第五章 星系

nullnull星 系null 在宇宙的大尺度结构中，星系占有重要地位，从对宇宙的认识来说，跨出银河系是极为重要的一步。自从 Copernicus 跨出认识宇宙的第一步后，经过 300 多年的艰苦探索，我们对人类在宇宙中所处的位置才有了比较清楚的了解。 对星系的研究是天体物理的一个重要课题。对类星体和活动星系以及活动星系核的研究是近年来的热门课题。到目前为止，已经发现大量的类星体和活动星系，如 Seyfert 星系，射电星系和星暴星系等。null§5.1 银河系（Milky Way) 地球以及太阳系所属的恒星系统 — 银河系在宇宙中是一个十分普通的星系。 在晴朗没有月亮的夜晚，可以看到天上有一条明亮而相当宽的光带，从地平向上延伸，到达最高后继续延伸到地平线的另一处，实际上是围绕整个天空的光环，即银河系。 首先对银河系做详细观测研究的是 Herschel 父子。他们在长期观测的基础上，于1785年得出了银河系的结构图。但他们认为太阳位于银河系的中心附近。 1918年美国天文学家 Shapley 指出太阳系位于银河系的边缘。1928年，瑞典的 Lindblad 和荷兰的 Oort指出银河系绕中心作较差自转。太阳绕银心一周为 2.5亿年。nullnull 银河系经过的星座有仙后、英仙、御夫、麒麟、南船、南十字、半人马、天蝎、人马、天鹰、天鹅、天琴座等，在我国，银河经过南船、南十字和半人马座那一段看不见，而经过天鹰、天鹅座那部分比较亮。著名的牵牛星（河鼓二，天鹰座 a)和织女星（天琴座 a）即位于银河两边。 银河系是一个圆盘状的恒星系统。直径约 50kpc，厚度约2kpc。主体部分称为银盘，中心为一个半径约 4kpc 的大质量棒状核心，是一个棒旋星系。银河系被直径约为 100kpc 的银晕笼罩。银晕外面范围更广、更稀薄的叫银冕。 银河系整体作较差自转。越靠中心自转速度越快。银河系中心位于人马座方向。太阳位于银道面以北约 8pc 处，距银心约 8.5kpc。银河系具有旋臂结构，从银河中心伸出四条旋臂：人马臂、英仙臂、猎户臂、盾牌臂。 银河系除了自转以外，还朝着麒麟座方向以 211km/s 的速度飞奔。银河系是一边旋转一边向前飞行，象一个巨大的飞碟。null矩尺猎户人马盾牌-半人马英仙 太阳null横看成岭侧成峰，远近高低各不同。不识庐山真面目，只缘身在此山中。 苏轼 ∙ 题西林壁 我们身处银河系内，虽然观测方便，但只能观测到银河系的一部分，难以看到银河系的全貌。 银河系的质量约为 1012M⊙，包含恒星总数在 3000亿颗以上。银河系的年龄估计在 100亿年以上。 1963年林家翘和徐遐生对旋臂现象给出了一个解释，即密度波理论。当恒星进入旋臂时，恒星密度增加，引力增强，因而速度变慢。另一方面，由于速度变慢，使恒星挤在一起，密度增加，引力变强，使这种状况得以维持。即旋臂的图样保持不变，但旋臂中的恒星却是在变化的。银河系银河系银河系银河系null红外波段的银河系null人马座天蝎座盾牌座蛇夫座银河中心Baade窗天枰座银河系中心位置null红外、X 射线、射电、γ 射线波段的银河系null§5.2 星系 我们对恒星的结构、演化等问题已经有了相当清晰的图象，但对于星系的了解还很不充分。我们虽然位于银河系内，但只能观测到银河系的一部分，为了更好地了解银河系，我们必须跳出银河系，把星系作为整体来研究。 早在18世纪，人们就发现天空中有一些模糊的云雾状天体，最初这些天体被称为星云（Nebula）。哲学家 Kant 提出，星云可能是和银河系类似的恒星系统。null 德国科学家 Humboldt 在1850年把 Kant 所说的类似银河系的天体系统称为宇宙岛。整个宇宙就象是无边无际的大海，那些无数个大大小小的云雾状天体就是大海中的岛屿。 经过100多年的争论，这一思想才被广泛接受。但在20世纪20年代以前，人们对于这些星云究竟在银河系内还是在银河系外，星云的本质等问题一直争论不休。 1612年德国天文学家 Marius 首先发现了第一个河外星云—仙女座大星云（M31）。null 随着望远镜口径的增大和观测技术的进步，发现了越来越多的云雾状天体。其中比较著名的有仙女座大星云，蟹状星云，猎户座大星云，大、小麦哲仑星云等。 1924年著名天文学家 Hubble 用当时最大的望远镜将仙女座大星云分解为恒星，并定出仙女座大星云的距离为 220万光年，远在银河系外，解决了 Shapley 和 Curtis 之间的争论，证实了 Kant 的思想。 1920年4月美国科学院曾在 Hale 主持下进行了一场 Shapley 和 Curtis 之间的大辩论。最后事实证明 Shapley 是错的。大麦哲伦星云大麦哲伦星云小麦哲伦星云小麦哲伦星云nullM31（NGC224）仙女座星系nullM33 （NGC0598），三角座星系null 有两种云雾状的天体系统。一种是和银河系类似的恒星系统，称之为河外星系。仙女座大星云实际上应称为仙女座星系。 另一种是弥漫星云，是体积巨大，密度非常稀薄的天体。这是真正的星云。 如果星云内部或附近有恒星，受恒星发射紫外辐射的激发，星云里的气体发出荧光，就成为发射星云。其光谱为明线光谱。如猎户座大星云，三叶星云等。 如果附近的恒星辐射较弱，不能使气体激发发光，只能反射恒星的光，就成为反射星云。其光谱为暗线光谱。 如果星云内部或附近没有恒星，则成为暗星云，只有在背景衬托下才能被看见，如马头星云。M42，猎户座大星云，发射星云M42，猎户座大星云，发射星云M20，三叶星云，发射星云M20，三叶星云，发射星云M78（NGC2068），反射星云（猎户座）M78（NGC2068），反射星云（猎户座）NGC7023，反射星云（仙王座）NGC7023，反射星云（仙王座）NGC2024，马头星云，暗星云NGC2024，马头星云，暗星云IC410IC410nullNGC 2438 MWC 922: The Red Square Nebula MWC 922: The Red Square Nebula null星系的分类一般用 Hubble 分类法，按其形态分为1）椭圆星系，用 En 示，其,其中 a, b 分别为椭圆的半长径和半短径。n 取整数。n 代表了椭圆的扁度，n = 0 为圆。2）旋涡星系，用 S 表示。旋涡星系有一个称为核球的核心，核球外面是一个圆盘状的旋臂结构。按核球大小和旋臂展开程度可分为 Sa, Sb, Sc 等次型。3）棒旋星系，用 SB 表示。与旋涡星系类似，也有旋臂结构，但核心是一个棒状物。也可进一步细分为 SBa, SBb, SBc 等次型。银河系为SBc 型。null4）不规则星系，用 Irr 表示。不规则星系没有一定的形状，没有可辨认的核，也没有旋臂结构。可以进一步分为 Irr I 和 Irr II 两个次型。5）cD 星系与矮星系， cD 星系是一些尺度特别大，直径可达几百万 pc 的弥漫星系。近年来还有人提出了扩展的分类法。 在已观测到的星系中，不规则星系的数量很少，大、小麦哲伦星云为不规则星系。 近年还发现一些尺度比较小的矮星系，用dE 或 dirr 表示。直径约为银河系的1/4左右，质量只有银河系的千分之一。nullnullM51 (NGC5194)旋涡星系 (猎犬座)M51 (NGC5194)旋涡星系 (猎犬座)这是一对双星系，较小的是NGC5195，NGC 6872 NGC 6872 Sideways Galaxy NGC 3628 Sideways Galaxy NGC 3628 M64 (NGC4826), 黑眼睛星系 (后发座)M64 (NGC4826), 黑眼睛星系 (后发座)M81(NGC3031)星系(大熊座)M81(NGC3031)星系(大熊座)M82 (NGC3034)星系(大熊座)M104 (NGC4594)，草帽星系 (室女座)M104 (NGC4594)，草帽星系 (室女座)nullM104, 草帽星系，中心可能有巨型黑洞NGC0253，椭圆星系NGC0253，椭圆星系NGC7479，棒旋星系NGC7479，棒旋星系NGC5128，不规则星系NGC5128，不规则星系null位于剑鱼座的双星系AM0500-620，3.5亿光年。nullM61（NGC4303）涡旋星系（室女座）null涡旋星系 NGC1232null棒旋星系NGC1365，是天炉座星系团的成员之一null不规则星系六分仪座 A，本星系团成员null车轮星系，可能是两个星系相撞的结果null涡旋星系M100 （NGC 4321） 后发座null类似银河系的星系 NGC4945，半人马座星系团null涡旋星系 NGC2997nullNGC4365nullM82（NGC3034）nullNGC4414nullNGC4631，鲸鱼星系null本星系团星系 NGC6822，Barnard 星系null圆环星系nullNGC300nullNGC4650Anull扭曲的旋涡星系 ESO510-13 nullNGC3310nullNGC1232null巨椭圆星系 NGC1316null圆规座星系nullM81（左）和 M82（右）nullM63（NGC5055）：向日葵星系null棒旋星系 NGC1300nullNGC 2207 and IC 2163 null星系碰撞nullAntenna galaxy NGC 4038 4039 nullnullArp 87NGC 3808nullNGC 4676: When Mice Collide nullNGC 4565nullNGC 2442: Galaxy in Volans nullCL0024+1654引力透镜：蓝色像为同一个星系null§5.3 类星体（Quasar） 类星体是20世纪60年代天体物理的四大发现之一（其余发现为脉冲星，宇宙微波背景辐射和星际有机分子）。 类星体是一种看起来类似恒星但又不是恒星的特殊天体，具有许多很奇特的性质，基本特征为大红移、高光度、小尺度。自从发现以来，引起了天体物理学家的极大兴趣。 一个类星体发出的能量相当于1000个银河系发出的总能量。类星体的产能率远远高于一般的星系。 类星体实际上是一种活动性很强的活动星系。由于距离遥远，所以看起来尺度很小。null 1959年，剑桥大学发表了射电源 3C 表。其中一部分是已知天体，如 3C144 就是蟹状星云 M1，3C284 是椭圆星系 M87，3C405 是射电星系天鹅座 A。 1960年，美国天文学家 Sandage 发现了3C48 的光学对应天体，1962年英国天文学家Hazard 发现了 3C273 的光学对应天体。但这些天体的光谱似乎很奇怪，和所有已知元素的光谱都不同。 1963年，荷兰天文学家 Schmidt 经过6个星期的思考，终于发现这些未知谱线其实都是已知元素的谱线，只是红移很大，所有谱线都改变了位置，变得不易认证。null 3C273 的红移量为 z = 0.158，因此，原来波长为 486.1nm 的谱线红移到了 562.9nm！受此启发，很快发现 3C48 的红移更大，为 z = 0.367，3C147 的红移达到 z = 0.545。 按照 Hubble 定律，星系的退行速度与距离成正比，即 V = HD，其中 H 为 Hubble 常数。当天体以速度 V 远离我们时，天体的光谱会发生红移，相对论性的红移公式为其中 z = Dl/l 为红移量，c 为光速。null 如果类星体的红移是 Doppler 红移，则 3C273 的退行速度为4.4×104km/s，3C48的退行速度为9.1×104km/s，约为光速的三分之一。目前发现的红移最大的类星体的红移达到了 z = 6.28，其退行速度超过了 0.96c！几乎是光速了。 如果Hubble定律成立，取Hubble 常数为H=70km/sMpc，则 3C273 的距离为 21亿光年， 3C48的距离为 42亿光年，而红移 6.28 的类星体的距离达到了 137亿光年！ 类星体如此遥远而能被观测到，可见其光度大得惊人。由于类星体位于几十亿光年之外，我们看到的是它几十亿年前的样子，因此类星体至少是在几十亿年前诞生的，是古老的天体。目前发现的类星体已经超过 5 万颗，其中 z>4 的已超过 500 颗。null星系 NGC4319（红移 z = 0.006）和类星体 Markarian 205（红移 z = 0.07）null箭头所指为类星体，红移 z = 5null红移 z = 4.9null红移 z = 4.75null类星体 3C279 的 g 射线像null类星体图象null左边亮点是类星体，右边是恒星。类星体上面是星系。null红移 z = 5.82 的类星体null类星体 3C175null类星体 PKS1127-145，左边是类星体和其他星系的光学像，右边是 X 射线像。null类星体和星系的碰撞null 关于类星体的红移本质一直争论不休。大部分人认为是宇宙学红移（Doppler效应），但是为什么类星体会有那么大的退行速度？为什么有那么巨大的能量？Hubble 关系是否对类星体仍然成立？ 少数天体物理学家如 Arp 等人认为类星体的红移是非宇宙学红移，可能是大质量黑洞产生的引力红移，也可能是其他未知的物理规律造成的。 也许既有宇宙学红移，又有引力红移，究竟如何，相信不久的将来就会揭开迷底。null§5.4 活动星系 活动星系是相对正常星系而言的。星系普遍存在着活动现象，但绝大部分星系的活动不明显，因此称为正常星系，大约2%的星系活动激烈，被称为活动星系。常见的活动星系有 Seyfert 星系、射电星系、星暴星系和蝎虎座 BL 型天体（BL Lac)。 正常星系的辐射主要在光学波段，活动星系的辐射遍布从 g 射线到射电辐射的全部波段，而且，经常发生大规模的涌动、吸积、喷流、爆发等剧烈活动。null Seyfert 星系是具有亮核的旋涡星系，具有很强的射电、红外、紫外、和 X 射线辐射，可见光波段的辐射不是特别强。并有非热射电辐射和宽发射谱线。 射电星系是具有双瓣射电结构的巨型椭圆星系，辐射功率极大。比如半人马座 A 的射电辐射强度超过银河系总辐射的几十倍。 1943年由 Seyfert 首次发现。典型代表有后发座的 NGC4151 等，核特别明亮，如果短时间露光，只能拍到一个亮核，长时间露光，才能拍到旋涡结构。null 星暴星系是一个星系中有巨大的恒星形成爆发区。如 M82 等。其特征是红外光度明显高于光学光度。可以高出 50 倍。目前对星暴的起因和触发机制，星暴与活动星系核的关系还不是很清楚，有待于进一步的观测研究。 活动星系核（简称 AGN）是近年来的活跃研究领域。尤其是活动星系核的能源、辐射性质、大小和质量等问题吸引了众多天体物理学家的重视。目前还没有满意的解释。null 目前的活动星系核模型由一个围绕巨型旋转黑洞的吸积盘组成。当物质往黑洞下落的过程中被加热而发射出巨大的能量。这样的能量转换效率比聚变反应还要高。模型还需要进行更深入细致的研究。另外也有一些其他模型。 类星体的能量辐射巨大，因而在其中心具有最大规模的黑洞-吸积效应。在其周围的物质会很快被吞噬完，因此类星体的寿命不会很长。 目前的观测也证明了这一点。类星体有点象生物界的恐龙，只是在宇宙演化的一定阶段出现。nullSeyfert 星系 NGC 7742 null星暴星系 NGC1317null强射电星系 3C368null半人马座 A 强射电源，活动星系null星暴星系 M94null红移达到 5.34 的遥远星系null红外星系：恒星诞生的地方null§5.5 星系团 观测发现，星系的分布有集结成群的倾向，构成相对独立的集团—星系团。 较小的星系团有时也称为星系群。星系团按其形态大致可分为规则星系团和不规则星系团。 银河系和其附近的一些星系如仙女座星系M31，大麦哲伦星云，小麦哲伦星云以及M32、M33、NGC147、IC1613 等构成本星系团。 其他比较著名的星系团有室女座星系团、后发座星系团、英仙座星系团、半人马座星系团等。nullLocal Group 本星系团null2）后发座星系团，位于后发座，距离约3.5亿光年，包含数千个成员星系。为典型的规则星系团。其中心为两个巨型星系NGC4874 和 NGC4889。3）英仙座星系团，距离约 3.5亿光年，中心为 NGC1275。1）室女座星系团，这是离银河系最近的星系团。为典型的不规则星系团。距离约5千万光年，成员星系大约有 2500个。巨星系M87（NGC4486）位于中心，是其中最著名的一个。是强射电源和强 X 射线源。null室女座星系团 中间M84右边M86null超巨型椭圆星系M87null后发座星系团null后发座星系团的巨椭圆星系 NGC4881null英仙座星系团nullGalactic Collision in Cluster Abell 1185 null长蛇座星系团null遥远星系团：CL 0939+4713null遥远星系团null星系团 Abell 2218, 位于天龙座null星系团A2199null 比星系团更高级的天体系统称为超星系团。 关于超星系团的结构和力学性质都还很模糊，有待于进一步的观测和研究。在超星系团之上，天体系统不再有成团趋势。至此，我们得到了等级式的天体结构： 由本星系团和室女座星系团以及其他几十个大小星系团构成本超星系团，其中心位于室女座星系团附近。 除本超星系团外，还有武仙座超星系团、北冕座超星系团和巨蛇座超星系团等。 近年还发现有宇宙空洞和宇宙长城。 恒星—星系—星系团—超星系团—观测宇宙nullVirgo Supercluster 室女座超星系团孔雀船尾英仙-双鱼天炉室女长蛇船帆半人马蛇夫后发