第四篇 银河系和河外星系1(银河系)0

中国科学院上海天文台沈志强研究员领导的一个国际天文研 究小组，通过对位于我们银河系中心被称为人马座A*（Sgr A*）的神秘射电发射源的高空间分辨率观测，发现了支持 “我们太阳系所在的银河系的中心存在超大质量黑洞”观点 的迄今为止最令人信服的证据。该研究成果刊登在2005年11 月3日出版的英国《自然》周刊上。 沈志强及其合作者，包括美国国家射电天文台台长鲁国鏞， 美国加州理工学院的梁茂昌，美国哈佛—史密松天体物理中 心的贺曾樸（现任中国台湾天文暨天文物理研究所所长）和 赵军辉，利用国际先进的甚长基线干涉阵（VLBA）于2002年 11月3日成功获得了Sgr A*在3.5毫米波长上的首个图像，并 进而确定该源的真实直径与地球轨道半径相当。也就是说， 这个至少400万倍于太阳质量的Sgr A*所占区域的直径只有 1.5亿公里，由此推断出的最小质量密度比任何目前已知的黑 洞候选者的密度都要大了一万亿倍以上，强烈地支持Sgr A* 是超大质量黑洞的物理解释。
§2 银河系的旋涡结构
1. 银盘 构成：星族I恒星、气体和尘埃 直径：D ~ 30 kpc 厚度：h ~70-300 pc
D >> h
2. 银河系旋臂的证认
(1) 光学观测 示踪天体 O, B型星、年轻的疏散星团、发射星云和一次电离氢 （HII）区、经典造父变星。 方法 视星等 绝对星等（标准烛光） 距离模数 m-M→ 距离 造父变星周光关系 → 距离 限制 星际尘埃消光。 太阳附近恒星的分布
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 ： ①MACHOs (Massive Compact Halo Objects) 如褐矮星、行星、致密星、电离气体等。 ②WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) 如质量非零的中微子或其他未知亚原子粒子。
由银心附近恒星的运动推测在银 心集中了~3×106 M⊙的质量。 人马座A的尺度 < 10 AU 大质量的黑洞?
2000年10月26日Chandra卫星观测到银心X射线源的爆 发现象。在几分钟内，亮度增大约45倍。约3小时后， 亮度快速回落到爆发前的水平。 造成光变的原因被认为是大质量黑洞的物质吸积。
(3) 银盘形成 气体收缩的同时旋转加快，形 状变扁，银盘出现。 银盘密度不断增加，第一代星 族I恒星形成，恒星以圆轨道绕 银心转动。 随着恒星的演化和超新星爆发， 新生恒星金属元素丰度逐渐增
加。 银河系的外晕可能形成于银河
系和其他小星系间的相互作用。
我国天文学家发现银河系中心存在超大质量黑 洞的最新证据
大质量恒星的寿命≤107 yr→ 旋臂消失
•
(2) 密度波理论
由林家翘和徐瑕生1963年在林德布拉德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
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
加入扰动引力势 f =A(r)cos(mφ) 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。
加入扰动引力势 f =A(r)cos[mφ-Ψ(r)] 非同轴椭圆轨道
——in The Starry Messenger
1750年 赖特T. Wright （英） ：
太阳是球壳状分布的无数 恒星中的一颗。
1755年 康德I. Kant（德）：
银河系是恒星组成的旋转扁盘，是 “宇宙岛”之一。
1785年赫歇尔W. Herschel （英）通过计量不同方向 的恒星密度，得到第一幅 银河系整体图像。银河系 为扁盘状，太阳位于中心 附近。
银河系广角图像
光学波段的银河系
射电波段的银河系
红外波段的银河系
X射线波段的银河系
γ射线波段的银河系
2. 银河系研究简史
1610年伽利略 Galilei（意）首先 用望远镜发现银河 由无数恒星组成。
"For the Galaxy is nothing else than a congeries of innumerable stars distributed in clusters."
利用引力透镜导致的光变现象搜寻银晕中的暗物质
§4 银河系的起源
1. 观测线索 银河系物质的化学组 成和动力学特征：金 属元素丰度越低的天 体离银道面越远（星 族I—星族II）。
基本假设
恒星诞生于星际气体云中，它们的元素丰度反映了气 体云的元素丰度。 恒星（球状星团）继承了气体云的转动。 大质量恒星演化得快，将核合成产生的重元素抛射到 周围的星际介质中。随着银河系的演化，新形成的恒 星的金属丰度逐渐增加。
2. 银晕
(1) 球状星团 年老的星族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 ~ 100 kms-1），离银心最 远距离达100 kpc。
(2)热气体
Chandra卫星的观测 表明在银晕中存在 大量的热气体。
热气体晕（X射线） 银盘内恒星（光学）
(3) 暗物质 (dark matter)
2. 银河系的起源
(1)初始状态 约100-140亿年前，原初气体云 (~100 kpc) 在引力作用下坍缩。 原初气体云只由H和He构成，没有重元素。 在坍缩过程中形成致密的核心和云块。
(2) 银晕形成 云块在坍缩过程中不断碎裂成为 更小的团块。 大约100亿年前，团块形成第一 代（星族II）恒星（球状星团）。 球状星团保持坍缩气体云的特征： 球对称分布，以无规则轨道绕银 心旋转。 第一代恒星中的超新星爆发过程 使气体云中重元素丰度逐渐增大。 迄今球状星团中的恒星只剩下低 质量恒星。
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）
3. 旋臂的理论解释
(1)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 ~2×108 yr，太阳年龄 ~5×109 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 表征旋臂的主要是年轻天体
第四篇 银河系与河外星系（1） — 银河系
本讲内容
§1 银河系的整体结构 §2 银河系的旋涡结构 §3 核球和银晕 §4 银河系的演化
§1 银河系的整体结构
1. 银河系全貌 银河是天空中的一个环带，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。西方称
Hale Waihona Puke 为“Milky Way galaxy”,中国古 人称为“天河”
Chandra卫星的X射线观测
CGRO卫星对银心区域的γ射线观 测表明每秒109吨正反物质湮灭。
Chandra X-ray Survey of the Galactic Center
Red: 1-3 keV Green: 3-5 keV Blue: 5-8 keV
银心附近红巨星的运动
(5) 银心 (nucleus)
(3) 红外与射电观测
观测表明银心区域的恒星分布高度密集（~ 5×104 pc-3 )， 比太阳附近恒星密度高107倍。
对银心区域的近红外(2.2μm)观 测（辐射主要来自年老的星族I 恒星）
强射电源——人马座(Sagittarius) A
(4) X, γ射线观测
强X,γ射线辐射源
683天区，11万颗恒星
1922年卡普坦J. Kapteyn（荷）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，首次估计银河系直径为50,000 ly，厚 度为10,000 ly，假设太阳位于银河系中心附近。
1920年沙普利H. Shapley（美）发现球状星团 均匀地分布在银河的两侧，并且有向人马座聚 集的倾向。 Shapley利用球状星团内的天琴RR型变星测量 星团距离，并给出球状星团的空间分布。
更令人兴奋的是，这是天文学家第一次看到距离黑洞中心如此 近的区域。根据爱因斯坦的广义相对论，超大质量黑洞的强引 力场会致使经过其边缘的光线发生弯曲，使其中央出现一个相 对于周围亮环状辐射显著变暗的阴影。对红外波段观测到的 Sgr A*周围的年轻大质量恒星的轨道运动的研究表明，Sgr A* 的质量约相当于400万个太阳的质量。这样的话，Sgr A*黑洞 的阴影直径是其在3.5毫米的辐射区域大小的一半。因此，未 来在1毫米或更短波长上的观测将很有希望触及与阴影直径可 比拟的区域，这为检验广义相对论提供了一个有力的工具。
(2) 射电观测 示踪天体 HI区、分子云。 方法 测量HI区21 cm谱线和分子 云的毫米波谱线Doppler谱 线位移 → 视向速度 → 转动速度 比较银河系自转曲线 → 距离 限制 气体云的转动是非圆的，在 圆运动的同时还有无规运动。
(3) 观测结果
银河系存在旋臂结构 : 英仙 (Perseus) 臂、 人马 (Sagittarius) 臂、猎户 (Orion) 臂、 天鹅 (Cygnus) 臂. 太阳位于猎户臂上
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。 (天文上常用铁与氢的原子数之比Fe/H表示金属丰度 ) 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。
§3 核球和银晕
1. 核球 (bulge) (1) 特点 银心在人马座方向， 椭球形，大小~6×4 kpc， 恒星分布十分密集， 数密度~1,600 ly-3, 是银河 系平均恒星密度的105倍。