第十五课 银河系

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主要内容

• 【银河系研究历史】
  
• 【银盘】
  
• 【银晕】
  
• 【银河系整体结构】
  

了解/理解

• Kapeton宇宙观、得到方法及存在的问题
  
• Shapley和Curtis的宇宙观及各自的对错
  
• 我们现在探测银河系结构的方法
  
• 星族I/II/III的特点、揭示银河系化学丰度演化的方法
  
• 探测银河系漩臂结构的方法
  
• 银河系旋转曲线的意义
  
• 银河系/星系漩臂结构形成并保持的机制
  
• 测定银河系中心黑洞质量的方法
  

我们前面讲了太阳系的大家园和恒星一生的历程，下面我们就开始讲恒星的集合——星系。
【银河系整体结构】
我们太阳系所位于的星系叫银河系。在古希腊神话中，银河被称为宙斯的妻子赫拉的乳汁之河，即Milky Way，而在中国，银河是分隔牛郎织女之河。
最开始，人们认为银河就像是光的流体一样，直到伽利略用他的望远镜发现银河是由无数恒星组成。
十八世纪时，赫歇尔通过统计天空中不同方向恒星的数目，来研究银河盘的形状和大小。他发现我们看到的恒星的分布是不均匀的，并认为银河是扁平状的结构。
1906年，荷兰天文学家Jacobus Kapteyn组织了40多个天文台，发起了对银河系中恒星分布的统计研究，测量了206个天区的恒星的视星等、光谱型、视向速度和自行。这是天文学中的第一个大规模协同观测统计研究。
他们对宇宙的刻画称为Kapteyn Universe，具体表现为：
（1）我们处于扁球状（1：5）银河的中心，恒星密度随离中心距离的增加而减小；
（2）银河的尺度约为40000光年；
（3）太阳系离银河中心的距离只有约2000光年。
后来，Trumpler对消光的估计把银河系尺度增大到10万光年。他认为星团的亮度、大小应该差不多，但在研究疏散星团的距离和大小时，得到了一个 奇怪的结果：疏散星团离太阳越远，直径就必须越大，才能符合疏散星团的视亮度和直径的统计关系。这种关系成为星际尘埃存在的证据。当考虑尘埃后，他对银河系尺度的估计增大到10万光年。
由于银盘具有严重的消光，当时人们为了避免消光的影响，就通过观测银道面之外的特殊天体来研究银河系的结构，比如球状星团和漩涡星云。
通过对二者的观测，诞生了关于宇宙尺度“THE SCALE OF THE UNIVERSE”的世纪辩论。
Harlow Shapley认为：
1） 太阳远离（60000光年）星系的中心；
2） 星系的尺度大于300000光年（基于球状星团中造父变星的周光关系) ;
3）宇宙是由单一的一个大星系组成；
4） 旋涡状星云只是附近的气体云。 基于：a）否则M31会在百万光年之外；b）否则一些新星会太亮；c）有些星云在旋转，如果在银河系之外会超光速；d）银盘上没有漩涡星云。
Heber Curtis则认为：
1） 太阳位于星系的中心；
2） 银河系的尺度大约为30000光年；
3） 宇宙是由许多类似于银河系的星系组成；
4） 旋涡状星云是同银河系一样的遥远星系。基于：a）M31中的新星比银河系中其它部分的都多；b）堪比整个星云亮度的是特殊的新星；c） 星云旋转的观测可能是错的；d） 银盘具有其它星云中的暗带可以挡住光。
我们现在知道，Harlow Shapley给出的银河系的尺度过大，导致他会把很多天体都归到银河系以内。直到1925年，Edwin Hubble利用Mt Wilson天文台的2.5米胡克望远镜分辨出M31中的造父变星，成功测定M31的距离约为90万光年（现在的测定距离为256万光年），这个数值远大于当时认为的银河系最大尺度，确认M31和类似旋涡星云是与银河系一样的遥远星系。



Mt Wilson天文台的2.5米胡克望远镜；埃德温.哈勃；M31仙女座大星系

*问题：Kapteyn宇宙观是什么?这一宇宙观有什么意义?存在什么问题? Shapley和 Curtis都有什么宇宙观?各有什么对错?他们的分歧最终是如何解决的？

【银盘】
我们现在看银河系的结构，知道它包含核球、银盘、银晕三个成分。
从银河中心指向地球的方向上，存在着大量的气体和尘埃云，光学波段的辐射被严重遮掩（消光约为30等，相当于1012个光学波段的光子只有一个能够从银河中心到达地球）。近红外/红外波段更能一窥银河系的全貌。21cm射电观测能够示踪中性氢在银河系中的分布，而X射线和伽马射线能够给出高能辐射的成分（如下图）。


银盘的主要成分为：气体、尘埃、恒星。其中，恒星银盘半径60000光年，厚度1000光年（stellar disk），约为1500亿倍太阳光度，600亿倍太阳质量（薄盘和厚盘）。
当我们观测恒星时，也会发现存在不同的星族。比如OB星协中的恒星多为年轻大质量恒星，呈现蓝色、高金属丰度，称为星族I；球状星团中的恒星多为年老小质量恒星，呈现红色、低金属丰度，称为星族II。另外，还有一类星族III，是第一代恒星，不存在金属或金属非常少。从星族到星族II，金属丰度递减。
那么除了颜色、金属丰度等性质，我们可以从另一个纬度——空间运动——来研究恒星。
最开始时，人们只能观测太阳附近数百秒差距内的恒星，进而得到银河系内太阳邻域的自转速度。太阳邻域的轨道速度大约是220 km/s。因此，在距离银心8 kpc的太阳位置处的物质需要花上2亿2500万年（这个时间间隔有时被称为1银河年）才能完成一周的绕转。
太阳近邻的恒星和星际云呈现系统性的多普勒运动（不同的蓝移和红移区域，如下图），表明银盘在按照某种特定的方式自转。银盘在旋转，恒星、气体和尘埃几乎都在绕着银心做圆周运动，其轨道受到银河系引力场的控制。
银河系的自转周期取决于相对于银心的距离，距离越近，周期越短；反之越长。也就是说，银盘的旋转不是刚体的，而是较差的。


我们通过恒星只能观测几千秒差距的距离。那么对于较远的距离，我们可以观测OB星协（比较明亮）来推测银河系结构。
观测显示，OB星协的分布是不均匀的，在某些区域分布比较密集，从而揭示了太阳附近的三个旋臂。
*问题：光学波段的观测不能探测整个银河的结构,为什么?不同波段的观测都展现了银河系的哪些不同信息?
*问题：星族I/I/Ⅲ的分类标准是什么?各个星族都有什么特点?它们是如何揭示银河系化学丰度演化的?
*问题：Oort是如何证明银盘上的恒星在围绕银心做开普勒运动的?如何利用Oort常数测量太阳近邻天体的视向和切向速度?
由于尘埃的影响，光学观测不能探测整个银盘的结构，而长波段射电波几乎不受星际尘埃的影响，因此射电观测可以研究整个银盘的性质。
由于银盘在做较差自转，某视线方向不同距离的中性氢21 cm射电信号会存在不同的多普勒移动（红移或蓝移）。人们确实发现有的方向会出现多个21 cm辐射的发射线，因此可以由谱线移动推知视向速度，由谱线强度推知气体密度。
假定中性氢云团在绕着银河系中心运动，且为圆轨道，可以利用开普勒定律将测得的视向速度转化为视线方向上的距离。
结果显示：
（1）在中心区域，银盘气体在核球内部显著膨胀。
（2）已经在距离银心至少50 kpc的地方观测到射电发射气体。
（3）在银盘内大约20 kpc的范围内，气体被束缚在距离银盘面大约100 pc的空间内。
（4）在20 kpc之外，气体的分布有些弥散，达到几kpc的厚度，并且呈现出一定程度的被“扭曲”的迹象。

【核球】
在银河系中心存在一个核球，半径6000光年，主要成分为：星族I（年轻恒星）和星族II（年老恒星）、尘埃。核球内恒星存在圆周运动恒星和随机运动。质量约为100亿倍太阳质量，光度50亿倍太阳光度。
银河系核球内存在一个棒状结构bar，因为银河系为棒旋星系。棒存在的证据有：
（1）引力透镜光深：棒的存在加大透镜事件概率（光深），见Paczynski+。
（2）红外波段观测恒星分布（The Spitzer Space Telescope, Benjamin et al. 2005）。
（3）数值模拟和对其它星系（如NGC1300）的观测都显示比较稳定的棒的存在。

【银晕】
银河系的另一个成分为银晕。其中恒星晕半径65000光年。主要成分为：球状星团（146个），年老恒星（星族II)。通过X射线观测，发现存在弥散热电离气体，辐射主要在软X射线波段。
银晕呈球状分布，按密度分层为内晕（密度下降快）和外晕（密度下降慢），揭示了复杂的银河系形成和演化历史。
银晕中年老的球状星团和银晕以及核球中暗弱偏红的独立恒星并不遵守银盘中定义明确的运动模式。相反，它们的轨道方向在很大程度上是随机的。尽管这些天体围绕银心运动，但是运动方向各异，运动轨迹充满了整个三维空间，而不是一个近似的二维的盘。
银晕中存在大量星流（例如SDSS的早期观测），揭示了被银河系俘获并被潮汐撕裂的矮卫星星系。这些星流和矮卫星星系在位置、密度、化学丰度、速度等参数空间会呈现成团现象，这些研究都能加深我们对银河系演化的理解。



银晕中的星流和矮卫星星系

*问题：银河系包括核球、银晕和银盘这三个区域。各个区域的尺度和质量大概是多少?它们各自的主要组成成分是什么?有什么异同？
*问题：太阳附近的恒星可能是银盘上的,也可能是银晕中的,该如何鉴别这些恒星的归属?请从化学组成和运动学特征来描述盘星和晕星的区别。
*问题：银晕中的物质来自哪里?其为什么呈一个球状的分布?为什么银晕中没有年轻恒星?
*问题：银晕上存在许多的星流,它们是如何被发现的?是如何形成的？
*问题：核球的恒星密度和银盘、银晕相比如何,各自的数密度大约是什么量级?有研究认为核球处存在棒状结构,这结构如何产生并稳定存在?观测上如何证实?
*问题：分子云主要分布在银盘上,核球部分很少,很难形成恒星,那么核球部分的大质量恒星是从哪里来的？

【银河系整体结构】
银河系整体模型（Dehnen & Binney 1998, Xue et al. 2008）为：
（1）星系盘：薄盘＋厚盘（z方向指数衰减），约为5x1010太阳质量
（2）核球：约为 10^{10}太阳质量
（3）暗物质晕：约为 10^{12}太阳质量


银盘、银晕及核球的特性概览：


银河系的形成理论（整体结构来源）：
（1）银河系可能是由几个较小的系统并合形成的。最早期形成的恒星运动是各自不同的。
（2）早期，银河系的形状不规则，气体遍布整个体积中。当恒星在这一阶段形成时，它们的运动轨道将其带入一个绕转新生银河系的三维空间中。
（3）气体和尘埃掉落到银道面上，从而形成旋转的盘。已经形成的恒星则被留在银晕中。
（4）在盘上形成的新恒星继承了它的整体自转，因此会围绕银心做有序的圆周运动。


化学丰度的演化也支持上述的理论：银晕气体的掉落直到今天还在继续。目前，最好的恒星形成和恒星核合成的模型预言，只有银盘中的气体仍然在被来自于银晕的、相对尚未演化的气体，以每年5～10倍太阳质量的速度“稀释”，否则盘星中重元素的比例应该比实际观测到的要高很多。
银河系的旋臂长期存在，并且是星系中非常常见的特征。然而，旋臂由新生成的恒星组成，这些恒星的寿命只有 10^7-10^8  年。并且，太阳以220 km/s的速度绕银河中心旋转，周期约为225百万年，其寿命为45亿年，总共已转20圈。外围转速慢，内圈转速快，为什么旋臂未见缠卷？
20世纪60年代，徐遐生和林家翘提出了密度波理论：旋臂并非恒星或气体的物质波，而是密度波。这就像十字路口的堵车，虽然堵车总是存在于这个路口，但堵的并不是同一些车辆。恒星和气体不断快速进入旋臂/密度波，密度波会压缩气体，触发恒星形成，因此旋臂一般和年轻恒星在一起。由于密度较大，气体和恒星在旋臂中速度较慢，造成集中，停留时间比较长。并且，大质量恒星很快在旋臂内演化结束，能走出旋臂的都是比较年老的恒星。
因此，气体和恒星速度比旋臂/密度波速度要快，密度波形态变化/演化比物质波要慢的多。
密度波该如何形成或触发呢？有以下几种机制：
（1）椭圆轨道的较差自转；
（2）星系盘对小扰动的响应放大 （Peter Goldreich & Donald Lynden-Bell）;
（3）恒星形成的自传播（超新星链式反应）：由超新星爆发导致的邻近气体压缩形成恒星和触发新的超新星 。
一些数值模拟显示：在星系盘形成的过程中，旋涡结构（旋臂）形成的很早，而中心的棒形成较晚。 但随着恒星随机速度的增加，盘“热”起来，旋涡结构很快消失，需要有未知的大量物质维持盘稳定；但棒并没有随着旋涡结构消失而消失，将永久存在下来 。如果没有气体，即没有新恒星的形成，旋涡结构是短命的。当盘内有气体，它们新生成的恒星具有小的随机速度。这样新生恒星的不断加入才能延长旋涡结构的寿命，或者在让旋涡结构周期性地再生。
*问题：尽管我们位于银河系内部,但是我们仍然可以通过多种手段知道银河系有旋臂结构。那么在历史上,我们是如何一步步探知银河系旋臂结构的?
*问题：什么是密度波理论?密度波的存在如何影响银河系的结构?银河系的密度波是如何形成的?
利用开普勒定理，可以对银河系的质量进行测量。
太阳与银心的距离大约为8 kpc，而太阳的轨道周期为2亿2500万年。将太阳轨道内质量作为点源或者假设求对称，估计为 9\times10^{10}太阳质量，为太阳质量的900亿倍。
如果考虑内部密度的不均匀性，银河系的旋转曲线速度会从里面慢慢增加，然后再缓慢下降。但观测并非如此，而是在银河系中心速度迅速上升，然后下降，再上升、下降，并且在离星系发光区域较远处旋转速度仍然较大，在最外面保持不变（如下图）。这要求有大量的未知质量分布在星系的外围（Vera Rubin+）。根据观测的旋转曲线，人们推测暗晕半径大于2－3百万光年，包含了80%－90％的银河系质量。这些不发光、具有引力的物质称为暗物质。




银河系自转曲线

对于暗物质的本质，目前仍不清楚。一些候选者包括：褐矮星、致密天体（黑洞、中子星、白矮星）、WIMP（weakly interacting massive particles）等[1]。
褐矮星作为暗物质的候选体的可能性基本被排除。哈勃对杜鹃座47的高分辨率观测没有找到数量足以解释银河系暗物质的褐矮星。并且观测表明，质量函数在0.2太阳质量处存在截断，质量低于这一数值的恒星数量很少，在银晕中极低质量的恒星非常罕见。
致密天体的可能性也基本被排除。一方面，恒星演化理论可以给出黑洞的数目，并没有那么多；另一方面，对LMC长期监测并没有发现太多引力透镜现象，即没有发现大量致密天体。
*问题：银河系旋转曲线是什么?是如何得到的?旋转曲线的形状能够说明什么问题?根据旋转曲线估计银河系中暗物质所占比例大概是多少？
*问题：银河系的形成经历了怎样的过程?这些过程是如何决定其当今的结构的?
20世纪60年代，类星体被发现，人们提出这是由中心的大质量黑洞吸积供能。并且巡天发现遥远的大星系中心都存在一个超大质量黑洞。因此，人们也开始考虑银心是否存在一个黑洞。
由于尘埃的影响，光学波段无法精确对银心定位。因此人们用射电波段进行了仔细观测，发现银心区域存在大量的超新星遗迹和弧状结构，并能够将银心位置定在1角秒以内。银河系的中心射电源光度约为1032 erg/s，可能存在黑洞。
进一步，人们通过自适应光学技术——改正由大气湍动造成的图像变形进而提高空间分辨率——观测银心最内区域，在1角秒以内发现了很多恒星。若存在黑洞，可以通过恒星轨道运动（开普勒定律）测定其质量。恒星的三维速度可以通过恒星的发射线或吸收线的多普勒移动及自行来测量，而恒星的位置取决于望远镜的角分辨率。
根据对恒星S2的轨道测量，人们认为银河系中存在四百万太阳质量的超大质量黑洞（Schodel et al. 2002，Ghez et al. 2008）。Reinhard Genzel和Andrea Ghez也因为对银河系中心超大质量黑洞的质量测量而获得了2020年的诺贝尔物理学奖。




星系中心超大质量黑洞的形成存在很多问题，例如是否由中心的大质量恒星形成，是外部形成然后迁移到星系中心、还是当地形成等等。



M87和银河系中心的超大质量黑洞

*问题：银河系中心存在黑洞吗?有什么证据?如何测定其质量?事件视界望远镜(EHT)对黑洞进行成像的方法是什么？
参考

• ^https://www.zhihu.com/question/532951792/answer/2504758316