天之星天文论坛(大陆著名天文论坛）

标题: 星系 [打印本页]

作者: 虚拟Space 时间: 2005-11-27 12:46
标题: 星系
星系由数十亿至数千亿颗恒星、星云和星际物质组成。

我们所在的银河系并不是宇宙中的一个“孤岛”，在宇宙空间中有着许多和我们银河系一样的巨大星城，叫河外星系，简称星系。目前已发现的星系多达10亿个。
星系的哈勃分类

形形色色的星系散布于天空中的各个部位；唯有沿着银河的那些星系，我们星系里的尘埃与气体把它们遮掩了．在宇宙中业已发现了数亿个星系．用大望远镜看到的最远星系。据估计距离我们在50至100亿光年（根据最新的观察：已超过150亿光年）之间，然而，能够进行结构研究的只有那些最靠近我们的星系．美国威尔逊天文台的已故的E．P．哈勃对星系作过透彻的研究，他把附近的星系分为三种基本结构类型：椭圆星系、旋涡星系和不规则星系。每种基本结构还可依照这一群中形状的差异予以细分．

椭圆星系看起来很象球状星团，不过规模可比球状星团大得多了，并且所含的星数也更为众多．椭圆星系的形状可从球形变化到椭球形。椭球的长轴可比短袖大到五倍．椭圆星系是由于自转而被拉扁的，所以自转愈快，椭球拉得愈长．

E（英文椭圆星系的字首）后面的数码表示椭率的级别．EO星系显示有圆形的盘面．随着椭率的升高，E后面的数码亦增加，一直到任意确定的最大值7．由于很难确定椭球星系在空间中的取向，因此这种分类只适用于从地球上所见到的星系形状．

旋涡星系则呈现出一幅栩栩如生的图象，恰与匀称而呆板的椭圆星系形成鲜明对比．旋涡星系给人的第一个印象便是它在绕着核心旋转，其旋臂从核心螺旋地伸向空间．哈勃将旋涡星系分为三个次型： Sa，Sb，Sc，其划分的依据乃是旋臂物质相对于核心物质的数量，以及旋臂的展开程度．这一分类的实例列于左图（a）中，它们统称标准旋涡星系．

a.椭圆星系到了二十世纪四十年代，采用新的照相技将最近的一个椭圆星系—仙女座星系的伴星系—分解为单颗的恒星．椭圆星系中的恒星分布，即使用不同的曝光时间拍照，星系的整体形状总保持不变．短时间曝光，只能拍到密集的中心区；长时间曝光，则可拍到星的外部区域．这就说明，恒星是绕核心对称分布的，恒星数由中心向外逐渐减少．

椭圆星系、旋涡星系的核部以及球状星团，三者极其相似．它们之中所包含的最亮恒星都是红的超巨星，而居然都不含有蓝巨星．所以，认识到椭圆星系也含有天琴座RR型星而没有星际物质，是不足为怪的．有人将椭圆星系划归为星族II。由于没有星际物质，星系本身显得非常透明，所以，有时透过它的边缘还能看到更遥远的星系．十分显然，目前观测到的体积和质量均为首屈一指的星系都是椭圆星系．

由于我们的视线与仙女座星系平面并非垂直（两者夹角为12度左右），故可用多普勒位移效应来测定那些背离或趋向我们的星系部分的旋转速度．美国基特峰国立天文台的梅奥尔已经通过观测旋臂中的发射星云研究了该星系的自转．发射星云的谱线要比恒星的谱线明锐得多，故更适于用作视向速度的测定．梅奥尔所得的结果表明，该星系的中间部分象一固体轮子那样旋转，也就是说，距星系中心愈远，旋转速度愈大．而星系的外围部分的旋转方式同太阳系一样，即离星系中心愈远，旋转速度愈低．如果一个系统的绝大部分质量都集中于中央，我们可认为，此系统的旋转会遵从开普勒第三定律．反之，假若星系的质量分布均匀，则该星系的旋转就会象固体轮子一样．仙女座星系的旋转就介于这两种极端情况之间．我们既然知道了仙女座星系的距离，由其角直径便可定出它的大小来．仙女座星系直径大约有100000光年．不过，用光电管所作的测量却表明，在照片的边缘之外还散布有一些恒星，若把它们也包括在内，那直径便能增加到180000光年左右．根据仙女座星系的大小和自转，这个星系的质量估计为4*1O的11次方个大阳质量．太阳大体上是一个中等质量的恒星，因此仙女座里的恒星可能有四千亿颗之多！

C．棒旋星系棒旋星系同标准旋涡星系有其相似之处：两者的核部主要都是星族II天体，而旋臂部分则为星族I天体．在旋臂里可以看到明亮的星云物质、疏散星团以及一些暗黑的物质带．对比右图（a）和（b）可知，标准旋涡星系与棒旋星系在结构上具有显著的差别．棒旋星系的棒体和核都似乎联成一体旋转，就好象是从轮轴中伸出来的两根粗大辐条．旋臂则好象是抱在棒和核的后面旋转，其方式类似于太阳系中行星的运转．目前尚无法解释棒旋星系的结构．不过有人推测，在星系（包括棒旋星系）的构成过程中磁场起着一定的作用．
d．不规则星系不规则星系完全不同于椭圆星系和旋涡星系．这类星系没有中央核和旋臂，也看不出存在对称平面．在这类星系中最普通的例子便是两个麦哲伦云（左图）．两个麦哲伦云离我们很近．大麦哲伦云距我们约150000光年，小麦哲伦云约200000光年．大麦哲伦云主体的直径为25000光年左右，小麦哲伦云主体的直径大概有8500光年．大麦云的质量约为我们银河系的0．1倍，小麦云约为0.02倍。两个麦云的光度在星系中属于中等，而我们的银河系却比多数星系部亮得多．

对于从事恒星系统演化的天文学家来说，大麦云乃是最有意义的研究对象．它含有大量的星族I天体：蓝巨星、疏散星团、遮光的气体和尘埃以及发射星云．事实上，目前已知的最大发射星云大蜘蛛星云就在大麦哲伦云中．大蜘蛛星云可谓大矣！若把它移至猎户座星云位置上，它会将整个猎户座完全罩住，并成为我们夜空中一幅异常触目的奇景．但是，大麦哲伦云中最为引入重视的天体还是球状星团，因为它的许多球状星团居然都含有蓝巨星！这样的球状星团一定年龄很小，而且其中有一些恐怕还正处于形成过程．这些星团的轮廓很规则，呈球形，但其颜色一光度图却与我们银河系中的疏散星团的相象．这些颜色一光度图都有一条由主星序的右上方直通蓝巨星的纤细的星带．大麦哲伦云中另外的一些球状星团，其年龄大概为10亿年左右。但这仍然比我们银河系中所有的球状星团都年青．看来，麦哲伦云里的恒星形成过程或者开始得晚一些，或者由于某种原因被减慢了．

如以在银河系内运动的太阳为参考点，两个麦哲伦云的视向退行速度分别为每秒170英里和100英里．但若相对于银河系中心而言，它们的视向速度却变为零，这一事实，再加上这两个云又都离银河系很近，使一些天文学家相信，大小麦哲伦云乃是绕银河系运转的伴星系．中性氢21厘米谱线的射电观测表明，两块云还被一个公共的氢气外层包围着．不过，和某些星系（右图所示）不同，在麦哲伦云与银河之间看不出有星桥相衔接．仙女座星系也有两个伴星系，但它们都是椭圆星系

c.矮星系完全出人意料，所有星系中最常见的竟是矮星系。这类星系非常难以测出，因为它们不象大星系那样明显和发亮，但在数量上却超过了大星系．在我们银河系附近紧挨着有许多矮星系，其数量比所有其它类型星系之和都多．在邻近的星系团中已发现了大量的矮星系．其中一些具有规则的形状，多半都含有星族II的恒星；形状不规则的矮星系一般含有非常亮的蓝星．

银河系

由于我们的星系含有大量的星际气体和尘埃以及发射星云，它不可能是一个椭圆星系。又由于它有一个非常确定的对称平面，即银河所确定的星系平面，因此也不会是一个不规则星系。于是，我们只有作这样一个尝试性的结论：我们的银河系具有旋涡结构．这个结论符合于对我们星系的粗略观察。银河系的形状能够容易地根据对银河的观察来作推想．银河是环绕天球的一条狭窄的带子，所以银河系必然是一个非常扁平的系统，或许同左图中从“侧边”看到的旋涡星系的横截面一样，

照此说来，我们的银河系的确是一个旋涡星系．我们需要测定它的大小和结构，也就是要确定银心的位置（即太阳相对于银心的位置），找出银河系旋臂，并确定银河系的自转方式。

a．银该找出银核，我们自然也就确定了太阳相对于银核的位置．这个任务已经通过几种途径实现了，其中之一是依据球状星团的位置．在已知的121个球状星团中大约有30个集中在人马座．其余90多个则散布于大半个天空，但它们绝大多数是位于以人马座为中心的半个天球上．这些球状星团的距离能够很准确地测定出来。因为它们不仅含有天琴座RR型星，而且有不少分布在免受星际物质影响的天区．

对于不属于球状星团里的天琴座RR型星也同样作了研究．这些天琴座RR型星构成的系统与球状星团构成的系统类似．但不是正球形的；在银道面的方向上稍扁一些，可是中心仍是在人马座处．据估计，银核到太阳的距离为33000光年．

第三种确定银心位置的方法是利用造父变星、O型星、B型星和天琴座RR型星．研究结果证明，银河系的直径大约为100000光年．太阳的位置是在距银心三分之二半径的地方（银河系半径为50000光年）．

b．银道面银核位置确定之后，我们便可继续寻找中央平面．利用平分银河的方法可以估计出此中央平面的粗略位置．对中央平面更精确的定位则是通过研究某些天体在天球上的分布来实现的．效果最好的天体是那些在最大距离处还能看到的天体，因此这就包括球状星团、O型星及B型星、暗弱恒星和造父变星．每种天体的分布情况都大致类似，愈靠近银道数自愈多．用射电方法研究氢气的分布，包括中性的和电离的，对于确定银河系的中央平面也非常有效．

根据银河系中央平面位置的观测资料即可证明，在太阳附近，银河系厚度约为5000光年．太阳距离中央平面大约40光年，所在的方位是使地球的南极靠近银道面．

C．银道坐标银核和银道面的位置全都确定之后，建立一套银道坐标系就很方便了．在讨论天体相对于银河系的位置，而不是相对于太阳系的位置时，天文学家需要使用银道坐标系．银道就是建立在银河系的中央平面上．银纬是从银道分头向两极量起，到南北银极均为90°;．根据定义，北银极位于北天极所在的半球里，但北银极和北天极相距62°之多．北银极在牧夫座和狮子座之间，这个区域的恒星异常稀疏。

要测量银经，还须在银道上选取一个原点．在1958年于莫斯科召开的国际天文学会的一次会议上规定，银经的起算点就选为银心所在的天球上的那一点．此点的位置是靠现测21厘米谱线确定的，它位于人马座的方向．银经就从此点顺银道向东量度，从0到360°．

这样一来，天球上建立了三种坐标系．它们分别基于三个基本平面：地球的赤道面、地球绕太阳运转的轨道平面和银道面．银道与天赤道的交角为62°左右，也就是地球赤道面与银道面大约成62°角．两平面相交于天球上相对的两点，其一在天鹰座，刚好在牵牛星的西南方．另一个交点在猎户座的东方，在猎户座和南河三之间．

d.旋臂的位置为确定旋臂的位置，我们可以首先考虑O型星和B型星，因为这两种星非常明亮．它们的本身光度可通过它们在赫罗图上的位置来决定，其视亮度可用光电方法测定．但是，确定这两类恒星的距离却不能直接使用平方反比定律．因为天文学家业已确认，只有透过具有散射作用和吸收作用的星际物质才能看到这些遥远的恒星．这种散射作用和吸收作用使恒星变暗，因而这样得出的距离比没有星际物质时得出的距离要大．为尽可能准确地定出恒星的真实距离，必须对于光在恒星和地球之间传播时的损失作出估计．一种方法是去测量恒星的色余．我们还应记得，包余乃是对星际物质散射掉星光多寡的一种量度，包余值愈高，光在传播中损失得愈多，恒星也就显得愈远．光被吸收的多少也可以根据散射掉的光量来作估计．考虑到这两种因素，天文学家对平方反比定律作一些修订，就能合理地算出恒星的距离来．一旦把大量的O型和B型恒星的距离和方向定出，我们便可看出，它们在太阳周围的分布并不是任意的。而是呈现一定的图样，它明显地表示出有旋臂存在．研究发射星云的空间分布也证实了存在着旋臂结构．再考虑到O型和B型星以及电离氢云的空间分布。就会发现太阳似乎是位于猎户座的内缘上．猎户座中的恒星形成过程非常活跃，其银经大约为210°，御夫座的银经大约是170°，仙后座大约是120°，天鹅座大约是60°;．人马座的银经为0°．

星系的演化

星系的形成有着强烈的成群成团的倾向．星系经常是在一个非常紧密的集团里一起产生．人们认为星系离得如此近是由于引力的相互作用．如果确实如此的话，则每个星系的相对质量可由星系的运动来估计：质量愈大的星系，运动得愈慢；质量最小的星系运动得最快．威斯莱大学范·弗列斯克天文台的佩奇便持有这种见解，他就是根据一些密集的星系群去测定星系的相对质量的．佩奇惊奇地发现，球形的EO型星系的质量一般都比开放的Sc型旋涡星系质量大30倍左右．他还察觉到，从EO型星系到Sc型星系，质量是等级下降的．然而，矮星系却不在此等级系列之内，因为矮星系甚至比Sc型星系还小。

众所周知，椭圆星系不及旋涡星系旋转得快．但是，旋转的测量也应该包括旋转物质的多寡，所以我们采用角动量作为它的量度．和太阳的形成过程一样，星系的角动量也应该保持不变，因为没有什么外力作用使之减小．不过，即使质量较大，椭圆星系的角动量也比旋涡星系的小。

海耳天文台的阿普曾将星系质量与其单位质量的角动量相比较绘成图，他从中发现了一个非常有趣的关系．质量最大的星系，其单位质量的角动量反倒最小；而且，从EO型星系到Sc型星系下降等级十分均匀．阿普认为．这种等级差别是由于星系形成期间所处的条件造成的。

猎犬座中的旋涡星系
M106（NGC 4528）

假如各星系是由质量相等的气团形成的，则所有的星系应该具有相同的质量；但来．若形成星系的气团具有不同的角动量，则形成的星系也会是各不相同的。在巨大的非旋转气团吸缩期间，气体的密度保持均匀，所有形成恒星也应有均匀的速率和花费比较短的时间。所有的气体都应凝聚成恒星，所有的恒星都应具有大致相同的年龄，换句话说，椭圆星系是由非旋转气团产生的早期形成的蓝巨星早已演化成白矮星．不再有气体去形成新的恒星．于是蓝巨星也就不能继续产生．

另一种情况是，如果当初的气团是旋转的、也就是若具有相当的角动量，则气团收缩时会愈转愈快，以保持角动量守恒。随着旋转的加快，气体可能被甩出去而形成赤道隆起，尔后再变成一个星云圆盘，和原始太阳周围的星云圆盘一样，星云圆盘的形成使气体的密度降低，因而恒星的产生速率也随之减小．由于愈转愈快，也就有更多的气体被甩出而脱离正在形成的星系，从而使之质量减少．这一见解在银河系演化的各个阶段都有证据．

此看来，原始气团角动量的大小是决定气体形成哪种类型的星系—EO，E1，E2，Sa，Sb，或Sc—的主要因素。

现已公认，在旋涡星系生存期间，产生超新星和其它抛射气体的恒星会补充一些形成恒星的星际材料．如果初始的星际物质接近纯氧，则这些抛射气体的恒星便会“污染”星际气体．在恒星的生存期间，氢已聚变为氦，氦再依次变为碳、氧和更重的元素．在恒星又把气体抛射回空间时，这些重元素也就被带了出来．所以，旋涡星系中最初形成的一批恒星，含有的金属百分率很低，而较迟形成的恒星则具有较高的金属含率，最后形成的恒星的金属元素含率最高。业已证实，星族I恒星里的金属含率的确比星族II恒星里的高，这对于星际气体中金属元素含量不断升高的设想是一个有力的支持．大概椭圆星系的所有恒星都具有相同或大致相同的化学组成．上述的星系演化假说，首次将一些不同形态的星系纳入了一个统一的形成理论．肯定还有不少星系并不属于从EO到Sc的这个序列，例如棒旋星系、矮星系、不规则星系和爆发星系等即是如此．然而，天文学家毕竟有了一个框架——假说，在此基础上再深入下去便会取得更大的进展．即使以后这个假说被证明是错误的，天文学家仍可从中学到很多东西．关于星系演化的这一假说虽然目前还不能回答所有的问题，但对天文学家来说还是颇有用处的．无论观测方面还是理论方面，都还有待于进行深入的研究．这才是我们达到全面认识宇宙的正确途径．

和标准旋涡星系同属于旋涡星系的还有棒旋星系左图（b)，这是由于它们有一个由许多恒星组成的“棒”贯穿核部而得名．旋臂从棒的两端伸延出来，有时会围绕核心形成一个环．旋涡星系为什么能够有的取标准形状，而有的取棒旋形状，这还不清楚．不过标准旋涡星系的数量比较多些就哈勃研究过的600个星系来说，17%是椭圆星系，50％是标准旋涡星系，30%是棒旋星系，而不规则星系只占3%.

第三种星系类型是不规则星系，它没有固定的形状．两个著名的麦哲伦星云往往被当成这一类型的代表．不过，也有天文学家认为大麦哲伦云应该属于棒旋星系．

作者: Aziz 时间: 2005-12-6 15:31
:P好

欢迎光临天之星天文论坛(大陆著名天文论坛） (http://skyandtelescope.com.cn/bbs/)