天文学课件之6

1、大学物理,第六章，银河系,银河Milky way 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。

2、 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，

3、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

4、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

5、,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

6、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

7、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

8、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。银河系的绝对星等为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

9、由Walter Baade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

10、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 2108 yr，太阳年龄 5109 yr 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

11、征旋臂的主要是年轻天体 大质量恒星的寿命107 yr 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

12、,加入扰动引力势 f =A(r)cosm-(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，

13、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 1.01011M 银河系的可见质量约为2.01011M 银河系的实际质量远超过1011 M，表明在银晕和银冕中存在大量的暗物质。,大学物理,(3) 暗物质 (dark matter),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 (Massive Compact Halo Objects) 如褐矮星、行星、致密星、电离气体等。 WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) 如质量非零的中微子或其他未知亚原子粒