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第4章 银河系(2)

一种是非常常见的所谓刚体式转动,像车轮、轴承、儿童乐园里的转盘车的转动都属于这种形式。刚体式转动的特点,是任何一点绕转动轴一圈所花的时间与其他点相同,因而离转动轴越远处转动的线速度(以“米/秒”为标准单位的速度)越大,它走的路程长于离转动轴近的地方在相同时间所走的路程。请你想象一下,你和另外两个人站在大转盘的任意三个位置上不动,那么当转盘分别以快速、慢速转动时,你看另外两个人和你距离变了吗?方位差变了吗?显然都没变,这是因为,刚体式转动中的任意两点之间的相对位置不变。

另一种转动方式是较差式转动,又叫开普勒转动,太阳系的九大行星绕太阳作开普勒转动:离太阳越远的行星转动周期越长。离太阳最远的冥王星转动一周约需248年,在这么长的时间里离太阳最近的水星已转了近1000圈了。显然,这类转动中点与点之间的相对位置会因转动周期不同而发生变化。

回过头来再谈谈我们的话题银河系的转动吧。从稳定性来说,以扁平的银盘为主体的银河系应该有自转才能维持其长久的旋涡状态,所以有自转是肯定的,问题在于采取什么样的自转方式。如果银河系是刚体自转的,那么我们就看不出其他恒星绕银心的转动,因为恒星之间的相对位置因刚体式自转而无改变;如果银河系作开普勒式转动,恒星之间就应有相对运动,统计出恒星的自行就能证实这一猜测。1926年,瑞典的林德布拉德(B.Lindblad)证明了银河系有绕人马座方向的银心普遍自转;1927年,荷兰的奥尔特(H.Oert)利用观测资料推导出著名的银河系较差的自转的奥尔特公式。

综合分析各种观测资料,得出银河系核球部分是刚体式的自转,核球以外就是较差自转。现在还测得太阳绕银心的转速为每秒250千米,又知道它离银心约3万光年,就是说它绕银心转一圈约需2.5亿年。

银河系的中心

银河系透镜状银盘的中心微凸部分就是它的核球,呈椭球形状,长轴4万~5万光年,厚约4万光年。由于光学观测受星际消光的影响——银心及附近方向尤为严重,我们得到的关于核球的资料主要来自穿透力强的射电波段、红外波段观测,专用卫星上天还获得了X射线,γ射线观测资料。

关于银河系核球里的恒星是哪个星族的——是老年星还是青年星,尚未取得一致看法,但持“大爆炸”宇宙论观点的学者认为,既然银河系也在不断膨胀,那么越靠近银心也许带着越多的银河系形成的早期信息,因而研究银河系核球,也许能解答星系的起源问题。

多种波段的观测虽还不能得出核球的物理状态和辐射机制,但已有了大概的了解。

射电探测表明,离银心3000秒差距处有一个正在膨胀而且旋转着的氢气环,它可能是0.3亿年前在银核的一次爆发中被抛射出去的。

在椭圆核球中央的银核,范围大约在几个到几十个秒差距之间,而且银核内部可能还有内核,但详情我们至今仍一无所知。

银核内有银河系中最密集的恒星群,还有大量电离气体、尘埃。通过与仙女座星系的光学观测资料对比,可估计到,银核3秒差距范围内恒星总质量可能达千万个太阳质量,也就是说恒星密度高出太阳附近千万倍。而银核内电离气体的探测告诉我们,中央物质很密集,可能有300万个太阳质量。

在这么小的核内存在这么多的物质,而且核又在绕银心作刚体式转动,电离气体也在高速转动,这些都表明中央物质不能以恒星这种形式存在,否则将因太密集而导致频繁的碰撞,以至无法稳定地维持下去。很有可能的是中央有一个大质量黑洞,X射线辐射似乎也认为其中包含着不寻常的天体。

银盘

银盘是银河系的主要组成部分,在银河系中可探测到的物质中,有九成都在银盘范围以内。银盘外形如薄透镜,以轴对称形式分布于银心周围,其中心厚度约1万光年,不过这是微微凸起的核球的厚度,银盘本身的厚度只有2000光年,直径近10万光年,可见总体上说银盘非常薄。

除了1000秒差距范围内的银核绕银心作刚体转动外,银盘的其他部分都绕银心作较差转动,即离银心越远转得越慢。银盘中的物质主要以恒星形式存在,占银河系总质量不到10%的星际物质,绝大部分也散布在银盘内。星际物质中,除含有电离氢、分子氢及多种星际分子外,还有10%的星际尘埃,这些直径在1微米左右的固态微粒是造成星际消光的主要原因,它们大都集中在银道面附近。

由于太阳位于银盘内,所以我们不容易认识银盘的起初面貌。为了探明银盘的结构,根据本世纪40年代巴德和梅奥尔对旋涡星系M31(仙女座大星云)旋臂的研究得出旋臂天体的主要类型,进而在银河系内普查这几类天体,发现了太阳附近的三段平行臂。由于星际消光作用,光学观测无法得出银盘的总体面貌。有证据表明,旋臂是星际气体集结的场所,因而对星际气体的探测就能显示出旋臂结构,而星际气体的21厘米射电谱线不受星际尘埃阻挡,几乎可达整个银河系。光学与射电观测结果都表明,银盘确实具有旋涡结构。

银河系的磁场

我国古代劳动人民发明的指南针早就证明了地球的磁场,而银河系广阔空间的大尺度磁场的探测,则始于20世纪30年代,40年代证实了大尺度磁场的存在,60年代以后能进行可靠的测量。

磁场是物质存在的一种形式,但看不见、摸不着。不过,就像往上跳能感觉到无形的重力场把我们往下拉一样,也有办法让我们感到(即证实)磁场的存在,比如用指南针。对于广阔的银河,指南针就派不上用场了,不过,来自银河系的宇宙线——主要成分是带电粒子和α粒子的各向同性,对银河系背景辐射的非热辐射性质的合理解释,许多弥漫星云具有纤维状结构而且外形呈平行于银道面的扁氏形、许多恒星光因为长条形星际尘埃的影响导致随距离而增大的微小偏振等等,都非常有力地证明了,银河系存在大尺度的磁场,其方向可能平行于银道面。

要比较可靠地测量银河磁场的大小、方向,仅凭以上证据难以做到;不过,采取以下两种方法即可实现。

将辐射源产生的偏振辐射,通过平行于辐射方向磁场的星际介质,出来后偏振面会发生变化,叫法拉第旋转。转动的大小正比于磁场强度,因而在测定了前者的情况下就可能推出后者,即平行于辐射方向的星际物质磁场强度。这种方法叫法拉第旋转法,适用范围显而易见是星际物质。

另一种方法利用的是塞曼效应——原子能级在强磁场中的分裂导致谱线发生分裂的现象,这也是测定恒星磁场的最基本方法。如果星际空间有磁场,那么就能测出其中大量中性氢的21厘米谱线的分裂,由分裂的大小可算出平行于视线方向的中性氢磁场。

用这两种方法得到的比较可靠的测量结果是:银河系的磁场平均强度约为1~3×10-6高斯,比由宇宙线、银河背景射电、星光偏振估计出的1~3×10-5高斯的结果为低,而磁场的方向在旋臂区域可能沿着旋臂方向,其他区域则是紊乱的。

已知的特殊星系

按照当今世界上最为流行的哈勃星系分类系统,星系被分为椭圆星系、旋涡星系和不规则星系三种类型。然而,目前已经被发现的星系中,还有一些不能简单地归入哈勃系统中的另一类,有的星系还具有一般星系所没有的特殊性质,我们将它们统称为特殊星系。

到目前为止,天文学家已经发现了许许多多的特殊星系并按照这些星系的性质把它们分为不同的类型。目前已知的特殊星系主要有:类星体、塞佛特星系、N型星系、射电星系、马卡良星系、致密星系、蝎虎座BL型天体、有多重核的星系及有环的星系等。这些星系的命名,有的是根据历史情况,有的是根据星系特性,有的是根据发现者的名字而来的。这些星系之间有重叠交错的情况。例如,马卡良星系中至少有10%可归入塞佛特星系,N型星系中许多又是射电星系。这些特殊星系的特殊性质主要是由于星系核的活动或者是主伴星系之间的相互扰动所造成的。

特殊星系一般有一个很亮的致密核,有的还有伴星系。绝大多数特殊星系都有核区爆发遗留下来的痕迹。星系核周围区域往往可观测到高速非圆周运动的天体。特殊星系辐射的能量的大部分是非热能的。下面我们着重介绍一下几类重要的特殊星系。

射电星系:一般正常的星系都发射射电波,但我们一般将那些具有强射电发射能力的星系称为射电星系。这类星系的射电功率比正常星系强100到10万倍,即达1037~1047尔格/秒。有些星系所产生的射电能量甚至超过了它们所产生的可见光能量。

射电星系的形态结构多种多样。最主要的几种形态结构是:致密型、核晕结构、延展的双瓣结构、复杂源结构及头尾结构。这些星系的形态结构均可从名字的字面理解。射电星系中大多数可归入椭圆星系一类,不规则星系很少,它们往往是星系团中最亮的成员星系。

首先被发现的射电星系是天鹅座A。到目前为止,已经测定了数千个其他射电星系的位置,其中最主要的有室女座射电星系M87及半人马座A等。

塞佛特星系,这类星系因被美国天文学家塞佛特于1943年发现而得名。

这类星系都有一个明亮的恒星状核,核的周围有朦胧的旋涡结构、核区是激烈活动区。塞佛特星系的光谱中有很强的发射线,这些发射线通常是在一般星系光谱中看不到的。有些塞佛特星系的可视光度以长达数月的周期发生着变化;某些塞佛特星系发射着巨大的红外辐射;有的还是强大的X射线源。

尽管塞佛特星系的体积比一般星系要小得多,质量也小,但是它们以各种波长辐射的能量是大多数星系的100倍。

塞佛特星系大都是漩涡星系,这类星系占漩涡星系的1~2%。因此,许多天文学家认为,塞佛特星系实际上不是特殊星系,它们只是漩涡星系演化所经历的一个阶段。至于何种理论正确,目前尚难定论。

N型星系,这种类型的星系由摩根在50年代所发现。这类星系的主要特征是有一个恒星状亮核以及比较致密的暗弱星云包层。星系的辐射大部分由核提供,表明核区是强活动区。有些N型星系的周围可以看到旋臂。这类星系有的是射电星系,光谱同塞佛特星系相似,只是发射线较窄,核的宽度有变化。

马卡良星系,这类星系是因前苏联天文学家马卡良发现而得名。马卡良星系是具有反常强紫外连续谱的特殊星系。这类星系主要有两种类型。第一类为亮核型,即核是紫外源,这类星系占所有马卡良星系中的2/3,它们大多也是塞佛特星。另一类为弥漫型,紫外连续源分散在整个星系中,这类星系的较暗者多为不规则星系。最近发现马卡良星系多为密近而有相互作用的双重星系。

特殊星系中的蝎虎座BL天体及类星体是非常重要的天体,由于我们在别的篇幅中对它们已有详细的介绍,这里就不再多说了。

特殊星系按光度构成一个能量序列,类星体最大、正常星系比它们都小。

这表明这些活动现象与类星体有某种联系,而类星体似乎是性质多样的天体集合。因此,研究特殊星系,对探讨星系的起源和演化具有重要意义。

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