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银河系

2015-2-10 21:17|查看:3618|评论:0|字体: 繁体

银河系

从无光污染的内华达州黑岩沙漠(Black Rock Desert)望向人马座方向的银河(包括银心)。

银河系中心

 

斯皮策空间望远镜拍摄的银河系中心图象

银河系(古称银河、天河、星河、天汉、银汉等。西方人称之为Milky Way,意为“奶路”。)是太阳系所处的星系。它包含1,000至4,000亿颗恒星(1–4×1011)、数千个星团星云,属于棒涡星系系统,还包含各种星际气体和星际尘埃。其直径约为100,000光年,中心厚度约为12,000光年,可见物质总质量是太阳质量的1400亿倍。太阳系是这个庞大星系的恒星之一,而我们居住的地球则属于太阳系中的一个行星

过去普遍认为银河系与同处于本星系团的仙女座大星系一样,都是旋涡星系,但后来有研究认为银河系为棒旋星系,目前尚无定论。银河系具有巨大的盘面结构,由于我们在盘面内部,环视整个盘面,只能看见横跨星空的白色带状物由人马座延伸至夏季大三角,甚至仙后座),冬季最黯淡(在猎户座一个横跨星空的白色带状物,像一条流淌在天上闪闪发光的河流一样,北半球来说夏季最明显(在天蝎座与人马座)。

银河系周围有许多卫星星系,银河系和这些星系都属于本星系群,而本星系群是室女座超星系团的一部份。2014年一份夏威夷大学的研究指出室女座超星系团是超星系团Laniakea的一部份。

从死亡谷所见的银河系

死亡谷所见的银河系

对银河系的探索

虽然从非常久远的古代,人们就认识了银河。但是对银河系的真正认识还是从近代开始的。

1750年,英国天文学家赖特认为银河系是扁平的。1755年,德国哲学康德提出了恒星和银河之间可能会组成一个巨大的天体系统;随后的德国数学家郎伯特也提出了类似的假设。到1785年,英国天文学家威廉·赫歇耳绘出了银河系的扁平形体,并认为太阳系位于银河的中心。

1918年,美国天文学家沙普利经过4年的观测,提出太阳系应该位于银河系的边缘。1926年,瑞典天文学家贝蒂尔·林德布拉德分析出银河系也在自转。

特征

银河系是一个中间厚,边缘薄的扁平盘状体。他的主要部分称为银盘,呈漩涡状。

它的总质量约有太阳的一万亿倍,直径约为十万光年,中央厚约1.5万光年,边缘厚约3000-6000光年。太阳约处于猎户臂上距银河系中心约27,700光年(8492秒差距)某处。

银盘外面是由稀疏的恒星和星际物质组成的球状体,称为银晕,直径约10万光年(30659秒差距)。

两条旋臂的银河系想象图

两条旋臂的银河系想象图

1950年代开始以电波观测银河系,可以发现有4条旋臂,分别是矩尺、半人马-盾牌、人马与英仙等主要旋臂。太阳位在介于半人马与英仙臂间的次旋臂:猎户臂中。旋臂主要由星际物质构成。但最新的研究显示,根据NASA斯皮策空间望远镜所摄80万张影像,1.1亿颗恒星的最新测绘统计发现,银河系可能只有两条旋臂。人马臂和矩尺臂绝大部分是气体,只有少量恒星点缀其中。

银河系也有自转。太阳系以每秒250千米速度围绕银河中心旋转,旋转一周约2.2亿年。

银河系有两个伴星系:大麦哲伦星系和小麦哲伦星系。

与银河系相对的称之为河外星系。

一般认为,银河系中的恒星多为双星或聚星。而2006年新的发现认为,银河系的主序星中2/3都是单星。

基于2MASS的观测数据的银河系红外线画像

基于2MASS的观测数据的银河系红外线画像

年龄

依据欧洲南天天文台的研究报告,估计银河系的年龄约为136亿岁(1.36×1010年),几乎与宇宙一样老。

由天文学家Luca Pasquini、Piercarlo Bonifacio、Sofia Randich、Daniele Galli以及Raffaele G. Gratton所组成的团队在2004年使用甚大望远镜的紫外线视觉矩阵光谱仪进行的研究,首度在球状星团NGC 6397的两颗恒星内发现了铍元素。这个发现让他们将第一代恒星与第二代恒星交替的时间往前推进了2至3亿年,因而估计球状星团的年龄在134±8亿岁,因此银河系的年龄不会低于136±8亿岁。

结构

观测到的银河鐝臂结构

观测到的银河鐝臂结构

2005年,银河系被发现以哈柏分类来区分或应是一个巨大的棒旋星系SBc(旋臂宽松的棒旋星系),总质量大约是太阳质量的6,000亿至30,000亿倍。有大约1,000亿颗恒星。

从80年代开始,天文学家才怀疑银河是一个棒旋星系而不是一个普通的旋涡星系。2005年,斯皮策空间望远镜证实这项怀疑,还确认在银河的核心的棒状结构比预期的还大。

银河的盘面估计直径为100,000光年,太阳至银河中心的距离大约是26,000光年,盘面在中心向外凸起。

银河的中心有巨大的质量和紧密的结构,因此强烈怀疑它有超重质量黑洞,因为已经相信有许多星系的核心都存在超重质量黑洞。

就像许多典型的星系一样,环绕银河系中心的天体,在轨道上的速度并不由与中心的距离和银河质量的分布来决定。在离开核心凸起或是在外围,恒星的典型速度是每秒210~240公里之间。因此这些恒星绕行银河的周期只与轨道的长度有关,这与太阳系不同,在太阳系,距离不同就有不同的轨道速度对应着。

银河的棒状结构长约27,000光年,以44±10度的角度横亘在太阳与银河中心之间,他主要由红色的恒星组成,相信都是年老的恒星。

被观察到与推论的银河旋臂结构

被观察到与推论的银河旋臂结构

每一条旋臂都给予一个数字对应(像所有旋涡星系的旋臂),大约可以分出12段。相信有四条主要的旋臂起源自银河的核心,她们的名称如下(参考右侧的图):

2 and 8 - 3kpc和英仙臂

3 and 7 - 矩尺臂和 天鹅臂(与最近发现的延伸在一起 - 6)

4 and 10 - 南十字座和 盾牌臂

5 and 9 - 船底臂和 人马臂

至少还有两个小旋臂或分支,包括:

11 - 猎户臂(包含太阳和太阳系在内 - 12)

在主要的旋臂外侧是外环或称为麒麟座环,这是天文学家布赖恩·颜尼(Brian Yanny)和韩第·周·纽柏格(Heidi Jo Newberg)提出,是环绕在银河系外由恒星组成的环,其中包括在数十亿年前与其他星系作用诞生的恒星和气体。

银河的盘面被一个球状的银晕包围着,估计直径在250,000至400,000光年。由于盘面上的气体和尘埃会吸收部份波长的电磁波,所以银晕的组成结构还不清楚。盘面(特别是旋臂)是恒星诞生的活耀区域,但是银晕中没有这些活动,疏散星团也主要出现在盘面上。

银河中大部分的质量是暗物质,形成的暗物质晕估计有5.8×1011M☉,以银河为中心被聚集著。

新的发现使我们对银河结构与维度的认识有所增加,比早先经由仙女座星系(M31)的盘面所获得的更多。最近新发现的证据,证实外环是由天鹅臂延伸出去的,明确的支持银河盘面向外延伸的可能性。人马座矮椭球星系的发现,与在环绕着银极的轨道上的星系碎片,说明他因为与银河的交互作用而被扯碎。同样的,大犬座矮星系也因为与银河的交互作用,使得残骸在盘面上环绕着银河。

在2006年1月9日,Mario Juric和普林斯顿大学的一些人宣布,史隆数位巡天在北半球的天空中发现一片巨大的云气结构(横跨约5,000个满月大小的区域)位在银河之内,但似乎不合于目前所有的银河模型。他将一些恒星汇聚在垂直于旋臂所在盘面的垂线上,可能的解释是小的矮星系与银河合并的结果。这个结构位于室女座的方向上,距离约30,000光年,暂时被称为室女恒星喷流。

在2006年5月9日,Daniel Zucker和Vasily Belokurov宣布史隆数位巡天在猎犬座和牧夫座又发现两个矮星系。

由钱德拉X射线天文台拍摄的照片组合成的X射线银河

由钱德拉X射线天文台拍摄的照片组合成的X射线银河

太阳在银河系中的位置

太阳(包括地球和太阳系)都在猎户臂靠近内侧边缘的位置上,在本星际云中,距离银河中心7.94±0.42千秒差距我们所在的旋臂与邻近的英仙臂大约相距6,500光年。我们的太阳与太阳系,正位在科学家所谓的银河的生命带。

太阳运行的方向,也称为太阳向点,指出了太阳在银河系内游历的路径,基本上是朝向织女,靠近武仙座的方向,偏离银河中心大约86度。太阳环绕银河的轨道大致是椭圆形的,但会受到旋臂与质量分布不均匀的扰动而有些变动,我们目前在接近近银心点(太阳最接近银河中心的点)1/8轨道的位置上。

太阳系大约每2.25—2.5亿年在轨道上绕行一圈,可称为一个银河年,因此以太阳的年龄估算,太阳已经绕行银河20—25次了。太阳的轨道速度是217km/s,换言之每8天就可以移动1天文单位,1400年可以运行1光年的距离。

海顿天象馆的8.0千秒差距的立体银河星图,正好涵盖到银河的中心。

银河系的邻居

从银河系之外回顾我们的银河或许就是这个样子

NGC 7331经常被视为“银河的双胞胎”,从银河系之外回顾我们的银河或许就是这个样子。

银河、仙女座星系和三角座星系是本星系群主要的星系,这个群总共约有50个星系,而本地群又是室女座超星系团的一份子。

银河被一些本星系群中的矮星系环绕着,其中最大的是直径达21,000光年的大麦哲伦云,最小的是 船底座矮星系、天龙座矮星系和狮子II矮星系,直径都只有500光年。其他环绕着银河系的还有小麦哲伦云,最靠近的是大犬座矮星系,然后是人马座矮椭圆星系、小熊座矮星系、玉夫座矮星系、六分仪座矮星系、天炉座矮星系和狮子I矮星系。

在2006年1月,研究人员的报告指出,过去发现银河的盘面有不明原因的倾斜,现在已经发现是环绕银河的大小麦哲伦云的扰动所造成的涟漪。是在她们穿过银河系的边缘时,导致某些频率的震动所造成的。这两个星系的质量大约是银河的2%,被认为不足以影响到银河。但是加入暗物质的考量,这两个星系的运动就足以对较大的银河造成影响。在加入暗物质之后的计算结果,对银河的影响增加20倍,这个计算的结果是根据马萨诸塞大学阿默斯特分校马丁·温伯格的电脑模型完成的。在他的模型中,暗物质的分布从银河的盘面一直分布到已知的所有层面中,结果模型预测当麦哲伦星系通过银河时,重力的冲击会被放大。

穿过空间的速度

一般而言,根据爱因斯坦的狭义相对论,任何物体通过空间时的绝对速度是没有意义的,因为在太空中没有合适的惯性参考系统,可以作为测量银河速度的依据(运动的速度总是需要与另一个物体比较才能量度)。

因为各向宇宙微波背景辐射非常的均匀,只有万分之几的起伏,所以乔治·斯穆特想到一个方法,就是测量宇宙微波背景辐射有没有偶极异向性。

在1977年,美国劳伦斯伯克莱国家实验室的乔治·斯穆特等人,将微波探测器安装在U-2侦察机上面,确切地测到宇宙微波背景辐射的偶极异向性,大小为3.5±0.6 mK,换算后,太阳系在宇宙中的运动速度约为390±60 km/s,但这个速度与太阳系绕行银河系核的速度220 km/s方向相反,这代表银河系核在宇宙中的速度,约为600多km/s。

有鉴于此,许多天文学家相信银河以每秒600公里的速度相对于邻近被观测到的星系在运动,大部份的估计值都在每秒130~1,000公里之间。如果银河的确以每秒600公里的速度在运动,我们每天就会移动5,184万公里,或是每年189亿公里。相较于太阳系内,每年移动的距离是地球与冥王星最接近时距离的4.5倍。银河在空间中运动的方向是指向长蛇座的方向。

神话

世界各地有许多创造天地的神话围绕着银河系发展出来。很特别的是,在希腊就有两个相似的希腊神话故事在解释银河是怎么来的。有些神话将银河和星座结合在一起,认为成群牛只的乳液将深蓝色的天空染白了。在东亚,人们相信在天空中群星间的雾状带是银色的河流,也就是我们所说的天河。

Akashaganga是印度人给银河的名称,意思是天上的恒河

依据希腊神话,银河是赫拉在发现宙斯以欺骗的手法诱使他去喂食年幼的赫拉克勒斯因而溅洒在天空中的奶汁。另一种说法则是赫耳墨斯偷偷的将赫拉克勒斯带去奥林匹斯山,趁著赫拉沉睡时偷吸他的奶汁,而有一些奶汁被射入天空,于是形成了银河。

在芬兰神话中,银河被称为鸟的小径,因为他们注意到候鸟在向南方迁徙时,是靠着银河来指引的,它们也认为银河才是鸟真正的居所。现在,科学家已经证实了这项观测是正确的,候鸟确实在依靠银河来引导,在冬天才能到温暖的南方陆地居住。即使在今天,芬兰语中的银河依然使用Linnunrata这个字。

在瑞典,银河系被认为是冬天之路,因为在斯堪的纳维亚地区,冬天的银河是一年中最容易被看见的。

古代的亚美尼亚神话称银河系为麦秆贼之路,叙述有一位神祇在偷窃麦秆之后,企图用一辆木制的运货车逃离天堂,但在路途中掉落了一些麦秆。

在中国,是一段凄美的爱情故事,银河是王母娘娘拔下头上的金簪一挥,一道波涛汹涌的天河就出现了,牛郎和织女被隔在两岸,只能相对哭泣流泪。他们的忠贞爱情感动了喜鹊,千万只喜鹊飞来,搭成鹊桥,让牛郎织女走上鹊桥相会,王母娘娘对此也无奈,只好允许两人在每年七月七日于鹊桥相会。

银河的未来

目前的观测认为仙女座星系(M31)正以每秒300公里的速度朝向银河系运动,在30-40亿年后可能会撞上银河系。但即使真的发生碰撞,太阳以及其他的恒星也不会互相碰撞。这两个星系可能会花上数十亿年的时间合并成椭圆星系。而来自美国天文台的发现,史密斯云的边缘已经与银河系的气体发生作用并推开围绕银河的气体。银河系会对它施加一个潮汐力,使其分裂。大约2千万至4千万年之后,史密斯云的核心将会撞击银河系圆盘。

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