星系物理

Created2023-06-27Updated2024-06-16

星系

成分：

  1. 恒星：
    1. 光度L、
    2. 流量F（单位时间，单位面积）、
    3. 有效温度、
    4. 距离、
    5. 大小：L=(RR⊙)2(TT⊙)2L = (\frac{R}{R_\odot})^2(\frac{T}{T_\odot})^2、
    6. 光谱（哈佛光谱分类O、B、A、F、G、K、M；MK恒星分类Ia、Ib、II、III、IV、V、VI、）、
    7. 星等：m1−m2=−2.5log⁡10(f1f2)m_1 - m_2 = -2.5 \log_{10}(\frac{f_1}{f_2})
  2. 气体
  3. 尘埃
  4. 暗物质

银河系

星系分类：椭圆星系、漩涡星系、透镜星系、不规则星系

银河系：漩涡星系

构成：

  1. 银盘：径向数密度：exp⁡(−R/hR)\exp(-R/h_R)，

    1. 薄盘：标高h∼300−400pch\sim300-400 \mathrm{pc}。金属丰度高
    2. 厚盘：1kpc1 \mathrm{kpc}，95%盘星在薄盘中。年老的星族、金属丰度低

  2. 旋臂：4条主要旋臂（矩尺、南十字、人马、英仙），太阳位于猎户座旋臂(小)内侧

  3. 核球：椭球形，年老恒星，分布密集，尘埃消光严重。

  4. 银晕：由稀疏分布的小质量恒星、球状星团和星际物质组成的球状区域;恒星密度低，冷气体和尘埃少

晕星：随机轨道，晕星快，不一起转动

盘星：随星系一起转动，太阳2.3-2.5亿年绕银星运行一圈。

暗物质：轨道速度没有随半径增大而下降 → 银河系质量大部分位于中心 10kpc以外 （恒星稀少）→ 暗物质

Malmquist bias：倾向于观测到较亮物体

银河系自转：Vr=R0sin⁡l(VR−V0R0), Vt=Vsin⁡α−V0cos⁡lV_r = R_0\sin l (\frac V R - \frac{V_0}{R_0}),\ V_t = V\sin \alpha - V_0\cos l

星际介质

气体质量少于恒星的 10%，尘埃 1%

分子云：宇宙中最冷的物质（< 100 K）

天体辐射过程

  1. 束缚-束缚：碰撞激发、光致激发
  2. 束缚-自由：光致电离
  3. 自由-自由：轫致辐射

河外星系

每个星系的恒星数目106−101210^6-10^{12}个

星系分类：

  1. 椭圆星系：没有盘，颜色偏红，主要由年老恒星构成，少量或没有冷气体和尘埃，有大量热气体，亮度向边缘递减

    1. 光度分布范围很大，光度基本决定了椭圆星系的性质：

      1. 巨椭圆星系：
      2. 中等椭圆星系：
      3. 矮椭圆星系：
      4. 特殊椭圆星系：cD (central Dominant)星系
        1. 极高光度椭圆星系，有很大弥散的恒星晕，多位于星系团中心 (BCG )
        2. 星系团中最亮星系吞噬次亮星系；星系晕可能为次亮星系的遗迹，可以延伸达 ~ 100kpc

    2. 径面亮度分布（非核区），不适用于矮椭圆星系和极亮E星系：
      I(R)=Ieexp⁡(−7.67((R/Re)1/4−1))I(R) = I_e\exp(-7.67((R/R_e)^{1/4} - 1))

    3. 等照度线的形状和光度相关：

      1. 亮椭圆星系为盒状（a4<0)a_4<0)：高光度、转动缓慢、速度弥散大、有中心核、中心面亮度低、x射线和射电辐射强
      2. 较暗椭圆星系为盘状（a4>0)a_4>0)：低光度、转动相对较快、中心面亮度高、有中央尖峰、x射线和射电辐射弱

    4. 大部分动能都在恒星的随机运动中：

      1. 较亮的椭圆星系有较高的速度弥散：可以用于测定距离（Faber-Jackson关系）
      2. 恒星速度测量：
        1. 没有年轻恒星和冷气体，只能利用星系光谱中的吸收线测量恒星运动
        2. 利用狭缝或光纤，观测星系不同区域的光谱：谱线宽度和谱线位置
        3. 通过与恒星模版比较，获得星系光谱的宽度(速度弥散，恒星随机运动速度) 和 谱线中心位置(退行速度)

    5. 椭圆星系存在转动，星系速度弥散在星系中心处远大于星系的其他区域：

      1. Vσ>1\frac V \sigma > 1，称运动学冷盘；如银河系
      2. Vσ>1\frac V \sigma > 1，称运动学热盘；如椭圆星系
      3. DnD_n是指在该等照度线直径内，平均面亮度达到一个固定值：

      Dnkpc=2.05(σ100km/s)1.33\frac{D_n}{\mathrm{kpc}} = 2.05 (\frac\sigma{100 \mathrm{km/s}})^{1.33}

    6. 四个基本参数：

      1. 星系光度 LtotL_{tot}
      2. 有效半径 re, Ltot=2πre2<Ie>r_e, \ L_{tot} = 2\pi r_e^2<I_e>
      3. 平均面亮度 <Ie><I_e>
      4. 速度弥散 σ\sigma

    7. 星族：

      1. 缺乏明亮蓝星
      2. 光谱特征：
        1. 和K型恒星光谱类似，有钙和镁等重元素吸收谱线
        2. 光主要来自红巨星（T>1 GyrT > 1\ \mathrm{Gyr}），星族年老
      3. 金属丰度高
      4. 有些富金属、 巨椭圆星系紫外波段辐射较强

    8. 丰度高或年龄大，宽波段颜色都会变红 → 金属丰度和年龄存在简并 → 引入Lick indices

  2. 漩涡星系：Sa → Sc 年轻的恒星、气体比例增加

    1. 旋转曲线：星系越大，标长hRh_R越长，转动越快（多是早型漩涡星系）
    2. Tully-Fisher关系：关于漩涡星系速度宽度VmaxV_{max}和光度之间的经验关系：LI4×1010LI,⊙≈(Vmax200km s−1)4\frac{L_I}{4\times 10^10L_{I,\odot}} \approx(\frac{V_{max}}{200\mathrm{km\ s^{-1}}})^4
    3. 密度波：κ2(R)=−4BΩ\kappa^2(R) = -4B\Omega
    4. 核球:
      1. 已知最致密的恒星系统(与椭圆星系类似) ，在中心几秒差距内，包含上亿颗恒星
      2. 星族年龄分布范围大，有年老恒星，也有年轻恒星
      3. 观测显示，星系核球分为两类:
        1. 经典核球（classical bulge）：可能在旋涡星系早期形成；生成时标短
          1. 无明显子结构
          2. 年老恒星为主
          3. 运动学热，速度弥散σ\sigma大，转动速度VrotV_{rot}小
          4. 在星系早起形成
        2. 盘状核球（disk-like bulge，pseudo bulges）：星系核球形成于盘气体长期向星系中心移动(下落)，长期演化
          1. 存在子结构，如星系棒、旋臂、环
          2. 常有尘埃、年轻星族和恒星形成等特征
          3. 运动学冷，速度弥散σ\sigma小，转动速度VrotV_{rot}大
          4. 形成主要是因为恒星盘的不稳定性；为相对连续、平缓的过程
    5. 恒星速度测量：
      1. 有年轻恒星形成区（HII）和大量的（HI）气体
      2. 利用星系光谱中的电离气体发射线或中性氢的21cm线，可较容易地测量冷或热气体云的运动速度

  3. 棒旋星系：由恒星组成的棒贯穿其核心部分的漩涡星系，1/2的漩涡星系有棒

    1. 如果盘自引力很强，则可以形成星系棒
      1. 如某一颗恒星轨道受到扰动，区域密度增加；附近恒星向其运动，密度进一步增加
      2. 更远处的恒星受到其引力，向其运动；该过程持续，最终形成恒星棒
      3. 棒中恒星不再是圆轨道，恒星轨道为沿着棒方向的拉长轨道，恒星被束缚在棒中
    2. 棒的强烈不对称引力，有助于气体角动量向外转移，产生内流，进入星系中心

  4. 透镜星系：介于椭圆星系和漩涡星系之间的过渡型星系，无旋臂，有星系盘

  5. 不规则星系：

    1. 年轻星族为主、气体含量多

    星系没有清晰的边缘，常用等照度线来测量

哈勃定律：Vr=H0×dV_r = H_0 \times d，本动速度VpecV_{\mathrm{pec}}指相对于静止参考坐标的真实速度Vr=H0d+VpecV_r = H_0d + V_{\mathrm{pec}}

星团

分类：

  1. 球状星团：年老、引力束缚强
  2. 疏散星团：年轻、引力束缚小
  3. 星协：质量偏小、更延展的星团

星系团和星系群

  1. 以银河系和M31的公共中心为中心，半径为1.2 Mpc，第三亮为M33，前三者辐射了本星系群可见光的90%
  2. 银河系的伴星系：大、小麦哲伦云（中心相距15 kpc），矮椭球伴星系
  3. 星系团或星系群中，星系的密度是平均密度的10到100倍
  4. 星系群中以漩涡星系或不规则星系居多，而星系团中则以早期的椭圆星系或透镜星系为主

星系群：星系数目较少的星系聚集区

  1. 分类：

    1. 致密星系群
    2. 松散星系群
    3. 化石星系群：合并后形成大质量椭圆星系，弥散x射线辐射，辐射强

  2. 质量估计：

    1. 假设星系群的质量分布可用Plummer球来表示：

    ΦP(r)=−GMr2+ap2, ρP(r)14πG1r2ddr(r2dΦPdr)=3aP24πMr2+aP2)5/2\Phi_P(r) = -\frac{GM}{\sqrt{r^2+a_p^2}},\ \rho_P(r)\frac1{4\pi G}\frac1{r^2}\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{dr}}(r^2\frac{\mathrm{d}\Phi_P}{\mathrm{dr}}) = \frac{3a_P^2}{4\pi}\frac{M}{r^2 + a^2_P)^{5/2}}

    b. 根据位力定理：

    3Mσr22=KE=−PE2=3π64GM2aP\frac{3M\sigma_r^2}{2} = KE = -\frac{PE}{2} = \frac{3\pi}{64}\frac{GM^2}{a_P}

星系团：宇宙中星系数密度高的星系聚集区，比平均密度高一千倍

  1. 存在大量热气体：气体冷却快，冷却时标短
    1. 来源：
      1. 星系扰动
      2. 冲压剥离：ICM
      3. 热蒸发：ICM和ISM热量转移，使得ISM逃逸
      4. 气体反馈：超新星爆发和核区活动星系核的喷流
    2. 组成：
      1. 星系
      2. 恒星
      3. 气体
      4. 暗物质

活动星系核

  1. 特征：
    1. 明亮、致密的核区
    2. 非热（非恒星）、幂律连续谱辐射
    3. 很强的原子、离子发射线
    4. 较短时标的光变
  2. 分类：
    1. 塞弗特星系：
      1. 漩涡星系
      2. 核区尺寸小
    2. 射电星系：
      1. 多为椭圆星系
      2. 很强的射电辐射
      3. 可分为：
        1. 致密型：射电光度低、核区射电辐射强
        2. 双瓣型：射电光度高、射电瓣辐射强
    3. 类星体
    4. 蝎虎座BL型天体
  3. 能源：很小区域、释放巨大能量
    1. 中心超大质量黑洞吸积周围物质，气体通过吸积盘进入黑洞，释放引力能