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大学物理 第六章 银河系 银河 Milkyway弥漫星云星团银河系的结构旋臂与银河系的自转 大学物理 我们肉眼看见的所有恒星 以及许许多多因为太暗而肉眼看不见的恒星 包括我们的太阳和太阳系在内 都属于一个巨大的恒星系统 即银河系 银河系中还包括许多星团 星际介质和星云 不识庐山真面目 只缘身在此山中 我们身处银河系之中 看到的是一条横贯夜空的银河 一条朦胧不清的光带 绵延天空一整周 平均宽度约为20度 银河系的恒星在光带非常密集 在银河的暗带 有大量的星际介质和暗星云存在 1 银河系 大学物理 大学物理 大学物理 大学物理 大学物理 大学物理 银河系的发现经历了漫长的过程 伽利略首先用望远镜观测 发现银河由恒星构成 T 赖特 I 康德 J H 朗伯等认为 银河和全部恒星可能集合成一个巨大的恒星系统 18世纪后期 F W 赫歇尔开始恒星计数的观测 以确定恒星系统的结构和大小 他断言恒星系统呈扁盘状 太阳离盘中心不远 他去世后 其子J F 赫歇尔继承父业 继续进行深入研究 把恒星计数的工作扩展到南天 20世纪初 天文学家把以银河为表观现象的恒星系统称为银河系 大学物理 J C 卡普坦应用统计视差的方法测定恒星的平均距离 结合恒星计数 得出一个银河系模型 太阳居中 银河系呈圆盘状 直径8Kpc 厚2Kpc H 沙普利应用造父变星的周光关系 测定球状星团的距离 从球状星团的分布来研究银河系的结构和大小 他的模型是 银河系是一个透镜状的恒星系统 太阳不在中心 银河系直径80Kpc 太阳离银心20Kpc 这些数值太大 因为沙普利在计算距离时未计入星际消光 20世纪20年代 银河系自转被发现以后 沙普利的银河系模型得到公认 大学物理 6 2弥漫星云 十八世纪后期 威廉 赫歇尔等天文学家发现了许多云雾状斑点的天体 称为星云 实质上它们是河外星系 星系 和星云 星云分为行星状星云 弥漫星云等 超新星遗迹也归入其中 弥漫星云又可分为发射星云 反射星云和暗星云三种 其实这三种星云的物质成分基本上是一样的 都是由气体和尘埃组成 光盘上有许多星云的照片 非常漂亮 大学物理 大学物理 大学物理 大学物理 大学物理 大学物理 大学物理 大学物理 星云也属于星际物质 其实它们也是由这些物质组成 不过是物质密度较大的团块而已 现已确认 恒星就是在一些物质密度较大的分子云中产生的 有些分子云至今还在形成新的恒星 质量非常大而浓密的分子云 会碎裂成一些较小的团块 这些团块的大小约等于恒星直径的几百万倍 由于引力作用 团块开始迅速收缩 在大约几十万年之后 在云团中心形成了一个高温 高压 高密度的气体球 并在其核心触发了由四个氢原子核聚变成一个氦原子核的反应 释放出大量的热和光 成为恒星 大学物理 恒星往往成群分布 一般地 我们把恒星数在十个以上又有相互联系的星群叫做 星团 比如金牛座中的 昴星团 毕星团 巨蟹座的蜂巢星团等 根据星团包含的恒星数 星团的形状和在银河系中位置分布的不同 星团又分为疏散星团和球状星团 疏散星团一般由十几到几千颗恒星组成 结构松散 形状也不规则 它们一般分布在银道面附近 也被称作 银河星团 由比较年轻的恒星组成 在银河系内发现的疏散星团目前有一千多个 其中包括刚提到的金牛座昴星团 毕星团 6 3星团 大学物理 大学物理 大学物理 大学物理 球状星团中的恒星远比疏散星团中的多得多 它由成千上万 多至几十万的恒星组成 它们聚集成球形 越往中心越密集 球状星团大多都分布在银河系中心方向 一个球状星团内的恒星差不多都是在同一时期形成的 它们的演化过程也大致相同 都属于老年恒星 比较著名的如武仙座的球状星团M13 它由大约二百五十万颗恒星组成 离我们大约2 5万光年 大学物理 M13 大学物理 大学物理 大学物理 大学物理 6 4银河系的结构 1 银盘 disk 2 核球 bulge 3 银晕 halo 4 银冕 corona 大学物理 大学物理 银盘是星系的主体 直径约为十万光年 中间部分厚度大约六千光年 太阳附近银盘的厚度大约为三千光年 银盘主要是由四条巨大的旋臂环绕组成 它是由无数的蓝色恒星组成的 太阳位于人马座臂和英仙座臂之间的猎户座臂上 距离银心28000光年或者8 5千秒差距 银盘一个非常引人注目的结构是有旋涡状的旋臂 因此银河系属于旋涡星系 旋臂中的天体属于十分年轻的亮星和疏散星团 大学物理 核球 星系的中心凸出部分 是一个很亮的球状 直径约为两万光年 厚一万光年 这个区域由高密度的恒星组成 主要是年龄大约在一百亿年以上老年的红色恒星 很多证据表明 在中心区域存在着一个巨大的黑洞 星系核的活动十分剧烈 大学物理 银晕和银冕 银河晕轮弥散在银盘周围的一个球形区域内 银晕直径约为30万光年 这里恒星的密度很低 分布着一些由老年恒星组成的球状星团 有人认为 在银晕外面还存在着一个巨大的呈球状的射电辐射区 称为银冕 银冕至少延伸到距银心一百千秒差距或三十二万光年远 大学物理 银河系是一个巨型旋涡星系 Sb型 共有4条旋臂 包含一 二千亿颗恒星 银河系整体作较差自转 太阳处自转速度约220千米 秒 太阳绕银心运转一周约2 5亿年 银河系的目视星等为 20 5等 银河系的总质量大约是我们太阳质量的1万亿倍 大致10倍于银河系全部恒星质量的总和 这是暗物质存在的强有力证据 关于银河系的年龄 目前占主流的观点认为 银河系在宇宙诞生的大爆炸之后不久就诞生了 年龄大概在145亿岁左右 上下误差各有20多亿年 大学物理 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 大学物理 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 大学物理 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 大学物理 银河系是星系类型中的旋涡星系一类的典型 它的核心周围是一个巨大的中央核球 并有缠绕着它的旋臂 这些弯曲的旋臂使银河系的外形看上去像是一个庞大的车轮 银河系包括4条大的和2条小的旋臂 太阳系坐落在较短的猎户座旋臂上 位于英仙座旋臂和人马座旋臂之间 旋臂是银河系里新的恒星诞生的摇篮 6 5旋臂与银河系自转 大学物理 问题 银河系的旋涡结构是怎样形成的 旋涡结构为什么能维持很长时间 在银河系和其他盘星系中发现旋臂存在说明旋臂的维持时间相当长 大学物理 旋臂的理论解释 旋臂不是物质臂如果旋臂始终由同样的物质构成 太阳公转周期 2 108yr 太阳年龄 5 109yr 太阳绕银心至少转了20圈较差转动 旋臂缠绕 或放松 旋臂消失表征旋臂的主要是年轻天体大质量恒星的寿命 107yr 旋臂消失 大学物理 2 密度波理论 由林家翘和徐瑕生1963年在Lindblad工作的基础上提出 旋臂是密度波的表现 星系引力势扰动 银盘内的天体以椭圆轨道运动 运动速度变化轨道取向相互耦合 物质密度的规则变化 密度波密度波在银盘内传播 导致物质压缩和恒星形成 大学物理 密度波的形成在无扰动势f的情况下 引力势是轴对称的 银盘上的恒星与气体云的运动为匀速圆轨道运动 f 0 大学物理 加入扰动引力势f A r cos m 同轴椭圆轨道 m 2 由于引力势随方位角的变化而变化 天体的运动速度不再是均匀的 大学物理 加入扰动引力势f A r cos m r 非同轴椭圆轨道 黑线代表极小引力势位置 大学物理 在引力势波谷处 物质速度减慢 密度增大 椭圆轨道相互耦合 密度波 大学物理 A 银河系的较差转动方法测量恒星和气体云谱线的Doppler位移 视向速度 随银经的变化 太阳附近恒星视向速度 或自行 的周期性变化 在太阳周围360度的范围内 恒星的谱线位移表现出周期性的蓝移和红移 大学物理 银河系的转动是较差转动在太阳附近 距离银心越远 转动速度越小 天体的转动速度 相对于太阳的运动速度 天体的视向速度 大学物理 B 自转曲线 银河系自转速度或角速度随半径变化的曲线 内区 刚体转动 外区 较为平坦 在太阳附近 转动速度随半径的增大而减小 大学物理 C 银河系质量 在太阳轨道内包含的质量为 M R0V02 G 1 0 1011M 银河系的可见质量约为2 0 1011M 银河系的实际质量远超过1011M 表明在银晕和银冕中存在大量的暗物质 大学物理 大学物理 3 暗物质 darkmatter 由银河系的自转曲线得知 银晕中的不可见物质质量远远超过银河系可见物质质量 暗物质的特征 在所有波段都不产生辐射 仅有引力作用 暗物质的可能成分 MACHOs MassiveCompactHaloObjects 如褐矮星 行星 致密星 电离气体等 WIMPs WeaklyInteractingMassiveParticles 如质量非零的中微子或其他未