1、第四篇第四篇 银河系和河外星系（银河系和河外星系（2）河外星系河外星系漩涡星系漩涡星系椭圆星系椭圆星系1 星系的形态和分类 2 星系距离和质量的测量 3 活动星系4 星系的形成和演化 5 星系群与超星系团本讲内容1 星系的星系的形态形态和分类和分类 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，康德在自然通史和天体论一书中指出旋涡星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”。 宇宙中无数的恒星系统可形象比喻成汪洋大海中的岛屿。星云的观测星云的观测 1781年法国天文学家梅西耶发表了包含110个星云的“梅西耶星表”，其中40个实际上是星系。 18
2、00年英国天文学家威廉.赫歇尔发表包含2500个星云天体的星表，大部分是旋涡星云。 争论的焦点：星云是恒星系统还是气体云？星云分布是在银河系内还是银河系外？ 1920年，沙普利发现球状星团的空间球对称分布，用球状星团作为银河系边界的标记来确定银河系结构和尺度，确定银河系的大小（100kpc）和太阳系到银心的距离(16kpc）。沙普利认为星云是分布在银河系内，反对“宇宙岛”的观点。银河系实际直径30 kpc！沙普利沙普利柯蒂斯柯蒂斯 (Shaplry-Curtis) 关于关于“宇宙尺宇宙尺度度”的的大辩论大辩论 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
3、？“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。“宇宙岛”沙普利沙普利柯蒂斯柯蒂斯19201920年年4 4月月2626日美国科学院在华盛顿博物日美国科学院在华盛顿博物馆礼堂召开了馆礼堂召开了“宇宙的尺度宇宙的尺度”的辩论会。的辩论会。哈勃的裁决：哈勃的裁决： “宇宙岛宇宙岛” 的最终胜利！的最终胜利！ 1926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
4、”必定是河外星系 !2. 星系的哈勃分类星系的哈勃分类 根据星系形态的不同，1926年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”图宇宙星系的数目1010数量级！椭圆星系旋涡星系棒旋星系不规则星系透镜状星系(1) 椭圆星系椭圆星系 (elliptical galaxies) 椭球形的星系，符号为E. 按椭率大小的增加分为E0、E1.E7八个次型。 主要由星族恒星构成，没有星系盘，没有或仅有少量星际气体和尘埃，颜色偏红。 中心区域最亮，亮度向边缘递减。(2) 旋涡星系旋涡星系 (spiral galaxies) 具有旋涡结构的
5、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。 草帽星系草帽星系M104， Sa型型 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，旋臂缠卷最松。仙女座大星系仙女座大星系M31(Sb)(3) 棒旋星系棒旋星系 (barred spiral galaxies) 中心有棒状结构的旋涡星系，符号为SB。 旋臂
6、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。 (4) 透镜状星系透镜状星系 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。 无旋臂和中心核区。 富含星际气体、尘埃和年轻恒星。M82IC51522 星系距离和质量的测量星系距离和质量的测量 1.星系距离的测量 (1) 利用
7、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。星系星系M100中的造父变星中的造父变星m-M=5logr-5标准烛光源最远距离（Mpc）O,B型超巨星30新星60电离氢（HII区）80Ia型超新星650明亮星系1500不同标准烛光源的测量范围不同标准烛光源的测量范围(3) 红移法红移法 1912-1920年，斯里弗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。 一些星系的距离、CaII的H、 K谱线和退行速度 1929年哈勃与哈马逊发现由星系谱线
8、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 H0在50-100 kms-1Mpc-1取值，一般取75 kms-1Mpc-1Hubble Humason哈勃和哈马逊得到的星系视向速度与距离的关系图哈勃和哈马逊得到的星系视向速度与距离的关系图哈勃定律的意义哈勃定律的意义 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宇宙学红移。星系的距离DV/H0如果宇宙的膨胀是均匀的，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？（宇宙大爆炸学说）利用星系红移测量星系的距离利用星系红移测量星系的
9、距离红移红移z z退行速度退行速度V V（c c）目前的距离目前的距离 (Mly(Mly) )0.00.00.00.10.09514011.00.6881510.00.984210221001.0271011.0300961) 1(1) 1(220zzHcDczzvr1) 1(1) 1(222. 星系质量的测量星系质量的测量 (1) 旋涡星系的自转曲线法 谱线位移 自转速度 质量 假设v表示距离星系中心r处星系的旋转速度，则r以内星系的总质量m可以由下式估算： m(r)=rv2/G(2) 双重星系与多重星双重星系与多重星系质量测量系质量测量 星系质量的基本原理是开普勒第三定律。对双星系统的总质
10、量与轨道半长径的立方成正比，与轨道周期的平方成反比： m1+m2=a3/p2(3) 测量结果测量结果 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 M3 活动星系活动星系一. 活动星系 绝大部分星系是正常星系，但也有部分星系表现出强烈的活动性（约占5%），在观测上分为下面几种： 射电星系 赛弗特星系 蝎虎（BL Lac）天体 类星体1. 活动星系的特征 (1) 高光度 X射线光度光学光度射电光度 银河系111射电星系100-5,00022,000-2106赛弗特星系300-7104220-2106类星体 (3C
11、273)2.5106 2506106(2) 非热连续辐射非热连续辐射 正常星系：黑体辐射，极大值在光学波段，辐射主要来自星系内的恒星 活动星系：热辐射（红外）+ 非热辐射，极大值在远红外波段 (3) 快速光变快速光变 光变时标：几天-1年核区的大小不超过1光年(4) 特殊形态特殊形态 亮核、喷流、不规则形态(5) 强发射线强发射线2.2.射电星系射电星系 (radio galaxies)(radio galaxies) 有强射电辐射的星系称为射电星系。 大部分活动星系是射电星系。 射电光度（1042-1045 ergs-1）远大于正常星系（1037-1039 ergs-1）。 射电辐射一般具有
12、非热性质。 大多数是椭圆星系。它们往往是星系团中光度最高、质量最大的星系。 在形态上分为致密型和延展型两类: 致密型射电星系的射电像与光学像一致或稍小。射电辐射来自核心。延展型射电星系的射电像大于光学像，常表现为双瓣结构（长达1 Mpc）。射电辐射来自双瓣。 Cygnus A：典型的双瓣结构（相距约300kpc），与星系合并有关。 NGC 1265：头尾型射电星系。 致密型和延展型射电星系在本质上是一致的。它们不同的形态可能是由观测着视线方向的不同造成的。3. 赛弗特（赛弗特（Seyfert）星系）星系 美国天文学家赛弗特于1943年首先发现一些旋涡星系具有不寻常的亮核和发射线，赛弗特星系因此
13、而得名。NGC 1566 NGC 4151的逐次深度曝光像亮核星系 具有极亮的星系核，有很强的红外和射电非热辐射（1043-1045 ergs-1）。NGC 5728的地面和空间观测 一些赛弗特星系有很强且宽的H和重元素的发射线。 由发射线的宽度得到电离气体的运动速度达104 kms-1 .赛弗特星系与正常星系谱线的比较 非热连续谱，发射线极弱或完全观测不到。 在射线辐射主要能量，同时有强烈的射电、红外辐射。 通常是椭圆星系。 3C 279 原型：蝎虎座BL（1929年发现。恒星状，有暗弱包层. 4. 蝎虎（蝎虎（BL Lac）天体）天体 5. 类星体（类星体（Quasars） 在20世纪60
14、年代发现的射电源中，有些光学视形态类似于恒星，无法分解，因而被称为类星射电源，简称类星体。 光谱中有强而宽的未知发射线。 1963年Maarten Schmidt证认出它们实际上是红移了的H和其他元素的发射线。类星体3C 273的谱线红移量达到16%Maarten SchmidtZ = 4.90Sloan Digital Sky SurveyZ = 5.00Z = 4.75 有些类星体有喷流，射电源通常有双瓣结构。 3C 273长达30 kpc的喷流 2300-189的射电喷流和双瓣 理论模型 星系的活动性源于星系的核心区域（活动星系核）超大质量（106-1010 M）的黑洞，黑洞的物质吸积提
15、供了活动星系的能源。22cGMRS=10-4 pc (M/109M)McML21 M yr-1(L/61045 ergs-1)(/0.1)-1黑洞吸积的物质来自由于星系核心附近的恒星碰撞和星系间碰撞而剥离出的气体。二、活动星系核的理论模型二、活动星系核的理论模型 吸积气体主要来自星系中的星际物质，或在黑洞附近被潮汐力瓦解的恒星。 吸积气体在黑洞周围形成吸积盘（大小约几光天），在螺旋接近黑洞的过程中受到加热，产生巨大的能量。 黑洞在吸积过程中可能在黑洞的转动轴方向形成双极喷流，喷流在远离核区处与星系际物质相互作用形成射电瓣。 在不同方向观测，活动星系核表现出不同的特征在不同方向观测，活动星系核表
16、现出不同的特征 室女星系团中巨椭圆星系NGC 4261中的吸积盘60 kpc100 pc1.星系的形成星系的形成(1) 自下而上模型（bottom-up） 较小的（106 M）、不规则星系首先形成。 星系合并形成较大的（109-1011 M）星系。 在引力的作用下聚集成星系团和超星系团，产生星系团间的巨洞。 4 星系的形成和演化星系的形成和演化 观测证据观测证据 Hubble空间望远镜的深场观测发现位于2000 Mpc距离之外存在大量的不规则的小星系（超过同类星系在近距离星系中的比例）。(2) 由上而下由上而下 模型（模型（top-down） 原始气体的坍缩首先产生巨大的（1014M）、薄饼状
17、的云块（超星系团）。 云块分裂成星系团和星系。 2. 星系的演化星系的演化 (1) 星系的形态与恒星形成 星系形成于气体云的坍缩。 星系的形态与星系中的恒星形成有关。 如果恒星形成较快， 星系内的气体很快被用光， 没有星系盘形成， 椭圆星系。 如果恒星形成较慢， 星系内有大量的气体形成星系盘， 盘内的恒星形成， 旋涡星系。 (2) 内在因素内在因素 椭圆星系形成于初始涨落中较密的区域，所有的气体在10亿年内耗尽用于形成恒星。 旋涡星系形成于相对较稀的区域，在湍动的影响下产生旋转，早期恒星形成过程产生晕和核中的恒星，剩余的气体形成盘，维持持续的恒星形成。 (3) 外部环境因素外部环境因素 观测线
18、索 质量最大的星系是椭圆星系，星系间的合并、碰撞， 小星系的碰撞导致恒星的快速形成， 形成椭圆星系。 5 星系群与超星系团星系群与超星系团 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 多重星系 星系群 星系团 超星系团 星系集团越大，它们的物质密度与宇宙平均物质密度就越接近。 1. 本星系群本星系群 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、M31、M33），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
19、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。本星系群的空间分布本星系群的空间分布(1) 仙女星系（仙女星系（M 31） 本星系群内质量最大的星系。距离690kpc，直径60kpc。 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。 (2) 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。 2. 星系团星系团 (clusters of galaxies)CL1358+62 （1 1）不规则星系团）不规则星系团形态松散，主要由旋涡星系组成 室女星系团：距离1
20、8 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（2 2）规则星系团）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100 哈勃空间望远镜的（100小时）深场观测发现在109 pc距离处存在大量年青的、不规则形态的小星系。 表明在100亿年前星系间的碰撞是十分普遍的。 星系团内星系的分布更为密集；相互碰撞的可能性更大。 3. 3.
21、星系间的相互作用星系间的相互作用 星系碰撞的后果星系碰撞的后果 (1) 星系形态的变化和星暴现象 潮汐力 星系际物质桥（尾）气体压缩 大量恒星快速形成（星暴星系） NGC 1531/2 Stefans QuintetNGC 4676a/bNGC 4038/9 (Antennae)The Tadpole Galaxy, UGC 10214，蝌蚪星系The Mice, NGC 4676(2) 星系的并合和吞食星系的并合和吞食 巨椭圆星系的形成巨椭圆星系的形成 线索 巨椭圆星系与矮椭圆星系的质量比 107在星系高密度区（如富星系团中心）旋涡星系的数量很少。超巨椭圆星系特征：(i) 非常延展的晕，(i
22、i) 中心区有多个核，(iii) 通常位于星系团的核心。 星系团Abell 2199中心星系核区的小星系 两个漩涡星系的并合两个漩涡星系的并合椭圆星系椭圆星系星系并合过程的数值模拟星系并合过程的数值模拟4. 超星系团超星系团 (superclusters) (1)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) 本本超星系团超星系团 本星系群所处的超星
23、系团，中心在室女星系团附近，半径约50 Mpc。本本超星系团超星系团 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）及其周围的巨洞组成。“宇宙空洞” 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%。宇宙“长城”与宇宙“空洞”宇宙的大尺度结构宇宙的大尺度结构宇宙宇宙“长城长城”宇宙宇宙“空洞空洞”Two Degree Field (2dF)星系红移巡天星系红移巡天250 Mly2003年年SDSS巡天观测巡天观测100万个星系的红移资料，右图为离我们最近的室女座星团万个星系的红移资料，右图为离我们最近的室女座星团
