哲倫云曾在大約10-15 kpc的距離處通過銀河系。銀河系強大的潮汐力使得它們在身后留下跨度約180°的中性氫云,大犬座矮星系,42,000 光年,仙女座大星系 The Andromeda galaxy (M 31),本星系群內(nèi)質(zhì)量最大的星系。距離 ~ 770 kpc，直徑 ~ 60 kpcSb型旋渦星系，有一個明亮的、橢圓型的核有7個伴星系，都是橢圓星系,The

24、 Andromeda Galaxy M31 and its two satellites, M32 and M110, is almost a twin of the Milky Way,仙女星系中的X射線源普查,超大質(zhì)量黑洞,X射線雙星,,,旋渦星系 M33,本星系群內(nèi)第三大星系：距離 ~720 kpc，直徑 ~18 kpc。Sc型旋渦星系，有大量星族I恒星,4.2 星系團 Clusters of Galaxies,星系團是包含至少~

25、50個亮星系的星系集合,CL 1358+62,不規(guī)則星系團,形態(tài)松散，主要由旋渦星系組成,室女座星系團（Virgo Cluster）: 距離最近，距離 ~18 Mpc，直徑 ~3 Mpc，成員星系 ~2500個，其中橢圓星系占19%，旋渦星系占68%,室女座星系團的中心區(qū),M87,規(guī)則星系團,結(jié)構致密、球?qū)ΨQ分布，主要由橢圓星系和透鏡狀星系組成,后發(fā)座星系團（Coma Cluster），距離 ~90 Mpc, 直徑 ~3Mpc，成員星系

26、 ~6700個，橢圓星系聚集在星系團中心，旋渦星系分布在外圍,富星系團與貧星系團,Rich and Poor Clusters of Galaxies,后發(fā)座星系團包含幾千個星系,武仙座星系團中的星系數(shù)目不足100,富星系團是強X射線源,星系際空間的熱（幾百萬K）氣體輻射（彌散的）X射線（紫色表示）,4.3 超星系團 (Superclusters),由若干(幾十到幾百) 星系團組成的星系集團大小約100 Mpc，質(zhì)量可達約 1016M

27、⊙成員星系團之間的引力作用較弱 → 超星系團膨脹，結(jié)構松散，無明顯的核心和對稱性質(zhì)量較大的超星系團具有細長的纖維狀結(jié)構， 長：100-300 Mpc 寬：50-100 Mpc 厚：5-10 Mpc最大尺度的宇宙結(jié)構,zone of avoidance 隱帶,local supercluster本超星系團,Perseus-Pisces supercluster 英仙-雙魚超團,10億光年以內(nèi)的3萬個星系的分布,4.

28、4 宇宙大尺度結(jié)構 The large scale structure,大尺度（>100 Mpc）星系紅移巡天通過觀測大量星系的光譜確定其（位置與）距離星系的分布是不均勻的，具有類似海綿狀的結(jié)構，由細長的纖維（超星系團）及其周圍的巨洞(voids)組成巨洞的典型大小為 50 Mpc宇宙中大部分物質(zhì)位于纖維結(jié)構上，約占整個空間體積的1%-2%,對3億光年尺度的數(shù)值模擬,長城,,距離約200 Mpc 以內(nèi)的1057星系,2DF

29、 紅移巡天 Redshift surveys,,5。星系的碰撞,星系團內(nèi)星系的分布更為密集→ 相互碰撞的幾率更大 ? 3種主要后果但恒星幾乎不受影響,5.1 星系碰撞?星系形態(tài)的變化,潮汐力 → 星系際物質(zhì)橋（尾）,前景星系,第三個星系由于碰撞星系的引力而變形,兩個星系在碰撞,Stefan‘s Quintet 施特芬五重奏星系,,,M51 (NGC 5194)：帶小孩的星系,旋渦星系M51的旋臂可能是由伴星系NGC 5195的引力

30、拖曳而造成的M51的一個旋臂受到伴星系的強烈擾動作用而大大偏離其原來的位置，直奔伴星系，從而形成連接兩個星系的物質(zhì)橋,蝌蚪星系和老鼠星系的長尾巴（恒星和氣體）,The Tadpole Galaxy UGC10214 蝌蚪星系,The Mice Galaxy NGC 4676a,b 老鼠星系,HST監(jiān)測到制造“暴亂”的星系群,5.2 星系碰撞 ? 星暴現(xiàn)象,氣體壓縮→大量恒星快速形成?星暴星系starburst,,天線星系 NGC 40

31、38/4039：一對碰撞星系,Left: a ground-based image, showing two long streams of stars flung out by rapidly changing gravitational forces during the collision.Right: image of the green inset region on the left from the HST, showi

32、ng many clusters of newborn blue giant stars.,Cartwheel Galaxy 車輪星系,A smaller galaxy (probably the blue one on the right) passed almost straight through the center of the larger one on the left, sending an expanding circ

33、ular compression wave through its interstellar gasNew stars are being formed in this big "splash".,,5.3 星系碰撞 ? 星系并合,星系的并合和吞食 → 巨橢圓星系的形成。線索：巨橢圓星系與矮橢圓星系的質(zhì)量比~107在星系高密度區(qū)（如富星系團中心）旋渦星系的數(shù)量很少超巨橢圓星系特征：(i) 非常延展的暈，(

34、ii) 中心區(qū)有多個核，(iii) 通常位于星系團的核心,,星系團 Abell （阿貝爾）2199 中心星系的核區(qū)的小星系,NGC 6240,星系NGC 6240內(nèi)區(qū)的偽彩色合成圖：光學（HST，黃色）和X射線（Chandra，藍色）兩個超大質(zhì)量（吸積）黑洞產(chǎn)生的X射線,星系團MS1054-93中的星系碰撞過程,仙女大星系正向我們的銀河系奔來！,仙女星系（及其它幾個星系）正靠近銀河系，也許幾十億年后，M31會與銀河系相撞，但太陽及太

35、陽系有足夠好的運氣不受任何影響,,6。 星系(團)引力質(zhì)量的測定：暗物質(zhì)的證據(jù),自轉(zhuǎn)曲線（旋渦星系）無規(guī)則運動（橢圓星系、星系團）熱氣體的X射線輻射（星系團）引力透鏡（星系、星系團）,6.1 旋渦星系的自轉(zhuǎn)曲線,譜線位移 →自轉(zhuǎn)速度→質(zhì)量（分布）曲線,,,,6.2 無規(guī)則運動,橢圓星系：許多恒星的譜線位移→平均無規(guī)則運動速度 + 距離 → 質(zhì)量分布星系團：許多星系的譜線位移 → 星系的平均運動速度 + 星系距星系團中心的距離 →

36、 星系團（引力）質(zhì)量分布,6.3 星系際熱氣體的X射線輻射,X射線觀測發(fā)現(xiàn)在部分橢圓星系周圍存在大量的熱氣體（溫度 ~107-108 K，密度 ~ 1 cm-3）X射線輻射 → 氣體溫度 → (原子)熱運動速度（< 當?shù)靥右菟俣龋?引力質(zhì)量,Top: Optical image. The giant elliptical galaxy M87 is the center and the giant elliptical M8

37、4 and M86 are at the upper right Bottom: X-ray image, showing emission from hot intergalactic gas around M87, M84, and M86 Visible M87 ~ 10 times Milky Way. Dark matter halo around M87 is 5 times itself,,,,室女星系團,6.4

38、星系(團)的引力透鏡效應,In the upper diagram, the lens galaxy is perfectly aligned with a distant star-like object. The gravity of the lens galaxy distorts the image of the distant object into an Einstein Ring（愛因斯坦環(huán)）In the lower d

39、iagram, the lens galaxy is not perfectly aligned, so it distorts the image of the distant object (a star with a jet) into multiple images.,星系作為引力透鏡,(Upper) The HST image of the distant galaxy 1938+666 which has been imag

40、ed into an Einstein ring by an intervening galaxy. The intervening galaxy shows up as the bright spot in the center of the ring. (Lower) The MERLIN radio picture of the radio source 1938+666 embedded in the distant gala

41、xy. The incomplete ring (or arc) shows that the radio source is not perfectly aligned with the lens galaxy and the Earth （透鏡星系不是射電源，此圖不顯示）,星系團作為引力透鏡,Cluster CL0024 and multiple lensed images of background galaxy.Mathema

42、tical reconstruction of the actual background galaxy),Mathematical reconstruction of the mass distribution in the cluster that is required to cause the observed multiple images ? mapping the distribution of dark matter i

43、n clusters of galaxies.,,星系和星系團的質(zhì)量范圍,正常旋渦星系與橢圓星系質(zhì)量 ~ 1011 -1012 M⊙不規(guī)則星系質(zhì)量 ~ 108 -1010 M⊙矮橢圓星系質(zhì)量 ~ 106 -107 M⊙星系團質(zhì)量 ~ 1013 -1014 M⊙星系和星系團的引力質(zhì)量大約是可見質(zhì)量的10倍 ? 宇宙物質(zhì)中的~90%是暗物質(zhì)！,質(zhì)光比 Mass-to-Luminosity Ratio (M/L),質(zhì)光比：天體系統(tǒng)

44、的（引力?總）質(zhì)量（太陽單位）/ 光度（太陽單位）[光度?可見質(zhì)量]太陽: M/L =1銀河系: M/L = 10（~90%為暗物質(zhì)）星系: M/L ~5-50富星系團： M/L ~300質(zhì)光比表征暗物質(zhì)與可見物質(zhì)之比。其值越大，暗物質(zhì)含量越多,子彈星系團：暗物質(zhì)的證據(jù),,擴展閱讀,科學世界2010年第11期第70頁《銀河系家族》：介紹本星系群的結(jié)構、若干典型成員的圖像、本星系群邊緣的矮星系、本星系群研究對了解星系演化的啟示,