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星系的特殊特征
碰撞星系
1997年10月21日,一个HST研究小组发布了一份报告,描述了有关进化星系中恒星形成的重要新信息。检查这对天线星系的望远镜图像:
左边的是两个相互碰撞的星系的地面望远镜图像,它们共同构成了所谓的天线星系,这是从像昆虫的天线一样延伸的一长串发光气体中命名的。因为它很接近(6300万光年远),所以它是近距离观察的主要候选。右图是两个曾经分离的星系的合并恒星的中央星系质量(绿框轮廓)的高分辨率HST视图。令人惊讶的是无数的蓝色星团。每一个看起来都是由多达一百万颗年轻(因此明亮和炽热)的恒星组成的群。星系团可能仍在发展,因为在碰撞过程中,分布在每个星系口袋中的巨大分子云(通常是100光年)中的冷氢气被挤压。随着这一过程的进行,它们收缩并加热成单个的恒星,经常迅速地坍塌,足以让许多恒星像“鞭炮”一样爆炸。随着碰撞的继续,其他已经存在的恒星可能会被摧毁。这两个橙色中心是每个星系中较古老的幸存部分。
HST看到的另一个壮观的碰撞是NGC2007和IGC2163之间的碰撞。当两颗恒星合并时,大多数单个恒星不会与另一颗恒星发生碰撞,因为在任何这样的星系中,恒星之间的距离实际上都很大,从而减少了直接碰撞的变化(尽管当这对星系通过时,任何给定的恒星都必须始终面对与另一颗恒星相遇的可能性)。在他们共同的道路上有一颗星星):
这些观察支持了一种日益增长的观点,即碰撞在早期宇宙中是一个更为常见的过程(但即使现在仍然会发生)。也许有三分之一的古老星系在星系更近的长时间内发生碰撞,也就是说,大爆炸的扩展距离较短。有时两个以上的星系参与了碰撞过程。碰撞的一个可靠迹象是星系组合的显著不规则性,不规则中心和扭曲的旋臂。红外成像的这三个HST多重碰撞示例说明:
在这张由nicmos和acs传感器拍摄的最新图像中,4个星系可以单独分辨。当两个星系合并时,增加的引力可以吸引附近的星系,从而进一步扩大星系群。
另一个著名的近距离星系群,似乎正朝着某种合并方向发展,是斯蒂芬的五重奏,在这张HST图中,五个星系中有三个是:
塞弗特六分星是一个由六个星系组成的星系群,在1.9亿光年之外的巨蛇星座。它们由3个椭圆和3个螺旋组成(在这个方向上只有5个可见;正面所见的小螺旋星系不在这个组中,距离远得多)。没有一个星系的直径超过35000公升。这种结构被解释为星系群在碰撞过程中被引力相互作用撕裂。在星系团的两个区域中,细长明亮的中心区域可能是合并成对星系的核心。与一些碰撞星系不同,没有明显的证据表明在这些碰撞阶段形成了明亮的新恒星。
下一对螺旋星系也开始了它们的碰撞相互作用。注意它们之间的气流和尘埃。星星正在这座桥上形成。
两个螺旋星系合并的通常最终产物是一个椭圆星系;许多椭圆星系是这样形成的。碰撞也会产生螺旋结构。一些球状星团也可能起源于相互碰撞。
碰撞的一个更具视觉吸引力的结果是车轮星系(下图),另一个环形星系,其中一个星系通过另一个星系,产生高速运动的冲击波。当这些波向外移动时,它们将氢凝聚成一个巨大的新恒星集合,这些新恒星位于前进波的前方:
星系碰撞可以释放大量的能量。钱德拉X射线望远镜(下页)在距离地球1.6亿光年的椭圆星系NGC1700上探测到大量X射线的释放:
这个X射线源直径9万光年,是目前宇宙中发现的最大的X射线源。排放物来自一个巨大的旋转的氢气云,其温度超过800万度。研究这团云的天文学家推测这次碰撞是在一个螺旋星系和一个椭圆星系之间。
圆形插图显示人马座A通过地面望远镜进行光学观察。右侧的详细视图是由HST的广域摄像机拍摄的。一个细长的圆盘,以暗尘埃为特征,散布在一个被认为是椭圆星系的大白光上。这对星系被解释为一个螺旋星系与这个椭圆星系碰撞的混合体。HST上的红外摄像机可以穿透尘埃,发现一团热的、湍流的恒星、尘埃和气体从旋涡星系落进椭圆星系的核心,这在更大的视野中可以看到。
钱德拉X射线望远镜 (page 20-4 _)捕捉到了半人马座A的一个不被怀疑的特征——即从地核喷射到25000公升远的物质流。这股强大的X射线能量的单股射流大致与圆盘的平面成直角。
黑洞(见 page 20-6 )假设发生在两个相互作用的半人马座系统的中心。这个b.h.可能有100亿个太阳质量那么大,其体积与我们的太阳系相似。这个黑洞正在把两个星系的物质“吸入”到它的成长体中。这组观测是迄今为止最详细的星系碰撞的结果。
未来宇宙膨胀路径的一个模型表明,附近的仙女座螺旋星系可能接近我们的银河系,甚至可能与我们相撞。最近有相当多的证据表明一个小星系正在穿过银河系。被称为人马座矮球状星系(SGR),它的存在是由某些恒星的运动推断出来的,这些恒星的运动与M.W.恒星在旋臂中的运动不符;同时,恒星“尾巴”在银河晕中伸展,这表明SGR在一个较宽的轨道上,这使得它以前与银河系相交。恒星之间的巨大距离使相互作用保持在最低限度。
银河系气体
(注:本小节于2002年1月添加,以回应该月的一篇文章中总结的信息。 科学美国人 由罗纳德·J·雷诺兹,题为“星星之间的气体”。本页作为第20-2页的附录,与第20-5页相关,部分原因是本页20-3的文本和插图比其他两页少,因此下载时间比包含更多插图的页面短。)
看起来空荡荡的空间区域——无论是在星系内部还是星系之间——实际上包含着数量不一的物质。可识别物质(分子、质子、光子、宇宙射线等)的数量在星系及其光环之间的空间中可能非常少。暗物质(如第20-10页所述),目前性质未知,也存在。对于元素,主要的种类是氢,以几种形式存在;氦的含量约为10%,原子序数较高的元素仅占1%的一小部分。在星系中,这些元素构成了所谓的“大气”,用来描述不在相关恒星中的气体和粒子。从这张尼科莫斯-哈勃太空望远镜拍摄的NGC4013图像中可以明显看出,星系中氢的主导地位,该图像在红外波段中氢看起来呈红色:
银河系氢在星云中以以下状态出现,在中央中间平面和光环中的范围都要小得多。 : 1) neutral hydrogen (H:sub:I ,主要发现于星系的中央中间平面,其温度约为120°K;它负责发出无线电天文学家用来绘制其分布图的21厘米辐射(1420兆赫);2)分子氢(H:Sub:2`),其温度约为15°K,尽管它包含O。星系中只有18%的氢,主要集中在中心平面的气体星云中,是主要的物质,它组织成恒星;它的分布在2.2微米和电磁光谱的远紫外区域都被绘制出来。在气态星云之外,主要是在晕中,氢以三种状态存在,由它们较高的动力学温度引起:1)暖h(i),t=小于3000°K,约占星系中所有氢的30%,延伸至33000光年(ly);2)暖h(ii),电离(损耗电子的),t=3000-10000+°K,35%的氢,延伸到约65000μl;3)热H(II),也被电离,t=100万μl以上,以低密度存在到约180000μl,占所有氢的45%。因此,我们现在知道,几乎所有电离的星系氢都位于中心平面之外,即在晕中,但占质量的22%左右;恒星本身仅占体积的2%左右,但占质量的30%;剩余的质量由h(i)表示,其中35%位于晕中。光环和0.1%的云层。重申这一点:一个螺旋星系主要是氢,其中一些存在于集中在中心平面的恒星中,但也存在于由中性和离子化氢组成的晕中,其温度比中心平面内的氢气体高得多。(更多关于不同类型氢气的讨论将出现在第20-5和20-7页。)
银河系晕区的氢云已在红外波段成像。在下一幅插图中,这些云的视图显示在右侧的垂直条带中;银河系图像的侧面是艺术家的再现,而不是实际观察。
在这幅图中,星系本身的可见光图像(中心,椭圆)被记录到一张X射线图像中,显示了延伸至1000000°K的稀薄气体(温度可达1000000°K),这一点在图中很明显。大距离外直径到紫色边缘=190万l.y.)。紫色和绿色表示两个任意划分的X射线发射水平。
这种大气有点类似于地球上的(密度向上降低),因为当接近晕的外缘时,其氢组分数量减少(再次,密度向外降低)。像地球的大气层一样,也像围绕太阳的大气层一样,银河系的大气层是动态的,持续的活跃着。无论是在中心平面的恒星形成区域内,还是在内部晕中,这种气体都受到冲击波和恒星风中的粒子的扰动,这些粒子主要是由超新星爆炸产生的(第20-6页)。许多爆炸都与大质量、短寿命恒星有关(第20-5页描述的O型和B型)。其结果是“湍流”将一些物质驱动到更致密的凝块中(开始形成新恒星的区域,但也产生了被称为“气泡”的氢浓度更低的体积)。从概念上讲,银河系大气可以被视为有点像瑞士奶酪,气泡出现的地方有洞。
有迹象表明(主要是电离的)氢在超新星事件发生后以等离子体形式从中心平面区域以流的形式排出,流的描述名称为“柱”,类似于从太阳喷出的耀斑(第20-5页)。它们可能以热上升的气泡开始,并在进入光环时吸入氢气。这些移动到超过10000英里的距离,但随着更多的扩散“喷泉”,趋向于与一些返回平面的材料破碎。(它们的向外路径可能由星系磁场控制)。这一预测的现象还没有被描绘出来(因此它的存在还没有被证实),但这是一个艺术家对它在我们的银河系中可能是什么样子的描述(将其与下一页(20-3)上不同波长的银河系图像进行比较):
摘自《科学美国人》,2002年1月
我们银河系中太阳周围的气体密度调查是由地面望远镜、Fuse(远紫外光谱仪实验)和Chips(宇宙热星际等离子体光谱仪;也在远紫外工作)进行的。2003年5月,加利福尼亚大学伯克利分校的一个小组和法国同事绘制了1000光年的密度图,如下所示:
左侧地图是垂直于M.W.平面的截面;右侧地图是穿过平面中左侧地图的截面。浅色区域是非常热的气体区域(运动温度在100万开尔文范围内),其星系内密度低于平均值。暗色调区域是密度较高、温度较低的区域。低密度“气泡”,实际上大致呈烟囱形状,有突起,其原因仍然不确定。有一个假设变成了过去的超新星爆炸,它可能产生了“银河风”,将星系内的物质吹出产生的低密度区域。在如此低的密度下,氢原子可以在不发生碰撞的情况下移动更远的距离,从而获得更高的动力学温度。
这些涉及银河系大气的过程的研究,为在星系的生命周期中导致恒星形成的因素提供了新的见解。哈勃太空望远镜和其他天文台已经拍摄到了附近星系烟囱的一些例子。沿着上面描述的路线进行的研究可能会提高我们对星系内决定其历史的活动的理解。
星暴与活动星系核
这些主题已经在20-2和20-2a页上介绍过。但是,一篇题为 银河奇偶 由戈达德天文学家金伯利·韦弗于2003年7月出版 科学美国人 这篇文章包含了作者很多新的信息,所以我决定加上这一小节,按照她的论文中的顺序作为一个概要呈现。
韦弗的主要论点是,星暴和活动星系核在星系中都很常见,而且它们似乎以几种可能的方式相互依赖于另一个星系和黑洞。此外,这两个代表了银河尺度(超新星和伽玛射线爆发是目前在宇宙中已知的单个恒星尺度的能量输出中最高的)的能量释放(在电磁频谱的每一部分中都很强)。
让我们从观察星暴的各种表现开始。我们将集中在M82,这是一个“雪茄”星系,它被归类为不规则的,但往往是透镜状的。这个不规则的星暴星系很小(直径约16000光年),距离地球约1100万升。它被评为有史以来最亮的星系之一,在大熊座肉眼可见。因为在不同的波长下收集了如此多的数据和图像,所以现在是一个很好的时机来看看这个星系是如何出现在光谱的不同部分的(如20-3页所讨论的)。首先,让我们根据环境来设置它。M82是星系三位一体的一部分,其中包括更大的螺旋M81。许多天文学家解释说,这一接近表明,M82可能已经(或可能最终)与M81相撞,并因此脱离了第三个较小的星系NGC3077。见证人:
这是M82的HST光学范围(可见)图像。没有一个像螺旋星系那样的致密恒星的中心核心。而不是旋臂,外部区域似乎包含无形的尘埃和气体云。在这场表演中,中心区域看起来并不比外部区域亮。
偏离中心区域的HST广域摄像机视图如下所示;请注意中央区域更亮:
下一幅图像信息量不大,但色彩丰富,仅用于检查。这是一个M82可见图像的假彩色再现,由俄勒冈大学的格雷格·波顿制作。
下一对图像是通过HST(顶部)和日本斯巴鲁地面望远镜拍摄的,使用H-α激发线作为颜色输入带之一。两者都显示了一个更热的内部,一个中心喷流垂直于星系的平面出现。
钱德拉X射线望远镜(第20-4页)展示了M82的图像,再次显示了一些星暴。
M82的紫外线图像显示了一个非常不同的外观。
在红外波段,M82显示了更热的区域是透镜状的,位于星系的内部。
M82的射电望远镜图像显示了许多亮区,这些亮区被解释为星暴区。
另一款M82射电望远镜,其中不同发射区域以彩色编码显示。红色和黄色表示最强的信号。
这是一个及时思考M82的时刻,在这张图的背景下,显示了星系的解剖结构,图中靠近星系中部。 page 20-2 . 连续的中央黄色区域,包含了更密集的恒星集合、吸积盘、黑洞和向外喷射,是活动的星系核。围绕着活动星系核的是各种各样的蓝星。
再举几个爆炸的例子,就可以把它们的外形和特点铭记在心了。
第一张图片显示了星系NGC 3603中的一个中心星团。在它的下方是M94中的一个恒星环,在紫外线中可以看到。第三张图片显示了星系NGC4314中心的一个突出的星暴物体环。
这张NGC1808的图片显示了一个定义明确的活动星系核,它也可能包含未解决的星暴恒星。在它下面是NGC9812,显示了一个混合的烈火激发气体和一些恒星爆发。
|星系核NGC9812的中心部分,是一种不规则的活动星系核,与恒星爆发混合。γ
其中一个经过更彻底检查的活动星系核是NGC1068,如红外图所示:
现在到了韦弗博士论文的要点。
虽然黑洞有各种大小,但较大的黑洞(超大质量黑洞,尽管它们占整个星系质量的0.1%)同时参与了活动星系核和星暴。此外,B.H.也可能是低速(非爆发)恒星形成的原因。温顺的B.H.含有的质量是太阳的一万亿倍,但却只有太阳直径的1000倍。如前所述,活动星系核是超亮的(虽然在可见光波段并不明显),通常比星系的其他部分要亮。活动星系核含有丰富的类星体,它们各自释放出大量的辐射。许多星暴与活动星系核一样明亮(从能量释放的角度来说)。恒星爆发的活动周期通常是1000万年左右,在这期间恒星的形成率是星系中正常创造性活动的1000倍。一个可能的原因是当两个星系碰撞(穿过彼此)时,气体混合在一起,使得恒星所需的气体密度增加。在宇宙历史的前10-20亿年中,星暴和活动星系核的形成更为普遍。
这就产生了一个问题,即星暴和活动星系核内的主要活动是否同时发生。观测表明,活动星系核通常与年轻、明亮、大质量的恒星有关。然而,由于一个活动星系核内存在大量的模糊尘埃(其中一些尘埃与星暴过程有关),因此通常很难证明它是否存在。活动星系核可以“休眠”(没有明显的能见度),直到其气体开始大量流入超大质量的B.H.星暴,通常发生在这个过程的早期阶段。星暴和活动星系核都可以通过检查它们的光谱电离氧来证实是活跃的,其他元素显示出更亮的光谱线。
韦弗博士列举了星暴与活动星系核之间相互关系的四种可能性——首先是它们之间以及B.H.之间存在什么因果关系。我们从她的美国科学论文中复制了两幅示意图,并对其进行了说明:
在第一种情况下,活动星系核只是星暴的表现(相当于星暴),可能不是由黑洞造成的。第二种情况假设巧合,即星暴和活动星系核之间没有直接的因果关系,即使两者都作为独立的现象存在。第三种选择认为,星暴是由于超大质量的B.H.将足够多的气体迅速拉向它,从而提供了一个更密集的环境,在这个环境中发生了许多超过平均水平的恒星形成事件。因此,恒星爆发的结果是,在这个期间,气体也在黑洞周围发生反应,形成富含类星体的活动星系核。由B.H.控制的活动,导致活动星系核释放冲击波,帮助内部区域以外的恒星爆发形成。第四种机制认为,星暴发生在与之相关的超大质量黑洞的形成和发展之前。当每一颗大质量恒星消亡时,它演化成黑洞或中子星。随着时间的推移,这些B.H.的结合形成了在银河系中心或附近发现的超大质量B.H.(本主题在20-5和20-6页上讨论)。另一个变种是小恒星的碰撞,这些小恒星在爆炸成稠密的冷物质之前,会加速它们的生命。一般来说,最后一种模式首先产生中等大小的黑洞(在一些星系中已经观察到),但最终的结果通常是单个大的b.h。
但韦弗博士论文的底线是,超大质量黑洞、活动星系核和星暴是螺旋星系、椭圆星系和不规则星系中常见的、可能很普遍的一组组成部分。
在这篇文章中我们发现了一篇关于活动星系核的很好的综述。 site
主要作者:Nicholas M.Short,高级电子邮件: nmshort@nationi.net