從宇宙誕生到人類文明:銀河系是一個透鏡形的系統

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銀河系2

2.銀心:星系的中心凸出部分,是一個很亮的球狀,直徑約為兩萬光年,厚一萬光年,這個區域由高密度的恆星組成,主要是年齡大約在一百億年以上老年的紅色恆星,很多證據表明,在中心區域存在著一個巨大的黑洞,星系核的活動十分劇烈。銀河系的中心﹐即銀河系的自轉軸與銀道面的交點。

銀心在人馬座方向﹐1950年曆元座標為:赤經174229,赤緯 -28°5918。銀心除作為一個幾何點外﹐它的另一含義是指銀河系的中心區域。太陽距銀心約10千秒差距,位於銀道面以北約8秒差距。銀心與太陽系之間充斥著大量的星際塵埃﹐所以在北半球用光學望遠鏡難以在可見光波段看到銀心。射電天文和紅外觀測技術興起以後﹐人們才能透過星際塵埃﹐在2微米到73釐米波段﹐探測到銀心的信息。中性氫21釐米譜線的觀測揭示﹐在距銀心4千秒差距處o有氫流膨脹臂﹐即所謂“三千秒差距臂”(最初將距離誤定為3千秒差距,後雖訂正為 4千秒差距﹐但仍沿用舊名)。大約有 1﹐000萬個太陽質量的中性氫﹐以每秒53公里的速度湧向太陽系方向。在銀心另一側﹐有大體同等質量的中性氫膨脹臂﹐以每秒135公里的速度離銀心而去。它們應是1,000萬至1,500萬年前﹐以不對稱方式從銀心拋射出來的。在距銀心 300秒差距的天區內﹐有一個繞銀心快速旋轉的氫氣盤,以每秒70~140公里的速度向外膨脹。盤內有平均直徑為 30秒差距的氫分子云。

在距銀心70秒差距處﹐則有激烈擾動的電離氫區,也以高速向外擴張。現已得知﹐不僅大量氣體從銀心外湧﹐而且銀心處還有一強射電源﹐即人馬座A﹐它發出強烈的同步加速輻射。甚長基線干涉儀的探測表明﹐銀心射電源的中心區很小﹐甚至小於10個天文單位﹐即不大於木星繞太陽的軌道。12.8微米的紅外觀測資料指出﹐直徑為1秒差距的銀核所擁有的質量﹐相當於幾百萬個太陽質量﹐其中約有100萬個太陽質量是以恆星形式出現的。腥巳銜o銀心區有一個大質量緻密核﹐或許是一個黑洞。流入緻密核心吸積盤的相對論性電子﹐在強磁場中加速﹐於是產生同步加速輻射。銀心氣體的運動狀態﹑銀心強射電源以及有強烈核心活動的特殊星系(如塞佛特星系)的存在﹐使我們認為﹕在星系包括銀河系的演化史上﹐曾有過核心激擾活動﹐這種活動至今尚未停息。

3.銀暈:銀河暈輪彌散在銀盤周圍的一個球形區域內,銀暈直徑約為九萬八千光年,這裡恆星的密度很低,分佈著一些由老年恆星組成的球狀星團,有人認為,在銀暈外面還存在著一個巨大的呈球狀的射電輻射區,稱為銀冕,銀冕至少延伸到距銀心一百千秒差距或三十二萬光年遠。

銀河系是一個透鏡形的系統,直徑約為25千秒差距,厚約為1~2千秒差距。它的主體稱為銀盤。高光度星、銀河星團和銀河星雲組成旋渦結構迭加在銀盤上。銀河系中心為一大質量核球,長軸長4~5千秒差距,厚4千秒差距。銀河系為直徑約30千秒差距的銀暈籠罩。銀暈中最亮的成員是球狀星團。銀河系的質量為1.4×1011太陽質量,其中恆星約佔90%,氣體和塵埃組成的星際物質約佔10%。 銀河系整體作較差自轉。太陽在銀道面以北約8秒差距處距銀心約10千秒差距,以每秒250公里速度繞銀心運轉,2.5億年轉一週。太陽附近物質(恆 星和星際物質)的總密度約為0.13太陽質量/秒差距3或 8.8×10-24克/釐米3。銀河系是一個Sb或Sc型旋渦星系, 擁有一、二千億顆恆星,為本星系群中除仙女星系外最大的巨星系。它的視絕對星等為Mv=-20.5。它以 1010年 的時間尺度演化。

4.銀河宇宙線(galactic cosmic rays)是指來自銀河系的高能粒子,這些粒子在進入地球磁場控制的區域之前稱為初始宇宙線。通常初始宇宙線的強度變化很小,只在太陽活動非常劇烈的時候,太陽風暴經過的區域銀河宇宙線的強度才會出現大幅度的下降。從長時間看,銀河宇宙線強度受太陽活動的影響有 5 年左右和 11 年左右的週期。在太陽活動高年,銀河宇宙線的強度最低,在太陽活動低年,銀河宇宙線的強度最高,即太陽活動的週期與銀河宇宙線強度的週期幾乎是反相的。

銀河宇宙線的化學組成與太陽的化學組成非常相似。但例外的是輕元素(Li、 Be、B)和週期表中在Fe以前的元素丰度特別高,這是銀河宇宙線中的元素(C、N、O)和Fe與星際氣體相互作用,發生核反應的結果。

銀河宇宙線中C、N、O、Mg、Si、 Fe的同位素丰度與太陽系中的丰度是一致的。但是(Ne/(Ne是例外,其值為0.49,約為太陽系的值的4倍。(Ne是C、N、O、 He的核燃燒產物,而(Ne像太陽系那樣是碳核燃燒的產物。銀河宇宙線中(Ne比較豐富,說明它的來源可能是超新星爆發的產物。

銀河宇宙線能量超過 1010電子伏的宇宙線,絕大部分起源於銀河系。在中、低緯度地面觀測到的宇宙線,主要也是銀河宇宙線及其與大氣相互作用產生的次級宇宙線。

宇宙線的主要核成分是氫和氦。動能在2.4×109電子伏以上的粒子中,氫和氦分別佔94%和5.5%,其它元素只佔0.5%。這種成分比例常稱為宇宙線元素丰度。

銀河宇宙線的化學組成與太陽的化學組成非常相似。但例外的是輕元素(Li、Be、B)和週期表中在Fe以前的元素丰度特別高,這是銀河宇宙線中的元素(C、N、O)和Fe與星際氣體相互作用,發生核反應的結果。

銀河宇宙線中C、N、O、Mg、Si、 Fe的同位素丰度與太陽系中的丰度是一致的。但是22Ne/20Ne是例外,其值為0.49,約為太陽系的值的4倍。22Ne是C、N、O、 He的核燃燒產物,而 20Ne像太陽系那樣是碳核燃燒的產物。銀河宇宙線中22Ne比較豐富,說明它的來源可能是超新星爆發的。

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四、太陽在銀河系中的位置

太陽(包括地球和太陽系)都在獵戶臂靠近內側邊緣的位置上,在本星際雲(Local Fluff)中,距離銀河中心7.94±0.42千秒差距。我們所在的旋臂與鄰近的英仙臂大約相距6,500光年。我們的太陽與太陽系,正位在科學家所謂的銀河的生命帶。

太陽運行的方向,也稱為太陽向點,指出了太陽在銀河系內遊歷的路徑,基本上是朝向織女,靠近武仙座的方向,偏離銀河中心大約86度。太陽環繞銀河的軌道大致是橢圓形的,但會受到旋臂與質量分佈不均勻的擾動而有些變動,我們目前在接近近銀心點(太陽最接近銀河中心的點)1/8軌道的位置上。

太陽系大約每2.25—2.5億年在軌道上繞行一圈,可稱為一個銀河年,因此以太陽的年齡估算,太陽已經繞行銀河20—25次了。太陽的軌道速度是217km/s,換言之每8天就可以移動1天文單位,1400年可以運行1光年的距離。

五、銀河系的周邊星系

NGC 7331經常被視為"銀河的雙胞胎",從銀河系之外回顧我們的銀河或許就是這個樣子。銀河、仙女座星系和三角座星系是本星系群主要的星系,這個群總共約有50個星系,而本地群又是室女座超星系團的一份子。

銀河被一些本星系群中的矮星系環繞著,其中最大的是直徑達21,000光年的大麥哲倫雲,最小的是船底座矮星系、天龍座矮星系和獅子II矮星系,直徑都只有500光年。其它環繞著銀河系的還有小麥哲倫雲,最靠近的是大犬座矮星系,然後是人馬座矮橢圓星系、小熊座矮星系、玉夫座矮星系、六分儀座矮星系、天爐座矮星系和獅子I矮星系。

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六、穿過空間的速度

一般而言,根據愛因斯坦的狹義相對論,任何物體通過空間時的絕對速度是沒有意義的,因為在太空中沒有合適的慣性參考系統, 可以作為測量銀河速度的依據(運動的速度, 總是需要與另一個物體比較才能量度)。

因為各向宇宙微波背景輻射非常的均勻, 只有萬分之幾的起伏. 所以就讓喬治•斯穆特想到了一個方法, 就是測量宇宙微波背景輻射有沒有偶極異向性。

在1977年, 美國勞倫斯伯克萊國立實驗室的喬治•斯穆特等人, 將微波探測器安裝在U-2偵察機 上面, 確切地測到了宇宙微波背景輻射的偶極異向性, 大小為 3.5±0.6 mK, 換算後, 太陽系在宇宙中的運動速度約為 390±60 km/s, 但這個速度, 與太陽系繞行銀河系核的速度 220 km/s 方向相反, 這代表銀河系核在宇宙中的速度, 約為600 多km/s。

有鑑於此,許多天文學家相信銀河以每秒600公里的速度相對於鄰近被觀測到的星系在運動,大部份的估計值都在每秒130~1,000 公里之間。如果銀河的確以每秒600公里的速度在運動,我們每天就會移動5,184萬公里,或是每年189 億公里。相較於太陽系內,每年移動的距離是地球與冥王星最接近時距離的4.5倍。銀河在空間中運動的方向是指向長蛇座的方向。


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