星系.ppt
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星系,1,0,星系,包含几千到几百亿颗恒星的系统,各种尺度和形状,包含不等量的气体、尘埃和暗物质,2,为什么要研究星系?
星系是宇宙结构的基本单元,3,为什么要研究星系?
星系是宇宙结构的基本单元如何从原初扰动形成星系?
4,原初条件:
宇宙微波背景(WMAP)显示的大爆炸后300,000年的密度扰动(图为温度扰动),?
宇宙的历史,5,提纲,银河系-概貌和结构-恒星运动和银河系的自转-银河系质量-星族-形成历史-旋臂结构-银心和中心黑洞,6,提纲,河外星系-概述-形态分类-距离测定-质量估计-中心超大质量黑洞-暗物质-特殊星系:
星暴星系、相互作用星系-星系形成理论,7,银河系TheMilkyWayGalaxy,8,0,概貌,9,夜空中宽度为10度左右的不规则亮带,如果可以从银河系外来看,它看上去可能非常像它的邻居仙女座大星云(theAndromedaGalaxy)。
0,银河系结构,10,75,000lightyears,Disk(盘),NuclearBulge(核球),Halo(晕),Sun,GlobularClusters(球状星团),OpenClusters,O/BAssociations(疏散星团,O/B星协),0,早期研究,1609年,伽利略(Galileo)把他新造的望远镜指向银河,证实了希腊哲学家德谟克利特(Democritus)的观点:
通过观察,我认识到了银河的本性和构成它的物质。
借助于望远镜,我的观察十分细致而直观,结果使我相信,长期以来困扰哲学家们的所有争论已经得到解决,我们终于能够从烦人的舌战中解脱出来了。
事实上,银河不是别的,而是汇聚成群的无数恒星的大集合。
无论把望远镜指向它的什么部位,大量恒星立即进入视野。
它们中的许多相当大而明亮,小的恒星则多得根本数不清。
11,早期研究,1755年,普鲁士哲学家康德指出:
银河是恒星组成的盘状物,我们就在这个盘中,所以,当沿着盘面看时,就能看见很多恒星,这就是“奶路”(MilkyWay);而如果对着盘面以外的方向,就只能看见少数邻近恒星。
12,早期研究,13,第一个试图去揭示银河系结构的是WilliamHerschel。
他基于光学波段观测进行恒星计数。
1785年他发表了有史以来第一幅银河结构图。
他的图表明银河系的形状像一个磨盘,太阳接近于磨盘中心。
0,早期研究,WilliamHerschel工作的缺陷:
I.假设所有恒星具有相同的本身亮度。
(但问题不大,因为数量上占绝对优势的本身暗的恒星对银河系发光贡献不大,而本身亮度最大的恒星数目很少,贡献也不大。
所以银河的大部分光来自处于一个很窄光度范围的恒星。
)II.假设空间中不存在星际物质。
(严重错误,因为气体和尘埃会把一半的光吸收掉从而导致WilliamHerschel只看到一部分恒星。
)III.没有恒星距离的测定,无法定出银河的大小。
14,研究银河系结构,15,GalacticPlane,GalacticCenter,银河系结构研究是困难的,原因是:
我们身处其中。
距离测定困难。
银心方向被气体和尘埃遮挡。
0,研究银河系结构的方法,16,选择整个银河系中能够看到的明亮天体,记录它们的方向和距离。
II.在非可见光波段观测天体(以克服光学消光的影响)并记录它们的方向和距离。
III.记录相对于我们位置的不同方向的天体的轨道速度。
0,距离测定:
造父变星(Cepheid)方法,17,InstabilityStrip,周期-光度关系:
造父变星越亮,它的脉动周期越长。
因而观测它的周期就是在测量它的光度,从而可推算出距离。
0,造父变星方法,18,允许我们测量整个银河系中星团的距离。
0,用星团研究银河系,19,两类星团:
1)疏散星团=由近期形成的恒星组成的年轻星团;分布在星系盘上,2)球状星团=年老的、中心聚集的恒星集团;大多分布在星系的晕中,GlobularClusterM19,0,OpenclustershandcPersei,球状星团,20,由50,000至一百万颗恒星组成的致密星团,银河系中大概有200个球状星团,年老(11billionyears),较低的主序星(lower-mainsequencestars),GlobularClusterM80,0,确定银河系中心,21,1918年沙普利发现球状星团的分布不是以太阳为中心,而是以一个在光学波段被尘埃严重遮挡的区域为中心。
0,红外波段看银河系,22,星际尘埃(吸收光学波段的辐射)的大部分辐射在红外波段,Near-infraredimage,红外辐射不会被严重吸收,因而能使我们看清银河系,Nuclearbulge,Galacticplane,Far-infraredimage,0,不同波段看到的银河系,23,银河系结构,24,75,000lightyears,Disk(盘),NuclearBulge(核球),Halo(晕),Sun,GlobularClusters(球状星团),OpenClusters,O/BAssociations(疏散星团,O/B星协),0,银河系中恒星的轨道运动,25,盘星:
银盘上的近圆轨道运动,晕星:
椭圆轨道运动;取向随机,0,开普勒第三定律,26,恒星运动(银河系自转),27,DifferentialRotation,太阳在距银心8kpc处以220km/s的速度围绕银心运动,越靠近银心的恒星轨道运动越快。
远离银心的恒星轨道运动较慢。
0,较差自转,一个轨道运动大约要用220million年。
从轨道速度确定质量,28,根据开普勒定律,轨道以内包含的物质越多,太阳围绕银心运动得越快。
Combinedmass:
M=4billionMsun,M=11billionMsun,M=25billionMsun,M=100billionMsun,M=400billionMsun,0,银河系质量,29,RotationCurve=orbitalvelocityasfunctionofradius.,0,银河系质量,30,银盘上距银心8kpc以内的总质量:
近似1000billion(1011)太阳质量,在延展的晕中的额外的质量:
总质量:
近似1trillion(1012)太阳质量,90%以上质量没有辐射:
暗物质!
0,星族,31,PopulationI:
年轻恒星;富金属;分布在旋臂和盘上,PopulationII:
年老恒星;贫金属;分布在晕中(球状星团)和核球中,0,宇宙中的金属丰度,32,对数尺度,重于氦的金属的丰度是很低的,线性尺度,0,恒星中的金属,33,Manyabsorptionlinesalsofromheavierelements(metals):
PopulationI,在形成之初,形成银河系的气体只有氢和氦。
比氦重的元素统称为金属。
金属是后来在恒星中形成的。
=因而年轻恒星比年老恒星更富金属,0,H,形成历史,34,传统理论:
准球状气体云碎裂成小碎片,形成第一代贫金属星(pop.II);,旋转的气体云塌缩成盘状结构;,第二代恒星(pop.I)被限制到星系盘上。
0,对传统理论的修正,35,星族的年龄可能对银河系形成历史的传统理论形成挑战。
可能的解决办法是:
气体晚些时候聚集,可能是由于和较小星系的并合。
近期发现的环绕银河系的由恒星组成的环状结构可能是这样一个并合事件留下的遗迹。
0,用O/B星协研究银河系结构(旋臂),36,O/BAssociations,O/B星协示踪的3条太阳附近的旋臂(人马臂、猎户臂、英仙臂),Sagittariusarm,Orion-Cygnusarm,Perseusarm,Sun,0,但由于尘埃遮挡,可见光研究只能看到太阳附近几千光年范围内的旋臂结构。
观测中性氢:
The21-cm(radio)line,37,由于自旋,氢原子中处于基态的电子有不同的能量。
Magneticfieldduetoprotonspin,Magneticfieldduetoelectronspin,Oppositemagneticfieldsattract=Lowerenergy,Equalmagneticfieldsrepel=Higherenergy,21-cmline,0,射电观测,38,21-cm射电观测揭示了中性氢在整个星系中的分布。
氢气体云的距离由径向速度得到(多普勒效应Dopplereffect!
),Galacticcenter,Sun,中性氢集中分布在旋臂上,0,揭示出的银河系结构,39,尘埃的分布,Sun,Ring,Bar,恒星和中性氢的分布,0,密度波理论,20世纪40年代以前,人们认为旋臂是物质臂,即旋臂是由确定的恒星和气体组成的,这种静态分布由磁场维持。
但其一、银河系磁场很弱不能维持这种静态分布。
其二、如果旋臂是物质臂,那么较差旋转会使旋臂越缠越紧,不能稳定维持旋臂结构。
1963年林家翘和徐遐生依据林德布拉德的早期工作提出密度波理论。
密度波理论特点:
旋臂图样保持不变,但构成旋臂的物质是不断变化的。
40,旋臂中的恒星形成(I),41,来自超新星的激波、由O、B星电离气体产生的电离前和激波前形成旋臂触发恒星形成。
旋臂是稳定激波,触发恒星形成。
0,旋臂中的恒星形成(II),42,基本来说,旋臂是稳定激波。
恒星和气体云绕银心运动,并且穿过旋臂。
激波触发恒星形成。
恒星形成通过O/B电离前和超新星激波自我维持。
0,旋臂的本质,43,一个小旋涡星系恰好叠于一个大背景星系上,在黑暗的夜空中,旋臂看上去是明亮的(由于新形成的大质量恒星),但相比于明亮的背景大星系旋臂却是暗的(由于致密星云中的气体和尘埃),0,旋涡结构种类,44,宏象旋涡星系(Grand-designspirals)有两个主导旋臂。
M100,絮状旋涡星系(Flocculent(woolly)galaxies)也有旋臂结构但没有一对主导的旋臂。
NGC300,0,涡状星系(theWhirlpoolgalaxy),45,宏象旋涡星系M51:
沿旋臂结构的自维持恒星形成区清晰可见。
0,银心(I),46,Wide-angleopticalviewoftheGCregion,galacticcenter,在可见光波段银心(GC)被气体和尘埃严重遮挡:
Extinctionby30magnitudesOnly1outof1012opticalphotonsmakesitswayfromtheGCtowardsEarth!
0,从射电波段看银心,47,许多超新星遗迹;壳状和纤维状结构,SgrA,Arc,SgrA*(人马A):
银河系中心,银河系中心包含一大约2.6million太阳质量的超大质量黑洞。
SgrA,0,测量银河系中心黑洞质量,48,由银河系中心附近恒星运动轨迹可以计算出中心黑洞质量大约为2.6million太阳质量。
0,从X射线看银心,49,ChandraXrayimageofSgrA*,对比于其它星系中心的超大质量黑洞,位于银心的超大质量黑洞在x射线波段很弱。
银心区域有很多黑洞和中子星x射线双星。
0,小结,银河系-概貌和结构-恒星运动和银河系的自转-银河系质量-星族-形成历史-旋臂结构-银心和中心黑洞,50,一些概念,Ashockwave(alsocalledshockfrontorsimplyshock)isatypeofpropagatingdisturbance.Likeanordinarywave,itcarriesenergyandcanpropagatethroughamedium(solid,liquid,gasorplasma)orinsomecasesintheabsenceofamaterialmedium,throughafieldsuchastheelectromagneticfield.Shockwavesarecharacterizedbyanabrupt,nearlydiscontinuouschangeinthecharacteristicsofthemedium.Acrossashockthereisalwaysanextremelyrapidriseinpressure,temperatureanddensityoftheflow.Insupersonicflows,expansionisachievedthroughanexpansionfan.Ashockwavetravelsthroughmostmediaatahigherspeedthananordinarywave.ionizationfront:
Atransitionregionwhereinterstellargaschangesfromamostlyneutralstatetoamostlyionizedstate.Ionizationfrontsaretypicallyfoundinthevicinityofhotstarsanddefinetheextenttowhichstellarultraviolethasionizedthematerialaroundthem.,51,Self-SustainedStarFormationinSpiralArms,52,Starformingregionsgetelongatedduetodifferentialrotation.,Starformationisself-sustainingduetoionizationfrontsandsupernovashocks.,0,
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