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第七章 河外星系 第七章 河外星系 (Chapter 24)7.1 星系的形态和分类 7.2 测量星系 7.3 星系集团 7.4 星系的演化 7.1星系的形态和分类 1. 河外星系的发现 1750年，英国教士赖特提 出银河是恒星系统 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) 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：M 31，NGC 224 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）， 建立了直径达100 kpc的银河系模型。

1920年，沙普利-柯蒂斯 (Shaplry-Curtis) 关于宇宙尺度 的大辩论 (the great debate) 辩论焦点 (1) “旋涡星云”的距离是多远？ (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 星系构成的旋涡星云”是银河系内气体云， 银河系就是整个宇宙 (3) 旋涡星云在天球上的分布为什么有“隐带” (zone of avoidance)？ 为什么星云的谱线出现红移？ 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暗带中， 如果旋涡星云是河外天体， → 旋涡星云的分布出现隐带 In the Zone of Avoidance in X-rays 银河系内的气体 和尘埃对X射线 辐射的影响较小， 可以观测到隐带 内的星系分布 恒星 星系 哈勃的裁决 1924年，哈勃分解出“仙女座大星云” (M31) 中的造父变星 → 证实“仙女座大星云”确实是恒星系统 由造父变星周光关系估计“仙女座大星云” 的距离150 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 ! 2. 星系的哈勃分类 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 恒星作无规则的椭圆轨道运动 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 (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 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 按照棒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 棒最大，旋臂缠卷最紧 银河系可能是一个SBb或SBc型 星系 (4) 透镜状星系(Lenticular galaxies) 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(Irregular galaxies) 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 IC5152M82 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 3. 星系的相对数目 目前可观测宇宙中大约 有41010个星系 不规则星系数目最多， 其次是旋涡星系和椭圆 星系 7.2 测量星系 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 (3) 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 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 宇宙距离阶梯 (4) 红移法 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。

一些星系的距离、CaII的H、 K谱线和退行速度 1929年Hubble与Humason发现 由星系谱线红移得到的星系退行速 度V与星系的距离D成正比，称为哈 勃定律 V＝H0D 其中哈勃常数 H0＝727 kms-1Mpc-1 HubbleHumason 哈勃定律的意义 哈勃定律反映了宇宙的膨胀 由宇宙膨胀引起的星系的谱线红移称为宇宙学红移 (cosmological redshift) 星系的距离D＝V/H0 如果宇宙的膨胀是均匀的，可以确定： 宇宙的年龄 t＝D/V＝1/H0 星系的退行表明在过去它们必定离得很近，宇宙膨胀的起点是什么？ 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 1.0 1.0 目前的距离 回溯时间 (Mly) (Myr) 0.0 1401 8815 21022 27101 30096 0.0 1336 6483 9754 10019 10029c ( z + 1) 2 ? 1 D≈ H 0 ( z + 1) 2 + 1 2. 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 质光比M/L~5-50星系 NGC 247：蓝色和红色分别表示恒星和 HII 区的辐射 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) 椭圆星系中恒星的无规运动 谱线位移 →平均无规运动速度 → 质量 质光比M/L~5-50 类似地，对星系团 谱线位移 → 星系的运动速度 +星系间的距离 → 星系团（引力）质量 (3)星系际气体 (intergalactic gas) 的X射线辐射 X射线卫星观测发现在部分椭 圆星系周围存在大量的热气体 （温度 ~ 107 - 108 K，密度 ~ 1 cm-3 ）。

X射线辐射→气体温度→热运 动速度（100 Mpc）星系红移巡天 通过同时观测几千个星系的光谱确定其位置与距离 星系的分布是不均匀的，具有类似海绵状的结构， 由细长的纤维（超星系团）及其周围的巨洞(voids) 组成 巨洞的典型大小为50 Mpc 宇宙中大部分物质位于纤维结构上，约占整个空间 体积的1%-2% 250 Mly 对300Mly尺度的数值模拟不同距离处星系密度的变化 Hierarchy of Cosmic Structures What were the first sources of light in the Universe? 处于婴儿期的（高红移）星系 (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 生星系团间的巨洞 观测证据 Hubble空间望远镜的深场观测发现位于2000 Mpc距离之外存在大量的不规则的小星系（超过同类星系在近距离星系中的比例）。

(2) 由上而下模型（top-down）原始气体的坍缩首先产生 巨大的（~1014M⊙）、薄 饼状的云块（超星系团）云块分裂成星系团和星系 星系的形成过程何时结束？ 部分人认为在大约100亿年前星系的形成过程就基本停止了 其他人认为目前观测到大量的星系间相互作用表明星系的形成过程一直延续到今天 2. 星系的演化 (1) 星系的形态与恒星形成 星系形成于气体云的坍缩 星系的形态与星系中的恒星形成有关如果恒星形成较快， →星系内的气体很快被用光， →没有星系盘形成， 。