银河系的结构和演化PPT课件.ppt

银河系的结构和演化 河北师大物理学院李冀 物理学新进展系列讲座 1 我们生活在银河系 我们绕着银河系的一颗恒星运动 我们的生命受惠于银河系 而且我们的生命是用银河系恒星中的炼出来的物质做成的 银河系的结构怎样 银河系的起源和演化如何 银河系是否还存在地外文明 2 提纲 一 银河系概况二 银河系的研究历史三 银河系结构和组成四 银河系起源和演化五 银河系的归宿 3 一 银河系概况 在夏季晴朗的夜晚 如果没有月亮 你遥望夜空 会看到有一条银白色的光带从东北方向伸向天穹的另一端 这宛若薄纱般的光带就是银河 在我国古代 人们把银河看作是天上的河流 我们的祖先给它起了许多好听的名字 银河 天河 长河 明河 秋河 河汉 银汉 天汉 星汉等不下二十几个 在西方 银河被称为 MilkWay 意即 奶路 据古希腊神话 这横贯天空的奶白色银河 是天神的妻子 赫拉乳房中喷出的乳汁 4 由于太阳系几乎位于这个盘的中心平面 并且更趋向于盘的外边缘而不是盘的中心 因此我们看到的只是盘的侧面 一条叫做 天河 的白色光带 今天已经知道 银河这条光带是由无数颗星星组成的 在银河系内 绝大部分可见的恒星位于一个巨大的薄盘之内 5 星星之河 银河系中栖息着约2000亿颗恒星 它们彼此差异极大 几乎无一完全相同者 最亮的恒星一天中发出的光 比太阳今后2000年内发的光还多 而最暗的恒星是如此黯淡 如果用其中一颗代替太阳 那么正午时分的天空将比月夜还要昏暗 银河系中最热的恒星因产生大量紫外辐射而呈蓝色 最冷的恒星则呈红色 最大的恒星如果放在太阳系中心 会触及土星 最小的恒星却比夏威夷群岛的几个主岛还要小 银河系最老的恒星可以追溯到100多亿年前银河系本身形成之时 而最年轻的恒星比你我还年轻 6 全天的2 5000颗最亮的恒星 B V 0 分布图 7 银河系的基本数据 总质量 约1万亿太阳质量总目视光度 约150亿太阳光度绝对目视星等 20 6 太阳是 26 7 银心位置 人马座银盘直径 约13万光年暗晕直径 很大 但未知太阳银心距 2 7万光年太阳的轨道周期 2 3亿年在太阳位置的自传速度 220km s 8 银河系全貌 银河是天空中的一个环带 在人马座附近最亮 最宽 它的中心线近似为天球上的一个大圆 银河系广角图像 9 光学波段的银河系 10 射电波段的银河系 11 红外波段的银河系 12 X射线波段的银河系 13 射线波段的银河系 14 15 二 银河系的研究简史 楚辞 中的著名的 天问 阴阳三合 何本何化 斡维焉系 天极焉加 八柱何当 东南何亏 九天之际 安放安属 隅隈多有 谁知其数 天何所沓 十二焉分 日月安属 列星安陈 阴阳参合而生宇宙 哪是本体哪是演变 天体轴绳系在哪里 天极不动设在哪里 八柱撑天对着何方 东南为何缺损不齐 平面上的九天边际 抵达何处联属何方 边边相交隅角很多 又有谁能知其数量 天在哪里与地交会 黄道怎样十二等分 日月天体如何连属 众星在天如何置陈 16 17 FortheGalaxyisnothingelsethanacongeriesofinnumerablestarsdistributedinclusters inTheStarryMessenger 1610年GalileoGalilei 意 首先用望远镜发现银河由无数恒星组成 虽然从非常久远的古代 人们就认识了银河系 但是对银河系的真正认识还是从近代开始的 18 1750年 英国天文学家莱特 WrightT 认为银河系是扁平的 1755年哲学家康德 I Kant 银河系是恒星组成的旋转扁盘 是 宇宙岛 之一 太阳是球壳状分布的无数恒星中的一颗 19 1785年英国天文学家威廉 赫歇耳 W Herschel 通过计量不同方向的恒星密度 得到第一幅银河系整体图像 银河系为扁盘状 太阳位于中心附近 20 1920年H Shapley 美 发现球状星团均匀地分布在银河的两侧 并且有向人马座聚集的倾向 Shapley利用球状星团内的天琴RR型变星测量星团距离 并给出球状星团的空间分布 21 TheCreaterMilkyWay Shapley认为球状星团是银河系的子系统 并以银心为分布中心 Shapley估计太阳系到银心的距离为16kpc 在Shapley的模型中 银河系的结构是扁盘状的 直径为100kpc 1kpc 3 262光年 22 1922年卡普坦J Kapteyn 荷 利用照相底片测量不同天区的恒星密度 用统计视差求得恒星距离 首次估计银河系直径为50 000ly 厚度为10 000ly 假设太阳位于银河系中心附近 扁平结构 1926年 瑞典天文学家林得布拉德 LindbladBertil 分析出银河系也在自转 23 星际介质与银河系的大小 早期对银河系的研究集中在可见光波段 天文学家并不了解星际介质的存在及其消光作用 因而得到关于银河系结构的错误的结论 直到20世纪30年代特朗普勒证实星际物质存在后 人们才认识到星际介质的尺度及其重要影响 这一偏差才得到纠正 并发展了射电与红外的手段来研究银河系的结构 24 三 银河系的结构 银河系是一个具有旋涡结构的盘状星系 25 SpiralGalaxies a Thisgalaxy cataloguedasNGC2997andseennearlyface on issomewhatsimilarinitsoverallstructuretoourownMilkyWayGalaxyandAndromeda b ThegalaxyNGC4565happenstobeorientedinsuchawaythatweseeitedge on allowingustoseeclearlyitsdiskandcentralbulge 26 银盘 直径 30kpc 厚度 300pc 球状星团 核球 银晕 我们在这 结构成分 1 银盘disk 2 核球bulge 3 银晕halo 4 银冕corona 27 28 星族 population 1944年由WalterBaade首先提出 发现星系晕与核球中的恒星明显比盘中的恒星颜色偏红 29 星族I恒星年轻的 富金属恒星 金属丰度为太阳值的0 1 2 5倍 主要位于银盘中 绕银心作圆轨道运动 如疏散星团 星族II恒星年老的 贫金属恒星 金属丰度为太阳值的0 001 0 03倍 主要位于银晕和核球中 以银心作为中心球对称分布绕银心作无规则的椭圆轨道运动 如球状星团 30 不同星族恒星的轨道运动特征 星系盘内的恒星绕银心作规则的圆轨道运动 晕中的恒星绕银心作大偏心率的椭圆轨道运动 且轨道取向是随机的 31 金属丰度越低的恒星离银道面越远 银河系演化 星族I与II天体的特征 32 银河系的银盘是热的星云 冷的尘埃和百亿颗恒星的家 3 1银盘的结构 33 银盘是银河系恒星分布的主体 外形呈轴对称和平面对称的扁平圆盘状 犹如运动场上的铁饼 直径约为8 2万光年 太阳到银河系中心的距离 银心距 约为2 7万光年 离银盘对称平面仅有20光年 30光年 银盘厚度并不均匀 近中心处厚 边缘部分薄 除暗晕部分外 银河系总质量的85 90 集中在银盘内 根据星系的哈勃分类法 银河系是一个Sb或Sc型的旋涡星系 这种旋涡结构表现为在银盘中存在若干条旋臂 它们是气体 尘埃和年轻恒星的集中分布区 旋臂的实际形状很复杂 有的地方会分叉 形成所谓支臂 34 银盘恒星数密度的变化 除暗晕外 银河系中的物质主要以恒星形式分布在银盘中 在银道面附近 恒星数密度最高 随着银面距z的增大 恒星数密度渐而降低 D0是银道面上 z 0处 的恒星数密度 h称为标高 标高的含意是 银面距每增大h秒差距 恒星的数密度便减小到1 e 利用实测资料确定函数的具体形式 D0和h的值 便成为研究银河系结构和恒星分布的主要内容之一 自赫歇尔时代以来 天文学家一直认为银盘中恒星只具有单一的指数分布结构 银盘 仅此而已 35 厚盘的发现 1983年 两位英国天文学家吉尔莫 N Gilmore 和莱德 G Reid 经过详细的研究后首次明确提出 银盘中的恒星可以分属于薄盘和厚盘两种形态不同的结构 他们发现 恒星在垂直银道面方向上的分布需要用2个指数成分来表述 在银面距z 1000pc内 银盘恒星可以用一个指数分布来描述 标高约为300pc 这就是薄盘 也就是原来意义上的银盘 另一方面 在银面距z 1000 5000pc范围内的恒星主要属于第二个指数成分 标高约为1450pc 称为厚盘 36 不过 构成薄盘和厚盘的恒星在空间分布上并不是截然分开的 而是互相套叠在一起 其间并没有任何使之一分为二的边界 这正是厚盘结构不容易发现的原因 在靠近银道面处 主要是薄盘恒星 如太阳附近区域内厚盘恒星仅占恒星总数的2 左右 由于薄盘恒星的标高比厚盘恒星小得多 随着银面距的增大 薄盘恒星的数密度迅速减小 因而在远离银道面的地方就以厚盘恒星为主了 37 薄盘和厚盘的恒星 在物理学和运动学性质上的明显差异 年轻薄盘年老薄盘厚盘晕太阳附近9 87 4 0 1 恒星百分比标高z 光年35010003500 平均V速度km s0 10 30 200平均 Fe H 0 0 2 0 7 2 0平均年龄Gyr10典型代表天狼太阳大角球状星团 38 厚盘的形成和演化成为天体物理研究的新热点 随着银河系厚盘的发现 原来关于银河系恒星分布的3成分 核球 银盘 银晕 模型 应代之以4成分 核球 薄盘 厚盘 银晕 模型 今天 银河系厚盘的存在 已经为天文界所普遍接受 不仅如此 在一些河外旋涡星系中也发现了存在厚盘的观测证据 因此 至少对一部分星系来说 厚盘很可能是星系结构中普遍存在的一种成分 它的形成和性质必然与星系演化过程密切相关 39 3 2核球和银晕 1 核球 bulge 1 特点银心在人马座方向椭球形大小 6 4kpc恒星分布十分密集数密度 1 600ly 3是银河系平均恒星密度的105倍 40 GC 41 2 光学观测 在光学波段 核球附近区域受星际气体和尘埃的遮挡 目前观测到的核球恒星很少 辐射主要来自年老的星族I天体 如红巨星 42 3 红外与射电观测 观测表明银心区域的恒星分布高度密集 5 104pc 3 比太阳附近恒星密度高107倍 对银心区域的近红外 2 2 m 观测 辐射主要来自年老的星族I恒星 43 强射电源 人马座 Sagittarius A 44 银心的射电观测 银心周围100ly范围 从人马座A延伸出射电弧 平行射电弧与银道面垂直 射电弧的形态与本地磁场有关 45 银心的射电观测 银心周围10ly范围 热电离气体的热辐射 旋臂状形态 46 4 X 射线观测 强X 射线辐射源 Chandra卫星的X射线观测 CGRO卫星对银心区域的 射线观测表明每秒109吨正反物质湮灭 47 核球的X 射线辐射 这些隐藏在宇宙深处的新发现恒星 都是些个头巨大的家伙 大部分恒星质量都在太阳的30到50倍之间 这里质量越大的恒星 其发射的光芒就越为耀眼 有一颗质量为太阳50倍的恒星 亮度比太阳高出近五个等级 相当于10万颗太阳的亮度 48 ChandraX 射线卫星对银心的巡天 Red 1 3keVGreen 3 5keVBlue 5 8keV 此次观测到的银河系中心黑洞 位于距离地球大约2万6千光年的银河系星系中央区 49 5 银心 nucleus 由银心附近恒星的运动推测在银心集中了 3 106M 的质量 人马座A的尺度 10AU 大质量的黑洞 银心附近红巨星的运动 50 2020 1 8 51 银河系的10倍放大想象图 100kpc 1kpc 100pc 1pc 52 2 银晕 1 球状星团年老的星族II恒星 以银心为中心球状分布 在椭圆轨道上绕银心旋转 V 100kms 1 离银心最远距离达100kpc 53 2 热气体 Chandra卫星的观测表明在银晕中存在大量的热气体 热气体晕 X射线 银盘内恒星 光学 54 银河系结构的最新进展 双旋臂结构 1951年 科学家首次发现银河系有3条旋臂 到了上世纪七八十年代 他们又认为银河系有4条旋臂 分别是定规座旋臂 盾牌座 半人马座旋臂 人马座旋臂和英仙座旋臂 55 2008年最新的研究表明 银河系只有两条主旋臂 英仙座旋臂盾牌座 半人马座旋臂 56 这一认识来自2008年6月3日公布的一幅由斯必泽红外太空望远镜拍摄的银河系照片 这是人类迄今为止拍摄到的最为详细也是最大的一幅银河系照片 它由80万张图片组合而成 全长达55米 分辨率比此前最为清晰的银河系照片高100倍 57 在这幅图片的帮助下 对银河系进行了恒星计数后认为银河系只两条主要旋臂 太阳依然位于银河系接近边缘的地方 它的具体位置是猎户座旋臂的内侧 这是一条小旋臂 处于人马座臂和英仙座臂之间 58 59 人类关于银河系起源与演化的研究不过几十年的历史 学说较多 各种学术观点不尽一致 其中以气云凝聚说和混沌诞生说两种假说最具代表性 60 1 银河系的演化 观测线索银河系物质的化学组成和动力学特征 金属元素丰度越低的天体离银道面越远 星族I 星族II 四 银河系的起源和演化 61 基本假设 恒星诞生于星际气体云中 它们的元素丰度反映了气体云的元素丰度 恒星 球状星团 继承了气体云的转动 大质量恒星演化得快 将核合成产生的重元素抛射到周围的星际介质中 随着银河系的演化 新形成的恒星的金属丰度逐渐增加 62 63 气云凝聚假说 ELS 1962年 帕萨丁那的三位天文学家综合了二十世纪五十年代的许多发现 研究了221颗近邻恒星的运动和金属性 提出了银河系形成的气云凝聚假说 这一假说认为 银河系起源于一个密度均匀 迅速坍缩的巨大气体球 在迅速坍缩过程中 一些气体云冷凝并收缩 形成了银河系的首批恒星 银晕恒星 由于那时气体云是贫金属的 所以由它们产生的银晕恒星也是贫金属的 64 又由于气体云向银心俯冲而降 它们的轨道呈极端椭圆形 所以银晕恒星绕银河系运行轨道也有极大的偏心率 在坍缩期间 有些银晕恒星爆发给气体云添加了金属 当气体云进一步向银心下落 它们碰到一起 其轨道变得比较圆 气体云就集合成为迅速自转的盘 至此 银晕已用完了它的气体 所以晕中不再产生恒星 而是在集中了气体云的银盘中开始形成新的恒星 同气体云本身一样 新诞生的银盘恒星有着高的金属性和圆轨道 几十亿年后 这个盘中诞生了太阳和地球 65 气云凝聚说因其引发了天文学界激烈的争论而著名 天文学家称它为ELS 是用模型的三位倡导者的姓氏 Eggen 艾根 Lynden Bell 林登贝尔 Sandage 桑德奇 的首字母组成的 66 银河系的起源ELS学说 初始状态约100 140亿年前 原初气体云 100kpc 在引力作用下坍缩 原初气体云只由H和He构成 没有重元素 在坍缩过程中形成致密的核心和云块 67 2 银晕形成云块在坍缩过程中不断碎裂成为更小的团块 大约140亿年前 团块形成第一代恒星 球状星团 球状星团保持坍缩气体云的特征 球对称分布 以无规则轨道绕银心旋转 第一代恒星中的超新星爆发过程使气体云中重元素丰度逐渐增大 迄今球状星团中的恒星只剩下低质量恒星 68 3 银盘形成气体收缩的同时旋转加快 形状变扁 银盘出现 银盘密度不断增加 第一代盘族恒星形成 恒星以圆轨道绕银心转动 随着恒星的演化和超新星爆发 新生恒星金属元素丰度逐渐增加 银河系的外晕可能形成于银河系和其他小星系间的相互作用 69 70 银河系混沌诞生学说 1978年 帕萨丁那的卡内基天文台台长西尔勒和金恩 在研究了外银晕中距离我们大于25000光年的19个球状星团中的177颗红巨星的化学成分后 发现它们的年龄相差很大 于是提出了银河系混沌诞生学说 这一模型认为 银河系是由许多气云互相碰撞而形成的 71 近年来的一些观测结果都有利于混沌诞生说 如南天玉夫座的NGC288和杜鹃座的NGC362是两个相邻的球状星团 距离地球均为35000光年 但根据它们一些成员星的光谱分析得出的碳 氮 氧和铁的含量 说明它们的年龄相差达30亿年 一个合理的解释是银河系不是从一整团气体形成的 而是在银河系开始形成的20或30亿年后 吞食了许多不同的气团形成了银晕 72 1992年 美国耶鲁大学的李养吾在分析研究银河系核球内靠近银心处 内银晕以及外银晕中的天琴座RR型变星时发现 三处天琴RR星的重元素含量不同 核球内的为太阳的1 10 内银晕中的为太阳的1 20 而外银晕中的只有太阳的1 40 李认为 这表明核球中天琴RR星的年龄比内银晕中的 弟弟 年长13亿岁 而后者又比外银晕中的 小弟弟 老20亿岁 73 因此 李断定 我们银河系的核球是首先形成的 然后以此为核心 从里到外积聚气云构成了银河系的其他部分 银河系的第一批恒星是在 原银河系 致密核心的气云碰撞时形成的 随着额外气云的积聚 依次构成了内银晕和外银晕 由于这些外部区域的物质密度较低 因而恒星形成得较慢 在银晕中的恒星形成后 气体积聚成为一扁平的盘 盘中的气体继续坍缩形成恒星 银盘约在核球中第一批星诞生后的30亿年开始形成 74 针对不同的银河系演化模型 澳大利亚天文学家约翰 诺利斯评论说 ELS的主要论点是坍缩 而且在坍缩中应该出现运动特征和丰度之间的某种依赖关系 西尔勒和金恩的主要思想则是大量物质通过吸积而来 而且在这些物质中 运动特征不应该依赖丰度 1985 1990年做的一些早期工作证明 西尔勒和金恩握有相当多的真理 因为在金属丰度很低时 运动特征几乎与丰度无关 但后来我却相信西尔勒和金恩模型不是完美的 诺利斯于1994年发表的文章说 贫金属可能与运动特征有弱的相关性 他认为 ELS可能解释了某些贫金属星的运动 而西尔勒和金恩则可能解释其余的 75 天文学家布鲁斯 卡尔内也发表观点说 扩大的卡尔内 拉塔姆巡天暗示银晕由两种成分组成 第一个成分是我们以前看到的晕 它似乎与盘族没有任何动力学关系 这也许是因为它起源于西尔勒和金恩所说的原星系碎块 这些碎块被银河系俘获 因而在银晕的形成中确实没有起任何作用 但看来还有另一个果真具有类银盘运动的银晕成分 这第二个成分的金属性在太阳值的0 5 10 之间 它可能就是ELS提出通过耗散坍缩形成当前银盘的那个结构物 学术界曾有人评论说 气云凝聚说和混沌诞生说都在不同程度上掌握着真理 没有一方是绝对正确的 也没有一方是绝对错误的 76 新时空银河系演化模型 在新时空宇宙演化模型中 银河系的起源只是宇宙演化的一个组成部分 星系的形成过程发生在宇宙演化的第二阶段 大约在150亿年前 宇宙演化进入到了第二时空阶段 原始的宇宙能量已大部分转化为了物质 这些刚刚形成的物质以气体云的形式弥漫于宇宙空间 由于气体云在形成之初温度极高 万有引力作用并不能使之聚集 因而这时的宇宙暂处在一种热平衡状态 77 随着时间的推移 炽热的气体云不断地散发热量 温度开始下降 万有引力作用逐渐加强 气体云的体积随之发生收缩 这时 在任一点的视界宇宙中 由于万有引力的作用半径是有限的 力程较短 因而宇宙中的气体云并不会向一点 宇宙中心 聚集 于是 作为宇宙中弥漫相连的气体云开始断裂 形成了无数碎块 在这些碎块之间一片透明的空间慢慢地显露出来 78 与此同时 由于宇宙中的物质体积在宏观上发生了收缩 所以宇宙空间的旋转机制开始启动 杂乱无章随机分布的气体云团逐渐进入了环形轨道 绕宇宙中心旋转 这就是宇宙大尺度结构的胚胎 这时的气体云团密度仍然很低 它将在进一步的收缩过程中形成原星系 而相邻云团之间在万有引力的作用下 逐渐形成了聚团成群的趋势 这就是未来星系团和星系群的雏形 79 现在学术界所讨论银河系起源就是从这时开始的 当一较大的气体云团 原始的银河系气体云团进一步收缩时 它就会按照气云凝聚说的独立星云模型开始了银河系的演化历程 80 在原始的银河系气云团的核心 物质聚集密度逐渐增高 当温度和压力达到一定条件时 将发生热核反应 合成大量的金属元素 但热核反应释放出来的能量 并不足以阻止气体云的坍缩 整个气云团还在继续收缩 当气体云的核心质量与半径之比 m r 达到极限常数时 将进一步引发极限效应 产生大量的能量 具体地说 此时在气云团的核心发生的是极限效应 而在核心的外半径则仍然发生着热核反应 在核心脉动效应作用下 极限效应释放出来的能量将一次次地把核反应合成的金属元素抛射出去 均匀地弥散于整个气云团之中 这时的银河系就处在我们现在所看到的类星体阶段 81 类星体是二十实世纪六十年代发现的一种类似于恒星 而在光谱上有着巨大红移的星系级天体 距离在几亿至上百亿光年不等 目前在宇宙深处已发现7000多个类星体 类星体的体积虽小 但它释放出来的能量却几百倍于普通星系 这正是气云团核心极限效应所释放出来的能量 82 新时空银河系演化模型与气云凝聚说的区别在于 气说认为 银河系中的金属元素是在首批恒星内部合成的 而新说则认为 银河系中的金属元素是恒星尚未形成之前 在气云团的核心处合成的 在气说中 可以根据恒星的金属含量判断恒星的年龄 而在新说中 根据恒星的金属含量只能判断恒星的初始位置 不能用作计算恒星的年龄 因为金属元素的分布密度与气云团的半径成反比 与恒星的诞生时间没有关系 这一点非常关键 83 银河系演化进入第二阶段 恒星开始形成 当然 这些恒星的金属元素含量取决于它所在的位置 这时掺杂着恒星的气云团在形态上开始发生变化 由于收缩旋转 气云团由原来的球对称状逐渐演变为盘状 如果这时给球状气云团设立一个三维坐标 取X Y轴确立的平面为旋转平面 Z轴为旋转轴 那么在离心力的作用下 处在XY平面上下两侧的物质都将向旋转平面移动 84 这样 向旋转平面移动的恒星就会产生三个速度分量 按照天文学家给出的定义 它们分别是 远离银心的速度U 银河系自转方向的速度V 垂直于银道面的速度W U和V两者合在一起实际上表示的是椭圆形轨道运动 而W则是位于XY平面两侧的恒星向旋转平面的坠落速度 在气云团旋转力的作用下 原来位于同一球半径R上的恒星 金属元素含量相同 当由XY平面两侧运动到旋转平面轨道上时 其绕银心的公转轨道半径则为R RCOS 于是 盘状银河系形成以后就会出现这样一种情况 在同一轨道半径上运动的恒星 其金属元素含量并不一定相同 因为它们的初始位置并不一定在同一轨道平面上 85 简言之 在银河系形成之初 球形气云团的金属元素分布随着半径的增大呈递减趋势 恒星诞生以后 其金属含量也遵循相同的分布规律 这就是ELS模型所认定的金属性梯度 作为证据 天琴RR星的金属元素含量既然与它的诞生时间没有关系 那么 处在不同半径 核球内 内银晕 外银晕 上的天琴RR星不同的金属元素含量 则恰恰证明了银河系金属性梯度的存在 这也间接支持了银河系早期的重元素是在银心中合成的观点 86 新时空学说星系诞生过程 87 但是