天文学导论课件,北师大版

Quasar PKS 1127-145

X-ray
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The first quasar 3C273 with very strong, wide, unknown emission lines In 1963 Maarten Schmidt interpreted the optical emission lines of 3C273 as hydrogen Balmer lines redshifted by 16%.
第六章 星系
1. 2. 3. 4. 星系的形态和分类 活动星系 引力透镜 视超光速运动

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Andromeda (M31)
BULGE

DISK DUST LANE

HII REGION COMPANION
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M31 Sb or SAb + NGC 205 + M32 (+ Moon, for scale)

IC5152

M82
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Large Magellanic Cloud

Small Magellanic Cloud
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The Magellanic Stream

A 180º long thin stream of neutral hydrogen clouds connecting the Galaxy and the Magellanic clouds.
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所有这些激烈的物理过程主要是集中在星系的 核心，或者是由核心引发的。 通常也称这类星系为活动星系核（Active Galactic Nuclei,简称AGN） 只要不是专门讨论活动星系本身的结构，两者 之间不再严格加以区分

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1918年（美）柯 蒂斯（Curtis）发 现星“云”M87的 光学喷流

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2. 活动星系
活动星系核的特点和分类：
星系普遍存在着活动现象（爆发，激波，吸 积，喷流，大量恒星产生等）。 绝大多数活动规模很小，辐射大部分由恒星发 出，主要在光学波段，物理过程处于热平衡状 态—正常星系。 少部分活动激烈，含有大量非恒星物质，辐射 遍布全波段，具有非热辐射性质，物理过程远 非热平衡和引力平衡—活动星系

 c sin  v  1   cos 

Observer

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活动星系的演化 (1) 类星体是宇宙演化早期 的天体。 (2) 在类星体、活动星系和 正常星系的核心都有证据 表明存在超大质量的黑洞。 (3) 从类星体到活动星系到 正常星系，星系的活动性 逐渐降低。 因此，一种可能的演化路 径是：

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太阳的化学组成
元素 Hydrogen Helium Oxygen Carbon Nitrogen Iron Silicon Magnesium Neon 质量丰度 73.5% 24.8% 0.788% 0.326% 0.118% 0.162% 0.09% 0.06% 0.16%
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透镜状星系(Lenticular galaxies)

因此“仙女座大星云”必定是河外星系 !

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星系的哈勃分类
根据星系形态的不同，哈勃首先提出星系可以分为椭 圆星系、透镜状星系、旋涡星系、棒旋星系和不规则 星系5种类型，称为哈勃分类。

“Early”

“Late”

The Hubble Sequence, or The Hubble Tuning Fork 1929

C. Messier

W. Herschel

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哈勃的裁决
1924年，哈勃 (Edwin Hubble) 分解出 “仙女座大星云” (M31) 中的造父变星， 证实它确实是恒星系统。 由造父变星周光关系哈勃估计M31的距 离285 kpc（实际距离778 kpc） > 最远 的球状星团的距离 (100 kpc) 。

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1. 星系的形态和分类
河外星系的发现: 1750年，英国教士赖特提出 银河是恒星系统。 1755年，康德指出旋涡星云 的扁平形态是由于转动引起 的，它们是和银河类似的 “宇宙岛”（island universes) 。
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Inscription over Kant's tomb Two things fill the mind with ever-increasing awe - the starry heavens above me and the moral law within me.

活动性降低 可供消耗的原料减少

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棒旋星系 (Barred spiral galaxies)

Type SBa

Type SBb

Type SBc
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银河系主要成分 (1) 银盘 (disk) （旋臂spiral arm）、 (2) 核球 (bulge) 、 (3) 银晕 (halo) 、(4) 银 冕 (corona)

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星族 (population)
1944年Walter Baade发现星系晕与核球中的恒 星明显比盘中的恒星颜色偏红。 Baade由此提出星族的概念。

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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。
从射电源 N 发出的光子分别经过 100 年和 101 年到达 B 点和 A 点。 但对地球上的观测者来说，似乎 射电喷流在1年的时间内就从B点 运动到 A 点（ 14 光年），即运动 速度是光速的14倍
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视超光速现象并不表明天体的运动速度是超光速的， 而是由观测几何效应引起。当运动速度为v＝c的天 体抛射物的运动方向与观测者的视线方向夹角为 ， 其视横向速度为

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Quasars, QSOs
Optically appear almost as point sources. Quasars – quasi-stellar radio sources QSOs – quasi-stellar objects.

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Normal galaxies

Optical
Originally covered Ellipticals to Spirals
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de Vaucouleurs extensions
与哈勃分类法最主要的区别是在旋涡星系的分类上：de Vaucouleurs 加上了第三项特性：内部的环。 • 旋臂：星系的分类从E，经过S0与其他的形态，到Im。 • 棒：星系的分类为A（一般的）或B（棒状结构），介于两 者之间的则以AB 表示。 • 环圈：星系的分类为s（没有环圈），r（有环圈），或sr （环圈不完整）Hale Waihona Puke Baidu • 一个星系可以被分类为SAB(rs)c – Sc，意思是棒不明 显，环圈也不明确的旋涡星系。 M31：Sb or SAb

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微引力透镜 (Gravitational Microlensing)

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When the distant object, the lens galaxy and the Earth are perfectly aligned, the lens galaxy formed a perfect ring-like image known as an Einstein Ring. Otherwise, the lens galaxy forms multiple images of the distant object.

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星系质量测量结果
正常旋涡星系质量~ 109 -1012 M⊙ 椭圆星系质量~ 105 -1013 M⊙ 不规则星系质量~ 106 -1010 M⊙ 星系团质量~ 1013 -1014 M⊙ 星系和星系团的引力质量大约是可见质量的10倍。

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星系的大小变化很大： 不规则星系，只有银河系的1％－25％； 巨椭圆星系，银河系大小的5倍； 矮椭圆星系，银河系大小的1％。

The Distance Ladder

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巨椭圆星系M 87的核心区域中快速旋转的吸积盘
旋转气体，与喷流方向垂直

喷流

核

M~3×109M⊙

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Galaxy interaction
Objects Distance/ Diameter Planets in the Solar System 105 Stars in the Galaxy 106 Galaxies in clusters 102
介于椭圆星系和旋涡星系之间的、无旋臂的盘星系，根 据核心是否有棒状结构，符号相应为S0或SB0。 在形态上，透镜状星系与旋涡星系的主要差别是没有旋 臂；与椭圆星系的主要差别是有星系盘。 主要由年老恒星组成，气体很少。

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不规则星系(Irregular galaxies)
外型或结构无明显对称性的星系，符号为Irr。 无旋臂和中心核区。 富含星际气体、尘埃和年轻恒星。

Maarten Schmidt

HST+VLA
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The Redshift method
  0  z  0 0
1 v / c z 1 2 1/ 2 [1  ( v / c) ]

V＝H0×r
km/s km/s/Mpc Mpc

一些星系的距离、CaII的H、 K谱线和退行速度
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德国哲学家 康德

康德的墓志铭

位于俄罗斯加里宁格 勒的康德墓碑

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“星云”的观测
1781年法国天文学家Charles Messier发表了包含110个星云 （其中40个实际上是星系）的 The Messier Catalogue。 1800年英国天文学家William Herschel发表包含2500个天体 的星表。 1864年John Herschel发表The General Catalogue of Nebulae and Clusters of Stars, 后来演变为包含超过 10,000个星系的New General Catalogue. 如仙女星系：M31, NGC224.

→ denser distribution of galaxies in clusters → more likely to collide

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NGC 4676a/b

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3. 引力透镜
Gravitational Lensing 引力透镜

双类星体AC114具有完全相同的谱与红移

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它们实际上是同一类星体的引力透镜表现。 引力透镜——引力场源对位于其后的背景天体（如类星 体）发出的电磁辐射所产生的会聚或多重成像效应。 Gravitational lensing is the deflection and focusing of light from a background object by the gravity of some foreground body.
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椭圆星系(Elliptical Galaxies)
n=10(a-b)/a

Type E0

Type E3

Type E7

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旋涡星系(Spiral galaxies)
按照核球的大小和旋臂的缠卷程度，旋涡星系可以分为 Sa, Sb, Sc三个次型。Sa型核球最大，旋臂缠卷最 紧，Sc型核球最小，旋臂缠卷最松。

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星系团中由引力透镜引起的弧形图像

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4. 视超光速运动 (Superluminal Motion)
天体的抛射物似乎以超光速运动的现象
如对类星体3C279的观测 发现，它的喷流中的团块 运动速度接近达到光速的 4倍。

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• 视超光速现象并不表 明天体的运动速度是 超光速的，而是由观 测几何效应引起，即 天体抛射物的运动方 向接近于观测者的视 线方向，且运动速度 接近于光速。