天文基礎(chǔ)10、星系和星系團(tuán)

1、星系和星系團(tuán),北京天文館 詹想,一、哈勃的星系時代,星系天文學(xué)簡史,從尋找彗星開始梅西葉星表康德的“宇宙島”概念NGC和IC星表星云與“宇宙島”之爭光譜分析法研究星云漩渦星云的發(fā)現(xiàn)和成像“宇宙的尺度”大討論,梅西葉,赫歇爾父子,埃德溫·哈勃,埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）（1889—1953），20世紀(jì)最偉大的天文學(xué)家，星系天文學(xué)之父。,哈勃生平,1889年11月20日出生在

2、美國密蘇里州馬什菲爾德的一個律師世家。1910年芝加哥大學(xué)天文系畢業(yè)，獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位。1913年，英國牛津大學(xué)文學(xué)學(xué)士學(xué)位（法律）。一年后前往芝加哥大學(xué)葉凱士天文臺當(dāng)研究生，1917年獲博士學(xué)位。1919年一戰(zhàn)結(jié)束，赴威爾遜山天文臺任職。1953年9月28日在前往帕洛瑪山天文臺觀測途中，突發(fā)腦溢血逝世，享年64歲。,河外星系的確認(rèn),1918年，口徑2.54米的胡克望遠(yuǎn)鏡在威爾遜山建成。1923年10月6日晚，哈勃用胡

3、克望遠(yuǎn)鏡拍攝了一張M31照片，分辨出“星云”邊緣的單顆恒星，并發(fā)現(xiàn)了“量天尺”——造父變星，計算出M31的距離為100萬光年。結(jié)論：仙女座大星云非常遙遠(yuǎn)，遠(yuǎn)在銀河系之外。它和我們銀河系相類似，那里可能就是所謂的“島宇宙”！?。?星系天文學(xué)時代的到來,哈勃將自己的發(fā)現(xiàn)寄給了美國天文學(xué)會，后者在1924年12月30日召開的大會上，找人代為宣讀了哈勃的結(jié)果，舉世轟動！緊接著不久，哈勃又在三角座星云M33中發(fā)現(xiàn)了造父變星，于

4、是在1926年發(fā)表劃時代的論文——《作為一個恒星系統(tǒng)的漩渦星云》，一勞永逸的結(jié)束了長達(dá)170年之久的對神秘“星云”的爭論，正式宣布星系天文學(xué)時代的到來。與哈勃名字相連的一長串天文術(shù)語：哈勃序列、哈勃分類法、哈勃隱帶、哈勃光度定律、哈勃光度輪廓、哈勃圖、哈勃定律、哈勃常數(shù)、哈勃年齡、哈勃半徑，等等。,星系的哈勃分類,音叉圖,橢圓星系,用E表示；8大次型：E0（圓）-E7（扁）；橢圓星系約占星系總數(shù)的60%，是數(shù)量最多的星系。直徑范

5、圍：1-200千秒差距質(zhì)量范圍：105-1015M⊙矮橢圓星系居多,1秒差距=3.26光年,巨橢圓星系M87,神秘珍珠直徑30千秒差距，長度250千秒差距，質(zhì)量超過銀河系；爆發(fā)能量高達(dá)1052-1053焦耳，太陽50億年能量總和為1044焦耳。,漩渦星系和棒旋星系,用S和SB表示；3大次型：a（緊）、b、c（松）；約占星系總數(shù)的20%，棒旋星系約占10%。直徑范圍：5-50千秒差距質(zhì)量范圍：109-1011M⊙

6、,一些典型的旋渦星系,仙女座大星云M31，直徑約50千秒差距，質(zhì)量3.1*1011M⊙,一些典型的旋渦星系,Sa,Sb,Sc,一些典型的棒旋星系,不規(guī)則星系,用Irr表示；約占星系總數(shù)的不到10%。直徑范圍：1-10千秒差距質(zhì)量范圍：108-3*1010M⊙,大小麥哲倫星云,一些特殊形態(tài)星系,透鏡星系S0和SB0,NGC3115,NGC2859,一些特殊形態(tài)星系,超巨彌漫星系cD →矮星系dE和dIrr ↓,星系紅移和宇宙膨脹,

7、除了M31等極少數(shù)星系，絕大多數(shù)星系都在遠(yuǎn)離我們而去。哈勃定律：vr=H0×r定義紅移量Z=(λ-λ0)/λ0=Δλ/λ0當(dāng)天體視向速度遠(yuǎn)小于光速時：vr/c=Z當(dāng)遙遠(yuǎn)星系紅移量大于或等于1時，考慮相對論效應(yīng)： vr/c=[(Z+1)2-1]/[(Z=1)2+1],星系的碰撞與并合,車輪星系，是兩個星系互相滲透的產(chǎn)物 →NGC2207和TC2163碰撞星系 ↓,星系的形成和演化,第一代星系：中性氫云，引力

8、坍縮和微擾。星系的碰撞和并合改變形態(tài)，形成新一代大星系。星系形態(tài)形成原因之爭：角動量還是密度？,二、活動星系,活動星系核發(fā)現(xiàn)簡史,以活動星系核（AGN）代稱活動星系尋找射電源的光學(xué)對應(yīng)體1960，桑德奇，3C481962，哈扎德，3C273迄今為止最古怪的天體：1.無人認(rèn)識的怪異發(fā)射線；2.說是恒星，射電輻射太巨大，且含有星系特征；3.說不是恒星，紫外照相它又確實(shí)只是一顆暗弱藍(lán)星體；4.光譜像行星狀星云，

9、但比后者強(qiáng)和寬。,活動星系核發(fā)現(xiàn)簡史,1963，施密特（Maarten Schmidt），3C273最終證認(rèn)：怪異譜線就是人們熟悉的氫的巴爾末線系和電離氧線，只不過是向紅端的方向位移了很多?。。〗?jīng)計算，3C273的Z=0.158，退行速度15%c，距離30億光年3C48的Z=0.367，退行速度1/3c，距離超過50億光年！類星體（Quasar）,高紅移類星體的基尼斯紀(jì)錄,20世紀(jì)70年代：PKS2000-330，Z=3.7

10、880年代：PC1247+3406：Z=4.897，退行速度2.8*105km/s，距離142億光年2000年：J030117+002025：Z=5.52001年：J103027.10+052455.0：Z=6.8紅移本質(zhì)的爭論：宇宙學(xué)性的還是內(nèi)秉性？,類星體的高產(chǎn)能率,類星體的光度都非常巨大。光度低的與正常星系相當(dāng)，光度高的可以達(dá)到正常星系的10萬倍。類星體的尺度卻非常小，只有幾光年。對比：我們銀河系的直徑約十萬光年，聚

11、集了3000億顆恒星；而一個大小只有幾光年的天體，發(fā)出的能量竟然比我們整個星系的還要大得多（相當(dāng)于1000個銀河系發(fā)出的總能量）！結(jié)論：類星體的產(chǎn)能效率相當(dāng)高，相當(dāng)于銀河系的一億倍！,類星體的物理模型,類星體是活動性很強(qiáng)的活動星系核，核心很可能是一個黑洞，而黑洞的周圍被一層一層氣體包圍著。我們所能觀測到的來自類星體的各種輻射可能是從這些氣體發(fā)出的。類星體核心的黑洞集中了類星體的絕大部分質(zhì)量，約為1億-1萬億個太

12、陽質(zhì)量。在黑洞周圍的區(qū)域主要輻射X射線和紫外線，往外是稀薄氣體，它們發(fā)射可見光。類星體延伸的外層可以達(dá)到非常廣闊的范圍，主要發(fā)射射電輻射。,星系中央的黑洞,遮蓋技術(shù)下拍攝的NGC 1097,引力透鏡,愛因斯坦的廣義相對論預(yù)言的效應(yīng)。對稱的像，愛因斯坦十字和愛因斯坦環(huán)。,塞佛特星系,塞弗特（Seyfert）星系的光度介于普通星系和類星體之間的，中心有明亮的恒星狀活動星系核，大小只有幾光年，星系核的亮度比我們的銀河系亮1萬倍。

13、星系核的周圍有暗弱的旋渦結(jié)構(gòu)，星系一般是Sa型或Sb型的旋渦星系。此外，星系核有很強(qiáng)的紫外、紅外及射電輻射，有人推測塞弗特星系中心是個具有強(qiáng)磁場的高速旋轉(zhuǎn)的大質(zhì)量星體或者黑洞。,塞佛特星系,獵犬座的NGC5141,鯨魚座的M77,蝎虎BL天體,與其他活動星系最大的不同在于蝎虎天體光變非常迅速并且飄忽不定。就蝎虎座BL而言，一天內(nèi)亮度變化就可達(dá)到10%-32%，有幾個蝎虎BL天體亮度變幅達(dá)100倍。如此快的光變和大的變幅是

14、難以想象的。另外還有一點(diǎn)令人迷惑的是，這類天體的光譜竟然幾乎只是連續(xù)譜，沒有之有很弱的譜線，因而很難測定它們的距離。,射電星系,有些星系的射電輻射非常之強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過光學(xué)波段的輻射。如果一個星系的射電輻射功率超過1034瓦特量級，我們就稱之為“射電星系”。,半人馬A射電星系NGC5128,另外還有M87,射電星系,星系NGC1316的光學(xué)-射電合成圖。其光學(xué)跨度僅6萬光年，射電總跨度卻超過了100萬光年。這是一個經(jīng)歷多次碰