银河系的结构以及形成和演化过程

伤我心太深

　　一、什么是银河系?

　　要回答这一问题，首先要了解一下什么是银河，什么是星系。原始人就曾意识到，在寒冷、晴朗的夜晚，天空被一条光带分成两部分，这条轻雾似的光带的亮度沿着它的延伸方向有所变化。它横贯天空，并在天空旋转时使它的位置固定于熟识的星座之间。这条光带被称为银河，又名“天河”。从一条地理纬度带观察整个天空中足够宽的部分得知，银河呈现为一个巨大的整圆。用望远镜观测银河，银河被分解成许多弱星和发亮的星云，银河就是这些弱星和发亮的星云的光所形成的光带。所谓星系是指由几十亿至几千亿颗恒星和星际物质构成的庞大天体系统。所谓银河系是指我们太阳系所在的星系，而银河就是银河系主体在天球上的投影，银河系也由此而得名。

　　二、银河系的结构

　　对银河系的观测和研究表明，银河系是一个由包括太阳在内的众多恒星、星团、星际气体和尘埃聚集而成的旋涡星系。肉眼所见的天体，除仙女座大星云和大小麦哲伦星云这三个河外天体外，都是银河系中的天体。银河系的恒星估计有数千亿颗，肉眼所见的只有6000多颗。银河系的物质密集区域是一个外形呈扁平、中间稍凸的圆盘。从侧面看，它的外貌像一个中间突起的透镜或体育运动用的铁饼，它由核球、银盘、旋臂、银晕和银冕几个部分所组成。圆盘中心隆起的部分称为银核，外围称为银盘。过去曾经认为银核呈扁球状，通过进一步研究，发现它呈棒状。银盘比银核薄。银心位于银核的中心，位置在人马座方向，银经为325度，是强射电、X射线和红外辐射源。银盘是银河系的主要组成部分。它中间厚，外面薄。





　　银盘的中心平面叫银道面。太阳附近银盘厚度约为1000秒差距。太阳并不正好在银道面上，但离银道面不远，在离银道面以北8秒差距的地方。太阳离银心的距离约为8500秒差距。由于太阳在银盘内，所以沿银盘平面向各个方向看去，恒星比较密集，形成了天球上的银河形象。

　　由于太阳不在银河系的中心，而是靠近边缘，所以向银心人马座方向看去，恒星最为密集，银河在人马座那一段显得最亮。反之，朝背向银心方向御夫座看去，就比较黯淡。无论是按顺时针方向或是按逆时针方向，从人马座转向御夫座观测银河，所计数到的恒星是由多变少，反之则由少到多。银河从半人马座到天鹅座的一段分叉成两支，被黑暗的裂缝所隔开，这是由于在太阳邻近的这个方向上有较大的暗星云把后面的星光挡住所造成。

　　作为旋涡星系，银河系有四条旋臂从银核中伸展出来。它们分别为人马臂、英仙臂、猎户臂和天鹅臂。我们的太阳位于猎户座的内边缘。如果我们从银盘上方俯视银河系，那么所看到的就不像一只铁饼而是像一只海星。

　　在核球和银盘外面是一个近于球状的物质密度比较稀疏的区域，称为银晕。属于银晕的天体有天琴RR型变星、球状星团、某些巨星或矮星。银晕中的星际物质也比银盘中的少得多。银晕的直径约为3万秒差距。处在银晕之外的银冕是一个巨大的大致成球形的射电辐射区，它至少延伸到离银心10万秒差距的地方。

　　三、银河系的运动和银河系的质量

　　银河系的形状使人猜想到，它正如土星环环绕土星或行星环绕太阳那样，在围绕银核自转。银河系的自转究竟是每颗星都按照开普勒定律在环绕银核的轨道上运转，还是整个银河系都像一个刚体那样自转?这只有通过观测才能确定。观测表明，银河系的自转在银心附近接近刚体旋转，距离远些的地方是较差自转。在离银心相当远的地方，自转速度没有明显下降，说明在太阳轨道之外存在着大量的物质。

　　现已测定，太阳绕银心旋转的速度为每秒220千米。所以，太阳绕银心公转的周期约为2.25亿年。由于地球年龄令至少已有46亿年，这使人猜想到，太阳绕银河系公转已转过20多圈。这个公转周期有时作为一个宇宙年而被提到。太阳除了绕银心公转外，还以每秒211千米的速度朝武仙座方向飞驰。而我们的银河系整体除了作较差自转外，还以每秒211千米的速度朝麒麟座飞驰。

　　假设恒星环绕银河系中心的运动遵循开普勒定律，那么我们现在就可以对银河系质量进行一种粗略的计算。只要具有中学数学物理知识，就不难理解以下推算过程。作为一次近似，暂且假设处于太阳绕银心的运动轨道之外的质量可以忽略不计，银河系质量为M，可以作为一个位于银心上的点质量起作用。令太阳的质量为M⊙，它离银心的距离为r，它的速度为每秒V公里。




　　还有，太阳绕银河系公转的恒星周期为T，由牛顿修正的开普勒第三定律得知4π2r3/T2=G(M+M⊙)

　　但我们也知道，如果T(+)和a是地球绕太阳公转的恒星周期和地球轨道的半长轴，那么我们可以写成4π2a3/T(+)=G(M2⊙+M(+))这里M(+)是地球的质量。

　　用以上两式相除以，并考虑到M>>M⊙和M⊙>>M(+)，我们得到M/M⊙=(r/a)3(T(+)/T)2

　　既然T=2πr/V，那么M/M⊙=T2(+)rV2/a34π2如果距离用天文单位量度，并且时间用年量度，那么T=a=1，于是上式简化为M/M⊙=rV2/4π2既然r=8500秒差距=8500×206265天文单位，并且V=220千米/秒=(220/149.6×106)×31.56×106天文单位/秒所以，把r和V的值代入后就得到
　　M/M⊙=1011
　　由此可见，在太阳运动轨道内部的银河系质量约为一千亿个太阳质量。

　　过去很长一段时期，人们一直低估太阳轨道之外的银河系质量，认为可忽略不计，所以不少人误认为银河系的质量必在一千亿个太阳质量这个量级。其实，太阳轨道之外的银河系质量不但不比太阳轨道之内的银河系质量小，而是要大得多，所以根本不能忽略不计。

　　按照开普勒第三定律M≈a3/P2，由于银河系自转周期P为2.25亿年，银河系半径a为25000秒差距为，由此可以算得银河系的总质量至少有1万亿个太阳质量。这里还没有计算银河系内弥漫的星际物质和被遮住的恒星以及星际暗物质的质量。所以，有些天文学家推测，银河系的总质量可能有2万亿个太阳质量。

　　四、星族

　　恒星可以归入两大星族类型。我们在这里有必要先说明一下不同星族的区别。星族分类的概念是由巴德在研究了仙女座这个巨大的恒星系中的恒星分布之后于1944年提出的。不同的星族在空间上的分布基本上各不相同。在仙女座星系中，这是十分明显的。仙女座星系中富有尘埃和气体的旋臂所包含的最亮的恒星是蓝色的主序星，另一方面，仙女座星系的中心区域(带有一点尘埃和气体)呈现有作为最亮星的超红巨星。此外，这个中心区域的赫罗图并不与球状星团相类似，却与从疏散星团所得的赫罗图相类似。

　　在我们自身星系中，也存在这些差别。巴德把太阳附近的大多数恒星、经典造父变星、金牛座T型变星和沃尔夫射线星命名为星族Ⅰ。所有这些恒星都处于银河系的银盘和旋臂上，在那里也发现有大量的尘埃和气体。那些银晕天体、球状星团、分离的星和Ⅱ型造父变星以及组成银核的恒星命名为星族Ⅱ。由于这些差别，从外面所观测到的银河应在旋臂上呈蓝色，在银核上呈红色。




　　业已发现，通常隶属星族Ⅰ的恒星呈现出重元素的含量要比星族Ⅱ大得多。例如，银盘上星族Ⅰ的恒星具有重元素质量的丰度为4%，而对银晕上的星族的恒星来说，这个丰度为0.3%到1%。星族Ⅰ包含的恒星比星族Ⅱ中那些恒星年轻得多，这种年龄差别是通过它们的赫罗图的研究而推断的。星族Ⅱ的恒星在形成银核时所具有的速度要比星族Ⅰ的大得多，在银河的盘状结构中已经找到这些恒星。这表明一个恒星所具有的速度在某种程度上取决于它的年龄，愈老的恒星愈可能具有更高的速度。

　　所有上述事实——两种星族的存在、它们的年龄差别、重元素含量、它们在尘埃和气体比较贫乏或比较富有的区域上的占据以及在它们空间速度上的差别，使一种探索性的银河系形成和演化理论假说得以形成。

　　五、银河系的形成和演化

　　科学家已在银河系中的一颗最年老恒星的光谱中检测到了铀。把这一元素的丰度与钍以及其他几种元素的丰度进行比较，估计这颗恒星的年龄为125±3亿年，与其他恒星根据钍得出的年龄估计值相符合。银河系的年龄至少应略高于银河系中的最年老恒星。天文学家根据大量观测事实提出不少银河系形成和演化理论假说，这里介绍一种比较流行的气体星云假说。

　　大约在120至130亿年前，形成我们银河系的以氢为主的大量物质把自己从星际介质中分离出来。正如一个原始恒星在一个星际物质云中形成时那样，这个原始星系应当收缩，内部形成许多密度较大的球状团块。这些团块在自身引力的作用下又进一步收缩，而且它们比原始星系整体收缩得更快，最终破碎成许多小块，演化成众多的新生恒星并与星际气体形成了众多的球状星团。它们在空间成球状分布，成为银晕中的主体部分。由于银晕中的球状星团产生较早，所以银晕中球状星团恒星在其组成方面只有很少一点重元素。

　　银核可能是作为一种收缩的自转系统的银河系的下一个层次，其中星族Ⅱ的恒星并不比出现在银晕中的球状星团恒星年轻多少。这些恒星因其在银河系最早期得到比较大的势能而具有最高的空间速度。由于缺乏可补充的气体和尘埃，所以在银晕和银核中大概很早就停止形成恒星了。

　　银盘是由那个旋转的原始星系中银核之外部分收缩和变平所造成的。在这个扁平系统中，星族Ⅰ的恒星通过在这里找到丰富的尘埃和气体而产生过并继续产生着。发现星族Ⅰ某些星团的恒星年龄范围的下限接近两百万年，这意味着，在银河系的一生中，这些恒星是最近才形成的。在这些恒星中重元素的丰度较高的事实也是与这种观念相一致的。围绕银核的旋臂与银河系的年龄相比还是年轻的。从动力学的角度看，我们有理由相信这一观点，因为这里可能有磁场在产生和维持旋臂方面起作用。最近，天文学家开始意识到，目前对星系的中心可能发生的各种过程，包括释放大量能量的机制，还了解很少。一旦能够更好地理解这些过程，这里所描绘的我们银河系形成和演化的简图有可能要作重大修改。