15_河外星系及星系团

(2) 旋涡星系 (spiral galaxies)
具有旋涡结构的星系，符号 为S。 中心是球状或椭球状的核 球，外面是扁平的星系盘。 从核球两端延伸出两条或两 条以上螺旋状旋臂叠加在星 系盘上，盘外面是球状的星 系晕。 星系盘颜色偏蓝，星系晕和 核偏红。 在星系盘、特别是旋臂上主 要是星族I恒星以及气体和尘 埃，核球和星系晕主要由星 族Ⅱ恒星组成。
均 匀 膨 胀（V∝ D）
利用星系红移测量星系的距离
红移z 0.0 0.1 1.0 10.0 100 ∞ V/c 0.0 0.095 0.6 0.984 0.9998 ~1.0 1.0
c ( z + 1) − 1 D= 2 H0 ( z + 1) + 1
2
目前的距离 (Gly) 0.0 1.9 12.0 19.68 19.996 20
三、星系的形态和分类
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。
哈勃音叉图
(1) 椭圆星系 (elliptical galaxies)
椭球形的星系，符号为E. 按椭率大小的增加分为E0、 E1...E7八个次型。 n=10(a-b)/a 主要由星族Ⅱ恒星构成，没有星系盘，没有或仅有少 量星际气体和尘埃，颜色偏红。 恒星作杂乱的椭圆轨道运动。 中心区域最亮，亮度向边缘递减。 大小和质量相差悬殊。 巨椭圆星系 ~106 pc 矮椭圆星系 ~ 103 pc
只有年老的恒星 没有或很少气体和尘埃 近1010 yr没有明显的恒 星形成过程 恒星绕星系核心作无规 则轨道运动
包含年轻和年老的 恒星 富含气体和尘埃 强烈的恒星形成过 程 恒星和气体作无规 则运动
星系的相对数目 目前可观测宇宙中大约有4×1010个星 系。 不规则星系数目最多，其次是旋涡星系 和椭圆星系。
星系CaII的谱线,退行速度,距离,所在星系团
§22.2
星系的红移 1912-1920 年，V. M. Slipher通过测量 旋涡星系谱线的 Doppler位移发 现绝大多数的星 系具有谱线红 移，即它们正在 远离银河系。
1210km/s
18 Mpc
室女
230 Mpc 15000km/s
大熊
330 Mpc 21600km/s 600 Mpc 39300km/s 940 Mpc
自转曲线： 实心和空心点分别 代表HII 区和HI 区，实线 代表只考虑可见物质的自 转曲线 。
(2) 双重星系与星系团
谱线位移 → 星系的运动速度 +考虑星系间的距离 → 统计（引力）质量
(3) 测量结果
正常漩涡星系与椭圆星系质量~ 1011 -1012 M⊙ 不规则星系质量~ 108 -1010 M⊙ 矮椭圆星系质量~ 106 -107 M⊙ 星系团质量~ 1013 -1014 M⊙
“星云” 的观测
1781年法国天文学家Messier发 表了包含110个星云的“梅西耶 星表”，其中40个实际上是星 系。 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。 如仙女星系即M 31或NGC 224。
Hubble
Humason
讨论： 哈 勃 定 律 的 意 义 哈勃定律Z＝(H0/c)×D实际上是哈勃效应与多普勒效应 的联合反映。 哈勃效应就是宇宙整体的均匀膨胀，即任意一 对星系相互远离的相对速度 均与它们之间的距离成 正比： V ＝ H0 D
注意：这里是退行速度与距离成正比！
退行运动引起的多普勒红移为Z=(λ-λ0)/λ, 而由狭义相对论λ=λ0[(c+v)/(c-v)]1/2, 故 Z= [(c+v)/(c-v)]1/2 –1. 当v«c时 , Z = v / c . 即Z＝(H0/c)×D只是非相对论的近似。
第二十二章 河外星系 §22.1 一、河外星系的发现 二、星系的形态和分类 §22.2 星系的红移 §22.3-§22.2.4* 星系的光度与质量 §22.5* * 星系的演化 第二十五章 星系的集团分布
二、河外星系的发现
背景 1610年，伽里略发现银河由恒星组成 1750年，英国教士赖特提出银河是包括太阳在内 的恒星系统。 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) 。 对仙女座“星云”、大小麦哲伦“星云”等的辨认以及 距离测量不明
星系M100中的造父变星
标准烛光源 O, B型超巨星 新星 HII区 Ia型超新星 明亮星系
最远距离（Mpc） ~30 ~60 ~80 ~650 ~1500
2
星系的速度弥散—光度经验关系
Tully-Fisher关系 对旋涡星系，速度弥散ΔV = 220×(L /L⊙)0.22 H原子21厘米谱线宽度 速度弥散 光度 ~ 200 Mpc距离 Faber-Jackson 关系 对椭圆星系，速度弥散ΔV = 220×(L /L⊙)0.25
沙普利：银河系对旋涡星云施加了一种未知的排斥力 → 旋涡星云的隐带分布和退行现象。
柯蒂斯：有些旋涡星云（实际是侧视旋涡星系）的中心面 有一条暗带。 如果银河系也有类似的暗带， 如果我们位于银河系的中心面附近， 如果旋涡星云是河外天体， →我们看到的 旋涡星云的分布就会 出现隐带。
哈勃的裁决
1924年，哈勃用威尔逊山254cm镜将“仙 女座大星云” (M31)外围部分分解为单个恒 星，并证认出其中的几颗造父变星。 既证明了M31确实是恒星系统，又由造 父变星周光关系估计了“仙女座大星云”的距 离为250 kpc（*实际距离800 kpc） > 最远 的球状星团的距离 (100 kpc) 。 因此“仙女座大星云”必定是河外星系 ! *巴德的修正 1944年，巴德用帕洛马山5m镜将M31的 核心部分分解为单个恒星，并证认出其中 300多颗造父变星。 1952年，巴德校正了造父变星的周光关系 （由星族Ⅱ改为星族I ），重新测算出实际 距离为800 kpc
仙女座大星系=M31=NGC224
1920年， Shapley发现球状星团的空间球对称分布， 通过观测球状星团内的天琴座RR型变星，确定银河系 的大小（100 kpc）和太阳系到银心的距离（16 kpc）。
1920年，沙普利-柯蒂斯 (Shaplry-Curtis) 关于宇 宙尺度的大辩论 (the great debate)
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。
(3) 棒旋星系 (barred spiral galaxies) 中心有棒状结构的旋涡星 系，符号为SB。 旋臂源于棒的两端。 按照核球的大小和旋臂的 缠卷程度，棒旋星系可以 分为SBa, SBb, SBc三个次 型。其中SBa型核球最 大，旋臂缠卷最紧。
回溯时间 (Gyr) 0.0 1.9 12.0 19.68 19.996 20
宇宙学红移:
广义相对论认为，由宇宙空间膨胀直接导致光 波波长的膨胀，进而表现为星系谱线频率红 移，称为 cosmological redshift。 如果宇宙的膨胀对时间也是均匀的，可以推 测： 宇宙的年龄为 t（哈勃时间）＝D/V＝1/H0 , 实际上，膨胀可能是减速的或加速的。 定义：哈勃距离= c /H0 . 而宇宙膨胀率= V / D = H0 .
(M/L)Irr＜(M/L)S＜(M/L)E ， (M/L)⊙＝1
§22.5**星系的形成与演化
1. 星系的形成
比较： 星系形成—恒星形成 困难： 没有观测到星系形成前的宇宙状态。 星系远比恒星复杂，更加难以观测，更加难以解 释观测资料。 星系间频繁的碰撞使得难以追溯它们的形成历 史。
处于婴儿期的（高红移）星系
(4) 透镜状星系
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。
(5)不规则星系
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。 分为IrrⅠ和Irr Ⅱ两类。I型星系具有隐约可见的旋涡结 构，Ⅱ型星系无定型的外貌，往往有明显的尘埃带。 它们可能是正在爆发或爆发后的星系，或是受伴星系 的引力扰动而扭曲了的星系。
星系的速度弥散—光度经验关系
星系质量越大 → 恒星运动速度越快 → 速度弥散越大 → 谱线越宽 星系质量越大 → 光度越高 → 光度 谱线宽度
宇宙距离Байду номын сангаас梯
§22.2.4*
星系质量的测量
(1) 旋涡星系的自转曲线 谱线位移 →自转速度 → 质量
星 系 NGC 247 ： 蓝色和红色分别表示恒星 和HII 区的辐射。
(4) 星系中的暗物质
漩涡星系的自转曲线 → 引力质量比可见质量大 3-10倍。 星系团的引力质量大约是可见质量的10-100 倍。 宇宙中90%以上的质量来自暗物质。
小结
直径（ly） 质量（M⊙ ） 光度（L⊙ ） 颜色 气体百分比 恒星类型 质光比
星系的基本性质
旋涡星系 90×103 1011-1012 1010 蓝（盘） 红（晕与核） 5% 年轻（盘） 年老（晕与核） 不规则星系 20×103 106 109 蓝 15% 年轻 矮椭圆星系 巨椭圆星系 30×103 105-107 108 红 ＜1% 年老 150×103 1013 1011 红 ＜1% 年老
视界与奇点
星系的退行表明我们不可能观测到比
哈勃距离= c /H0 更远的地方。
若D⇒ c /H0，则V= H0 D ⇒ c,
Z= [(c+v)/(c-v)]1/2 –1⇒∞,即 ν⇒0.
星系的退行还表明在过去它们必定离得很近→ 宇宙膨胀有起点吗？难道是奇点？
§22.3 * 星系的距离与光度
1.星系距离的测量 (1) 利用造父变星的周光关系测量星 系距离 最远距离：~20 Mpc (2) 标准烛光法 (the standard candle) 通过比较星系中可证认的某些标准 （明亮）天体的视星等和绝对星等 来确定星系的距离。 特点： 光度高且基本恒定。
长蛇 牧夫 北冕
1929年Hubble与Humason把测得 的一些星系距离D与Slipher的数据一 起分析，发现D与星系的谱线红移Z成 正比, Z＝ ( H0 /c ) ×D, 称为哈勃定律. 其中哈勃常数 H0 > 50 km · s-1 · Mpc-1 ≈15 km · s-1 · Mly -1 在2003年，利用WMAP所得出最高精 度的宇宙微波背景辐射测定值为 71±4 (km/s)/Mpc
IC5152
M82
小结
旋涡/棒旋星系 (S, SB) 由恒星和气体构成的扁盘 （包含旋臂和核球）和星 系晕。棒旋星系的核心有 棒状结构 盘包含年轻和年老的恒 星，晕只有年老的恒星 盘包含大量气体和尘埃， 晕中的气体和尘埃很少 旋臂中有恒星形成过程 盘中的恒星和气体绕星系 核心作圆轨道运动， 晕中 的恒星绕绕星系核心作无 规则轨道运动 椭圆星系 (E) 球形或椭球形，除中心 核区外无其他结构 不规则星系(Irr) 无明显结构
“旋涡星云” 是银河系 内气体云， 银河系就 是整个宇宙。 辩论焦点 (1) 到“旋涡星云”的距离有多远？ (2) “旋涡星云”是恒星系统还是气体云？ 宇宙是由 无数类似 “旋涡星云” 的星系构 成的。
(3) 旋涡星云在天球上的分布为什么要避开银道面，从而 呈现出一条“隐带” (zone of avoidance)？
两种模型
(1) 自下而上模型 （bottom-up） 较小的（~106 M⊙）、 不规则星系首先形成。 星系合并形成较大的 （~109-1011 M⊙）星 系。 在引力的作用下聚集成 星系团和超星系团，产 生星系团间的巨洞。