简明天文学教程第二版第十一章答案 余明主编

第十一章星系

1.银河和银河系有何区别？

答：银河是银河系在天球上的投影。而银河系是一个星系，是由众多恒星组成的庞大天体系统，是构成可观测宇宙的基本成员。

2. 太阳在银河系中的位置是如何确定的？

答：通过测定位于银河两侧，绝对星等相同的两颗恒星的视星等。然后计算出这两颗恒星的距离，再算出银核的位置。然后通过接收银核的射电来确定太阳距离银核的距离。据最新研究资料银盘直径约8.5万光年，银盘中间厚，外边薄，中间的核球直径约1万光年，银盘靠近核球的地方厚约3～6千光年，边缘只1千光年，太阳在银盘中位于距银心大约2.4万光年的地方，它到银盘边缘的距离为1.6～6.4万光年不等，太阳附近的银盘厚度约为3千光年。

3. 银河系的结构如何？它是怎样旋转的？

答：银河系的结构包括四个部分：银盘，银晕，银核和旋臂。银河系中心部分接近于刚体转动，外围部分接近于开普勒转动，中间部分比较复杂。像银河系这样的转动称为较差自转。

4.银河系的核心是如何活动的？旋臂是怎样运动的？

答：研究银核，现在主要的手段是通过射电、红外、X射线和γ射线波段观测。近年来，由射电和空间探测，在距离银河系中心约1～2 ly的范围内，发现有两个射电辐射很强的射电源（人马座A和人马座B）。此外，红外天文卫星（IRAS）也发现了一个红外源（IRS16），它与上述的两个射电源位置完全重合，因此，现在很多天文学家认为银河系中心可能有黑洞。由γ射线天文卫星探测发现银河系的高银纬处存在着弥散的γ射线辐射，专家分析认为可能来自中子星，也可能与发物质有关。因为暗物质与正常物质相遇发生湮没，可同时产生γ

射线。最近，爱因斯坦天文台卫星观测还发现距离银心小于几光年范围内有一个低能X射电源和高能X射电源，有强磁场和喷流现象。银河系属于旋涡星系，有旋臂。但是旋开还是旋闭目前有争议。

银河的旋臂是怎样产生的？又是怎样长期得以维持的？这些问题，近年来有不少人进行研究，提出了一些看法，例如美籍华裔科学家林家翘和徐遐生于1964年提出了一个密度波理论用以说明星系旋臂存在。他们认为，星系的旋臂是作较差自转的很扁的盘状星系里引力的相互作用所产生的密度型。在理论上可以证明密度较大的角速度转动着，而且角速度的数值同离星系中心的距离有关。这样，波型和星系物质就有了相对速度，波型经过处，物质密度增大5%左右，使得气体集聚，形成新的恒星，或者凝聚为固体质点。这就说明了为什么在星系的旋臂里观测到很多年轻的恒星、星协、星团和较多的气体、尘埃。这个理论引起了人们的重视，但也有许多问题尚待解决，这个理论只证明了密度波的可能存在，不会被较差自转所破坏，因而能说明旋臂形态的持久性，但它没有回答密度波是怎样产生的，也未能说明与旋臂有关的许多观测事实。

5. 星云，河外星系如何分类？

答：银河系内云雾状天体称为星云。按形状分有弥漫星云和行星状星云；按发光性质分有发射、反射和暗星云。银河系以外的星系统称河外星系。按照形态（或称哈勃分类法）可把星系分为椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系、透镜星系、不规则星系五大类。按活动强度可分为正常星系和活动星系。

6.河外星系是如何运动的？

答：河外星系的运动有自转，还有星系彼此间也有相对运动。

7.何谓总星系？它与宇宙有何区别和联系？

答："总星系"这个名词是20世纪30年代出现的，虽然这个词至今仍在有，但它的含义并不十分明确。可以理解为：总星系是观测所及的星系和星系际物质的总称。宇宙是有其具体的（物质，运动，时间和空间等）而不是抽象的含义。区别：总星系是观测所及的，是科学宇宙。而哲学宇宙从时间来说是无始无终，从空间来看无边无际。

8.银河系是怎样起源和演化的？

答：根据迄今为止有关银河系的观测资料，从弥漫说出发：在100多亿年前，有一个很大的星系际云，在自引力作用下收缩，在收缩中分成几个云，其中一个大云，形成银河系，二个小云分别形成大小麦哲伦星云。

大云收缩中成为球状，开始时内部密度比较均匀，由于湍流和其它原因。逐渐出现了一些密度较高的区域，这些区域就形成球状星团。收缩中，云的中心密度增加最快，逐渐形成一个中心密集区，受到这中心密集区的吸引，球状星团向它降落，围绕着中心密集部分，也就是围绕着银心，在偏心率很大而且对银道面倾角也很大的椭圆轨道上转动起来，球状星团原来形成的地方就是它椭圆轨道上离银心最远的一点。随着大云的收缩，内部运动渐趋一致，有一个转动方向占了上风，而且由于角动量守恒，转动加快，尚未形成恒星的小云互相碰撞，损失能量，扁化为银盘，盘内逐渐形成了大量的恒星，它们都在大致圆形的轨道上绕着银心转动。在此之前，球状星团中那些较大质量的成员星已经演化到了晚期，它们通过爆发曾把自己内部的重元素抛到星际空间，这样，新形成的恒星是由加进了不少重元素的星际物质形成的，所以它们都含有较多的重元素。有一部分球状星团会瓦解。它们的成员星就成为单独存在的一类恒星，我们今天观测到的球状星团的成员星也都是这类恒星，支持了这种看法。这类恒星的质量都比较小，和太阳质量相差不多，这是因为，那些质量较大的恒星由于演化较快，抛射出大量物质后已经变成了中子星或黑洞，剩下的就只有质量小的恒星了。随着银河系中心部分物质密集程度的增强，对这类恒星的吸引增强，使之轨道变小，今天观测到的这类恒星的运动轨道比原来的轨道小了不少，在银河系的核心部分，恒星高度密度，恒星之间常常会彼此碰撞，甚至会有两个恒星合成一个的，这就加快了演化的速度。所以，在银河系的核心，常常会出现超新星爆发，形成大大小小的黑洞，而且小的黑洞还会合成大的黑洞。随着演化的进行，银河系的核心部分还形成了一个大小约20×30光年的银核，它发出很强的射电辐射。在这个区域内部，恒星更加密集，而且其中心有一个大小约两光年的核心，这可能是一团磁场很强，转动很快，密度比较大的等离子体。银核发出很强的辐射。银核已发生过不只一次活动，在银核周围观测到许多射电源，就是银核活动时抛出的电离气体云，它们不断发出热辐射。今天观测到的高银纬星云，则可能是在一千三百万年前一次较为厉害的活动中抛射出来的；形成旋臂的物质，也很可能至少有一部分是从银核抛射出来的。最近宇宙学家提出一种"碰撞星暴"的恒星形成假说。即认为两个星系之间碰撞时，气体云朝着较大星系的中心集聚凝结，与此同时，低密度的气体云凝聚块以非常高的速度凝结，并发生爆炸。形成恒星。这种理论还有待于新的观测研究来证实。总之，银河系从形成起，在运动中演化，不断地成长和发展。

9.河外星系是怎样起源和演化的？

答：河外星系的起源演化是个较复杂的问题，目前流派较多，但没有一种理论能被多数人所接受。关于星系的起源较流行的看法是：在宇宙热大爆炸后的膨胀过和中，分布不均匀的星

系前物质收缩形成源星系，再演化成星系。关于星系前物质，有人认为是弥漫物质，也有人主张是超密物质。关于原星系的诞生，有两派见解，一派是引力不稳定假说，另一派是宇宙湍流假说。

对星系的演化有几种不同的见解，早在20世纪30年代，人们曾把哈勃序列看成演化序列。但是星系演化途径究竟是从椭圆星系到旋涡星系再到不规则星系，还是相反，即从不规则星系到旋涡星系再到椭圆星系，这个问题有争论十几年之久。归纳起来有以下几种：一种看法认为星系形成之初是形态最简单的球状气团，由于自转逐渐变扁，同时发生收缩，密度增大，气体凝聚为恒星，扁平部分形成旋涡，旋涡逐渐松卷以至消失。也就是强调星系是从椭圆星系，经过旋涡星系，最后演化成不规则星系的。有人根据这个把椭圆星系称为"早型"星系，把旋涡和不规则星系称为"晚型"星系。另一种看法也认为：形态序列就是演化序列，但方向相反：从不规则星系，经过旋涡星系到椭圆星系。即从不规则开始，因自转而获得轴对称，最后演化成球状星系。现在知道，椭圆星系和旋涡星系中都有老年星，而且年龄相差不多。此外，质量、扁度等这些量上的差别也表明，星系的形成序列不是演化序列，各种类型星系彼此不能相互转化。第三种见解认为，演化取决于星系的质量和角动量。第四种观点认为，星系的形态结构的不同，取决于形成时的初始条件(密集、速度弥散度，角动量分布，温度，湍流，磁场等)及其差别。

目前对星系演化过程比较流行的看法认为：原始星系云在收缩过程中，出现第一代恒星，在原星系的中心区，收缩快，密度高，恒星形成率也高，形成旋涡星系的星系核或形成椭圆星系整体。星系的自转离心力阻止赤道面上的进一步收缩，并造成不同扁率，气体的随机运动和恒星辐射加热等因素，使得部分气体未聚合成星胚，并因碰撞作用而沉向赤道面，形成旋涡星系和不规则星系，结果使星系从形成之初就已经定形并保持下来，不再显著变化。在几亿年期间，由原星系形成的为年轻星系，在此之后的百亿年中，一般而言，星系的演变十分缓慢，除因邻近的伴星系的潮汐作用等因素造成质"桥"、"尾"、或"剥却"星系外围物质外，星系的一般结构无大变化。

对椭圆星系来说，可能由于初始密度，初始速度，弥散度都较大，恒星形成率一开始就非常高，气体几乎全部用来形成恒星，星系中恒星是无碰撞的，所以椭圆星系形成后形态基本不变，旋涡星系的第一代恒星诞生率低，所以有部分气体保存下来，计算表明，不同的初始密度和初始速度弥散度，可以形成核球和星系盘之间大小比例不同的星系，这就可以用来大致解释旋涡星系的Sa、Sb、Sc三种次型，不规则星系的恒星诞生率更低，至今尚有较多气体遗留下来，在规则星系团中，物质密度和速度弥散度都大，成员中椭圆星系最多，在不规则星系团中，密度较小，椭圆星系较少。在富星系团中，旋涡星系少，而在富星系团的中心区域，则完全观测不到旋涡星系。旋涡星系主要是场星系或疏散星系群的成员，正好反映出那里的密度和速度弥散度都低。

旋涡星系和棒旋星系的旋臂以及棒旋星系里的棒是如何形成的，如何演化的，这是星系起源演化研究至今还未解决的问题之一，有人认为，旋臂是星系核抛射物质的产物，而较差自转是旋涡结构的成因，旋臂的演化趋向是旋开还是旋闭至今尚无定论。

除了由动力学原因造成星系形态的变化外，星系中恒星的形成和演化过程是决定星系化学成分、星气比例、光度、颜色等物理量随时间演化的主要因素。一般来说，大质量恒星比小质量恒星演化快得多。大质量恒星在演化过程中合成碳、氧、铁这类重元素，通过爆炸形式把它们送回星际介质。小质量恒星则合成较轻的氦等轻元素，以较平稳的形式返回小量物质，因此，不同质量恒星的比例是控制星系化学演化的最重要因素之一。另外，处在不同距离的星系也将反映出宇宙中星系的演化史，而哈勃空间望远镜为人类了解遥远的星系提供了手段。

近期，还有人提出暗物质与星系形成有关。认为宇宙开始包含均匀分布的暗物质和正常物质，大爆炸后数千年暗物质开始成团，暗物质确定宇宙中物质的总体分布和大尺度结构。正常物质在引力作用下向高密度区域聚集，形成星系和星系团。这种观点也有待进一步证实。

10.什么叫引力不稳定假说？什么叫宇宙湍流假说？

答：引力不稳定假说认为：宇宙在早期由原子核、电子、光子和中微子等组成，在温度降到4000K以前，处于辐射占优势的辐射时期，此时在各种相互作用中，引力不居主要地位，当温度降到4000K左右，复合时期开始，宇宙等离子中性化，宇宙从辐射占优势时期开始转入实体占优势时期。在复合时期前后的30亿年期间，星系团规模的引力不均匀性开始出现并逐渐增长，这时宇宙物质就因引力不稳定而聚成原星系。计算表明，如果天体形成于复合前或复合初期，则先形成星系团或超星系团，再碎裂而成星系或恒星，如果天体形成于复合晚期，则先形成105太阳质量的结构，一部分保留至今成为球状星团，大部分则聚合成星系、星系团。

宇宙湍流假说认为：在宇宙等离子物质复合以前，强辐射压可能引起湍动涡流。物质中性化以后，辐射不再影响物质运动，涡流的碰撞，混合，相互作用产生巨大的冲击波，并形成团块群。再演变为星系。这一学说较自然地说明了星系和星系团的自转起因。计算表明，实体占优势时期形成的结构物质为105太阳质量；复合时期形成的结构物则是1012太阳质量。