1、2022-8-1第六章第六章 河外星系河外星系研究历史研究历史星系分类星系分类 星系测量星系测量特殊星系特殊星系 星星 系系 团团 星系演化星系演化2022-8-2研究历史研究历史 n公元前公元前5 5世纪，希腊哲学家德谟克利特：银世纪，希腊哲学家德谟克利特：银河是由无数恒星所构成，太暗而不能区分河是由无数恒星所构成，太暗而不能区分n公元前公元前3 3世纪，希腊哲学家亚里士多德世纪，希腊哲学家亚里士多德 ：银河是纯粹的大气现象，是地球发出的水银河是纯粹的大气现象，是地球发出的水蒸汽蒸汽n16091609年，意大利天文学家伽利略把他新造年，意大利天文学家伽利略把他新造的望远镜指向银河：银河是无数
2、恒星的大的望远镜指向银河：银河是无数恒星的大集合集合n银河是由恒星组成的银河是由恒星组成的n研究太阳系，而很少有人关注银河系研究太阳系，而很少有人关注银河系2022-8-3n1755年，普鲁士哲学家康德：年，普鲁士哲学家康德：q银河是恒星构成的盘状物，恒星围绕某个中心公转银河是恒星构成的盘状物，恒星围绕某个中心公转q被称为被称为“星云星云”的模糊天体是和银河类似的的模糊天体是和银河类似的“宇宙宇宙岛岛”（island universes)n1781年法国天文学家年法国天文学家C.Messierq发表了包含发表了包含110个星云表个星云表q其中其中40个实际上是星系个实际上是星系qThe Mes
3、sier Catalogue(M51,M81)n英国天文学家英国天文学家William HerschelWilliam Herschel q1786年、年、1789年和年和1802年三次出版星云和星团表，年三次出版星云和星团表，记录了记录了2,500个星云和星团个星云和星团q有些星云是不可分解的，放弃了星云是河外星系的有些星云是不可分解的，放弃了星云是河外星系的主张主张2022-8-42022-8-5Herschel Herschel 假定恒星亮度相等，没有考虑尘埃影响假定恒星亮度相等，没有考虑尘埃影响SunWilliam Herschel,20-foot reflector,24-inch
4、speculum metal mirror,in an altazimuth mounting,Bath,England,1776.2022-8-6仙女座大星系仙女座大星系(Andromeda Galaxy)M31(Andromeda Galaxy)M312022-8-7The Great Debate The Great Debate 19201920年年4 4月月2626日美国国家科学院日美国国家科学院n辩论焦点：宇宙的尺度辩论焦点：宇宙的尺度(M31)(M31)(1)“旋涡星云旋涡星云”的距离是多远？的距离是多远？Nebulae(2)“旋涡星云旋涡星云”是恒星系统还是气体云？是恒星系统还
5、是气体云？(3)“旋涡星云旋涡星云”在天球上的分布为什么有在天球上的分布为什么有“隐带隐带”？(4)为什么为什么“旋涡星云旋涡星云”的谱线出现红移？的谱线出现红移？“旋涡星云旋涡星云”是银河系内气体是银河系内气体云，银河系就是整个宇宙。云，银河系就是整个宇宙。宇宙是由无数类似银河系的宇宙是由无数类似银河系的星系构成的，星系构成的，“旋涡星云旋涡星云”实际上是星系。实际上是星系。Harlow ShapleyHeber D.Curtis2022-8-8沙普利：银河系对旋涡星云施加了一种沙普利：银河系对旋涡星云施加了一种未知的排斥力，导致旋涡星云的隐带分未知的排斥力，导致旋涡星云的隐带分布和退行现象
6、。布和退行现象。柯蒂斯：有些旋涡星云的中心面有一条柯蒂斯：有些旋涡星云的中心面有一条暗带。如果银河系也有类似的暗带，我暗带。如果银河系也有类似的暗带，我们位于银河系的暗带中，如果旋涡星云们位于银河系的暗带中，如果旋涡星云是河外天体，是河外天体，旋涡星云的分布出现隐带旋涡星云的分布出现隐带 由于观测数据中由于观测数据中都存在较大的误都存在较大的误差，这场大辩论差，这场大辩论当时没有结论！当时没有结论！沙普利错了沙普利错了 2022-8-9The Shapley-Curtis Debate(1920)The Shapley-Curtis Debate(1920)MWGMWGMWGMWGShaple
7、yShapleyCurtisCurtisThe debate solved nothing!The debate solved nothing!Questions in science are not resolved by debates,but Questions in science are not resolved by debates,but by observations&experimentsby observations&experiments2022-8-10哈勃的裁决哈勃的裁决n哈勃哈勃(1889-1953)(1889-1953)，美国天文学家。，美国天文学家。n19241
8、924年，利用当时最大年，利用当时最大2.5m2.5m望远镜望远镜n哈勃分解出哈勃分解出M31M31中几十个造父变星中几十个造父变星n证实证实M31M31确实是一个恒星系统确实是一个恒星系统n由造父变星周光关系估计由造父变星周光关系估计M31的距离的距离285 kpc(实际距离实际距离770 kpc)n大于最远的球状星团的距离大于最远的球状星团的距离(100 kpc)。因此因此M31M31必定是河外星系必定是河外星系!19291929年，哈勃发现河外星系视向退行年，哈勃发现河外星系视向退行速度速度v v与距离与距离d d成正比成正比 ，哈勃定律，哈勃定律2022-8-11Hubble Hubb
9、le Ultra Ultra Deep Deep Field Field ImageImage：1010平方角分平方角分10,00010,000星系星系月亮在天球月亮在天球上投影的视上投影的视直径直径31角角分分,面积面积750平方角分平方角分 2022-8-122022-8-13第六章第六章 河外星系河外星系研究历史研究历史星系分类星系分类 星系测量星系测量特殊星系特殊星系 星星 系系 团团 星系演化星系演化http:/ are the three major types of What are the three major types of galaxies?galaxies?Hubbl
10、e Deep FieldHubble Deep Field2022-8-15Hubble Hubble Ultra Ultra Deep Deep FieldField2022-8-16Hubble Ultra Deep Field2022-8-17Hubble Hubble Ultra Ultra Deep Deep FieldFieldSpiral Galaxy2022-8-18Elliptical GalaxyHubble Hubble Ultra Ultra Deep Deep FieldFieldSpiral Spiral GalaxyGalaxy2022-8-19Elliptica
11、l GalaxyHubble Hubble Ultra Ultra Deep Deep FieldFieldEllipticalElliptical GalaxyGalaxySpiral Spiral GalaxyGalaxy2022-8-20Hubble Hubble Ultra Ultra Deep Deep FieldFieldSpiral Spiral GalaxyGalaxyElliptical GalaxyElliptical GalaxyEllipticalElliptical GalaxyGalaxy2022-8-21Irregular GalaxiesIrregular Ga
12、laxiesHubble Hubble Ultra Ultra Deep Deep FieldFieldSpiral Spiral GalaxyGalaxyElliptical GalaxyElliptical GalaxyEllipticalElliptical GalaxyGalaxy2022-8-22星系分类：星系分类：Hubble Tuning Fork Scheme 2022-8-23椭圆星系椭圆星系/透镜状星系透镜状星系/旋涡星系旋涡星系/棒旋星系棒旋星系/不规则星系不规则星系2022-8-24星族星族(Stellar Population)(Stellar Population)
13、n19441944年年Walter BaadeWalter Baade发现星系晕与核球中的恒发现星系晕与核球中的恒星明显比盘中的恒星颜色偏红。星明显比盘中的恒星颜色偏红。nBaadeBaade由此提出星族的概念：星族由此提出星族的概念：星族I I、星族、星族II II2022-8-25n星族星族I恒星恒星 年轻的、富金属恒星年轻的、富金属恒星（金属丰度为太阳值的（金属丰度为太阳值的0.1-2.5倍）倍）主要位于银盘中主要位于银盘中，绕银心作圆轨道运动，绕银心作圆轨道运动。如疏散星团。如疏散星团。n星族星族II恒星恒星年老的、贫金属年老的、贫金属恒星恒星(金属丰度为金属丰度为太阳值的太阳值的0
14、0.001-.001-0.030.03倍倍)主要位于银晕和主要位于银晕和核球中，以银心核球中，以银心作为中心球对称作为中心球对称分布绕银心作分布绕银心作无无规则规则的椭圆轨道的椭圆轨道运动。如球状星运动。如球状星团。团。2022-8-26星星 族族极端星族极端星族II II中 介 星中 介 星族族II II盘星族盘星族中介星族中介星族I I 极端极端星族星族I I典型天体典型天体亚矮星、球亚矮星、球状星团、天状星团、天琴琴RRRR型星型星 长周期变长周期变星星行星状星云、行星状星云、新星新星A A 型星、经型星、经典造父变星典造父变星气体、尘埃、气体、尘埃、超巨星超巨星平均年龄平均年龄(10(
15、109 9 yr yr)17-1217-12 15-1015-1012-212-22-0.12-0.10.10.1垂向距离垂向距离 20002000 pc pc 700700 pc pc400400 pc pc160160 pc pc120120 pc pc垂向速度垂向速度 7575 kms kms-1-1 2525 kms kms-1 11818 kms kms-1-11010 kms kms-1-18 8 kms kms-1-1金属丰度金属丰度 0.0010.001 0.0050.0050.01-0.020.01-0.02 0.020.020.03-0.040.03-0.04不同星族天体的
16、特征比较不同星族天体的特征比较2022-8-27椭圆星系椭圆星系 Elliptical Elliptical galaxiesgalaxiesE E2022-8-28n形状成圆球形或椭圆形形状成圆球形或椭圆形n按椭率大小的增加分为：按椭率大小的增加分为：qE0E0、E1.E7E1.E7八个次型八个次型qn=10(a-b)/a qa和和b为椭圆半长轴和半短轴为椭圆半长轴和半短轴 n中心区最亮，亮度向边缘递减中心区最亮，亮度向边缘递减椭圆星系椭圆星系(Elliptical galaxies(Elliptical galaxies，E)E)2022-8-29n年老的、贫金属年老的、贫金属星族星族恒星
17、构成恒星构成n椭圆星系没有星系盘，颜色偏红椭圆星系没有星系盘，颜色偏红n没有或仅有少量星际气体和尘埃没有或仅有少量星际气体和尘埃n恒星作无规则的椭圆轨道运动恒星作无规则的椭圆轨道运动 n椭圆星系的大小和质量相差悬殊椭圆星系的大小和质量相差悬殊q巨椭圆星系巨椭圆星系 106 pc,1013M q矮椭圆星系矮椭圆星系 103 pc,107M 22 22 MMV V 18182022-8-302022-8-312022-8-32n一类具有旋涡结构的星系一类具有旋涡结构的星系n中心是球状或椭球状核球中心是球状或椭球状核球n星系外面是扁平的星系盘星系外面是扁平的星系盘n从核球两端延伸出两条或从核球两端延
18、伸出两条或两条以上螺旋状旋臂叠加两条以上螺旋状旋臂叠加在星系盘上在星系盘上n星系盘外面是球状星系晕星系盘外面是球状星系晕旋涡星系旋涡星系(Spiral galaxies(Spiral galaxies，S)S)2022-8-33Spiral GalaxyDisk 星系盘星系盘Bulge核球核球Halo 星系晕星系晕2022-8-34Spheroidal Component:bulge&halo,old stars,few gas cloudsDisk Component:stars of all ages,many gas clouds2022-8-35Disk Component:stars
19、 of all ages,many gas cloudsSpheroidal Component:bulge&halo,old stars,few gas cloudsRed-yellow color indicates older star populationBlue-white color indicates ongoing star formation2022-8-36Disk Component:stars of all ages,many gas cloudsSpheroidal Component:bulge&halo,old stars,few gas cloudsRed-ye
20、llow color indicates older star populationBlue-white color indicates ongoing star formation2022-8-37星族特征星族特征n星系盘颜色偏蓝，星系盘颜色偏蓝，星系晕和核偏红。星系晕和核偏红。n在星系盘、特别是在星系盘、特别是旋臂上主要是年轻、旋臂上主要是年轻、金属富的金属富的星族星族I恒恒星以及星以及气体和尘埃气体和尘埃n核球和星系晕主要核球和星系晕主要由年老的由年老的星族星族恒恒星组成星组成 21 21 MMV V 17172022-8-38Circular Orbits in a Spiral Di
21、skCircular Orbits in a Spiral Disk Random Orbits in an Random Orbits in an Elliptical(or Spiral Bulge)Elliptical(or Spiral Bulge)2022-8-39分类：核球的大小和旋臂的缠卷程度分类：核球的大小和旋臂的缠卷程度qSa Sa 中心区最大，旋臂紧卷中心区最大，旋臂紧卷qSbSb中心区较小，悬臂开展中心区较小，悬臂开展qScSc中心区成为一个小亮核，悬臂松弛中心区成为一个小亮核，悬臂松弛。2022-8-402022-8-41M51 M51 grand designgran
22、d designNGC4414 NGC4414 flocculentflocculentM101M101Multiple ArmsMultiple ArmsArm TypesArm TypesA A grand designgrand design spiral galaxy is a type of spiral galaxy is a type of spiral galaxy with prominent and well-spiral galaxy with prominent and well-defined spiral arms defined spiral arms A A f
23、locculent flocculent spiral is one that has spiral is one that has patchy structures in its diskpatchy structures in its disk2022-8-422022-8-432022-8-44棒旋星系棒旋星系(Barred spiral galaxies(Barred spiral galaxies，SB)SB)2022-8-45n由恒星组成的棒贯穿其核心部分的旋涡星系由恒星组成的棒贯穿其核心部分的旋涡星系n旋臂源于棒的两端旋臂源于棒的两端n按照棒的大小和旋臂的缠卷程度可以分为：按照
24、棒的大小和旋臂的缠卷程度可以分为：qSBa、SBb、SBc三个次型三个次型qSBa棒最大，旋臂缠卷最紧棒最大，旋臂缠卷最紧n银河系可能是一个银河系可能是一个SBb或或SBc型星系型星系。棒旋星系棒旋星系(Barred spiral galaxies(Barred spiral galaxies，SB)SB)2022-8-462022-8-47密度波理论：旋臂中的星不是一成密度波理论：旋臂中的星不是一成不变的不变的恒星有进有出恒星有进有出川流不息川流不息而旋臂图案却保持不变而旋臂图案却保持不变旋臂不旋臂不会缠卷起来会缠卷起来Stars&low Stars&low density gasdensi
25、ty gasGas compression in density waveGas compression in density waveNew stars exit New stars exit with oldwith old2022-8-48透镜星系透镜星系(Lenticular(Lenticular galaxiesgalaxies，S0)S0)Has a disk like a Has a disk like a spiral galaxy but spiral galaxy but much less dusty much less dusty gas gas(intermediat
26、e(intermediate between spiral between spiral and elliptical)and elliptical)2022-8-49n介于椭圆星系和旋涡星系的过渡型星系介于椭圆星系和旋涡星系的过渡型星系n“无旋臂的盘星系无旋臂的盘星系”，外形像侧视的透镜，外形像侧视的透镜n根据核心是否有棒状结构，符号相应为根据核心是否有棒状结构，符号相应为S0S0或或SB0SB0n透镜状星系与旋涡星系的主要差别是没有旋臂透镜状星系与旋涡星系的主要差别是没有旋臂n透镜状星系与椭圆星系的主要差别是有星系盘透镜状星系与椭圆星系的主要差别是有星系盘 n星族主要由年老恒星组成，气体很
27、少，类似星族主要由年老恒星组成，气体很少，类似E E星系星系透镜星系透镜星系(Lenticular galaxies(Lenticular galaxies，S0)S0)NGC 3115NGC 3115 2022-8-50NGC 2787 is classified as an SB0NGC 2787 is classified as an SB0，a barred lenticular galaxya barred lenticular galaxy.2022-8-51不规则星系不规则星系(Irregular galaxies(Irregular galaxies，Irr)Irr)Blue-
28、white color Blue-white color indicates ongoing indicates ongoing star formationstar formation2022-8-52n外形不规则，没有明显的核和旋臂，也没外形不规则，没有明显的核和旋臂，也没有旋转对称性有旋转对称性n分类：分类：qIrr I类有隐约可见、不规则的棒状结构；尘埃云类有隐约可见、不规则的棒状结构；尘埃云不显著，偏蓝不显著，偏蓝qIrr II类具有无定型的外貌，带有明显的尘埃带，类具有无定型的外貌，带有明显的尘埃带，颜色偏黄颜色偏黄n年轻星族为主、气体含量多，质量不大，年轻星族为主、气体含量多，质
29、量不大，M1010M M82IC515218 MV 10不规则星系不规则星系(Irregular galaxies(Irregular galaxies，Irr)Irr)2022-8-53NGC 2363 2022-8-542022-8-55www.public.asu.edu/rjansen/nfgs/2022-8-56星系星系形态与波段有关；形态与波段有关；与对比度有关与对比度有关2022-8-57更为客观的自动分类更为客观的自动分类：模型模型参数参数n面亮度分布面亮度分布q旋涡星系旋涡星系:q椭圆星系椭圆星系:q一般函数一般函数:NGC7331 2022-8-58Early type:h
30、igh G,C;Early type:high G,C;small A,M20small A,M20180I0IConcentrationConcentration:the ratio of the ratio of light within a circular or elliptical light within a circular or elliptical inner aperture to the light within inner aperture to the light within an outer aperture an outer aperture Asymmetry
31、Asymmetry:quantifies the degree to which the quantifies the degree to which the light of a galaxy is rotationally symmetric light of a galaxy is rotationally symmetric Gini Coefficient:Gini Coefficient:the ratio of the area the ratio of the area between the Lorenz curve and the curve of uniform betw
32、een the Lorenz curve and the curve of uniform equality where equality where L L(p p)=)=p p(shaded regionshaded region)to the)to the area under the curve of uniform equality.area under the curve of uniform equality.G=A/A+BG=A/A+BM20:M20:second-order moment of the brightest second-order moment of the
33、brightest 20%of the galaxy 20%of the galaxy 2022-8-59M20M20G GE/S0/SaE/S0/SaSc/Sd/IrrSc/Sd/IrrSb/SbcSb/SbcMergersMergersmore lightmore lightin fewer pixin fewer pixmore more uniformuniformsurface surface brightnessbrightnesscentrallycentrallyconcentratedconcentratedlesslessconcentratedconcentrated20
34、22-8-60Spiral galaxies are often found in groups of galaxies(up to a few dozen galaxies)2022-8-61Elliptical galaxies are much more common in huge clusters of galaxies(hundreds to thousands of galaxies)2022-8-62Hubbles galaxy classesSpheroidDominatesDisk Dominates2022-8-63星系形态分类小结星系形态分类小结 旋涡旋涡/棒旋星系棒旋
35、星系(S,SB)椭圆星系椭圆星系(E)不规则星系不规则星系由恒星和气体构成的扁盘由恒星和气体构成的扁盘和星系晕。棒旋星系的核和星系晕。棒旋星系的核心有棒状结构心有棒状结构球形或椭球形，除中球形或椭球形，除中心核区外无其他结构心核区外无其他结构无明显结构。无明显结构。盘包含年轻和年老的恒星，盘包含年轻和年老的恒星，晕只有年老的恒星晕只有年老的恒星只有年老的恒星只有年老的恒星包含年轻和包含年轻和年老的恒星年老的恒星盘包含大量气体和尘埃，盘包含大量气体和尘埃，晕中的气体和尘埃很少晕中的气体和尘埃很少没有或只有很少的气没有或只有很少的气体和尘埃体和尘埃富含气体和富含气体和尘埃尘埃旋臂中有恒星形成过程旋
36、臂中有恒星形成过程近近1010 yr没有明显的没有明显的恒星形成过程恒星形成过程强烈的恒星强烈的恒星形成过程形成过程盘中的恒星和气体绕星系盘中的恒星和气体绕星系核心作圆轨道运动，核心作圆轨道运动，晕中晕中的恒星绕绕星系核心作无的恒星绕绕星系核心作无规则轨道运动规则轨道运动恒星绕绕星系核心作恒星绕绕星系核心作无规则轨道运动无规则轨道运动恒星和气体恒星和气体作无规则运作无规则运动动2022-8-64What have we learned?nWhat are the three major types of galaxies?qSpiral galaxies=Disk galaxies,ellip
37、tical galaxies,and irregular galaxiesqSpirals have both disk and spheroidal components;ellipticals have no disknHow are galaxies grouped together?qSpiral galaxies tend to collect into groups of up to a few dozen galaxiesqElliptical galaxies are more common in large clusters containing hundreds to th
38、ousands of galaxies2022-8-65Numbers of galaxiesNumbers of galaxies nThere are around There are around 4 410101010 galaxies galaxies in the observable in the observable universe.universe.nOver 60%of Over 60%of galaxies are spiral,galaxies are spiral,fewer than 30%fewer than 30%are elliptical,and are elliptical,and fewer than 15%fewer than 15%are irregular.are irregular.
