（天体物理专业论文）星系盘翘曲现象及动力学研究.pdf

摘要 酬删 摘要 在可见光波段，盘状星系通常相当薄且扁平，而中性氢盘的半径一般比可见 光盘大很多，并常常显现出明显的翘曲。人们提出了一些物理模型来解释星系翘 曲，但是关于星系盘翘曲的动力学至今仍是一个未完全解决的研究课题。 本文首先从观测事实出发，依据对星系翘曲的观测和统计资料结果和规律作 出的分析，指出了旨在解释翘曲形成的磁场机制，伴星系引力机制，星际流吸积 机制，等物理模型存在的问题和不足。通过对星系的等速度轮廓图等图像的分析， 选择了更为合理的星系晕机制下的翘曲物理模型。即将星系盘置于扁的星系晕当 中，星系盘视为由若干同心物质环组成，并以相同频率进动；星系晕为扁平状并 具有轴对称性；晕赤道面与星系盘面有一个夹角。 在此模型基础上，我们建立合适的坐标系，同时考虑星系晕和星系盘自身的 引力势，推导关于翘曲角度的数学式。并对该式进行了分析，得到翘曲角随半 径变化的图像。显示的信息是：星系翘曲在一定的半径，； = ( 2 3 c 2 ) “1 0 ( 其中c 是与具体星系盘和其星系晕有关的常数) 以内时翘曲存在但是并不明显；当， 1 o 时，星系翘曲角度开始变得明显起来并随着r 的增大而增大；当r 很大时，翘曲 角度接近常数，此常数即为星系晕赤道面与星系盘面的夹角彳。 近些年对银河系的翘曲有了更多的观测，本文分析了银河系翘曲观测资料， 发现其存在的特点，并运用物理模型对其进行了解释，认为银河系翘曲是由伴星 系大麦哲伦等星系和银河系晕共同作用的结果。此后，我们经过分析，选取了银 河系银盘和银晕的一些参数，进一步利用得到的星系翘曲角度式得到银河系翘曲 的角度理论值，绘制图表，经过与近些年的观测资料对比后发现理论值和观测值 有较好的符合度。 另外，本文还对星系翘曲的观测和统计得出的结果以及规律做了阐述。对 2 1 厘米氢线观测到的星系通道图，以及据此合成的氢柱密度图和等速度线轮廓 图等判断星系翘曲是否存在的方法给予了说明。 关键词：翘曲，星系晕，动力学，银河系，翘曲角 a b s 仃a c t a b s t r a c t i nv i s i b l el i g h t ，g a l a x i e sa r eo f t e nq u i t et h i na n df l a t ，w h i l et h en e u t r a lh y d r o g e n d i s kw h i c hr a d i u si sm u c hl a r g e ro f t e ns h o w so b v i o u sw a r p s t h e r ea r es e v e r a l p h y s i c a lm o d e l st oe x p l a i ng a l a c t i cw a r p s ，b u tt h ed i s cw a r p sd y n a m i c si sn o tf u l l y r e s o l v e d d i s cw a r p sa r ee x p l a i n e db ym a g n e t i cf i e l d ，s a t e l l i t eg a l a x i e s ，a n di n t e r g a l a c t i c f l o w b a s e do nt h eo b s e r v a t i o n a ld a t ao fg a l a c t i cd i s cw a r p s ，w ec h o s eam o r e r e a s o n a b l em e c h a n i s ma b o u tg a l a c t i ch a l o st oe x p l a i nd i s cw a r p s g a l a x i e sd i s ka r e c o n s t i t u t e db yn u m b e ro fc o n c e n t r i cr i n g sw i 也c o - p r e c e s s i o n h a l o sa r ef l a ta n d h a v ea na n g l ew i t hg a l a x i e sd i s k w eh a v ee s t a b l i s h e dt h e a p p r o p r i a t e c o o r d i n a t es y s t e m ，c o n s i d e r e dt h e g r a v i t a t i o n a lp o t e n t i a lo fg a l a c t i ch a l o sa n dd i s k , t h e ng o tt h em a t h e m a t i c a le q u a t i o n o ft h ew a r pa n g l e w ec a r r i e do u ta na n a l y s i so ft h ee q u a t i o na n d g o ts o m e i n f o r m a t i o na b o u tt h ew a r pa n g l e g a l a c t i cd i s cw a r p sa n g l ew i t h i nac e r t a i nr a d i u s r 0 = ( 2 3 c 2 ) 1 0 ( ci sac o n s t a n tl i m i t e db ys p e c i f i cg a l a c t i cd i s ca n dh a l o ) a r es m a l l ； w h e nr ，w a r p sa r eo b v i o u sw i t l lt h ei n c r e a s ei nr a d i u s ；i nt h er e m o t e ，d i s c w a r p sa n g l ea p p r o a c ht h ea n g l eaw h i c hi sc o n s t i t u t e db yt h eh a l o se q u a t o r i a l p l a n ea n d t h ed i s cp l a n e i nr e c e n ty e a r s ，t h e r ea r em o r eo b s e r v a t i o n sa b o u tm i l k yw a y sw a r p w e a n a l y z e dt h eo b s e r v a t i o n a ld a t a , a n de x p l a i n e dt h e m 、析t l lo u rp h y s i c a lm o d e l w e s u p p o s et h a tt h em i l k yw a yi sw a r p e db yt h eh a l oa n dt h el a r g em a g e l l a n i cc l o u d t h r o u g ha n a l y s i s ，w es e l e c t e ds o m ep a r a m e t e r so f t h em i l k yw a y sd i s ka n dh a l o ， a n dg o tt h et h e o r e t i c a lv a l u eo ft h e w a r pa n g l eb yt h ew a r pm a t h e m a t i c a l e q u a t i o n i nt h ef i g u r e ，t h et h e o r e t i c a lv a l u eh a v eag o o dc o n f o r m a n c e 谢t 1 1a n dt h e o b s e r v e dv a l u e i na d d i t i o n ，t h ep a p e ra l s od e s c r i b e st h ef i n d i n g sa n dt h el a w sc o m i n gf r o m r e c e n to b s e r v a t i o n sa n ds t a t i s t i c so fg a l a c t i cd i s cw a r p s w ea l s og i v e ds o m ew a y st o d e t e r m i n et h ee x i s t e n c eo fw a r p s ，s u c ha st h eh ic h a n n e lc h a r t ，t h eh ic o l u m n d e n s i t y , a n dt h ee q u a l - s p e e dl i n e k e yw o r d s ：w a r p s ，g a l a c t i ch a l o s ，d y n a m i c s ，t h em i l yw a y , w a r pa n g l e l i 第1 章绪论 第1 章绪论 在可见光波段，盘状星系通常相当薄且扁平，而中性氢盘的半径般比可见光 盘大很多，并常常显现出明显的翘曲。自发现星系盘翘曲现象以来，人们不断通过 观测以及对观测资料的分析来加深对星系翘曲的认识，并逐渐认识到星系盘翘曲是 一种普遍存在于星系中的现象，本章将评述人们对星系盘翘曲这一现象的观测分析 以及所得出的一些规律特点，如星系气体盘和光学盘都存在翘曲，翘曲普遍存在于 旋涡星系，具有翘曲的星系空间分布均匀等。并将阐述星系盘翘曲的观测方法，如 氢柱密度图法，等速度轮廓图法等。我们分析这些结论，并得出它们对解释星系翘 曲的约束，这对后面的物理模型的选取有重要意义。 1 1 星系盘翘曲的概述 星系的组成大致可以分为恒星和星际介质两大类，恒星的分布可以通过可见光 学波段来观测，而星际介质中的气体( 中性氢) 可以通过中性氢2 l 厘米谱线观测 其分布，从而得到可见光学盘和气体盘。一般而言，气体盘要比可见光学盘大很多， 观测侧向星系时，可见光学波段的图像一般都是薄而平直的星系盘。然而在可见光 学盘上叠加用中性氢观测得到的气体盘后，往往会发现整体星系盘会出现中央平坦 而随着半径增加，星系盘会逐渐弯曲，这种现象即成为星系盘的翘曲( g a l a c t i cd i s c w a r p s ) 。图1 1 和图1 2 是通过观测资料得到的星系盘翘曲图像【。 图1 1 几乎侧向的星系n c , c 5 9 0 7 的星系翘曲，中间部分为可见光光波段，白色线条部分 第1 章绪论 为h i 波段观测资料( s a n c i s i ，1 9 7 6 ) 。 图1 2 星系n g c 4 0 1 3 的翘曲，为光学盘与气体盘合成图( b o t t e m a ，1 9 9 5 ) 。 值得一提的是，虽然可见光学段观测到的星系盘是平坦的，但是在光学阶段( 包 含不可见光波段) 观测到的星系盘图像也显示出了翘曲现象。下面图1 3 说明了星 系的光学盘存在翘曲。 图1 3 光学波段观测到的星系e s o5 1 0 - 1 3 的翘曲( h u b b l es p a c et e l e s c o p e ，2 0 0 1 ) 。 为了探索星系盘翘曲的起源，先后有一些人对星系翘曲的观测和统计做了一些 重要工作。s a n c h e z s a a v e d r a 2 卅等人在19 9 0 年首先从北天球选取了8 6 个n g c 旋涡 星系的光学波段图像，从中发现了4 2 个星系具有翘曲。如图1 4 第1 章绪论 图1 4 图中两端弯曲的代表线段代表着星系观测到有翘曲，直线段为、没有观测到翘曲 ( s a n c h e z s a a v e d r a 。19 9 0 ) 。 s a n c h e z s a a v e d r a 等人的观测结果表明：大约有一半的旋涡星系存在翘曲，这 一结果肯定了b o s m a ( 1 9 8 1 ) 【5 1 的建议。另外值得注意的是s a n c h e z s a a v e d r a 等人 考虑到了由于星系取向而忽略了星系盘弯曲的可能，提出几乎所有的旋涡星系都有 第1 章绪论 翘曲存在。翘曲是一个普遍存在的特征，几乎在所有的旋涡星系中存在。我们认为 翘曲如此高的出现频率给理论模型提出了非常强的约束条件，例如星系翘曲应该存 在周期较长，是稳定的而不是卷曲消失的。这一点在后面的翘曲动力学解释章节中 会用到。 星系翘曲由于弯曲的方向和程度不同，会形成不同的形态。一般可以分为三类 瞪】：当星系的一边向上弯曲，另一边向下向下弯曲时看起来有些像英文字母s ，称 为s 形( s - s h a p e ：c 1 ) 或者积分符号形( i n t e g r a l s i g n e d ) ；若两侧同向弯曲，则形成 了犹如英文字母u 的u 形翘曲( u s h a p e d ) ；而只有一侧明显弯曲的称为l 形 ( l s h a p e d ) 。图1 5 列出了三种星系翘曲形态。 图1 5 星系翘曲的三种形态，自上而下分别为s 形，u 形，l 形。 关于星系翘曲的形态类型频率以及翘曲角度等问题，人们也做了一些工作。 r e s h e t n i k o v & c o m b e s 在1 9 9 9 年【6 研究了5 4 0 个侧向星系，这些星系都是从 f g c ( f l a tg a l a x yc a t a l o g u eo fk a r a c h e n t s e v 19 9 3 ) 中选出来并满足条件： 8 ( 1 9 5 0 ) 一1 7 5 。0 6 a ( 1 9 5 0 ) 1 4 6 。他们研究了这些星系的从d s s 中摘取的 光学图像，并把这5 4 0 个星系分为三类：第一类，是没有明显的弯曲的，占3 0 ； 第二种是u 形弯曲，占3 7 ；第三种s 形弯曲，占3 3 。由于l 形也许是s 形的 一侧不明显的特殊显现，这里他们把l 形归为了s 型。他们还认真考虑了由投影效 应造成的影响，通过许多次的数值模拟，他们发现u 型弯曲更容易受星系投影效应 的影响，而在s 形翘曲中只有不到1 5 是几何投影产生的。另一方面，真正的星系 盘弯曲也可能因为投影效应而被忽略( 但不超过2 0 ) 。 他们从发现翘曲的星系中又选出了1 7 4 个翘曲程度强，清晰的星系，并将它们 4 第l 章绪论 的分布和取向置于下下图中，如图1 6 和图1 7 。 o t p h o ( 1 9 5 0 ) 图1 6 具有s 形翘曲的星系的空间分布和取向( 粗线段表示的星系为逆时针旋转，细线段 为顺时针旋转) 。 ，、 o 幻 o p 、- ， o ! 刁 o l p h o ( 1 9 5 0 ) 图1 6 上面为具有s 形翘曲的星系的空间分布和取向，下面是具有u 型翘曲的星系的空间 分布和取向( 粗线段表示的星系为逆时针旋转，细线段为顺时针旋转) 。 通过图1 6 可以看出，具有强烈翘曲的星系空间分布大致是均匀的，而且取向 也是均匀的。这一结论对星系翘曲的物理机制解释给出了限定条件：星系翘曲的空 间分布和取向的均匀性说明其物理机制应该在星系尺度或稍微大一些尺度范围内 解释，而不是跟超大尺度范围有关。 星系翘曲大小可以用角度( w a r pa n g l e ) 来表示，一般而言自星系盘中心随半径增 加，弯曲角度越大。角度标示如图1 7 所示。 5 第1 章绪论 图1 7 星系翘曲角度的示意图，图中w a 为最大半径处的翘曲角，卢的定义如图所示。 r e s h e t n i k o v & c o m b e s 继续从1 7 4 个有强烈弯曲的星系中选出了6 0 个s 形翘曲 的星系，他们对得到的数据作了统计学研究，发现弯曲角w a 分布近似为妙，缈为 弯曲角度。( 图1 8 所示) ，如果考虑到那些有较小翘曲的星系，将这一曲线外推到 5 f ，= o ，可以认为所有的星系盘外沿都有几度量级的弯曲。同时某个星系弯曲角度随 半径的大小的具体值也会对星系物理机制解释给出条件，我们在后面的对动力学解 释的结论验证中会体现这一点。 k 彤 d 3 z w a r pa n g l e ( d e g r e e ) 图1 8 弯曲角w a 分布近似为沙5 解释翘曲成因需要给出物理模型以及理论推导，它们的给出必须要有些限 制条件。这些条件可能来自一些观测和统计资料，除了上述的一些限制条件外， s a n c h e z s a a v e d r a 等人在2 0 0 2 年【7 】的观测和统计的工作也给本文对物理模型的选择 和理论推导以及验证提供了证据。 他们选取了1 0 酽5 ( m a j o r m i n o ra x i s ) 0 6 0 ，b t ( t o t a lb - m a g n i t u d e ) 1 4 5 ，仃( 2 0 0 0 ) 0 。，- 2 5 t ( m o r p h o l o g i c a lt y p ec o d e ) 4 。的才被认为是翘曲的，从而选取了 1 5 0 个翘曲的星系。通过统计发现w ：a 和角之间的关系如图1 9 ，给出了翘曲的一些几 何学特征。对于轻度弯曲，图中显示t w a 和之间的联系，但当很大时，w a 保持 为常数。 ( w a ) e - w 图1 9w a 和之间的联系 1 2 星系气体盘翘曲的观测方法 星系翘曲在气体盘范围最为明显，而气体中的大部分物质是冷的氢原子( h i ) 和氢分子h 2 ，因此可以通过中性氢发出2 1 厘米氢线的辐射得到星系气体盘的信息。 通过望远镜得到星系的h i 线辐射谱后可以通过亮温度和氢柱密度分布，以及等速 度线的分布轮廓等方法来描绘星系的气体盘形态并可以判断翘曲。 关于亮温度和氢柱密度，有下面的定义和理论 8 1 。一束在频率v 处的强度为o r ( i v 为沿光线传播方向上单位立体角内单位频率的能量) 的辐射在传播过程中，原 子从激发态自发辐射会导致1 v 增加，激发原子到激发态会导致。v 减小，可将其表示 为： 等= s v ， 7 第1 章绪论 0 和咒分别为频率y 处的光深和源函数，若光线方向物质的温度为t ，且热动平衡， 物质的自发辐射为黑体辐射，满足黑体谱，即= 鼠，则有： 譬“：b v 托 ( 1 2 ) 在射电频率波段，h v “k t ，满足r a y l e i g h j e a n s 近似，这时有： 尻( 丁) 2 k 了t v 一2 ( 1 3 ) 可以定义亮温度： 7 一 c 2 r b 一2 k u 2 1 ” ( 1 4 ) 根据这一定义， 乃( l ) = t b ( o ) e 一+ ( 1 一p 一) 丁 ( 1 5 ) 当0 很小，且乃( 0 ) 可以忽略时，乃( 0 ) 勺丁，当源函数为常数，光深正比于沿 光线方向物质的柱密度，通过测量亮温度，可以得到星际气体的柱密度： ( ，6 ) = 1 8 2 1 0 2 2 以乙( ，b , v ) a t o m s m 2 ( 1 6 ) 出于对氢柱密度和等速度线的结果进行分析的要求，我们有必要了解在实际操 作当中是怎样通过2 1 厘米氢线的观测结果来得到两者的。观测仪器方面一般采用 的是综合孔径望远镜，目前很多最好的2 1 厘米观测数据是由荷兰的w e s t e r b o r k 望 远镜得到的。用综合孔径望远镜得到的是立体的数据，即视场内每一位置，每一频 率处的强度。这些数据常常用一系列的通道图来表示，每一个通道覆盖一个窄的频 率范围，由于多普勒效应，可以将频率范围化为相应的速度范围。一个典型的速度 范围为2 0 k m s ，通过使用多个通道，可以保证无论其相对日心速度为多少，都至少 可以落到一个通道内。气体和星系一起运动，其发射线将被展宽为2 1 c m 谱线附近 的一个频率范围，每一个特定的频率都对应着一个径向速度7 ，可以通过一系列并 列的通道接收观测信号从而得到初步的观测结果。 为了得到某个星系的氢柱密度图和等速度轮廓图，可以采取以下步骤 7 】：第一 步，将谱线和连续谱分开。检查每一个通道，确定哪一个通道没有频谱，然后在包 含谱线的通道中扣除连续谱通道的平均强度。第二步，观察视场中某个点在各个通 道中的谱线强度，得到这个点的峰值频率，从而确定这个点的典型速度，按照一定 的间隔，将相同速度的点连线，从而得到h i 的等速度轮廓图。第三步，对视场中 第1 章绪论 某个点在各个通道中的不同频率积分，得到这个点辐射总强度，从而得到此点的柱 密度。将各个点合成，既可以得到星系的氢柱密度图。 下面举例说明【9 1 0 1 ，图1 1 0 是用w e s t e r b o r k 综合孔径望远镜观测到的s c 星系 n g c 5 0 3 3 的2 5 个通道图，每个通道宽1 2 9 k h z ，每副图右下角标出的是此通道的中 心频率对应的r 心速度。看图时从右上到左下。图上的等值线是相同亮温度即能流 密度的连线。 ：+ 留1? 锝。 。簿。-卜矿 o 一 0 一 卜 0 - 1。 + l ： - 一 0 ， _ b - 弋 劬粥 。站翳。 1 0 7 0 。一 。 0 9 0。州- 。 | ：一孕。一 鼹谤l 。绔痧毪萝 缀黟 。盼 c i ? 。1 0 i o 。 r 4 。 9 3 0 肇s o0 9 7 0 。9 9 0 c o o - 芝毒瀑一一。+ 薹聂礴，黪：氆，一撼遁 酞 。一一 。 。：_ 二 o e 一 龟一一o o + 8 3 0 。 8 s o 。8 7 0 b90孽1 0 0 ? 霸。霸1 | | 7：0 镶+ “ 稳一：麓孚萋褥；。 ? 驴 一 - 4 、 一 缈 0 】 擘o + 1 口。7 的。i ：。7 e - o o 7 07 9 0 -、 e 。郇o 气 40 ”+女 “ 一j 鸯1 j | | 赣。0 惫： ： 、j ：l 6 9 。 ，77 1 0。右3 0。6 s o6 7 0 图1 1 0 星系n c 池5 0 3 3 的2 5 个通道图，每个通道给出的亮温度( b o s m a ，1 9 8 1 ) 。 按照上面的所述的方法就得到了n g c 5 0 3 3 用灰度表示的的柱密度图，叠加在它 的光学图像上后得到了如下图1 1 1 的星系图。最高氢柱密度为6 5 1 0 2 1 a t o m s c m 2 。 其光学图象和射电图象符合的很好，可以看到旋臂结构。在图片的左方，可以看到 可见光波段没有观察到的伸展。图片中心的十字又是星系的动力学中心。 9 碣 卵 刚 鸲 弦 引 比 ” d 劈 甜 耐 硝 据 描 孵 硝 孵 硝 孵 蜡 硝 第1 章绪论 蜀 舌；o 工 斜 一 2 苦 z 善g z 右墨 ；o g 器 笤 图1 1 1n c , c 5 0 3 3 的柱密度图和光学波段图象叠加图，图中曲线为等密度线。 同样地按照上述方法将从通道图得到的各点速度中相同速度的点连线，从而 得到h i 的等速度轮廓图，也叠加在光学图像上得到了图1 1 2 。 图1 1 2 星系n g c 5 0 3 3 的等速度图。 通过等速度线的分布可以知道从这个角度看星系正在逆时针旋转，即左边正在 向我们靠近，右边正远离我们。在视半短轴方向上等速度线近似为直线，这是由于 在这两个方向上气体只有切向速度，没有径向速度，因此没有多普勒红移，只显示 整个星系远离我们的速度。而靠近两侧，等速度线呈现u 形弯曲状，这是由于在一 条视向线上有两个点投影相同，各点连起来近似成u 形。 对于侧向的星系，通过氢柱密度图可以简便的判断出其是否存在翘曲，例如上 面图1 1 中，几乎侧向的星系n g c 5 9 0 7 的星系，白色线部分为氢等柱密度线，从图 中可以清晰地看到星系的气体盘存在明显的翘曲。对于部分程度侧向的星系有时也 1 0 第1 章绪论 可以从氢柱密度图直接判断翘曲的存在。但是对于侧向程度不高的星系，翘曲不会 在氢的分布图中清晰的显现出来，这时就要从星系的速度场即上面提到的等速度轮 廓图来判断翘曲的存在与否。 在这里我们用同心环模型来模拟星系，同一半径的环上各点旋转速度相同，如 果各个环都在同一平面，那么在视场方向上的运动学短轴( 与系统核心有相同速度 的各点连线) 由于各点只有径向速度，切向速度投影为零，得到的等速度线为一条 直线。如图1 1 3 。 图1 1 3 处在同一个平面的环得到的等速度线。 但是当各个环并不在一个平面，而是依次相对倾斜时，原来只有径向投影而切 向投影为零的的运动学主轴直线上的各个点的切向投影不再为零，而切向投影为零 的线成为曲线。引，值得注意的是曲线往往呈现s 形。 下面图1 1 4 和图1 1 5 分别是星系n g c 5 0 5 5 的氢柱密度图和等速度图，可以看 出，只从氢柱密度图上不能判断其是否存在翘曲。但是其等速度线轮廓图中的运动 学主轴以及附近的等速度线存在明显的弯曲而且呈现s 形，据上面的原理，我们可 以判定n g c 5 0 5 5 其存在星系翘曲。图1 1 5 是n g c 的合成图像。 第1 章绪论 图1 1 4 星系n c - c 5 0 5 5 的氢柱密度图，图中线为等密度线( b o s m a ，1 9 8 1 ) 。 图1 1 5 星系n g c 5 0 5 5 的等速度图，图中线为等速度线运动学轴呈现s 形弯曲( b o s m a ，1 9 8 1 ) 。 图1 1 6n c c 5 0 5 5 的合成图，可以看到其翘曲的存在( b a t t a g l i ae ta l ，2 0 0 6 ) 。 一 图1 1 7 n g - c 2 8 4 1 等速度图中运动学轴存在s 形弯曲，故可以判断其存在翘曲。 1 2 第2 章星系盘翘曲的物理模型 第2 章星系盘翘曲的物理模型 自从星系翘曲被发现以来，关于其物理机制至今仍是一个未完全解决的重 要的研究课题。本章我们将分别考察磁场，伴星系引力作用，星际物质角动量吸 积等四种模型的作用和影响。解释这些模型对星系翘曲形成的作用，同时对这 些物理模型存在的困难，如磁场对光学盘的解释，伴星引力的大小问题，以及 物质角动量吸积的机制问题等作出分析。对接下来章节的我们对翘曲动力学成 因的研究具有理论意义。 2 1 磁场模型 正如对旋涡星系的旋臂解释理论一样，对于星系翘曲的解释人们首先想到 了磁场。认为星系翘曲是由于轻微电离星际气体和磁场之间的相互作用的产物。 而这种物理机制也的确在一定程度上可以合理解释星系翘曲。 磁场有星系内磁场和星系外磁场，利用美国的甚大阵( v l a ) 射电望远镜 旋涡星系中存在很大尺度的星系内磁场，磁场的结构与旋涡结构非常相似【1 6 】， 磁力线可以近似认为从星系中心开始沿着旋臂向星系的外沿盘旋出去，如图 2 1 。 图2 1 星系m 5 1 的星系内磁场，呈现旋涡状( a f l e t c h e re ta l ，2 0 0 9 ) 。 而星系外磁场的磁场分布不同，有一定的一致方向性，如图2 2 。 第2 章星系盘翘曲的物理模型 图2 2 星系m 5 1 星系外磁场示意图，具有方向性( a f l e t c h e re ta l ，2 0 0 9 ) 。 下面来探讨磁场对翘曲形成的机制 一8 1 。考虑星系盘的外圈部分的气体物 质环，并考虑到上述两种磁场，星系内磁场强度用b 表示，星系外磁场强度为 b 与星系盘面有一个夹角，分别考察环上三个点a ，b ，c 的受力情况，示意图如 图2 3 。 图2 3 产生弯曲的洛仑兹力 由洛伦兹力公式 一9 陧k s 协j 1 咖 晓。， 此式中第一项会在盘上产生对称的作用，而不能对翘曲做出贡献。第二项则不 第2 章星系盘翘曲的物理模型 b ，层6 ，偿k 2 i ，带入上式当中，a 点受力为： 茹壶c ，b 坟， 一 ， 膳圣己 壶 篓 。2 2 ， 其中l 为磁场转换的特征尺度，即在“一蚴位置时认为磁场由星系内磁场b 定义，在( r + 调位置磁场由星系外磁场定义，并认为r 。同样道理，b 点 磁场强度平均值为( 一层b ，6 l ，受力为： 气篮去t 一，b ，玩， 一虽皿一昙肛一昙皿 霉面1 圈- b ，b 3 ， 场为 o 毕钍姚 挖。去l 华吼警斗 l o 0 0 j ( 2 4 ， 第2 章星系盘翘曲的物理模型 2 2 伴星系引力模型 星系周围在定范围内存在有时存在着伴星星系，银河系周围就存在有伴 星星系，例如大麦哲伦星系。观测表明银河系也存在翘曲，对它的最初解释就 是卫星星系的潮汐作用，最可能的就是大麦哲伦星系。对这个物理机制的研究 有多种方式，在这里我们还是采取物质环模型，根据环受到的自身的其它环的 引力矩和卫星星系引力矩平衡，就可以得到翘曲的大d , t 1 9 - 2 0 。 根据角动量定理： 警( 酬= 郴澎= f 戗t ( 鼢) + 嘣靴) ( 2 5 ) 其中( r ) 为星系盘其它部分环对半径为r 的环的力矩，乙( r ) 为外部力 对半径r 处的环的力矩。由点与点之间的万有引力得到某一半径为s 的环对半 径为r 的环的引力矩： d r s ( r , t ) d rd s 嚣劬( 固矿( s ) d r 裙 ( 姑( r ，幻匙( s ) ，j l s ) k ( r ，) 奄最) ( 2 6 ) d r s ( r , 霉脚2 国( 删s m 岱菩f 鲰f 峨 两砸两乒蘧丽蔽磊万磊孬瓦西墨西瑟磊瓣 陋如s i n c z g s c o s 鲰( 匙冀1 ) 一嘲以s i nc l r , s 雠倒( 冗，鬣毒) + 陋加琏n 锄一淄锄逝九0 0 s 谯州鼍( r 吼 ( 2 7 ) a r ，s 暑a s t ) 一缆( 露，誊) ；口( o ；垂) 三o ； c o s o r r , s 蒜玉( r ) 蠡( 最) 甘出主( r 最) 兰歹( 惩s t ) x 蠹( 冠埙歹( r ，只垮壶蓦揣 其中： 卜p v “吖 将所有环产生的引力力矩积分，得到星系盘对r 处环总的力矩： r i 琳霞，) = j f d r s ( a ，0 d 竭d s j 磁r i 嘲 ( 2 8 ) 考虑伴星系的引力作用如图2 4 ，伴星系处于图中p 点，分别建立0 - - x y z 和p x y z 坐标系，并将太阳系所在位置作为x 轴。 1 6 第2 章星系盘翘曲的物理模型 y x + 图2 4 处于p 点的伴星系对星系的作用分析示意图 p 点位置单位矢号喃 e p = 嘴每p c o s o p i 七s i n 审p 瞄9 p j s i n o p k 、 经过进一步的计算得到外力矩为： 铀塑掣c o s 8 c o s o p 妇移 铀o 翕产_ 淞鼬 x ( 蔹n 4 , p i a 4 , p i ) ， 其中i 为盘的转动惯量，d 为两个星系之间的距离。 接下来应用力矩平衡条件： = 乙 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 再带入银河系和大麦哲伦星系的参数( t o o m r e ，1 9 6 9 ) ，例如面密度，质量，距 离等得到银河系的翘曲角度并和b u r t o n ( 1 9 8 8 ) 1 2 1 1 的观测资料对比后得到了下 面的图2 5 。 1 7 第2 章星系盘翘曲的物理模型 客 芑 豆 r ( 1 p c ) 图2 5 大麦哲伦星系形成的翘曲程度( 实线) 和银河系观测到的翘曲( 虚线) 对比图 ( j b e t a n c o r t - r i j oe ta 1 2 0 0 2 ) 。 图中可以看出，大麦哲伦星系距离银河系的距离不会小于5 0 k p c ，它产生的 潮汐力强度还不足以产生达到观测到的星系翘曲。温伯格等人的研究也同样证明 了这个结论，即卫星星系由于距离等方面的原因一般情况下难以产生足够的可供 观测的星系翘曲。近年来，有人还做了t h es a g g i t a r i u sd w a r f 星系对银河系翘曲的 影响( i b a t a & r a z o u m o v1 9 9 8 ) 瞄】，虽然它距离银河系为1 6 k p c ，但是它的质量 是m p = l 伊擞囝：，其产生的翘曲幅度仍然不能让人满意。 另外一个并不支持卫星星系是翘曲主要原因的证据来自w e s t e r b o r k 综合孔 径射电望远镜对翘曲星系的巡天工作( v a n w o e r d e n1 9 7 9 ) 1 2 3 1 ，在四个有翘曲的 侧向星系中，有三个在大约2 0 0 k p c 投影距离内找不到光度大于翘曲星系1 5 的 伴星系，这对普遍存在与星系中的翘曲现象不能以合理解释。 2 3 星际物质吸积模型 有明显的证据表明星系总是从外界获得一些显著具有不同方向角动量的物 质，星际流就是一种，这些获得的宇宙流角动量方向往往并不与星系晕一致。 据此，人们对星系翘曲的解释提出了星际物质吸积的模型【2 4 。2 8 】。 j a m e sb i n n e y 和j i a n g 在1 9 9 9 年给出了宇宙暗流模型【2 9 】( c o s m i ci n f a l l ) 。 在这个假说中，将银河系晕分为两部分，星系晕的势为球状，非对称的部分为 宇宙暗流。这些获得的宇宙流角动量方向并不与银河系系晕一致，被吸积后不 断的改变星系晕的角动量指向，那么盘就会处在一个不断变化的引力势中，就 有可能产生星系翘曲。 他们用的是n 体模型数值模拟的方法，建立星系盘，银晕，宇宙暗流三者 第2 章星系盘翘曲的物理模型 数值模型。将星系盘分为1 0 0 个环，又根据星系翘曲一般产生在星系的外侧将 星系盘分为内盘禾n # l - 盘。宇宙暗流设为i 0 0 个等质量的点，彼此间没有相互作 用，做圆周运动。这几部分的质量分布都随时间演化，通过一些数值模拟方法 得到了星系翘曲的形成。 誊 慧的 嚣 o0 2 缸 0 ， o o 重 譬0 3 略 善故 耘 o l 0 o 蕾 冒的 o 0 2 a o 妨毒 害 蒲 毒o 囊 o ， o l o t s 麴德 5笏绚，s勰 童礅) 嘉珠露f 岫； 图2 6 宇宙暗流模型对星系翘曲的模拟( j a m e sb i n n e ya n dj i a n g ，1 9 9 9 ) 。 这一模型得到了观测量级的星系翘曲，但是也具有它的问题，虽然星际物 质可能会被吸积到星系晕，但是由于星系晕中的重子密度低，导致吸积强度并 大相反的，大质量密度的星系盘更具有吸积宇宙流的条件。因此m l o p e z c o r r e d o i r a 等人( 2 0 0 2 ) 【l9 】更加认为是星系盘吸积了宇宙流粒子，如下 图2 7 。 、 图2 7 宇宙流被星系盘吸积( m l o p e z - c o r r e d o i r ae ta l ，2 0 0 2 ) 1 9 第3 章星系晕翘曲机制的确立 第3 章星系晕翘曲机制的确立 关于星系盘弯曲的成因，已经有的任一个模型都还不能够成为一个完全的解 释，它们各自都有其自身的困难，也有一定的条件限制。但是这些都为比物理模 型更进一步的星系翘曲动力学的理论研究给出了重要参考。本章我们从最基本也 最有可能是事实的翘曲观测资料以及由此得出的翘曲规律入手，利用等速度轮廓 图等方法，结合前面提出的各种可能翘曲模型中存在的问题选取了星系晕作用下 的翘曲机制。 3 1 星系晕 星系晕是指包围漩涡星系的一个近似球状的系统，由稀疏地散布着的恒 星、球状星团，稀薄气体以及暗物质构成。星系的旋转曲线表明如果没有 大量的质量存在于延伸的晕内，星系的旋转速率就应该在离核心一段距离 之后将随着距离的增加而减少。然而，观测旋涡星系，特别是电波观测到 来自中性氢原子的发射谱线，显示旋涡星系的旋转曲线远在可见物质之外 的距离上依然是平坦的。目前是以一个大质量的包含暗物质在内的晕来解 释。 d i s t a n c e 图3 1 典型旋涡星系自转曲线a 为预测值，b 为实际值。 星系晕并非都是严格的球状，很多人的研究结果证明这一点。加州大学 洛杉矶分校d a v i dl a w 。弗吉尼亚大学的s t e v c nl v t a j e w s k i 和哥伦比亚大学的 k a t h r y nj o h n s t o n 博士，在跟踪人马矮星系并精确地绘制它绕银河系的轨道时发 现，人马恒星流的流动路径很诡谲，如果银河系周围的暗物质晕是完美的球形的 话，就不应该出现这样的路径。他们给出的合理的解释是：暗物质晕的形状类似 在受到挤压的扁平球。图3 2 表示了扁平的银河系晕。 2 0 第3 章星系晕翘曲机制的确立 图3 2 基于2 m a s s ( t w om i c r o na l ls k ys u r v e y ) 的观测数据的银河系红外线画像 3 2 星系晕与翘曲 用星系晕解释星系翘曲的这种机制就是把星系盘视为置身于一个扁平的晕 中 3 0 - 3 1 】。当盘与晕的赤道不在同一个平面上时，晕所产生的力矩与星系盘本身的 自旋相耦合会使盘以晕的短轴产生进动。进动频率为( k o n r a dk u i j k e n ，1 9 9 8 ) 【3 2 】： q p w一肛3 ( q 乙一v 二) 积 一 面 ( 3 1 ) 其中q 和是回转频率和垂直频率。由这一结论得到盘不同的部分会有独立的 不同的进动频率，星系盘可有如下翘曲模型【2 3 1 ，图3 3 图3 3 星系晕模型下，环以不同频率进动得到的星系翘曲模型。 这一模型看来能形成翘曲形态，但是也确有它的问题。星系翘曲除了弯曲程 度随半径的增加而增加外，它还有l i n eo fn o d e ( 节点线) 呈现一条直线的特点 【3 3 1 ，也就是产生翘曲的位置在球坐标中具有相同的p 角。如此才可以确定星系 在三维空间中为弯曲结构。这一定义是从大量观测事实当中得来的。根据定义得 到的星系环模型和l i n eo fn o d e 表示在图3 4 中。 2 1 第3 章星系晕翘曲机制的确立 图3 4 相同进动频率的环和l i n eo f n o d e 线。 下图3 5 是它的投影图，可以看出l i n eo f n o d e 呈现一条直线状。 图3 5 相同进动频率环模型的l i n eo f n o d e 线投影图。 而由上面星系晕得到的不同进动频率的环翘曲模型具有下图3 6 中所示的 l i n eo f n o d e 线。 图3 6 不同进动的环模型和l i n eo f n o d e 线。 图3 7 不同进动频率环模型的l i n eo f n o d e 线投影图。 第3 章星系晕翘曲机制的确立 由图3 6 和图3 7 可以看出，由该理论得出的翘曲模型存在的问题就是可能 会存在翘曲的卷曲现象，这一问题在一些人的研究讨论中得到证实。s p a r k e 和 c a s c r t a n o 在倾斜环不同进动频率模型下证实翘曲卷曲问题确实存在，图3 8 所示。 为了解决这一问题他们也得出了一些盘以相同的频率进动并形成弯曲的解。但是 如果进动频率的差异太大，就不存在这样的解【3 4 郐】。 s t a r t log y p s i , sg y p s 图3 8 左边为n g c 2 9 0 3 在环不同进动下的卷曲，右边为n g c 4 0 1 3 的卷曲( s p a r k e ，1 9 9 4 ) 。 上面星系翘曲的卷曲说明了以不同频率进动的环模型确实存在问题，因为通 过大量观测事实，翘曲现象是一种普遍现象，也就说明其存在稳定性，生命周期 较长。如果卷曲现象存在，我们将不能观测到如此多的星系翘曲的存在。 而我们另外通过前面阐述的速度线轮廓图的分析方法也认为对于以不同频 率进动的环模型，在观测上也存在不一致的问题。根据图2 4 中的不同频率倾斜 环翘曲，得到的理论上的等速度线轮廓图将是如下图3 9 的形式。 第3 章星系晕翘曲机制的确立 图3 9 根据图2 4 得到的理论等速度轮廓图( v a nw o e r d e n ，1 9 7 9 ) 。 图3 1 0 观测到的星系的等速度线轮廓图( v a nw o e r d e n ，1 9 7 9 ) 。 图3 1 0 中理论等速度线显示，星系的两端存在卷曲，而在图2 1 1 的观测资 料中并未发现存在如此明显的卷曲存在。 2 4 第3 章星系晕翘曲机制的确立 3 3 结论 我们认为星系翘曲成因归于引力作用，具体的是星系晕的存在。b o s m a 通过 观测和统计在1 9 8 1 年给出他得到的星系翘曲定律：暗物质晕核心半径小的星系 更难以具有盘弯曲的现象。这直接说明了星系翘曲与星系晕存在联系。另外我们 通过分析，发现其它观测证据也说明星系晕机制是最佳选择。 磁场也被用来解释星系翘曲，认为星系翘曲是由具有一定方向性且和星系盘 具有夹角的星系外磁场参与其中形成的。如此，由于磁场具有一定的方向一致性， 那么所形成的星系翘曲的取向也将不可避免的在一定范围内具有一致性，而 r e s h e t n i k o v & c o m b e s 在1 9 9 9 年研究了5 4 0 个侧向星系，给出了星系翘曲的取 向的空间分布是均匀的，这与磁场机制不相符。