清华大学天文学导论-8银河系.ppt

天文学导论 第三部分星系与宇宙学第08讲银河系TheMilkyWay TheGalaxy第09讲河外星系ExtragalacticGalaxies第10讲活动星系核ActiveGalacticNuclei AGN 第11讲宇宙学Cosmology 天文学导论 第11讲银河系 OMilkyWay sisterinwhitenessToCanaan sriversandthebrightBodiesofloversdrowned CanwefollowtoilsomelyYourpathtoothernebulae GuillaumeApollinaire 1880 1918 本讲内容 银河系多波段图像银河系研究简史银河系的结构银河系的自转银晕 暗物质银河系旋涡图样的测定核球与银心 超大质量黑洞的证据 1 银河系多波段图像 银河是天空中的一个光 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的传说中国民间传说西方神话 奶之路MilkyWay 银河系广角图像 光学波段的银河系 TheopticalskyisdominatedbythelightofbillionsofstarsintheMilkyWay Darkpatchesarecausedbyobscurationofthestarlightbyinterstellardust 21厘米中性氢射电辐射的银河系 21radioemissionbyneutralHintheinterstellargas Theradioemissionisnotabsorbedbythedustclouds MostoftheHgasisconcentratedinaverythinlayerintheMilkyWay 近红外波段的银河系 大小麦哲伦星云 远红外波段的银河系 Atshorterwavelengths white weseeabulge核球ofstars mainlyredgiants atthecenteroftheMilkyWay Atlongerwavelengths red weseetheemissionfromthedustclouds X射线波段的银河系 蓝色圆点表示银河系内的X射线双星和超新星遗迹 射线波段的银河系 Thisall skyviewfromFermirevealsbrightemissionintheplaneoftheMilkyWay center brightpulsarsandsuper massiveblackholes 2 银河系研究简史 自学 1609 伽利略首先用望远镜观测银河 发现银河由无数个恒星组成 FortheGalaxyisnothingelsethanacongeriesofinnumerablestarsdistributedinclusters fromTheStarryMessenger 1750 英国天文学家赖特 ThomasWright 太阳是球壳状分布的无数恒星中的一颗 1755 德国哲学家康德 银河系是由恒星组成的旋转扁盘系统 是诸多这样的 岛宇宙 之一 UniversalNaturalHistoryandTheoryofHeaven 1785 英国著名天文学家威廉 赫歇尔 WilliamHerschel 用一个48 inch望远镜计量不同方向的恒星密度 得到第一幅银河系的 整体 图像 银河系为扁盘状 太阳位于中心附近 6400ly 1300ly 赫歇尔假设 所有恒星一样亮 星际空间透明 卡普坦的小银河系模型 1920和1922 荷兰天文学家卡普坦 JacobusKapteyn 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 银河系是一个由恒星组成的盘 直径为 55 000光年 厚度为 11 000光年 包含474亿颗恒星 太阳靠近银河系中心 银心在北天的仙后座 沙普利的大银河系 1920 美国天文学家沙普利 HarlowShapley 利用球状星团内的造父变星和天琴RR型变星测量星团距离 给出球状星团的空间分布 发现球状星团均匀地分布在银河的两侧 有向人马座聚集的倾向 Globularclusters blackdots superposedonaninfraredimageoftheskyfromtheCOBEsatellite IftheSolarSystemwereatthecenteroftheMilkyWay theclusterswouldbedistributeduniformlyoverthesky Buttheyareobviouslyconcentratedinonedirection towardthecenteroftheMilkyWay 沙普利认为球状星团是银河系的子系统 并以银心为分布中心由此估算太阳到银心 球状星团分布的中心 的距离为 50 000光年 2倍现代的估算值 银河系的结构是扁盘状 直径 33万光年 Shapley sMilkyWay 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 由于不了解星际介质的存在及其消光作用 因而得出错误结论直到20世纪30年代人们才认识到星际介质的分布范围及其对观测的重要影响 并发展了射电与红外的手段来研究银河系的结构 3 银河系的整体结构 银盘 disk 旋臂 2 核球 bulge 棒状 3 球状星团 150 4 银晕 halo 5 银冕 corona 银河系是一个具有旋涡结构的棒旋星系 直径 105ly 30kpc 厚度 2000ly恒星数 2000亿质量 1012M 太阳处 距银心 27 000光年 自转周期 2 5亿年 速度 250km s 便于描述恒星在银河系中的空间分布和运动坐标原点 观测者 坐标系平面 银道面天体位置在银道坐标系中的计量 银经l 0 360度 从银心方向开始 沿银道面按逆时针方向计量 银纬b 90 90度 从银道面量起 向北为正 向南为负 银道坐标系 银道面与地球公转面 天赤道面不重合 银心方向 17h45 7m 29 00 北银极坐标 12h51 4m 27 08 星族population 1944年 WalterBaade 巴德 发现银晕与核球中的恒星明显比银盘中的恒星颜色偏红 由此提出星族的概念 仙女星系 星族I恒星PopulationIstars 年轻的富金属恒星主要位于银盘和旋臂中绕银心作圆轨道 低速 运动疏散星团最亮的星 蓝巨星星龄 1亿年II型超新星大量气体与尘埃活动恒星形成金属元素质量丰度 2 星族II恒星PopulationIIstars 年老的贫金属恒星主要位于银晕和核球中绕银心作无规则的椭圆轨道 高速 运动球状星团最亮的星 红巨星星龄 100亿年Ia型超新星无大量气体与尘埃无活动恒星形成金属元素质量丰度 0 1 1 PopIandII的轨道 4 银河系的自转 较差转动 differentialrotation 在太阳附近 距离银心越远 转动角速度越小 天体的转动速度 相对于太阳的运动速度 天体相对于太阳的视向速度 红点为太阳 银道坐标 较差转动 太阳周围多普勒位移的周期变化 背离银心方向看朝向银心方向看 银河系较差转动的测量方法 1927 奥尔特 JanOort 首次利用恒星谱线位移测量银河系的自转速率测量恒星和气体云谱线的多普勒位移 视向速度 随银经的变化在太阳周围360度的范围内 恒星和气体云的谱线位移表现出周期性的蓝移和红移太阳附近 以太阳为中心不同距离 恒星和气体云的视向速度的周期性变化红外与21厘米中性氢辐射 完整的银河系自转速率 太阳附近恒星的视向速度的变化 银河系的自转曲线RotationCurve 自转曲线 银河系自转速度 或角速度 随半径 到银心距离 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 黄虚线 银河系内恒星与气体 发光 亮 物质 给出的转动速度 红实线 实际测量转动速度 银河系的质量分布 离心力 Fcen mV2 R引力 Fg GMm R2 中心 引力 质量 M V2R G银河系质量是延展分布的 恒星和气体云 发光物质 所在轨道半径所构成的球体内的净质量 估计的质量随半径增加而增加 银河系的质量分布 暗物质的由来 黄线 给定半径内的累计可观测质量恒星和气体的净质量 虚黄线 小于由自转曲线估计的质量 红线 数倍由自转曲线估算的质量和由可见的恒星和气体估算的质量的差值称为暗物质 不发光 银河系的质量 大量暗物质 在太阳轨道以内包含的质量为 M 1 0 1011M 银河系的可见质量 2 0 1011M 由自转曲线 银河系的实际质量远超过1011M 1012M 表明在银晕和银冕中存在大量的暗物质暗物质位于 发光 银河系的外围 即暗物质晕darkmatterhalo 暗物质晕 几乎水平的转动曲线表明暗物质主导银河系外围质量 5 银晕TheGalacticHalo 球状星团 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 100kpc半径内大约有170球状星团 暗物质darkmatter 由银河系的自转曲线得知 银晕中的不可见物质的质量远远超过银河系中可见物质的质量暗物质的特征 在所有波段几乎都不产生辐射 也不与辐射作用暗物质通过其施加给周围环境的引力作用表明自身的存在宇宙中暗物质无处不在 宇宙中大于80 的物质是暗物质暗物质极其重要 不仅使银河系能够聚集在一起 而且主宰整个宇宙的演化和命运 银河系中 暗物质的可能成分 MACHOs MAssiveCompactHaloObjects 极低质量恒星 褐矮星 致密星 白矮星 中子星和黑洞 电离气体 行星等虽不可见 但能产生微引力透镜效应不构成暗物质主体 WIMPs WeaklyInteractingMassiveParticles 如质量非零的中微子 被否定 或其它未知亚原子粒子 非重子物质 MACHO的微引力透镜效应 MACHO计划 验证银河系中的暗物质是否主要是褐矮星或行星之类的天体目前这个假设被否定 LMC MountStromloObservatory Canberra Australia The50inchdome 双色光变曲线 微引力透镜 MACHOs 测量银河系核球中的1千万颗恒星以及LMC中的8百万颗恒星微引力透镜事例 银河系核球中45例 LMC中4例 MACHO计划的结果 对大麦哲伦云和银河系核球中恒星的研究结果 银晕中MACHO质量 2 1011M 单个MACHO的质量 0 1 1M 银晕中普通物质的气体密度远小于暗物质所要求的WIMPs实验还没有 看到 任何暗物质清华大学工程物理系主导的锦屏暗物质探测计划 6 银河系的旋涡结构 银盘构成 星族I恒星 气体和尘埃直径 D 30kpc 10万光年厚度 h 70 300pc D h显著特征为旋臂正发生恒星形成 NGC1232 银河系旋臂的证认 光学观测 恒星距离 银道坐标 分布测量 视星等光度 如 造父变星周光关系 距离限制 星际尘埃消光 近距离恒星 太阳附近恒星的分布 银河系旋臂的证认 射电观测 HI区 分子云测量HI区21cm谱线和分子云 CO 的毫米波谱线的多普勒位移 视向速度 自转速度 银经 比较银河系自转曲线 距离 银经 分布限制 气体云的转动是非圆的 在圆运动的同时还有无规则运动 Doppler展宽 兰移 银河系的旋臂结构 银河系主要有4个旋臂 矩尺座 Norma 臂盾牌 半人马座 Scutum Centaurus 臂人马座 Sagittarius 臂英仙座 Perseus 臂太阳位于一条小小的名叫猎户座 Orion 臂的附近 而猎户座臂位于人马座臂和英仙座臂之间 射电观测可穿透银心 由HI的21cm辐射和其它观测重建的银河系旋涡结构 银河系的旋涡特征是没有疑问的 Left NGC1232 aspiralgalaxyseennearlyface on Right NGC891 aspiralgalaxyseenedge on Spitzer 斯皮策 红外空间望远镜 2008年6月 80万张红外快照 包括1 1亿多颗恒星 表明银河系主要由两条旋臂构成 盾牌 半人马座臂英仙座臂 7 核球和银心TheGalacticBulgeandCenter 核球 银心 在人马座方向 椭球形 大小 6 4kpc 恒星分布十分密集强射电 红外和伽马射线源 SaggitariusA SgrA 人马座最强的射电源SgrA 非常接近银心 COBE看到的银河系远红外图像 银盘和核球 光学波段 核球附近区域受星际气体和尘埃的遮挡而显得平淡 红外观测 银心区域的恒星分布高度密集 5 104pc 3 是太阳附近恒星密度的 105倍 Mid infraredimage 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II恒星 强射电源 人马座 Sgr A 核心是强射电源SgrA arcs threads andfilaments超新星遗迹 银河系中心区域的低频射电图 银心周边 1