8星系与宇宙的大尺度结构

~45x109太阳质量
•根据质光关系定M33中发光物质的质量 •太阳的绝对光度：4.8；M33绝对光度：-19.5
•光度差：2.51224.3=~5.2x109
•M33中发光物质的质量： =~5.2x109 太阳质量， 只有动力学质量的1/10! •进一步的改正：不发光的气体和尘埃，恒星质光 关系的改正，银河系的质光关系：1.5
宽发射线区
Gas clouds moving at several thousand km/sec These appear to be orbital motions (gravity) Gas is photoionized by radiation from the accretion disk and its corona
z
0 0.158 0
活动星系核：高光度

在可见光波段，活动星系核比它的寄主星系要亮 几千倍！
活动星系核：宽的发射谱

Comparable power emitted across ~seven orders of magnitude in photon energy
发射区域：尺度小！

Reverberation Mapping
Measure the time lag in response of BLR clouds to changing ionizing flux from the accretion disk Implied sizes range from light weeks in low power AGN to light years in powerful ones Size plus velocity yield black hole mass
银心的射电观测
Many supernova remnants; shells and filaments
Arc
Sgr A Sgr A
Sgr A*: 银心
银河系中心存在一个大约4百万太阳质量的黑洞
银河系中心的黑洞
恒星动力学测量黑 洞的质量
see /~jlu/gc/pictures/orbitsMovie.shtml
昴星团：年龄<~115Myrs
蜂巢星团（Beehive）： 年龄<~750Myrs
球状星团（Globular clusters）
•引力紧紧束缚，外形呈球形，恒星高度向中心集中 •恒星比较年老，由20，000-1百万个恒星组成，直径 ~200光年 •一般位于星系晕中
•银河系约有150个，另外可能还有10-20个未被发现
•M33中的重子物质：~ 8x109 太阳质量，仍然只有 动力学质量的1/6!!
不规则星系
•既不是E星系，也不是S星系：不规则星系
•SMC，LMC：显示小的Sb特征
•星系小，不太亮，观测的不多，实际上应该是 最一般的星系 •气体多恒星形成，比银河系的尘埃少
•30 Doradus（剑鱼）--蜘蛛星云（Tarantula）-LMC中最大的恒星形成区，含有很多的年轻恒 星—SN1987A
•1970s，Vera Rubin通过观测漩涡星系中的HII区红 色的Hα谱线的移动，来测量星系的转动曲线：偏离 开普勒运动！ •暗物质？修正的引力理论（MOND）？
漩涡星系的转动曲线：暗物质存在的证据
星系的质-180km/s
•太阳速 度:~220km/s
o
Super-resolution 0.02 mas
unresolved (no extended structure) → single component zero closure phases → symmetrical structure (~E-W) elongated emission → consistent with λ≥ 7mm data

辐射和吸收线

Produced by the interaction of energetic photons with the surrounding gas
宽的相对论性辐射线

Hard X-rays from corona illuminate the accretion disk and excite iron K-shell electrons Subsequent decay produces Fe K-alpha line at 6.4 keV Broadened by relativistic effects (Doppler and gravitational redshift)

Broad & Narrow Absorption-Lines
High velocity outflows (up to ~0.1c) Sizes are uncertain: similar to BLR? (<torus) Small sizes imply modest kinetic energy
椭圆星系
•在大的星系团的中心，总是观测到一个或者更多的 巨椭圆星系：~1013太阳质量，~300 000光年（比银 河系大九倍），很多星系并合的结果；数量不多 •一般的椭圆星系：~106太阳质量，~1000光年
•年轻恒星很少，恒星形成基本停止，气体已经用完
•椭圆星系占了宇宙中总星系数目的1/3
漩涡星系
银心的X射线观测
银心区域包含很多的黑洞和中子星双星系统
银心的超大质量黑洞在X射线波段 很暗
Chandra X-ray image of Sgr A*
Genzel etal 2003, Nature
世界上第一个 3.5毫米 VLBI 图像
UN beam 1.11 mas x 0.32 mas @ 9

吸积盘的冕


Very hot gas responsible for the X-ray emission X-rays irradiate the disk, which alters the X-ray spectrum
红外: 尘埃辐射
Dust in the molecular torus absorbs optical/UV radiation from the accretion disk Dust heated to ~100 to 1000K. Emit in the IR L_IR ~ L_UV: torus intercepts ~half the light
•M33朝向银河系 的运动速度： ~24km/s •谱线宽度：M33 边界相对中心的运 动速度： ~100km/s
•假设星系是圆形的：观测为~71x45角分，星系的倾角： acrsin(45/71)=~39度 •速度改正：100/sin(39)=158km/s •M33的半径：~71角分，71/(60x57.3)=0.020弧度

Light travel time argument: a source that varies significantly in time t must have size R < ct
活动星系核的统一模型
活动星系核的能源：超大质量黑洞吸积

Efficient, compact, and capable of producing high-energy emission and jets

窄发射线区
Gas located ~kpc from the black hole Photoionized by radiation escaping along the polar axis of the torus

射电源

A highly collimated flow of kinetic energy in twin relativistic jets that begin near the black hole and transport energy to very large scales
在可见光波段被气体和尘埃严重吸收
Extinction by 30 magnitudes Only 1 out of 1012 optical photons makes its way from the GC towards Earth!
Galactic center
Wide-angle optical view of the GC region
转动曲线：~刚 体
银河系的结构 •中性氢发射21cm射电辐射 •中性氢云团的速度：多普勒效应 •漩涡结构
氢线的观测
21cm氢线的产生机制
跃迁几率：2.9x10-15/s 第一次观测：哈佛大学的Edward Purcell教 授与他的研究生Harold Ewen,1951,角型天 线
银河系中心
•两种星云同时存在：鹰状星云（巨蛇座，Serpens）; 马头星云（猎户座）
银河系的大小、形状和结构
Shapley测量 了银河系100 个球状星团 结论：球形 分布；太阳 距离银心的 距离；银河 系的尺度
太阳距离银心 的距离： ~8.3Kpc 太阳绕银心的 速度： 220 km/s
环绕周期： 230 百万年
星系的哈勃分类
Elliptical Spiral Irregular
The Hubble Tuning Fork
宇宙
星暴星系
•辐射更多的红外、和射电 •恒星形成剧烈，年轻恒星的辐射加热星系中的尘埃， 辐射红外辐射；如果有些地方尘埃少，可以直接看到 非常热的恒星的紫外辐射 •HII辐射强的射电辐射 •超新星爆发，激波加速电子射电辐射 •在星系的中心，超新星遗迹在光学波段不可见，但 是在射电波段可见
第八章：星系与宇宙的大尺度结构
银河系
•可见物质：恒星（96%）+气体+（3%）尘埃（1%） •暗物质
疏散星团（开团，open star clusters）
•疏散团与球状星团 •疏散星团：由巨大的尘埃和气体团中形成大量的恒 星而形成，位于银河系盘面 •由数百颗至上千颗由弱引力联系的恒星组成，恒星 密度比球状星团低很多，直径<数十光年 •位于恒星活跃形成区，年轻，只有数百万年的历史 •可能仍然含有分子云的残迹，星团产生的光：HII区 •其中恒星的年龄和化学成分相近 •例子：金牛星座中的毕（宿）星团（Hyades），昴 星团（Pleiades）；英仙座中的双重星团
Shen et al. 2005 Nature
黑洞“阴影”
～５Rs
～５Rs
其它星系
•原先被称之为“白星云”
•世纪之争：银河系之外还是银河系之内？
•Cepheid变星定距离：银河系之外！
•Edwin Hubble分类
•星系群（最多~100星系）；星系团（1001000星系）
椭 圆 星 系
银河系的相对大小
星暴星系：M82
射电观测： 中心有50个 SNR SNR速度： ~20 000km/s 最年轻的SN： ~35年前
活动星系
Quasar is short for Quasi-stellar object. Note how star-like this quasar appears compared to the star.
吸积盘的辐射
Given the size (few to ten Schwarzchild radii) the accretion disk and its luminosity, we expect thermal emission peaking in the far-ultraviolet The source of the “big blue bump”
1840s
漩涡星系
漩涡星系根据它们盘和核球的相 对比重分类：Sa, Sb, Sc
More bulge 有棒的星系： SBa, SBb, SBc
More disk
盘越多意味着更多的 恒星形成
•核区：恒星年老，颜色：黄、橘红、红 •旋臂：恒星年轻，颜色：蓝色（这类恒星的相对数目少）
漩涡星系中的暗物质
•在星系形成的时候产生？ •例子：英仙座中的M13；半人马ω球状星团
星际介质（ISM）和发射星云
•ISM：气体和尘埃组成 •大多数ISM不可见 •发射星云：气体发光，猎户大星云（Great Nebula of Orion），恒星形成，HII区，波长之一：6563Å
•暗星云：气体遮蔽了星系的光，煤袋星云（Coal Sack）