宇宙的构造.ppt

第七章 宇宙的构造,一 银河和银河系,１. 银河,在偏远乡村或不受城市光影响的夜晚，当你昂首仰望天空，可以看到天穹上有一条相当宽的白茫茫的光带，从地平某一处向上延伸，到达最高点后，再延伸到另一方向的地平实际上，这条光带在地平下仍在延伸，形成一个环绕整个天空的光带，人们称为银河银河也就是银河系在天球上的投影，这条光带就是我们置身其内而侧视银河系时在可见光波段所看到的、布满星星的圆面--银盘我国古人称它为天河或银汉或星河等；在欧洲则称它为牛奶色的道路（Milk way） 银河经过的星座有仙后、英仙、御夫、麒鳞、南船、南十字、人马、天鹰、天鹅等，银河宽窄不一，有地方宽度只有4°～ 5°，有地方可达30°，从天鹅到人马座的这一段，约为银河全长的三分之一，银河分为两叉毛那基峰上空的银河全景图,２. 银道坐标系,研究银河系常用银道坐标系银河系的对称面即银道面，它在天球上是一个大圆银道面是银河坐标系的基本平面用π表示北银极，Ω表示银道对赤道的升交点，ϒ表示春分点，i表示银赤夹角，Ｓ表示天球上的某一颗恒星１９５８年国际上规定北银极π的赤道坐标为：A=12h49m D=+27.4,又规定银经l从银河系的中心量起，按反时针方向，从０-360度或0h-24h度量。

银纬b向北为正，向南为负升交点的赤道坐标为： αΩ=２８２.２５ δΩ=０ 银赤夹角的测定值为i=62°.6,3. 恒星的空间分布,研究恒星的空间分布最基本的方法就是直接来计数恒星直接计数的结果见右表其中Ｎ（m）是对整个天空而言从最亮星一直到m等的恒星数目，M(m,0)是指银道面附件的Ｎ（m）值，Ｎ（m,90）是表示银极附近的Ｎ（m）值N(m,0)/N(m,90)叫做银聚度，即恒星集中于银河带附近的标志从表中可以看出，对于任何m值，N(m+1)/N(m)均小于3.98.这说明恒星在银河系里不是按球对称分布的而且银河系也不完全透明，越远的星，银河系对他的吸光就越厉害从右表可见，m越大N(m,0)/N(m,90)的值也越大这表明银河系的密集部分的确组成圆盘状;星越暗，垂直于银道方向的恒星数目越小４. 银河系自转,19世纪后半叶，就有一些天文学家在讨论银河系的自转了斯特鲁维于1887年利用自行数据首次确定银河系的自转速度，奥尔特根据大量恒星的视向速度的研究，证明了银河系天体绕中心主的速度是不同的：距银心比太阳近的恒星绕银心运转的速度比太阳快，距银心较太阳远的恒星运转速度比太阳慢 1) 开普勒转动(V∝R1/2) 绕转体围绕中心的旋转运动的线速度如果与它到中心的距离的平方根成反比，这样的转动称开普勒转动，太阳系里的各行星绕太阳的公转运动，就是开普勒转动的实例。

银河系中心部分的恒星密度较大，整个系统的质量绝大部分集中于中心，外围部分的恒星绕银心的转动，就是近于开普勒转动 2) 刚体转动(V∝R) 绕转体围绕中心的旋转运动的线速度如果与它到中心的距离成正比，我们称这种转动运动为刚体运动这时各处的角速度相同如果银河系里的物质均匀分布，则银河系的自转运动应该是刚体转动3) 较差自转 上面所说的开普勒转动和刚体转动，都不符合银河系转动的实际情况，银河系的自转是介于两种极端情况之间粗略来说，银河系中心部分接近于刚体转动，外围部分接近于开普勒转动，中间部分则比较复杂象银河系这样的转动称为较差自转,银河系里的任一恒星，除了有绕银河系中心的公转速度外，还有它自己的本体运动，这两种速度对观测者来说是叠加在一起的奥尔特推得由恒星的视向速度和自行来计算银河系自转的公式为：,中ΔVr为银河系自转对视向速度的影响;l-l0为恒星与银心之银经差；b为恒星银纬（见天球坐标系）；Vr为视向速度；μ1为银经自行；r为恒星到太阳的距离；A和B为奥尔特常数，其表达式为：,式中R0为太阳至银心的距离；ω为银河系自转角速度；ω'=dω/dr奥尔特公式只适用于太阳附近1～2千秒差距范围，再远，这两个公式就不够准确了。

奥尔特常数 几十年来，不少天文学家通过对O-B型星、造父变星、超巨星、银河星团等天体的视向速度和自行资料的分析，来测定银河系自转的A、B值目前通用的值是： A=+15公里/（秒·千秒差距）， B=-10公里/（秒·千秒差距）， R0=10千秒差距 由此可以算出，在太阳处，银河系的自转角速度为每年0“.0053，自转线速度为每秒250公里，自转周期为2.5×108年５. 银河系的结构,一百多年以来，经过许多天文工作者的反复研究，已经确定银河系的结构包括四个部分，银盘、银晕、银核和旋臂且根据近期多波段综合结果观测表明：银河系的旋臂密集了大量的O型和B型恒星以及与它们成星协的HII复合体、分子云、超新星遗迹和γ射线源等，它们是银河系旋臂的示踪物a）银盘 银河系的物质，主要是恒星，密集部分组成一个圆盘，形状如运动场上的铁饼，称为银盘银盘的中心平面叫银道面，银盘中心隆起的部分叫银河系核球银道面与天赤道相交成约63.5° 据最新研究资料银盘直径约8万光年（近年研究为8.5万光年，早期值是10万光年），银盘中间厚，外边薄，中间的核球直径约1万光年，银盘靠近核球的地方厚约3000～6000光年，边缘只1000光年，太阳在银盘中位于距银心大约2.4万光年的地方，它到银盘边缘的距离为1.6～6.4万光年不等，太阳附近的银盘厚度约为3千光年。

b) 银晕 银盘外面是一个范围广大，近似球状分布的系统叫银晕银晕直径约为10万多光年，密度比银盘小，近年来，根据观测可见物质的运动推断，在恒星分布区之处，还存在一个巨大的大致呈球形的射电辐射区，称为“银冕“，它的半径可达30万光年 c)银核 银河系核球的中心部分是一个不大的致密区叫银核银核为扁球形，赤道半径约30光年，极半径20光年银核中心处又有一更小的核中之核，称为内核心，也叫银心，半径只有一光年左右银核能发出强射电辐射、红外辐射、X射线和γ射线d)旋臂 银盘中有旋臂，这是盘内气体尘埃和年轻恒星集中的地方观测发现，大量的恒星和星际弥漫物质都高度集中在旋臂上，银河系具有旋涡结构是很明显的 银河系的旋涡结构，到目前为止的研究结果是：太阳附近有一条旋臂称猎户臂，离银心为1.04万秒差距，太阳离它的内边缘只有几千秒差距，在猎户臂之外，还有一条旋臂叫英仙臂，包括著名的英仙座双星团离银心约1.23万秒差距，在银心方向有一条人马臂，离银心约8700秒差距，离银心三千秒差距处还有一条旋臂，大约以45km/ s的速度向外膨胀，旋臂之间的气体密度小得多， 有人把银河系概括为：太阳不在银心，身躯似盘，内脏如球，外形如旋涡，周围镶嵌星团。

6星际物质,这里所说的星云，是指真正的云雾状天体位于银河系内太阳系以外一切非恒星状的气体尘埃云一些较近的星系，其外观象星云，几个世纪以来也称为星云1924年底解决了“宇宙岛”之争以后，才把二者分别称为银河星云和河外星系人们可用肉眼观察到的星云仅猎户座大星云一个，其余都要用望远镜才能观测到这是因为有些星云很暗，人们难以观察到还有一个原因是，现代宇宙学认为我们的总星系是在150亿～200亿年前的一次大爆炸中诞生的，那么，经过这大约150亿年的演化，第一代星云绝大部分都应演化成星体了，所以，现存的星云主要是星球和星系爆炸和抛射形成的第二代星云，有的甚至是第三代星云了，当然也有少数残留的第一代星云和由星际物质吸积而成的星云6.1 星云,1) 星云的密度 星云的密度自然很小，它应介于星际物质与原始恒星之间，一般是每立方厘米几十至几千个质点（原子或离子）这样的密度，比星际物质要大，大到已具有一定的形体，可以反射星光或激发生光，从而被人们观察到 2) 星云的质量 星云的质量有大有小，小有不过是行星级或恒星级，大的则为星系级象金牛座蟹状星云，它本是一颗恒星爆炸的产物，中间还残留一颗中子星，显然，蟹状星云的质量比原恒星要小。

由星系爆炸形成的星云无疑比恒星的质量要大 3) 星云的成分 星云的成分与恒星差不多，以氢和氮为主，其次是碳、氧、氟、镁、钾、钠、钙铁等现在还发现在有的星云中有OH、CO和CH4等有机分子1）弥漫星云 弥漫星云是形状不规则的星云，猎户座内的马头星云(NGC2024)和蟹状星云（M1）等都是弥漫星云4) 星云的分类,a. 按照形状分,猎户星云(M42）弥散星云,（2）行星状星云 行星状星云是核心有一颗亮星，周围是星云，整体呈球形或扁球形的星云之所称为行星状星云，是因为核心的亮星象行星的固体部分，星云则如行星的大气圈在望远镜里，这种星云往往呈环状，因星云的中间部分较稀薄，一般看不到，而外缘部分较浓密，可以看得到，或者还有一个原因，是中间部分被那颗亮星照得较亮而变得透明，但外缘不甚亮，故不透明天琴座环状星云(M57)是典型的行星状星云其实，这类星云称环状星云更合适，因既然是星云，就不能包括其核心的那颗亮星--它是恒星，而不是星云；再者，,行星的大气是底层浓密，高层稀薄，环状星云情况与此相反，所以没有必要称行星状星云环状星云无疑是中间那颗亮星喷射出来的物质形成的，也许还在扩张；一旦扩张停止，又会收缩，最后可能又会被那颗恒星吸聚。

M57: 環狀星雲,爱斯基摩行星状星云,b. 按发光的性质，又可把星云分为发射星云、反射星云和暗星云 （1）发射星云 被中心或附近的恒星激发后能够自行发光的星云 （2）反射星云 因中心或附近的恒星温度较低，被激发的强度不够，因而只能反射和散射星光的星云 （3）暗星云 无光或光度不足以人眼（包括使用望远镜）可见的星云，一般是因为其中心和近旁均无亮星的缘故，不过，只要其背景上恒星，该星云就可显现出来，如猎户座马头星云就是典型的暗星云6.2 星际物质,星云之外的银河系空间里，到处充满着比星云还要稀薄几十倍的物质，统称为“星际物质”星际物质在银河系中分布也是不均匀的，它吸收恒星的光而被人们发现，所以人们又叫它们为“星际消光物质”星际物质主要分布在银道面附近，但在银道面附近的分布也是不均匀的 星际吸光的发现证实了星际物质中有尘埃，星际吸收线的发现证实了星际物质中有气体一般研究认为尘埃主要是冰、石墨、硅、固态的ＣＨ４和ＮＨ３所组成尘埃较少，平均密度为每立方厘米0.1-1个原子在星际气体的成份中，氢是主要的，但也有氦及少量的其它元素在星际物质中，主要是气体所组成，尘埃比例很小 测量星际空间，证明也有磁场存在。

一般星际磁场是十分微弱的，平均强度为10-6-10-5G6.3 星际分子,星际分子指存在于星际空间的无机分子和有机分子星际分子的发现，是本世纪60年代轰动天文学界的一件大事长期以来，天文学家认为，茫茫宇宙空间，除了恒星、恒星集团、行星、星云之类的天体物质，再没有什么别的物质了直到20世纪初，人们还认为星际空间是一片真空后来终于发现，在星际空间充满了各种微小的星际尘埃、稀薄的星际气体、各种宇宙射线以及粒子流60年代在星际空间发现了大量有机分子云，云中含有各种复杂的有机分子此后，人们在宇宙太空中又陆续发现了更多的星际分子，其中有无机分子，也有有机分子例如，羟基、一氧化碳、氰化氢、甲醇、乙醛、丙炔腈、甲胺等等迄今为止，已发现的星际分子有50多种观测表明分子不是均匀的分布在星际空间的，而是常组成分子云最常发现分子云的区域有HII区（包括发射星云）、红外源、暗星云、超新星遗迹等星际分子云的温度一般为几十度，平均为５０Ｋ左右分子云的密度为104-106/cm3，分子云的质量在102-105ＭＳ之间观测到的分子谱线大多数为发射线，少数是吸收线分子谱线中，发现有些具有微波激射源一般激射是地球上实验室里才能得到的，而为什么空间也会产生激射？这是一个谜。

在星际分子云“猎户座Ａ”这哦年，不但发现了很多种星际分子，而且还有一个红外星和一个OH激射源7 银河系的各种辐射,银河系中的辐射是多种多样的，除了可见波段外，其它辐射的情况我们只能在这里做简单的描述 7.1 银河射电辐射。