哈工大天文学概论——银河
天文学中的星系和银河系
天文学中的星系和银河系天文学是一门探索天体及宇宙的科学，其中最具代表性的莫过于对于星系和银河系的研究。
它们是天文学领域中最重要的研究对象，人类对于其的了解也越来越深入透彻。
本篇文章将从不同的角度来探讨星系和银河系的知识。
一、星系的定义及概述星系是指一群天体，它们彼此之间通过万有引力相互约束并转动。
一个星系可以由仅有少数的几星体组成，也可以拥有数不尽的恒星和行星。
根据不同的星系形态，星系可以分为椭圆型星系、棒旋型星系和不规则星系三种，其中最为常见的是棒旋型星系。
棒旋型星系由中心处的旋转棒和周围的旋臂组成，与地球上的机械钟齿轮十分相似。
这种类型的星系则包含了我们所属的银河系。
二、银河系的定义及概述银河系是指由几亿颗恒星、恒星积聚的物质和星际物质构成的星系，它是我们所在宇宙的一个常见成分。
银河系大约距离地球26,000光年，其宽度约为10万光年，总质量则估计为10^12个太阳质量。
银河系具有丰富的物质与多样的星系结构，同时也是人类最重要的天文对象之一。
三、星系和银河系的形成星系和银河系的形成是一个长期且复杂的过程，在它们发展的早期，它们几乎都是由各种天体碰撞和聚集而成的。
在星系、特别是银河系的形成中，黑暗物质也很可能扮演了着重要的角色，它们随着恒星的形成和行星的形成而不断凝聚和积累。
随着时间的推移，一些星系和银河系又会发生相互合并的过程，由此形成所谓的巨型星系和超星系。
这种合并和聚集的过程不仅帮助我们了解了这些天体的形成和演化，也为我们提供了理解宇宙演化中几个关键问题的方法。
四、星系和银河系的研究方法为了理解星系和银河系的演化，天文学家们进行了许多不同的研究，其中一些研究方法与我们熟知的科学领域比较相似，例如特定的实验数据分析和计算机模拟。
而在其他方面，有些天文学家更喜欢利用观测数据和观测技术来解决这些问题。
与其他天体不同，星系和银河系通常需要利用大型天文望远镜和望远镜阵列来获取高质量数据。
随着这些设备不断升级，我们对于它们内部的结构和演化过程了解也愈加深入。
天文学知识：银河系的结构和成分
天文学知识：银河系的结构和成分银河系是我们所处的宇宙中一个非常普通的星系，它位于局部群中心，是宇宙中最重要的星系之一。
银河系是一个由数十亿颗恒星簇集而成的巨大星系，直径约10万光年，厚度约2千光年。
它的中心区域是一个超大质量黑洞，质量约为太阳质量的4百万倍，是宇宙中最大的黑洞之一。
银河系中有数以万计的恒星和行星系统，这些行星被广泛认为是可以居住的。
由于这个巨大的结构，银河系成为天文学中的代表性对象，研究银河系的结构和成分是天文学领域中的焦点之一。
银河系由各种不同类型的恒星和暗物质构成，它们在银河系中的分布和数量对于研究银河系的结构和演化过程非常重要。
银河系的结构可以简单地分为四个主要组成部分：盘状结构、核球状结构、暗物质晕和外围星际介质。
其中盘状结构占据了银河系的大部分，它是一个薄的圆形结构，由大量的恒星，气体和尘埃组成。
在这个盘状结构中心，存在一个称为核球状结构的区域，它是一颗高密度的中央恒星团的周围，质量相当于太阳的几十万倍，是巨大恒星的家园。
暗物质晕是银河系结构的重要组成部分，它占据着整个银河系几乎90%的质量，但是对于我们来说，它是一个神秘的存在。
暗物质晕是一种由碰撞受限的暗粒子组成的物质，它的存在是基于银河系分子云的动力学研究和星系团的质量分布测量。
目前，科学家们尚无法通过任何实验来直接检测和量化暗物质晕，但是它对于解释各种天文现象至关重要。
最后一个组成部分是外围星际介质，它是银河系中最稀薄的区域，是银河系中各种各样的气体和尘埃的来源。
外围星际介质经常被观察到在恒星形成区域和超新星爆发区域中产生非常明显的辐射效应。
此外，银河系中还有很多其他类型的物质，例如行星、恒星残骸、彗星、小行星、流星等。
这些物体的存在为我们提供了关于宇宙演化的有用信息，并且它们的运动和变化也揭示了银河系的复杂结构和演化。
总的来说，研究银河系的结构和成分非常复杂而又困难，需要高科技设备和数学建模方法来分析数据。
银河系在宇宙中只是一个小小的组成部分，但它在研究宇宙学、天体物理学、宇宙学和宇宙演化等方面具有非常重要的意义。
银河系的资料.
银河系的发现经历了漫长的过程。
望远镜发明后，伽利略首先用望远镜银河系观测银河系，发现银河系由恒星组成；而后，T.赖特、I.康德、J.H.朗伯等认为，银河和全部恒星可能集合成一个巨大的恒星系统。
18世纪后期，F.W.赫歇尔用自制的反射望远镜开始恒星计数的观测，以确定恒星系统的结构和大小，他断言恒星系统呈扁盘状，太阳离盘中心不远。
他去世后，其子J.F.赫歇尔继承父业，继续进行深入研究，把恒星计数的工作扩展到南天。
[1]20世纪初，天文学家把以银河为表观现象的恒星系统称为银河系。
J.C.卡普坦应用统计视差的方法测定恒星的平均距离，结合恒星计数，得出了一个银河系模型。
在这个模型里，太阳居银河系结构图中，银河系呈圆盘状，直径8千秒差距，厚2千秒差距。
H.沙普利应用造父变星的周光关系，测定球状星团的距离，从球状星团的分布来研究银河系的结构和大小。
他提出的模型是：银河系是一个透镜状的恒星系统，太阳不在中心。
沙普利得出，银河系直径80千秒差距，太阳离银心20千秒差距，这些数值太大，因为沙普利在计算距离时未计入星际消光。
20世纪20年代，银河系自转被发现以后，沙普利的银河系模型得到公认。
银河系是一个巨型棒旋星系（漩涡星系的一种），Sb型，共有4条旋臂。
包含一、二千亿颗恒星。
银河系整体作较差自转，太阳处自转速度约220千米/秒，太阳绕银心运转一周约2.5亿年。
银河系的目视绝对星等为－20.5等，银河系的总质量大约是我们太阳质量的1万亿倍，大致10倍于银河系全部恒星质量的总和。
这是我们银河系中存在范围远远超出明亮恒星盘的暗物质的强有力证据。
关于银河系的年龄，目前占主流的观点认为，银河系在宇宙大爆炸之后不久就诞生了，用这种方法计算出，我们银河系的年龄大概在145亿岁左右，上下误差各有20多亿年。
而科学界认为宇宙大爆炸大约发生137亿年前。
另一说法，银河直径约为8万光年。
编辑本段年龄推测根据已知长寿命放射性核的衰变时间（即半衰期），从某些放射性中子俘获元素的丰度数据可以测定银河系中最年老恒星的年龄，从而定出银河系的年龄。
天文学中的银河系的结构和演化规律
天文学中的银河系的结构和演化规律银河系是我们所在的星系，它是由数十亿颗恒星、气体和尘埃组成的，形态呈螺旋状。
对银河系的研究，既是天文学的重要领域，也是认识宇宙和了解地球所在的宇宙环境的关键。
银河系的结构银河系包括盘、暗物质晕和球状星团3部分。
其中，盘是最为明显的部分，它是由若干个“臂”组成的。
这些“臂”从中心处开始螺旋式延伸出去，并与整个盘面呈现出大约4度的倾斜。
盘面的厚度大约只有1千光年，所以即使最为明亮的恒星在我们的天空中分布很广，但它们实际上来自同一个祖先星云。
暗物质晕是一层环绕整个银河系的暗物质层，它的存在是为了解释与所有星系的引力相互作用和加速膨胀的事实。
球状星团则是成千上万个小的恒星群，他们聚集在银河系的中心，形成球形的团体。
演化规律：银河系的形成和演化是一个复杂的过程。
理论模拟和观测结果显示，银河系可能是由多次合并和重组小的星系最终形成的。
在银河系的演化过程中，恒星和气体都会发生行星形成、恒星诞生和死亡等重要事件。
行星形成是重要的天文学问题之一。
科学家们认为，行星形成功率主要来自星际介质的吸积。
行星形成还可能与原行星盘的结构有关，这是一种在年轻恒星周围的扁平气体和粉尘环。
行星的类型也很多，比如包括类地行星、巨行星和棕矮星。
恒星的形成和演化也是银河系的重要问题。
恒星形成的过程是由星际云的斯地玛西因塔结构引起的潮汐引力，并伴随着内部受挤压而加速旋转的幸存物质形成的。
大多数恒星，如太阳，是由主序星演化而来的。
主序星是指在恒星演化过程中，质量和压力保持稳定、温度和其它参数随之有视觉变化的恒星。
而老年熄灭的恒星通常演化为白矮星或黑洞。
最终，整个银河系是由大量的辐射和引力场相互作用的结果，其中恒星的演化、行星的形成和气体流动等各种因素相互影响。
整个银河系在漫长的时间尺度中在稳定向前前进，人类通过对这其中规律的深入了解，才能在更高的层次上认识宇宙的这一方面。
百科全书-天文篇-银河系 简介
百科全书-天文篇-银河系简介
银河系是地球所在的星系，也是人类所知道的最大星系之一。
它是由数百亿颗恒星、行星、气体和尘埃组成的庞大天体系统。
银河系的形状类似于一个扁平的旋转盘，中心区域比较厚实，向外逐渐变薄，直径约10万光年，厚度约2千光年。
银河系中心区域有一个超大质量黑洞，质量约为4百万个太阳质量。
银河系中还有许多星云、星团、超新星遗迹等天体，这些天体的研究对于了解宇宙的演化和结构具有重要意义。
银河系的形成和演化是一个复杂的过程，目前学界对于其形成和演化的机制还存在争议。
据目前的研究结果，银河系大约形成于130亿年前，形成的原因可能与宇宙初期的物质密度扰动有关。
在漫长的演化过程中，银河系不断吸收和融合其他星系，这些星系的物质和能量丰富，对于银河系的形态和演化产生了重要影响。
银河系的星际介质中含有大量气体和尘埃，这些物质是新恒星形成的原料，也是太阳系中行星和卫星形成的原料。
银河系的观测和研究是天文学中的重要课题之一，目前已经有多个天文望远镜和探测器对银河系进行了观测和研究。
通过这些观测和研究，人类对于银河系的结构、演化、恒星形成等方面有了更加深入的认识，也为人类探索宇宙的奥秘提供了重要线索。
哈工大天文学概论第13节精品PPT课件
旋臂上的恒星形成与演化
Example: Star Formation in the Spiral Galaxy M81
银心和银晕
1. 核球 (bulge)与银心 (Galactic center)
3. 银河系结构
银河系是一个包含2×1011颗恒星的、具有旋 涡结构的盘状星系。 质量~ 1012M⊙，直径 ~ 105 ly (30 kpc)
主要成分
(1) 银盘 (disk) （旋臂spiral arm）、 (2) 核球 (bulge) 、 (3) 银晕 (halo) 、(4) 银冕 (corona)
太2.2阳×1的08转y动r. 角速度ω0 = A－B=25 kms-1kpc-1，转动周期为
2. 银河系的自转曲线和质量分布
(1) R < R0 : HI云 测量在视线方向上的一系列HI云的21厘米谱线的最大位移 → 最大视向速度Vr, max →轨道运动速度 Vr, max = R(ω－ω0) → 轨道半径 R = R0 sin l
→ ω(R), V(R)
(2) R > R0 : CO分子云和HII区 转动角速度ω (R) ：
观测HII区的发射线、分子云的CO分子毫米波谱线和 脉泽(maser)谱线测定视向速度
利用Oort公式 Vr =R0 (ω －ω0) sin l
→ω (R)
轨道半径R：
CO分子云常和HII区成协，可以由HII区内的高温恒星 测定其距离。
The Galactic Center region is filled with relativistic electrons and magnetic fields, producing strong radio emission. The nucleus is marked by a bright radio source, Sagittarius A*.
哈工大天文学概论——银河
d M1 d M2 d 2M2
F
GM 1M 2 d2
M2
G (2M 1 ) M 2 GM 1M 2 F 2 2 d d2
2M1
F
G (2 M 1 )(2 M 2 ) GM 1M 2 4 d2 d2
2M1
d M1 2d M1 d/2 M1 M2
F
GM 1M 2 F 2 (2d ) 4 d2
– Newton‟s Laws then guarantee Galileo‟s observation of Falling Bodies – What is the dependence on distance ?
Comparing an apple to the moon
• Newton‟s fascinating thought process :
– The distance between them:
• Objects closer together feel a stronger force.
– It does not depend at all on the shapes, colors, or compositions of the two objects.
A Curved Path
• But, of course the Moon really moves along a curved path:
– According to the first law, it is deflected from a straight-line path by the force of gravity. – This causes the moon to fall a little bit towards the Earth, deflecting its path into an arc.
银河的知识
银河的知识银河是指一群恒星、行星、恒星残骸、星际物质和暗物质等等组成的天体系统。
它是宇宙中最大的构造，由数千亿颗恒星和其他天体组成。
银河能够维持稳定的状态是因为它的自身引力能够抵抗背景宇宙膨胀的力量。
银河有许多种类，最常见的是螺旋银河、椭圆银河和不规则银河。
螺旋银河是最常见的一种类型，它们呈螺旋状的外形，中心有一个明亮的核心区域，被螺旋臂环绕。
椭圆银河则呈椭圆形或圆球形，没有明亮的核心区域和螺旋臂。
而不规则银河则没有明显的形状特征，通常由碰撞和合并等过程形成。
银河中心有一个非常巨大的黑洞，被称为银河系中心黑洞。
这个黑洞质量约为太阳的400万倍，它的引力对银河中的恒星和其他物质产生着巨大的作用。
银河中心黑洞周围形成了一个称为银河中心区域的非常活跃的地区，有强烈的引力和高能粒子的辐射。
银河中的恒星分布不均匀，有些地区星星云集，而有些地区则密度较低。
银河中还存在着大量的星际物质，如尘埃和气体，它们对恒星的形成和演化起着重要作用。
当星际物质聚集到一定程度时，它们就会开始坍缩，并通过引力逐渐形成新的恒星。
银河也是宇宙中很多其他天体的家园，如行星、太阳系和彗星等。
行星是绕恒星运行的天体，太阳系中的地球就是其中之一。
彗星是一种由冰和岩石组成的天体，它们通常在轨道附近环绕太阳，当接近太阳时，冰会融化形成尾巴，形成美丽的彗星。
银河还被用作天文学家研究宇宙的大尺度结构的工具。
利用银河的分布和运动，科学家能够研究宇宙的演化和组成。
通过观测银河，并研究其中的恒星和其他天体，我们可以更深入地了解宇宙的奥秘。
总的来说，银河是宇宙中最大的构造之一，由数千亿颗恒星和其他天体组成。
它有多种类型，其中最常见的是螺旋银河、椭圆银河和不规则银河。
银河中心有一个巨大的黑洞，周围形成了一个活跃的地区。
银河中的恒星和其他天体的分布不均匀，星际物质对恒星的形成起着重要作用。
银河也是宇宙中其他天体的家园，如行星和彗星。
通过研究银河，我们能够更好地了解宇宙的演化和组成。
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– Explored the rate of falling bodies by dropping different weights, or sliding them down inclined planes.
The Gravitational Force Constant
• The force constant, G, is a number which gives the size of the gravitational coupling between two massive objects. • G is very small, in metric units: • G=6.710–11 Newtons meter2 / kilogram2 • The Newton is the metric unit of force: • 4.41 Newtons = 1 pound • G has to be measured experimentally.
• Ratio of forces :
– FApple/FMoon ~ 3600
• Ratio of distances from center of Earth :
– Dapple-Earth/DMoon-Earth ~ 60
• Price winning question :
– What is the relation between these two ratios ?
M2
GM1M 2 GM1M 2 F 4 2 (d / 2) d2
Why is this such a powerful concept ?
• The Law of Gravity is Universal:
– Governs the fall of apples on the Earth – Governs the fall of the Moon around the Earth – Governs the fall of the Earth/Moon system around the Sun – Governs the fall of the Sun around the center of the Milky Way Galaxy. – Governs the fall of the Milky Way and Andromeda Galaxies in their mutual orbit...
– dMoon = 0.00136 meters
• Ratio of these distances = ratio of accelerations = ratio of forces
– dApple/dMoon = 4.8m/0.00136m ~ 3600
Comparing apple and Moon
d M1 d M2 d 2M2
F
GM 1M 2 d2
M2
G (2M 1 ) M 2 GM 1M 2 F 2 2 d d2
2M1
F
G (2 M 1 )(2 M 2 ) GM 1M 2 4 d2 d2
2M1
d M1 2d M1 d/2 M1 M2
F
GM 1M 2 F d2
M2
GM1M 2 1 GM 1M 2 2 (2d ) 4 d2
What Newton knew about the Moon
• Distance to the Moon
– ~380,000 km = ~ 60 x Earth radius
• Sidereal Orbital Period
– 28.3 days
• Speed of Moon on its path : ~ 1000 m/sec
A Curved Path
• But, of course the Moon really moves along a curved path:
– According to the first law, it is deflected from a straight-line path by the force of gravity. – This causes the moon to fall a little bit towards the Earth, deflecting its path into an arc.
– The distance between them:
• Objects closer together feel a stronger force.
– It does not depend at all on the shapes, colors, or compositions of the two objects.
• Works to bring massive objects closer together.
– Gravity is a Universal force:
• Works everywhere in the Universe.
– Gravity is a Mutual force:
• Works between pairs of massive objects.
• What is the force of the Earth on the apple
– F = GME MA/RE2
• What is the apple‟s acceleration (2nd Law):
• Law of Falling Bodies: – In the absence of air, heavy objects and light objects fall at the same, constant rate of acceleration.
Astronaut David R. Scott, Apollo 15 (Falcon) near Hadley Rille, August 1971
• Newton‟s clever idea : compare to apple‟s fall !
Comparing apple and Moon
• Apple on Earth falls in 1 second :
– dApple = 4.8 m
• Moon falls in 1 second :
– Careful numerical analysis leads to deeper understanding of gravity
What Newton knew about apples
• Falling apples on Earth :
– Constant acce8 meters/second2 – Radius of Earth : 6378 km = 6378,000 meters (Eratosthenes !)
– Exact description of forces involved – How to quantify gravity ? – Galileo‟s Law of Falling Bodies – Newton, the Apple and the Moon !
Galileo‟s Mechanics Experiments
Towards an exact description
• Newton‟s Idea :
– Force depends linearly on masses of objects
• Twice as much mass twice the force • Half as much mass half the force
Deflection
The curved path of the Moon
• How much does the moon have to fall in 1 second to „close the loop‟ ? • Simple geometry :
– 0.00136 meters (about 1.4 mm!)
Gravitational Force Law
GM 1M 2 F 2 d
• • • • • F = force due to gravity. M1 = mass of the first object M2 = mass of the second object d = distance between their centers. G = “Gravitational Force Constant”
– Newton‟s Laws then guarantee Galileo‟s observation of Falling Bodies – What is the dependence on distance ?
Comparing an apple to the moon
• Newton‟s fascinating thought process :
Towards an exact description
• Force of gravity between any two objects depends only upon:
– The masses of the two objects:
• More massive objects feel a stronger force.
Example 1 : Weighing the Earth
• Measure the acceleration of gravity by dropping weights (Galileo):
• a = 9.8 meters/second2