第九章　本銀河系與其他星系
本銀河系(The Milky Way)

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  1. 本銀河系的主要成員有：
    1. 銀盤(disk)

      包含有銀河系中絕大部分的星際塵埃與氣體，還有游離的氣體等，其中包括有：

      • 漩渦臂(spiral arms)
      • 星協(Association)

        約10-100 顆恆星一起移動，其中有許多是O, B型亮星， 為不穩定的小星團，最後這些星都將彼此分開。

      • 開放星團(open cluster)

        主要是年輕的星，約100-1000恆星，穩定的聚在一起。

    2. 銀核(nuclear balge)

      包含相當多年輕的熱星，核心部分的恆星相當擁擠造成星際塵埃的增溫產生，有很強的紅外線輻射。 核心部分恆星間的距離約800AU， 星系中恆星之間的平均距離約5光年。

    3. 銀暈(Halo)

      包含著較冷、低發光強度屬於低主序星的恆星，還有巨星， 最主要是包含有非常穩定的球狀星團(約10000-1,000,000個恆星)，這些球狀星團的年齡是與銀河系同壽。例如：Tucana 47。

  2. 本銀河系的自旋
    • 一般相信本銀河系的中心 是在人馬座(Sagittarius) 附近，具有很強的無線電波區域SgrA*。本銀河中心是否有黑洞，仍無定論。
    • 太陽是以每秒220km 的速度向天鵝座方向運動約二億四千萬年轉一周。
    • 利用刻卜勒定律，

      銀河質量(太陽質量為單位)= [軌道長(A.U.)]3/[週期(年)]2

      可知太陽所在位置以內的本銀河系，所含的質量最少有2* 1011太陽質量。

    • 銀河的總質量到底有多大呢？

      利用銀河盤面旋轉曲線， 我們可估計，本銀河系40 kpc 半徑以內的質量約有6* 1011太陽質量。因為發光星體的半徑大約終止在15 kpc，所以顯然本銀河物質的沿伸範圍，遠大於發光或可見的物質所標出的區域。

    • 其他的質量的來源為何？

      其他黑暗物質(不發光物質，dark matter) 的本質是什麼?目前尚未有定論。

  3. 描繪本銀河系

    如何得知我們所處的銀河系的形狀呢？是否有漩渦臂？　 　

    我們可利用

    1. 觀測O,B 型恆星、HII 區或年輕的星團，可決定出太陽附近的漩渦臂的形狀。
    2. 觀測21cm的無線電波源(可觀測中性氫的分佈)與2.6 mm的無線電波源(可觀測CO 分子雲的分佈)，可決定整個銀河系的漩渦臂與銀核。
  4. 漩臂的形成理論
  5. 本銀河系的起源

    與人類考古學一樣，利用化石來追溯人類的生命史， 天文學家是利用銀河系的化石—銀暈上的球狀星團，來探討銀河系的起源。球狀星團繞銀核運轉，其軌道為橢圓狀 。

    1. 恆星族群：本銀河系上的恆星大概可分為兩大族群
      1. 族群I：金屬含量豐富，主要是分佈在銀盤上。

        年齡約從1億年到100億年都有，如太陽，年輕的恆星，疏散星團。

      2. 族群II2：金屬含量稀少，主要是分佈在銀暈上。

        年齡大於或等於100億年，如球狀星團，M, K 型星。

    2. 瞭解在銀暈與銀盤上金屬含量的差異，可解答銀河系起源的問題。

      我們知道核子的合成(Nucleosynthesis) 是在星球內部的核融合中，將氫融合成氦、碳、氧、鎳、鐵等元素； 比鐵重的元素如金、銀、碘，是在超新星爆炸中產生的。

      所以，族群II是銀河系早期(古生代)的產物，而族群I是銀河系近代(新生代) 的產物，也就是在超新星爆炸之後的產物。

    3. 銀河系的形成(傳統的理論)
      1. 　假設本銀河系是在100-150億年前， 從一團含有約75%的氫與約25%的氦少許的金屬，受重力塌縮而形成的。
      2. 當塌縮之後，密度增高，可使部分較高密度的雲氣， 產生金屬含星稀少的球狀星團，此時這些星團以球狀對稱的方式分佈在銀暈上。
      3. 密度較低的氣體會因重力塌縮產生漩渦。
      4. 銀盤中的雲氣會因旋轉與重力塌縮產生漩渦，如水槽中的漩渦， 使漩渦使雲氣聚集成為密度較高的雲氣，進而產生恆星， 而使我們看到銀河系中有漩渦臂。

      附註：此一傳統理論尚有爭議性，有研究群宣稱在距銀盤數kpc 處應該只能有族群II 的區域，發現屬於族群I 的年輕恆星。它們可能是過去本銀河吞食其他小星系，壓縮雲氣而觸發這些恆星的誕生。 另有人提議本銀河系是由好幾個巨大的雲氣(星系)相互碰撞的結果。

星系(Galaxies)

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  1. 星系的型態學

    現在可見的宇宙，可能只是全宇宙的十分之一。現在可見的星系 數目約在一百億附近，依它們的外觀大致可分為以下幾類(參考哈柏音叉圖(Hubble's tuningfork diagram))

    註：音叉圖只是星系型態歸類的方式，絕對不代表他們之間的演化歷程。

    1. 橢圓星系：
      1. 　
      2. 形狀是橢圓的，
      3. 沒有可觀測到的星際塵埃與氣體，
      4. 缺少年輕的亮星與漩渦臂，
      5. 絕大部分的恆星都是老而且質量小的恆星。
    2. 漩渦星系
      1. 　
      2. 有明顯的盤狀結構與漩渦臂。
      3. 近20% 的漩臂星系有明顯的棒狀核心，或稱為漩棒星系。
      4. 銀核含有塵埃與氣體。
      5. 包含有年輕與年老，熱或冷，暗或暗等各式各樣的恆星，分佈在不同位置。
      6. 恆星形成的情形非常活躍。
    3. 不規則星系：
      1. 　
      2. 包含有豐富的塵埃與氣體，與各式各樣的恆星混在一起，
      3. 沒有明顯的核心與漩渦臂。
      4. 例：大麥哲倫星雲、小麥哲倫星雲。

      　

  2. 星系的碰撞與相互吞食：(Colliding Galaxies & Galactic Cannibation)
    • 星系的碰撞對星系演化有很重大的影響。
    • 兩個星系之間的平均距離(600 KPC) 約為星系的直徑(30 KPC)的20倍。 所以星系的碰撞應該是相當頻繁，證據： 仙女座大銀河的雙核心、 M51、 NGC 3923 、 車輪銀河(Cartwheel Galaxy)、 天線銀河(the Antennae)、 老鼠銀河(the Mice)。
    • 但恆星的碰撞是非常少的，因為恆星間的距離(4 ly = 4.0*1013 km)比恆星的直徑(1.2*106 km)多的107倍。
    • 兩個星系的碰撞，其中的恆星並不直接碰撞， 而是由重力的相互作用扭曲了星系的形狀、塵埃與氣體的分佈。 例如M51 可以是兩個小星系相互碰撞，而形成漩渦臂，進而觸發年輕恆星的形成。
    • 當兩星系的碰撞很緩慢時，這兩個星系將互相吞食而黏成一體，例M 31。
    • 有跡象顥示本銀河系曾經吞食其他小的星系，而且正開始要吞食大、小麥哲倫星雲

    　

  3. 星系的演化

    目前最流行的的想法是：星系的演化由星系的碰撞與相互吞食所主控。

    其概念如下：

    1. 小星系的運動會帶走星系之間的星際物質雲氣，
    2. 橢圓星系可能是小星系碰撞後黏在一起的產物，
    3. 漩渦星系可能是由好此個星系的交互作用，吞食，掠奪其他星系的星球與雲氣，
    4. 小星系的來源是來自於早期宇宙的不均勻性。
  1. 星系的分佈

    目前我們所觀測到的星系分佈情形，除了星系群 、超星系團 之外，尚可觀測到宇宙更大尺度的結構(the large scale structure of universe)，其中包含有所謂的長城(Great Wall)與空洞(Void)。

    因此，宇宙的結構是與海綿的結構相似，星系的分佈形成"宇宙海棉體"的壁，而在空洞處，幾乎無星系的存在。

  2. 星系的質量

    測量鄰近(50 Kpc 以內)星系的旋轉速率曲線 ，可以求得星系的質量，結果與本銀系類似，可見物質約佔總質量的10% ，而有90% 為不發光的暗物質。遙遠星系的質量可以用Tulley-Fisher 關係求得。

    常見星系的質量

    • 漩渦星系：1011 ~ 1012太陽質量
    • 大型橢圓星系：1011 ~ 1012太陽質量
    • 不規則星系：108 ~ 1010太陽質量
    • 矮橢圓星系(dwarf ellipticals)與小型不規則星系：106 ~ 107太陽質量

    　

  3. 星系的運動
    • Tulley-Fisher 關係

      1977 年，天文學家Tulley 與Fisher 發現漩渦星系的氫21 公分線，因星系自轉而有杜卜勒加寬 。由譜線加寬的程度，可以找出譜線的位移量Δλ，並求出星系的漩渦臂在視線方向的速度Vr，

      Δλ/λo = Vr/c = Vsin i/c

      i 為觀測者視線與星系盤面法線的夾角，由此可以推出漩渦星系的旋轉速率，而高旋轉速率對應短自轉週期。由克卜勒定律，可以知道自轉週期愈短的星系，具有愈高的質量。Tulley 與Fisher 發現，(很自然的，不是嗎？) 漩渦星系的亮度(絕對亮度、光度)與自轉速率成正比，現在稱為Tulley-Fisher 關係。

      Tulley-Fisher 關係告訴天文學家，想知道漩渦星系的光度，只要去量它的旋轉速率。當光度知道了，可以用距離模數的關係式找出漩渦星系的距離。以Tulley-Fisher 關係找出的距離與I 型超新星的距離指標同一級。

    • 哈伯定律

      幾乎所有星系相對於本銀河系都是遠離的，其遠離的徑向速度可用都卜勒效應來測量星系的紅位移 ，進而找出星系遠離的速度。

      1929年Edwin Hubble得到遠離徑向速度與星系距離的關係（哈柏定律 ）

      v = H * d

      d 是以百萬秒差距(Mpc) 為單位表星系與本銀河系的距離， H 是哈柏常數。哈柏常數最常引用的值是75 km/sec/Mpc。

      哈柏定律告訴我們星系是相互遠離的，也就是宇宙是膨脹的。哈柏定律同時也是一個很重要的距離指標，量得星系的遠離速度，透過哈柏定律可以知道星系的距離。

活耀星系(Active Galaxies)

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  1. 活躍星系(Active Galaxies)
    • 具有活躍星系核心(AGN) ，無線電波段發光強度 很強的星系。

      正常星系(如本銀河系) 可見光波段的輻射約為1037瓦，相當於二百億個太陽的輻射量，無線電波段的輻射約為1031瓦。活耀星系可見光波段的輻射約為1031瓦，但無線電波段的輻射可高達1042瓦。

    • 經常會有很強的噴流(jet)由星系核心噴出，例如： Centaurus A、 NGC 4261、 NGC 1265、 M 87。
    • 星系核心可能有吸積盤，例如： Centaurus A、 NGC 4261、 M 87、 M 51。
    • 經常會以不同的型式表現出來，包括有：
  1. 似星體Quasars (Quasi-Stellar Objects , QSOs)
    1. 類似點光源(star light) ，體積小，約等於太陽系的大小。
    2. 發光強度約等於10-1000星系的發光強度。
    3. 具有很大的紅位移，為目前觀測到最遠的星體。
    4. 有毛狀的無線電波影像，其中3% 是具有很強無線電波。
    5. 亮度會變，可在一天、一周或一個月中變化很大。
  2. 西佛星系(Seyfert Galaxy)
    1. 是漩渦星系，
    2. 具有小的活躍星系核心，但有很強的發光強度。
    3. 亮度會變，
    4. 具有噴流，
  3. 蝎虎型類星體(B. L. Lacestae objects) (Blazars)
    1. 是橢圓星系。
    2. 類似點光源(star light) ，
    3. 有很強的發光強度。
    4. 有毛狀的無線電波影像。
  • 因為似星體距離我們很遠，而且光速是一定的， 那麼，觀測似星體可以讓我們追溯到很久以前的宇宙。 所以似星體是我們瞭解宇宙演化的踏腳石。
  • 活躍的星系核心可能存在有質量是106 -109個太陽質量的黑洞。 而似星體、蝎虎型類星體、西佛星系都可能只是星系中心的黑洞所造成的表象 ，另蝎虎型類星體與西佛星系可能都是由似星體演化 而來。
　

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