天体物理11河外星系课件.ppt

1、第十 一讲 河外星系一、河外星系的发现二、星系的形态和分类三、星系团四、活动星系一、河外星系的发现 星云 1781年，梅西耶和他的星云表：103个星云，如：M31是仙女座星系 1864年，约翰赫歇尔刊布了“星云总表”，列出了5，079个 天体。1895年，德雷尔“新总表”简称NGC，共包含7，840个星 云，不久，又出版了两本“新总表补编”简称IC。新总表及其补编合计有15，000个星云 如：仙女座星系NGC224。总共103个星云 其中：26个疏散星团，29个是球状星团，12个 气体星云，。其他的1/3现在证实是河外星系。如：M31是仙女座星系 梅西耶星云表 1755年，德国哲学家康德认为宇

2、宙是无穷的，无限的宇宙有数量无限的星系。18世纪80年代，威廉赫歇尔将一些梅西叶天体分解为恒星 1845年，罗斯勋爵制成口径1.84米的反射望远镜，将50个赫歇尔的星云分解为恒星，证实有些星云是星团。他还发现M51有旋涡状的结构，认为它是自转的恒星旋涡。星云的本质是什么？20世纪初，口径更大的望远镜拍到许多更微弱的星云，很大一部分是有旋涡结构。旋涡星云是什么？1920年4月，沙普利和柯蒂斯关于宇宙尺度的辩论：坚持没有河外星系，柯蒂斯认为有河外星系。1923年10 月，哈勃利用造父变星的观测推算出仙女座星云离开我们是225万光年，是河外星系。仙女座星系目前可观测宇宙有4 1010个星系。二、星系

3、的形态和分类（一）星系的分类哈勃分类：根据星系形态的不同，星系可分为五类：椭圆星系，透镜状星系，旋涡星系，棒旋星系 不规则星系。(1)椭圆星系：呈椭圆形或正圆形，没有旋涡结构。按椭率大小E0、E1、E7八个次型。椭率n=10(a-b)/a没有星系盘，观测不到21cm射电辐射，没有或仅有少量气体和尘埃，没有O型和B型星，成员主要是质量小于太阳的年老的星。大小悬殊巨椭圆星系109pc矮椭圆星系103pcab(2)旋涡星系：具有旋涡结构的星系。中心部分是球状或椭球状的核心，外面是扁平的星系盘。有球状的星系晕。星系盘和旋臂颜色偏蓝，有大量尘埃和年轻恒星；星系晕偏红，尘埃很少，由年老恒星组成。按核球大小

4、和旋臂的缠卷程度，分Sa、Sb和Sc三个次型；Sa型的核球最大，旋臂缠卷最紧。银河系是Sab型。Sa型 Sb型 Sc型()棒旋星系：中心有棒状结构的旋涡星系，旋臂源于棒的两端。按棒的大小和旋臂的缠卷程度，分SBa、SBb和SBc三个次型；SBa型的棒最大，旋臂缠卷最紧。()透镜状星系：(S0和SB0)介于椭圆星系和旋涡星系之间的星系，与旋涡星系的差别是没有旋臂，与椭圆星系的差别是有星系盘。主要由年老恒星组成，气体很少。(5)不规则星系：(Irr)它们没有旋涡结构，形状不对称，不存在可辨认的核，有的好象碎裂成几部分。富含星际尘埃和年轻恒星。分为Irr I 和Irr II两类。前者有隐约的旋涡结构

5、；后者是完全不规则的，尘埃带很明显，它们的不规则形状可能是由某种扰动如星系爆发或星系间碰撞引起。质量最大的巨星系和质量最小的矮星系都属于椭圆星系。椭圆星系的质量光度比最大，表明这类星系中含有大量对质量贡献大，对光度贡献小的天体，可能含有较多的红矮星、白矮星、中子星和黑洞。目前可观测宇宙有4 1010个星系。已经观测到的星系中不规则星系约占3%，旋涡星系占77%，椭圆星系占20%。由于旋涡星系一般是光度很大的星系，而在很远的地方只能看到亮星系；所以这种统计并不代表各类星系真实的比率，很有可能最多的是低光度的不规则星系和矮椭圆星系。三、星系集团 星系在空间中的分布并不是均匀的，在相互引力的作用下有

6、聚集成团的趋势。孤立的星系只占少数，多数星系是双重星系和多重星系的成员。比多重星系 更大的系统有星系群(星系团)和超星系团。银河系跟大、小麦哲伦星系一起组成了一个三重星系，而且它们同属于本星系群。银河系和仙女星系是本星系群中两个最大的成员星系，分别位于本星系群的两端，在引力作用下相互绕转。（一）本星系群 本星系群有35个成员，它们位于1Mpc的范围内。成员大部分是矮椭圆星系和不规则星系。有三个旋涡星系：银河系、M31、M33。银河系大、小麦哲伦云 15191521年，麦哲伦环球航行时在南美洲南端的一个海峡（麦哲伦海峡）看到天顶附近有两个很大的星云。大麦哲伦云：距离49kpc，线直径10kpc，

7、质量11010Msun。小麦哲伦云：距离58kpc，线直径4kpc，质量2109Msun。与银河系比它们都很小。含有大量的星际气体，尤其是小麦哲伦云，它的气体含量占总质量的1/3，比银河系中的多得多。是离我们最近的星系，在恒星和星系研究上都占重要地位：造父变星周期光度关系；1987A超新星位于大麦哲伦云。这两个星系有一个共同的气体包层，并且有HI气体从它们流出，一直延伸到银河系，形成“气体桥”。这座“桥”是由银河系的潮汐力作用下从大、小麦哲伦云拉出气体而形成的。仙女星系(M31)目视星等4.3m，是地球上人类肉眼能看到的最远的天体。距离680kpc(220万光年)，可测线直径52kpc，是本星

8、系群中最大的星系。可能有7个伴星系，它们都是矮椭圆星系，最大的一个直径为4.2kpc。（二）本超星系团 比星系群和星系团更高一级的是本超星系团。本星系群所处的超星系团是本超星系团。它是一个扁平状的集团，长30Mpc，厚1.8Mpc，质量中心位于室女星系团本星系群（三）星系间的相互作用银河系内恒星之间距离相对于恒星自身直径的比值为106，而星系团中星系间的距离相对于星系自身尺度的比值只有102。可见，星系团内星系的分布很密集，星系相互碰撞或相互扰动的几率很大。NGC2207和IC2163Antenna galaxy(NGC4038和NGC4039)数值模拟Cartwheel（车轮）（车轮）gal

9、axyThe Tadpole(蝌蚪),UGC 10214The Mice（老鼠）,NGC4676四、活动星系 绝大多数星系都是正常星系，约有2%的星系表现出非热辐射、爆发、喷发等强烈的活动性。我们主要介绍：（1）赛弗特星系 （2）射电星系 （3）类星体（一）赛弗特星系 1943年，美国人赛弗特发现六个旋涡星系的光谱中有非常亮的核和异常宽的发射线。赛弗特星系占全部旋涡星系的1%，大都离我们几亿秒差距远。赛弗特星系的能量集中在星系核，典型的赛弗特星系核比银河系亮上万倍，最亮的甚至达到银河系总亮度的10万倍。星系核的光度有快速变化，变幅在23倍，变化期短的在几天，长的在几年。NGC 4151：距离4

10、000万光年。核特别明亮，如果只是短时间拍照，只能看到核；经过长时间暴光拍照，才能看到旋涡结构。核区尺度只有1/6光年，整个星系比核区大几千倍。（二）射电星系 射电功率大于1034瓦的星系，射电功率远大于正常星系，甚至大于正常星系的总光度。大部分活动星系是射电星系，而射电星系中大多数是大的椭圆星系。射电星系与赛弗特星系的主要区别：辐射能量集中在波长更长的射电波段；而且射电辐射不是来自星系核，而是来自更广阔的区域，甚至可以延伸到几兆秒差距。在形态上分为三种：致密型双源型头尾型 致密型：射电区不大于光学像的范围。典型源：M87，是一个巨椭圆星系。在光学和射电辐射对应的都有喷流。喷流长2kpc，包含

11、106Msun的物质，光度107Lsun，喷流物质以接近光速运动。喷流实际上有几个团块组成。光学照片射电图片 双源型：射电辐射十分延展，超过光学像的范围，在光学星系两边有两个巨大的射电瓣，射电辐射主要来自射电瓣。典型源：天鹅A，离银河系170Mpc，是看起来最强的射电源，功率1038瓦量级，比银河系射电辐射强几百万倍。射电瓣与星系相距50kpc，瓣直径17kpc。头尾型：射电辐射呈头尾状，辐射区的头围绕着光学星系，尾巴从光学星系延伸出去。典型源：NGC1265 有两条尾巴，延伸几十万秒差距。（尾巴的形成：可能是星系快速运动，而它喷出的物质由于与星系际物质相互作用而减速，被拖在后面。）致密型和延

12、伸型射电星系在本质上是一致的，形态的不同只是因为观测者的观测方位不同而引起的。（三）类星体 为了探究射电源的本质，需要搜索它们的光学对应体。1960年，美国的桑德奇在射电源3C48位置找到了视星等16m的恒星状天体，呈蓝色，有光度变化，而且光谱中有几条陌生谱线。1962年，确定了3C273的光学对应体是13m的蓝色恒星状天体，它光谱中的发射线跟已知的谱线都不重合。1963年，荷兰天文学家施米特指出3C273的神秘光谱中最亮的一些发射线是氢的谱线，只是红移了15.8%，即红移Z=0.158，所以不易证认。后来发现3C48的红移Z=0.367。3C273目前发现类星体最大红移为Z=6.28。一般认

13、为类星体的红移意味着它在远离我们。红移量Z=/退行速度较小时Z=v/c 较大时 Z=(1+v/c)/(1+(v/c)2)1/2-1Z=0.357时，退行速度约为光速的1/3.而Z=6.28对应速度为0.96c.类星体区别于其它天体的依据，除了它的大红移外，还在于它们是恒星状天体，一般认为光学像的主要部分角直径不超过1。除了光学辐射，有的类星体有很强的射电辐射，有的类星体有强的X射线辐射。个别类星体观测到光学喷流，少数类星射电源有射电喷流。3C2733C334类星体红移的争论：根据类星体距离和视亮度，可以知道它们有很大的光度，一般在1038瓦到1042瓦之间，如：3C273的光度为1040瓦。对

14、比：银河系 1037瓦 赛弗特星系、射电星系1038瓦 这样大的辐射功率集中在几光年甚至几光时的小区域内，这给解释能量来源带来了困难。非宇宙学红移 如果哈勃定律对类星体不成立；它们是较近的天体，就不存在能量来源的问题。美国天文学家阿普找到了一些对宇宙学红移有挑战性的例子：透镜状星系NGC3384（Z=0.003）附近有六个类星体的红移集中在Z=1.111.28，而且其中5个跟该星系几乎在一条直线上。如果它们互不相关，排成一直线的几率很小。所以，这些类星体可能是该星系喷射出的团块物质，它们的大红移并不表明它们比NGC3384更远,也不表明它们远离我们的速度比NGC3384更大。现在一般还是认为类

15、星体的红移是宇宙学红移。NGC3384 类星体的本质：可能是星系核 哈勃望远镜观测到类星体周围有云雾状结构，说明类星体是星系的核心，云雾状结构是星系中恒星的辐射。活动星系 绝大多数星系都是正常星系，约有2%的星系表现出非热辐射、爆发、喷发等强烈的活动性。我们主要介绍：（1）赛弗特星系 （2）射电星系 （3）类星体（四）活动星系的能源活动星系的共同特征：1.高光度，具有大星系量级或高得多的光度。2.非热辐射（射电、红外或X射线辐射很强）3.辐射功率有快速变化，表明辐射区域很小，一般不超过1秒差距。4.具有亮核或喷流等爆发形态。5.具有宽的发射线，表明内部气体随机运动速度很大。活动星系能源的模型黑

16、洞吸积模型：星系活动性源于星系核心区的大质量黑洞。大质量黑洞吸积附近的物质，物质在下落的过程中引力能转化为巨大的热能。活动星系的中心质量黑洞在106到1010Msun之间，要求这样大的黑洞是因为辐射功率很大，很强的辐射压力要靠引力来平衡。要产生1038瓦的功率，黑洞每年需要吸积0.1Msun的物质。黑洞在吸积过程中，可能在转动轴方向上形成喷流，喷流与星际物质的作用可以产生射电瓣。星系的演化 类星体的红移最大，即宇宙在早期类星体相对较多，而正常星系较少。星系刚形成时，由于中心黑洞周围物质很多，吸积效率很高，活动性很强，表现为类星体。随着中心黑洞附近物质逐渐耗尽，核心光度逐渐减少，表现为射电星系或赛弗特星系。当核心的吸积逐渐停止时，星系成为正常星系，辐射主要来自恒星的热辐射。第十一讲 河外星系一、河外星系的发现二、星系的形态和分类三、星系团四、活动星系