第四篇 銀河系和河外星系2(河外星系)

第四篇銀河系和河外星系（2）

——河外星系漩渦星系橢圓星系§1星系的形態(tài)和分類

§2星系距離和質(zhì)量的測量§3活動星系§4星系的形成和演化§5星系群與超星系團(tuán)本講內(nèi)容§1星系的形態(tài)和分類

1.河外星系的發(fā)現(xiàn)

1750年，英國教士賴特提出銀河是恒星系統(tǒng)。1755年，康德在《自然通史和天體論》一書中指出旋渦星云的扁平形態(tài)是由于轉(zhuǎn)動引起的，它們是和銀河類似的“宇宙島”。宇宙中無數(shù)的恒星系統(tǒng)可形象比喻成汪洋大海中的島嶼。星云的觀測1781年法國天文學(xué)家梅西耶發(fā)表了包含110個星云的“梅西耶星表”，其中40個實際上是星系。1800年英國天文學(xué)家威廉.赫歇爾發(fā)表包含2500個星云天體的星表，大部分是旋渦星云。爭論的焦點(diǎn)：星云是恒星系統(tǒng)還是氣體云？星云分布是在銀河系內(nèi)還是銀河系外？1920年，沙普利發(fā)現(xiàn)球狀星團(tuán)的空間球?qū)ΨQ分布，用球狀星團(tuán)作為銀河系邊界的標(biāo)記來確定銀河系結(jié)構(gòu)和尺度，確定銀河系的大?。?00kpc）和太陽系到銀心的距離(16kpc）。沙普利認(rèn)為星云是分布在銀河系內(nèi)，反對“宇宙島”的觀點(diǎn)。銀河系實際直徑30kpc！沙普利—柯蒂斯(Shaplry-Curtis)關(guān)于“宇宙尺度”的大辯論辯論焦點(diǎn)：(1)“旋渦星云”的距離是多大？(2)“旋渦星云”是恒星系統(tǒng)還是氣體云？“旋渦星云”是銀河系內(nèi)氣體云，銀河系就是整個宇宙。宇宙是由無數(shù)類似“旋渦星云”的星系構(gòu)成的?！坝钪鎹u”沙普利柯蒂斯1920年4月26日美國科學(xué)院在華盛頓博物館禮堂召開了“宇宙的尺度”的辯論會。哈勃的裁決：

—“宇宙島”的最終勝利！1926年，哈勃分解出“仙女座大星云”

(M31)中的造父變星。

→證實“仙女座大星云”確實是恒星系統(tǒng)。

由造父變星周光關(guān)系估計“仙女座大星云”的距離150kpc（實際距離800

kpc）>最遠(yuǎn)的球狀星團(tuán)的距離(100kpc)。因此“仙女座大星云”必定是河外星系

!2.星系的哈勃分類根據(jù)星系形態(tài)的不同，1926年哈勃首先提出星系可以分為橢圓星系、透鏡狀星系、旋渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系5種類型，稱為哈勃分類。

哈勃“音叉”圖宇宙星系的數(shù)目1010數(shù)量級！橢圓星系旋渦星系棒旋星系不規(guī)則星系透鏡狀星系(1)

橢圓星系(ellipticalgalaxies)

橢球形的星系，符號為E.按橢率大小的增加分為E0、E1...E7八個次型。 主要由星族Ⅱ恒星構(gòu)成，沒有星系盤，沒有或僅有少量星際氣體和塵埃，顏色偏紅。中心區(qū)域最亮，亮度向邊緣遞減。(2)旋渦星系(spiralgalaxies)

具有旋渦結(jié)構(gòu)的星系，符號為S。中心是球狀或橢球狀的核球，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(lán)，星系暈和核偏紅。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，核球和星系暈主要由星族Ⅱ恒星組成。

草帽星系M104，Sa型按照核球的大小和旋臂的纏卷程度，旋渦星系可以分為Sa,Sb,Sc三個次型。Sa型核球最大，旋臂纏卷最緊，Sc型核球最小，旋臂纏卷最松。仙女座大星系M31(Sb)(3)棒旋星系(barredspiralgalaxies)

中心有棒狀結(jié)構(gòu)的旋渦星系，符號為SB。

旋臂源于棒的兩端。

按照核球的大小和旋臂的纏卷程度，旋渦星系可以分為SBa,SBb,SBc三個次型。其中Sa型核球最大，旋臂纏卷最緊。

(4)透鏡狀星系介于橢圓星系和旋渦星系之間的、無旋臂的盤星系，根據(jù)核心是否有棒狀結(jié)構(gòu)，符號相應(yīng)為S0或SB0。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。

主要由年老恒星組成，氣體很少。

(5)不規(guī)則星系

外型或結(jié)構(gòu)無明顯對稱性的星系，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。M82IC5152§2星系距離和質(zhì)量的測量

星系距離的測量

(1)利用造父變星的周光關(guān)系測量星系距離最遠(yuǎn)距離：~20Mpc(2)標(biāo)準(zhǔn)燭光法通過比較星系中可證認(rèn)的某些標(biāo)準(zhǔn)（明亮）天體的視星等和絕對星等來確定星系的距離。星系M100中的造父變星m-M=5logr-5標(biāo)準(zhǔn)燭光源最遠(yuǎn)距離（Mpc）O,B型超巨星~30新星~60電離氫（HII區(qū)）~80Ia型超新星~650明亮星系~1500不同標(biāo)準(zhǔn)燭光源的測量范圍(3)紅移法

1912-1920年，斯里弗通過測量旋渦星系譜線的Doppler位移發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的星系具有譜線紅移，即它們正在遠(yuǎn)離銀河系。一些星系的距離、CaII的H、K譜線和退行速度

1929年哈勃與哈馬遜發(fā)現(xiàn)由星系譜線紅移得到的星系退行速度V與星系的距離D成正比，稱為哈勃定律

V＝H0×D

其中哈勃常數(shù)

H0在50-100kms-1Mpc-1取值，一般取75

kms-1Mpc-1HubbleHumason哈勃和哈馬遜得到的星系視向速度與距離的關(guān)系圖哈勃定律的意義哈勃定律反映了宇宙的膨脹

由宇宙膨脹引起的星系的譜線紅移稱為宇宙學(xué)紅移。

星系的距離D＝V/H0 如果宇宙的膨脹是均勻的，可以確定： 宇宙的年齡t＝D/V＝1/H0

星系的退行表明在過去它們必定離得很近，宇宙膨脹的起點(diǎn)是什么？（宇宙大爆炸學(xué)說）利用星系紅移測量星系的距離紅移z退行速度V（c）目前的距離(Mly)0.00.00.00.10.09514011.00.6881510.00.984210221001.027101∞1.0300962.星系質(zhì)量的測量

(1)旋渦星系的自轉(zhuǎn)曲線法

譜線位移→自轉(zhuǎn)速度→質(zhì)量

假設(shè)v表示距離星系中心r處星系的旋轉(zhuǎn)速度，則r以內(nèi)星系的總質(zhì)量m可以由下式估算：

m(r)=rv2/G(2)雙重星系與多重星系質(zhì)量測量

星系質(zhì)量的基本原理是開普勒第三定律。對雙星系統(tǒng)的總質(zhì)量與軌道半長徑的立方成正比，與軌道周期的平方成反比：

m1+m2=a3/p2(3)測量結(jié)果正常漩渦星系與橢圓星系質(zhì)量~1011-1012M⊙不規(guī)則星系質(zhì)量~108-1010M⊙矮橢圓星系質(zhì)量~106-107M⊙§3活動星系一.活動星系

絕大部分星系是正常星系，但也有部分星系表現(xiàn)出強(qiáng)烈的活動性（約占5%），在觀測上分為下面幾種： 射電星系

賽弗特星系 蝎虎（BLLac）天體 類星體1.活動星系的特征(1)高光度

X射線光度光學(xué)光度射電光度銀河系111射電星系100-5,00022,000-2×106賽弗特星系300-7×104220-2×106類星體

(3C273)2.5×1062506×106(2)非熱連續(xù)輻射正常星系： 黑體輻射，極大值在光學(xué)波段，輻射主要來自星系內(nèi)的恒星活動星系： 熱輻射（紅外）+非熱輻射，極大值在遠(yuǎn)紅外波段

(3)快速光變光變時標(biāo)：幾天-1年→核區(qū)的大小不超過1光年(4)特殊形態(tài)亮核、噴流、不規(guī)則形態(tài)(5)強(qiáng)發(fā)射線2.射電星系(radiogalaxies)有強(qiáng)射電輻射的星系稱為射電星系。大部分活動星系是射電星系。射電光度（~1042-1045

ergs-1）遠(yuǎn)大于正常星系（~1037-1039

ergs-1）。射電輻射一般具有非熱性質(zhì)。

大多數(shù)是橢圓星系。它們往往是星系團(tuán)中光度最高、質(zhì)量最大的星系。在形態(tài)上分為致密型和延展型兩類:

致密型射電星系的射電像與光學(xué)像一致或稍小。射電輻射來自核心。

延展型射電星系的射電像大于光學(xué)像，常表現(xiàn)為雙瓣結(jié)構(gòu)（長達(dá)1Mpc）。射電輻射來自雙瓣。CygnusA：典型的雙瓣結(jié)構(gòu)（相距約300kpc），與星系合并有關(guān)。

NGC1265：頭尾型射電星系。

致密型和延展型射電星系在本質(zhì)上是一致的。它們不同的形態(tài)可能是由觀測著視線方向的不同造成的。3.賽弗特（Seyfert）星系

美國天文學(xué)家賽弗特于1943年首先發(fā)現(xiàn)一些旋渦星系具有不尋常的亮核和發(fā)射線，賽弗特星系因此而得名。NGC1566NGC4151的逐次深度曝光像亮核星系具有極亮的星系核，有很強(qiáng)的紅外和射電非熱輻射（~1043-1045

ergs-1）。NGC5728的地面和空間觀測

一些賽弗特星系有很強(qiáng)且寬的H和重元素的發(fā)射線。由發(fā)射線的寬度得到電離氣體的運(yùn)動速度達(dá)104kms-1.賽弗特星系與正常星系譜線的比較

非熱連續(xù)譜，發(fā)射線極弱或完全觀測不到。在γ射線輻射主要能量，同時有強(qiáng)烈的射電、紅外輻射。

通常是橢圓星系。

3C279原型：蝎虎座BL（1929年發(fā)現(xiàn)。恒星狀，有暗弱包層.

4.蝎虎（BLLac）天體5.類星體（Quasars）

在20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的射電源中，有些光學(xué)視形態(tài)類似于恒星，無法分解，因而被稱為類星射電源，簡稱類星體。光譜中有強(qiáng)而寬的未知發(fā)射線。1963年MaartenSchmidt證認(rèn)出它們實際上是紅移了的H和其他元素的發(fā)射線。類星體3C273的譜線紅移量達(dá)到16%MaartenSchmidtZ=4.90SloanDigitalSkySurveyZ=5.00Z=4.75有些類星體有噴流，射電源通常有雙瓣結(jié)構(gòu)。

3C273長達(dá)30kpc的噴流

2300-189的射電噴流和雙瓣

理論模型星系的活動性源于星系的核心區(qū)域（活動星系核）超大質(zhì)量（106-1010M⊙）的黑洞，黑洞的物質(zhì)吸積提供了活動星系的能源。=10-4pc(M/109M⊙)~1M⊙yr-1(L/6×1045ergs-1)(η/0.1)-1黑洞吸積的物質(zhì)來自由于星系核心附近的恒星碰撞和星系間碰撞而剝離出的氣體。二、活動星系核的理論模型

吸積氣體主要來自星系中的星際物質(zhì)，或在黑洞附近被潮汐力瓦解的恒星。

吸積氣體在黑洞周圍形成吸積盤（大小約幾光天），在螺旋接近黑洞的過程中受到加熱，產(chǎn)生巨大的能量。

黑洞在吸積過程中可能在黑洞的轉(zhuǎn)動軸方向形成雙極噴流，噴流在遠(yuǎn)離核區(qū)處與星系際物質(zhì)相互作用形成射電瓣。

在不同方向觀測，活動星系核表現(xiàn)出不同的特征

室女星系團(tuán)中巨橢圓星系NGC4261中的吸積盤60kpc100pc1.星系的形成(1)自下而上模型（bottom-up）較小的（~106M⊙）、不規(guī)則星系首先形成。

星系合并形成較大的（~109-1011M⊙）星系。

在引力的作用下聚集成星系團(tuán)和超星系團(tuán)，產(chǎn)生星系團(tuán)間的巨洞。

§4星系的形成和演化

觀測證據(jù)Hubble空間望遠(yuǎn)鏡的深場觀測發(fā)現(xiàn)位于2000Mpc距離之外存在大量的不規(guī)則的小星系（超過同類星系在近距離星系中的比例）。(2)由上而下模型（top-down）原始?xì)怏w的坍縮首先產(chǎn)生巨大的（~1014M⊙）、薄餅狀的云塊（超星系團(tuán)）。

云塊分裂成星系團(tuán)和星系。

2.星系的演化

(1)星系的形態(tài)與恒星形成星系形成于氣體云的坍縮。 星系的形態(tài)與星系中的恒星形成有關(guān)。如果恒星形成較快，

→星系內(nèi)的氣體很快被用光， →沒有星系盤形成， →橢圓星系。

如果恒星形成較慢，

→星系內(nèi)有大量的氣體形成星系盤， →盤內(nèi)的恒星形成， →旋渦星系。

(2)內(nèi)在因素橢圓星系形成于初始漲落中較密的區(qū)域， 所有的氣體在10億年內(nèi)耗盡用于形成恒星。

旋渦星系形成于相對較稀的區(qū)域，

在湍動的影響下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)， 早期恒星形成過程產(chǎn)生暈和核中的恒星， 剩余的氣體形成盤，維持持續(xù)的恒星形成。

(3)外部環(huán)境因素

觀測線索 質(zhì)量最大的星系是橢圓星系，

星系間的合并、碰撞， →小星系的碰撞導(dǎo)致恒星的快速形成， →形成橢圓星系。

§5星系群與超星系團(tuán)

星系在空間的分布并不是均勻的，在相互引力的作用下有聚集成團(tuán)的傾向。根據(jù)成員星系的多少，星系集團(tuán)可以分為：

雙重星系

多重星系

星系群

星系團(tuán)

超星系團(tuán)

星系集團(tuán)越大，它們的物質(zhì)密度與宇宙平均物質(zhì)密度就越接近。

1.本星系群銀河系所處的星系群，大小約1

Mpc。由銀河系、仙女星系（M31）等附近約30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），和20多個橢圓星系。銀河系和仙女座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(lǐng)周圍質(zhì)量較小的星系相互繞轉(zhuǎn)。本星系群的空間分布(1)仙女星系（M31）

本星系群內(nèi)質(zhì)量最大的星系。距離~690kpc，直徑~60kpc。Sb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。(2)M33

本星系群內(nèi)質(zhì)量第三的星系。距離~720kpc，直徑~18kpc。Sc型旋渦星系。有大量星族I天體。

2.星系團(tuán)(clustersofgalaxies)CL1358+62

（1）不規(guī)則星系團(tuán)—形態(tài)松散，主要由旋渦星系組成

室女星系團(tuán)：距離~18Mpc，直徑~3Mpc，成員星系~2500個，其中橢圓星系占19%，旋渦星系占68%。室女星系團(tuán)的中心區(qū)域（2）規(guī)則星系團(tuán)—結(jié)構(gòu)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)星系團(tuán)：距離~90Mpc,直徑~3Mpc，成員星系~6700個，橢圓星系聚集在星系團(tuán)中心，旋渦星系分布在外圍。富星系團(tuán)與貧星系團(tuán)后發(fā)星系團(tuán)包含幾千個星系武仙星系團(tuán)中的星系數(shù)目不足100哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的（100小時）深場觀測發(fā)現(xiàn)在109

pc距離處存在大量年青的、不規(guī)則形態(tài)的小星系。表明在100億年前星系間的碰撞是十分普遍的。

星系團(tuán)內(nèi)星系的分布更為密集；相互碰撞的可能性更大。3.星系間的相互作用星系碰撞的后果

星系形態(tài)的變化和星暴現(xiàn)象 潮汐力→星系際物質(zhì)橋（尾）

氣體壓縮→大量恒星快速形成（星暴星系）

NGC1531/2

Stefan'sQuintetNGC4676a/bNGC4038/9(Antennae)TheTadpoleGalaxy,UGC10214，蝌蚪星系TheMice,NGC4676(2)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(tuán)中心）旋渦星系的數(shù)量很少。 超巨橢圓星系特