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天文基础10、星系和星系团


星系和星系团
北京天文馆 詹想

一、哈勃的星系时代

星系天文学简史
? ? ? ? ? ? ? ? 从寻找彗星开始 梅西叶星表 康德的“宇宙岛”概念 NGC和IC星表 星云与“宇宙岛”之争 光谱分析法研究星云 漩涡星云的发现和成像 “宇宙的尺度”大讨论
梅 西 叶

赫 歇 尔 父 子

埃德温· 哈勃
? 埃德温· 哈勃 (Edwin Hubble) (1889—1953), 20世纪最伟大的天文学家, 星系天文学之父。

哈勃生平
? 1889年11月20日出生在美国密苏里州马什菲尔德的一个 律师世家。 ? 1910年芝加哥大学天文系毕业,获理学学士学位。 ? 1913年,英国牛津大学文学学士学位(法律)。 ? 一年后前往芝加哥大学叶凯士天文台当研究生,1917年获 博士学位。 ? 1919年一战结束,赴威尔逊山天文台任职。 ? 1953年9月28日在前往帕洛玛山天文台观测途中,突发脑 溢血逝世,享年64岁。

河外星系的确认
? 1918年,口径2.54米的胡克 望远镜在威尔逊山建成。 ? 1923年10月6日晚,哈勃用 胡克望远镜拍摄了一张M31 照片,分辨出“星云”边缘的 单颗恒星,并发现了“量天尺” ——造父变星,计算出M31 的距离为100万光年。

? 结论:仙女座大星云非常遥远,远在银河系之外。 它和我们银河系相类似,那里可能就是所谓的 “岛宇宙”!!!

星系天文学时代的到来
? 哈勃将自己的发现寄给了美国天文学会,后者在1924年 12月30日召开的大会上,找人代为宣读了哈勃的结果,举 世轰动! ? 紧接着不久,哈勃又在三角座星云M33中发现了造父变星, 于是在1926年发表划时代的论文——《作为一个

恒星系统的漩涡星云》,一劳永逸的结束了长达 170年之久的对神秘“星云”的争论,正式宣布星 系天文学时代的到来。
? 与哈勃名字相连的一长串天文术语:哈勃序列、哈勃分类 法、哈勃隐带、哈勃光度定律、哈勃光度轮廓、哈勃图、 哈勃定律、哈勃常数、哈勃年龄、哈勃半径,等等。

星系的哈勃分类

音 叉 图

椭圆星系
? ? ? ? ? ? 用E表示; 8大次型:E0(圆)-E7(扁); 椭圆星系约占星系总数的60%,是数量最多的星系。 直径范围:1-200千秒差距 质量范围:105-1015M⊙ 矮椭圆星系居多

1秒差距=3.26光年

巨椭圆星系M87
? 神秘珍珠直径30千秒差距, 长度250千秒差距,质量 超过银河系; ? 爆发能量高达1052-1053焦耳, 太阳50亿年能量总和为1044焦耳。

漩涡星系和棒旋星系
? ? ? ? ? 用S和SB表示; 3大次型:a(紧)、b、c(松); 约占星系总数的20%,棒旋星系约占10%。 直径范围:5-50千秒差距 质量范围:109-1011M⊙

一些典型的旋涡星系
仙女座大星云M31,直径约50千秒差距,质量3.1*1011M⊙

一些典型的旋涡星系
Sa

Sb

Sc

一些典型的棒旋星系

不规则星系
? ? ? ? 用Irr表示; 约占星系总数的不到10%。 直径范围:1-10千秒差距 质量范围:108-3*1010M⊙

大小麦哲伦星云

一些特殊形态星系
? 透镜星系S0和SB0

NGC2859

NGC3115

一些特殊形态星系
? 超巨弥漫星系cD → ? 矮星系dE和dIrr ↓

星系红移和宇宙膨胀
? ? ? ? ? 除了M31等极少数星系,绝大多数星系都在远离我们而去。 哈勃定律:vr=H0×r 定义红移量Z=(λ-λ0)/λ0=Δλ/λ0 当天体视向速度远小于光速时:vr/c=Z 当遥远星系红移量大于或等于1时, 考虑相对论效应: vr/c=[(Z+1)2-1]/[(Z=1)2+1]

星系的碰撞与并合
? 车轮星系,是两个星系互相 渗透的产物 → ? NGC2207和TC2163碰撞星系 ↓

星系的形成和演化
? 第一代星系:中性氢云,引力坍缩和微扰。
? 星系的碰撞和并合改变形态,形成新一代大星系。 ? 星系形态形成原因之争:角动量还是密度?

二、活动星系

活动星系核发现简史
? ? ? ? ? 以活动星系核(AGN)代称活动星系 寻找射电源的光学对应体 1960,桑德奇,3C48 1962,哈扎德,3C273 迄今为止最古怪的天体: 1.无人认识的怪异发射线; 2.说是恒星,射电辐射太巨大,且含有星系特征; 3.说不是恒星,紫外照相它又确实只是一颗暗弱蓝星体; 4.光谱像行星状星云,但比后者强和宽。

活动星系核发现简史
? 1963,施密特(Maarten Schmidt),3C273 最终证认:怪异谱线就是人们熟悉的氢的巴尔末线系和电 离氧线,只不过是向红端的方向位移了很多!!! ? 经计算,3C273的Z=0.158,退行速度15%c,距离30亿光年 3C48的Z=0.367,退行速度1/3c,距离超过50亿光年!

? 类星体(Quasar)

高红移类星体的基尼斯纪录
? 20世纪70年代:PKS2000-330,Z=3.78 ? 80年代:PC1247+3406:Z=4.897,退行速度2.8*105km/s, 距离142亿光年 ? 2000年:J030117+002025:Z=5.5 ? 2001年:J103027.10+052455.0:Z=6.8

? 红移本质的争论:宇宙学性的还是内秉性?

类星体的高产能率
? 类星体的光度都非常巨大。光度低的与正常星系相当,光度 高的可以达到正常星系的10万倍。 ? 类星体的尺度却非常小,只有几光年。 ? 对比:我们银河系的直径约十万光年,聚集了3000亿颗恒星; 而一个大小只有几光年的天体,发出的能量竟然比我们整个 星系的还要大得多(相当于1000个银河系发出的总能量)! ? 结论:类星体的产能效率相当高,相当于银河系的一亿倍!

类星体的物理模型
? 类星体是活动性很强的活动星系核, 核心很可能是一个黑洞,而黑洞的 周围被一层一层气体包围着。我们所 能观测到的来自类星体的各种辐射可 能是从这些气体发出的。类星体核心 的黑洞集中了类星体的绝大部分质量, 约为1亿-1万亿个太阳质量。在黑洞 周围的区域主要辐射X射线和紫外线,往外是稀薄气体,它 们发射可见光。类星体延伸的外层可以达到非常广阔的范围, 主要发射射电辐射。

星 系 中 央 的 黑 洞
? 遮盖技术下拍摄 的NGC 1097

引力透镜
? 爱因斯坦的广义相对论 预言的效应。 ? 对称的像,爱因斯坦十字和 爱因斯坦环。

塞佛特星系
? 塞弗特(Seyfert)星系的光度介于普通星系和类星体之间 的,中心有明亮的恒星状活动星系核,大小只有几光年,星 系核的亮度比我们的银河系亮1万倍。星系核的周围有暗弱 的旋涡结构,星系一般是Sa型或Sb型的旋涡星系。此外,星 系核有很强的紫外、红外及射电辐射,有人推测塞弗特星系 中心是个具有强磁场的高速旋转的大质量星体或者黑洞。

塞佛特星系
猎犬座的NGC5141

鲸鱼座的M77

蝎虎BL天体
? 与其他活动星系最大的不同在于蝎虎天体光变非常迅速并且 飘忽不定。就蝎虎座BL而言,一天内亮度变化就可达到10%32%,有几个蝎虎BL天体亮度 变幅达100倍。如此快的光变 和大的变幅是难以想象的。另 外还有一点令人迷惑的是,这 类天体的光谱竟然几乎只是连 续谱,没有之有很弱的谱线, 因而很难测定它们的距离。

射电星系
? 有些星系的射电辐射非常之强,远远超过光学波段的辐射。 如果一个星系的射电辐射功率超过1034瓦特量级,我们就称 之为“射电星系”。 半人马A射电星系 NGC5128

另外还有M87

射电星系
? 星系NGC1316的光 学-射电合成图。 其光学跨度仅6万 光年,射电总跨 度却超过了100万 光年。这是一个 经历多次碰撞后 形成的恒星帝国。

星暴星系
? 星暴星系是指有大质量恒星爆发或正在形成的星系,它们 的内部正在发生着 极为激烈的恒星形 成过程。星暴星系 一般有比形态相同 的其它星系有更蓝 更亮的核。 位于大熊座的M82

活动星系核的统一模型

? 超大质量黑洞是发电机

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