1、第第14讲讲 河外星系与星系团河外星系与星系团 河外星系的发现 星系的Hubble分类 星系的距离和质量 星系的形成与演化 星系集团 活动星系1、河外星系的发现 17551755年年,康德指出旋涡星云的扁平形康德指出旋涡星云的扁平形态是由于转动引起的态是由于转动引起的,它们是和银河它们是和银河类似的类似的 “宇宙岛宇宙岛”(island(island universes)universes)。17811781年法国天文学家年法国天文学家MessierMessier发表了发表了包含包含110110个星云的个星云的“梅西耶星表梅西耶星表”(其其中中4040个实际上是星系个实际上是星系)。18641
2、864年年John HerschelJohn Herschel发表发表The The General Catalogue of Nebulae and General Catalogue of Nebulae and Clusters of StarsClusters of Stars（后来演变为包（后来演变为包含超过含超过10,00010,000个星系的个星系的New General New General Catalogue(NGC)Catalogue(NGC)）。）。19201920年年,Shapley,Shapley发现球状星团的空发现球状星团的空间球对称分布间球对称分布,通过观测球状
3、星团内通过观测球状星团内的天琴座的天琴座RRRR型变星型变星,确定银河系的大确定银河系的大小小(100kpc)(100kpc)和太阳系到银心的距离和太阳系到银心的距离(16kpc),(16kpc),建立了直径达建立了直径达100kpc100kpc的银的银河系模型。河系模型。1920年，沙普利-柯蒂斯(Shapley-Curtis)关于宇宙尺度的大辩论(the great debate,April 26,1920,in the hall of the United States National Academy of Sciences in Washington D.C.)辩论焦点(1)“旋涡星
4、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。Harlow Shapley(1885-1972)Heber D.Curtis(1872-1942)哈勃(Edwin P.Hubble)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）银河系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!His findings were fir
5、st published in The New York Times on November 23,19241889-1953（运动健将、法学硕士、高中老师、天文博士、美军少校）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（Hubble Fork）2、星系的哈勃分类(1)椭圆星系(elliptical galaxies)椭球形的星系，符号为E.按椭率从小到大分为E0、E1.E7八个次型。n=10(a-b)/a 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。恒星作杂乱的椭圆轨道运动。中
6、心区域最亮，亮度向边缘递减。大小和质量相差悬殊。巨椭圆星系 106 pc矮椭圆星系 103 pc (1pc=3.26ly)(2)旋涡星系旋涡星系(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，旋臂缠卷最松(3)棒旋星系棒旋
7、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，棒旋星系可以分为SBa,SBb,SBc三个次型。其中Sba型旋臂缠卷最紧。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
8、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。M82IC5152星系分类小结星系分类小结 旋涡/棒旋星系(S,SB)椭圆星系(E)不规则星系(Irr)由恒星和气体构成的扁盘（包含旋臂和核球）和星系晕。棒旋星系的核心有棒状结构球形或椭球形，除中心核区外无其他结构无明显结构盘包含年轻和年老的恒星，晕只有年老的恒星只有年老的恒星包含年轻和年老的恒星盘包含大量气体和尘埃，晕中的气体和尘埃很少没有或很少气体和尘埃富含气体和尘埃旋臂中有恒星形成过程近1010 yr没有明显的
9、恒星形成过程强烈的恒星形成过程盘中的恒星和气体绕星系核心作圆轨道运动，晕中的恒星绕绕星系核心作无规则轨道运动恒星绕星系核心作无规则轨道运动恒星和气体作无规则运动“Early Type”“Late Type”3、星系的距离和质量、星系的距离和质量星系距离的测量（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(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。（特点：光度高且基本恒定）（3）星系的速度弥散光度经验关系Tully-Fisher关系：对旋涡星系，速度弥散V=220(L/L)0.22H原子21厘
10、米谱线宽度速度弥散光度 200 Mpc距离 Faber-Jackson 关系：对椭圆星系，速度弥散V=220(L/L)0.25 (4)红移法 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星系质量的测量星系质量的测量(1)旋涡星系的旋转曲线 谱线位移 自转速度 质量(2)椭圆星系中恒星的无规运动谱线位移 平均无规运动速度 质量 类似，对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 星系 NGC 247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 星系质量
11、的测量结果星系质量的测量结果 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 星系和星系团的引力质量大约是可见质量的10 倍。（漩涡星系的旋转曲线 引力质量比可见质量大3-10倍。）宇宙中90%以上的质量来自暗物质。星系的基本性质小结星系的基本性质小结 旋涡星系不规则星系矮椭圆星系巨椭圆星系直径（ly）901032010330103150103质量（M ）1011-1012106105-1071013光度（L ）10101091081011颜色蓝（盘）红（晕与核）蓝红红气体百分比5
12、%15%1%1%恒星类型年轻（盘）年老（晕与核）年轻年老年老质光比(M/L)Irr(M/L)S(M/L)E 4、星系的形成与演化、星系的形成与演化 星系的形成 What were the first sources of light in the Universe?How were luminous parts of galaxies assembled?How did the Hubble sequence of galaxy morphologies form?How do galaxies interact with their environment?What are the glob
13、al histories of star-formation,metal enrichment,and gas consumption?What is the relationship between active galactic nuclei and their host galaxies?两种模型(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。“Hierarchical”等级成团观测证据 Hubble空间望远镜的深场观测发现位于2000 Mpc距离之
14、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)由上而下模型（top-down）原始气体的坍缩首先产生巨大的（1014M）、薄饼状的云块（超星系团）。云块分裂成星系团和星系。星系的演化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。内在因素 椭圆星系形成于初始涨落中的较密的区域，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
15、恒星，剩余的气体形成盘，维持持续的恒星形成。外部环境因素 观测线索 质量最大的星系是椭圆星系 星系间的合并、碰撞 小星系碰撞导致恒星的快速形成 形成椭圆星系5、星系集团星系集团 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均物质密度就越接近。1).本星系群本星系群
16、(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。本星系群的空间分布大、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=21010M，直径d=10 kpc。SMC：距离D=60 kp
17、c，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。仙女星系（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。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 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18Mpc，直径3
18、 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（Coma）星系团包含几千个星系武仙（Hercules）星系团中的星系数目不足100 星系团的质量星系团的质量 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
19、，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！星系际气体(intergalactic gas)X射线卫星观测发现在星系团内存在大量的热气体（温度107-108 K，密度1 cm-3）。气体的质量与星系团的可见质量相仿或稍高。因此它不能解决星系团的短缺质量问题。室女星系团 为了束缚热气体，星系团内必定包含大量暗物质星系Abell 2390（上）和MS2137.3-2353（下）的X射线（左）与光学（右）像。气体与恒星的质量仅为束缚气体所需质量的13%3).星系间的相互作用 星系团内星系的分布更为密集。相互碰撞的可能性更大。天 体太阳系行星
20、银河系恒星 星系团内星系距离/直径105106102 哈勃空间望远镜的（100小时）深场观测发现在109 pc距离处存在大量年轻的、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。星系碰撞的后果(1)星系形态的变化和星暴(starburst)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 QuintetM51的旋涡结构、尘埃与恒星 旋臂形成过程的数值模拟NGC 4038/9(Antennae,天线)Hubbles Advanced Camera Unveils a Panoramic New View of the U
21、niverseThe Tadpole（蝌蚪）Galaxy,UGC 10214The Mice（老鼠）,NGC 4676(2)星系的并合和吞食 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，(ii)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椭圆星系4).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
22、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 厚：5-10 Mpc (2)本超星系团 本星系群所处的超星系团，中心在室女星系团附近，半径约30 Mpc。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5)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。发现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
23、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%。“长城”6、活动星系、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，在观测上分为下面几种：射电星系（radio galaxies）赛弗特星系(Seyfert galaxies)蝎虎（BL Lac）天体(BL Lac objects)类星体(quasars)活动星系的特征活动星系的特征(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 273)2.5106 2506106高光度反映出它们的寿命很
24、短，因此可能是高光度反映出它们的寿命很短，因此可能是正常星系的某个演化阶段正常星系的某个演化阶段。(2)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 光变时标：几天1年核区的大小不超过1光年(从光变时标可以估算出辐射区大小从光变时标可以估算出辐射区大小)(4)特殊形态 亮核、喷流、不规则形态(5)强发射线和偏振辐射（已改正到静止波长，观测到的波长有红移）射电星系(radio galaxies)1960s,英国射电天文学家完成 the 3rd Cambridge Catalog of radi
25、o sources（3C）.很多射电源与遥远光学星系位置重合。这些射电源包括位于星系中心的点源和跨越数千至数百万光年的延展源。射电光度（1042-1045 ergs-1）远大于正常星系（1037-1039 ergs-1）。射电辐射一般具有非热性质。大多数是椭圆星系。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(core)。延展型射电星系的射电像大于光学像，常表现为双瓣(lobe)结构（长达1 Mpc）。射电辐射来自双瓣。典型源 M87：室女(Virgo)星系团中心的巨椭圆星系。第一个观测到喷流的星系。喷流的长
26、度约2 kpc，有团块结构，在射电到X射线波段产生同步加速辐射(相对论电子在磁场中运动产生的辐射)。光学 射电 红外（Cygnus A（NGC 5128）：具有射电喷流的超巨椭圆星系（E2），呈现典型的双瓣结构（相距约300 kpc），可能源于5108年前的星系合并。蓝蓝色：光学色：光学；红红色：射色：射电电 理论模型 射电星系的致密核（超大质量黑洞）以连续喷流或分立团块的形式，向两侧对称地抛射高能电子。高能电子冲击星系周围的物质产生双瓣。高速运动的电子在磁场中产生同步加速辐射。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。美国天文学家赛弗特1943
27、年首先发现一些旋涡星系具有不寻常的亮核和发射线，赛弗特星系因此而得名。NGC 1566 NGC 4151的逐次深度曝光像亮核星系赛弗特（赛弗特（Seyfert）星系）星系 一些赛弗特星系有很强且宽的H和重元素的发射线。根据发射线宽度的不同，赛弗特星系可以分为I型和型两类。前者同时具有很宽的H线和相对较窄的电离金属线，后者仅有窄线。相应的气体运动速度分别为104 kms-1（宽线区）和103 kms-1（窄线区）。不同类型赛弗特星系的差别可能是由于相对观测者视向的不同引起的。蝎虎（蝎虎（BL Lac）天体）天体 原型：蝎虎座BL（1929年发现）。恒星状，有暗弱包层 非热连续谱，发射线极弱或完全
28、观测不到。在伽玛射线波段辐射主要能量，同时有强烈的射电、红外辐射。通常寄主星系是椭圆星系。3C 279 在几天到几个月的时标内有快速而猛烈的光变致密核-射线波段X-射线波段类星体（类星体（Quasars）在20世纪60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0.16,距离660 Mpc。目前观测到的类星体最大红移达到7。因此类星体是观测到的最遥远、最年老、也是辐射功率最大的河外天体。Maarten
29、 Schmidtz=(-0)/0 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 类星体实际上是活动星系核。与类星体相比，它们的宿主星系十分黯淡。Hubble空间望远镜发现类星体位于星系团中，并观测到了类星体周围的雾状结构，它们来自宿主星系中的恒星辐射。Einstein十字：十字：引力透镜引力透镜引起的引起的类星体类星体四重像四重像 引力透镜引力透镜引引力场源对位于其力场源对位于其后的背景天体后的背景天体（如类星体）发（如类星体）发出的电磁辐射所出的电磁辐射所产生的会聚或多产生的会聚或多重成像效应。重成像效应。活动星系主要特征的比较
30、 射电星系 赛弗特星系 蝎虎天体 类星体光学形状 椭圆 旋涡 不明 类星射电形状 喷流与双瓣 核区有弱辐射 核区有弱辐射 喷流与双瓣(部分)连续谱 非热辐射+热辐射发射线 宽 宽与窄 无（弱）宽与窄谱线红移量 0.01-0.3 0.003-0.06 0.05-0.4 0.2-7吸收线来源 恒星 无 无（？）前景气体云活动星系核的理论模型活动星系核的理论模型 星系的活动源于核心区域（活动星系核）超大质量（106-1010 M）的黑洞，黑洞的物质吸积提供了活动星系的能源。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。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
31、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。黑洞吸积盘周围区域的结构(1)宽发射线区，大小约几光月，其中电离气体具有较高的（104 kms-1）运动速度；(2)窄发射线区，大小约10-104光年，其中电离气体具有较低的（103 kms-1）运动速度。(3)尘埃环，在宽线区和窄线区之间，大小约10-103光年。星系中的超大质量黑洞观测证据 观测证据：星系核区附近气体的动力学特征。高分辨率观测 核区大小；运动 核区质量 质量/空间尺度比 黑洞？结论:在活动星系和正常星系的核心存在超大质量黑洞。M87：M3
32、109M4107M早期宇宙中黑洞早期宇宙中黑洞质质量最大的天体量最大的天体（Wu,Wang,Fan et al.,2015,Nature,512,515Wu,Wang,Fan et al.,2015,Nature,512,515）遥远黑洞的质量可以由一些简单关系得到遥远黑洞的质量可以由一些简单关系得到：MV2RV2L1/2,RL1/2,V和和L可由围可由围绕黑洞运动的绕黑洞运动的气体速度气体速度(谱线线宽谱线线宽)和发光和发光强度强度(连续谱辐射光度连续谱辐射光度)给出给出 我们用云南丽江的我们用云南丽江的2.4米望远镜发现的遥米望远镜发现的遥远宇宙的类星体黑洞质量为远宇宙的类星体黑洞质量为1
33、20亿倍太阳亿倍太阳质量，距离地球质量，距离地球128亿光年。类星体发光亿光年。类星体发光强度是太阳光度强度是太阳光度430万亿倍万亿倍,是遥远宇宙中是遥远宇宙中黑洞质量最大的最亮天体黑洞质量最大的最亮天体。入选入选20152015年度中国科学十大进展年度中国科学十大进展,中国高中国高等学校十大科技进展等学校十大科技进展，美国美国DiscoverDiscover杂志杂志评出的评出的20152015年年100100个顶级科学发现个顶级科学发现，英国英国AltmetricAltmetric网站网站20152015年最具影响力年最具影响力100100篇论篇论文文 类星体与星系的演化(1)类星体是宇宙
34、演化早期的天体。(2)在类星体、活动星系和正常星系的核心都有证据表明存在超大质量的黑洞。(3)从类星体到活动星系到正常星系，星系的活动性逐渐降低。活动性降低可供消耗的原料减少类星体射电星系赛弗特星系正常旋涡星系椭圆星系一种可能的演化路径是：大约130亿年前，星系形成 星系核心坍缩、相互碰撞或快速恒星形成导致中心产生超大质量黑洞。黑洞的快速吸积使得核心异常明亮，远远超过星系其它部分，成为类星体。随着黑洞周围的物质逐渐耗尽，核心的光度逐渐减小，但星系仍处于活动状态（一般活动星系），星系的热辐射开始变得越来越重要。当核心活动停止，星系成为正常星系。星系间的相互作用可以为其中的黑洞提供新鲜原料，触发近星系的活动现象。Duty Cycle！思考题 有哪些证据显示仙女座大星云M31是恒星系统，而且是银河系外的星系？简述星系的Hubble分类。银河系可能是什么类型？简述星系形成的bottom up模型。有何观测证据？本星系群主要由哪些星系组成？不规则星系团和规则星系团有何区别？活动星系可分为哪四类？活动星系的能源是如何产生的？如何估算类星体的中心黑洞质量？
