25.E：银河系（练习）

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为了进一步探索

文章

Blitz，L. “银河系的阴暗面。” 《科学美国人》（2011 年 10 月）：36—43。我们是如何找到暗物质的，以及它告诉我们关于银河系、扭曲的圆盘和卫星星系的信息。

德沃夏克，J. “银河系之心之旅。” 天文学（2008 年 2 月）：28。测量附近的恒星以确定中心黑洞的特性。

Gallagher、J.、Wyse、R. 和 Benjamin，R. “新银河系。” 天文学（2011 年 9 月）：26。根据最近的观察，重点介绍银河系的各个方面。

Goldstein，A. “在银河系中寻找我们的位置。” 天文学（2015 年 8 月）：50。论精确定位太阳在银河系中的位置的观测历史。

Haggard、D. & Bower，G. “在银河系的心脏地带。” 天空与望远镜（2016 年 2 月）：16。关于对银河系原子核以及那里的超大质量黑洞和磁星的观测。

Ibata、R. 和 Gibson，B. “过去的星系幽灵。” 《科学美国人》（2007 年 4 月）：40。关于银河系中的恒星流，它们是过去合并和碰撞的证据。

Irion，R. “我们银河系的破碎结局。” 科学（2000 年 1 月 7 日）：62。论兼并在银河系演变中的作用。

Irion，R. “进入黑洞。” 史密森尼学会（2008 年 4 月）。关于天文学家如何探测银河系中心的大黑洞。

Kruesi，L. “我们是如何绘制银河系的。” 天文学（2009 年 10 月）：28。

Kruesi，L. “银河系的巨大心脏里潜伏着什么？” 天文学（2015 年 10 月）：30。在银河系的中心和那里的黑洞。

Laughlin、G. 和 Adams，F. “庆祝银河千年。” 天文学（2001 年 11 月）：39。未来900亿年银河系的长远未来。

Loeb、A. 和 Cox，T.J. “我们的银河系的毁灭之日。” 天文学（2008 年 6 月）：28。描述银河系和仙女座即将进行的合并。

Szpir，M. “通过律师资格考试。” 天文学（1999年3月）：46。有证据表明我们的银河系是一个封闭的螺旋式上升。

坦纳，A. “银河中心之旅。” 天空与望远镜（2003 年 4 月）：44。很不错的介绍，观察结果表明存在黑洞。

Trimble、V. 和 Parker，S. “遇见银河系。” 天空与望远镜（1995 年 1 月）：26。我们的银河系概述。

Wakker、B. 和 Richter，P. “我们成长、呼吸的星系。” 《科学美国人》（2004年1月）：38。有证据表明，我们的银河系仍在通过增加天然气和较小的邻居而建立。

Waller，W. “重新设计银河系。” 天空与望远镜（2004 年 9 月）：50。关于最近对银河系的多波长调查。

Whitt，K. “内部的银河系。” 天文学（2001 年 11 月）：58。神奇的银河全景图，带有取景器图表和解释。

网站

国际黑暗天空保护区：http://darksky.org/idsp/sanctuaries/。黑暗天空保护区、公园和保护区清单。

多波长银河系：http://mwmw.gsfc.nasa.gov/mmw_sci.html。美国宇航局的这个网站显示了我们银河系在各种波段中的平面，包括背景材料和其他资源。

1920 年的 Shapley-Curtis 辩论：apod.nasa.gov/diamond_jubilee/debate_1920.html。 1920 年，天文学家哈洛·沙普利和希伯·柯蒂斯就我们的银河系有多大以及是否存在其他星系展开了一场历史性辩论。在这里，您可以找到有关辩论的历史和教育材料。

加州大学洛杉矶分校银河中心小组：http://www.galacticcenter.astro.ucla.edu/。详细了解Andrea Ghez及其同事在银河系中心区域的工作。

视频

泰坦崩溃：http://www.spacetelescope.org/videos/hubblecast55a/。这部 2012 年的 Hubblecast 的特色是杰伊·安德森和罗兰·范德马雷尔解释了仙女座在遥远的将来（5:07）将如何与银河系发生碰撞。

银河中心的晚餐：https://www.youtube.com/watch?v=UP7ig8Gxftw。 NASA ScienceCast 简短讨论了 Nustar 对银河系中央黑洞耀斑的观测结果（3:23）。

寻找超大质量黑洞：https://www.ted.com/talks/andrea_ghe...ive_black_hole。2009 年 Andrea Ghez 关于寻找超大质量黑洞，尤其是银河系中心的黑洞的 TED 演讲（16:19）。

银河中心之旅：https://www.youtube.com/watch?v=36xZsgZ0oSo。在银河中心附近的恒星团中进行一次短暂的无声旅行，显示它们在中心周围（3:00）的运动。

协作小组活动

你被太空外星人捕获，他们带你进入由星际气体、尘埃和几颗新形成的恒星组成的复杂云层。要逃脱，你需要制作一张云图。幸运的是，外星人有一个完整的天文观测台，里面装有测量所有电磁频谱波段的设备。利用你在本章中学到的知识，让你的小组讨论你要用什么样的云图来绘制最有效的逃生路线。
赫歇尔绘制的银河系图具有非常不规则的外部边界（参见第 25.1 节\(25.1.2\)中的图）。你的团队能想出这个原因吗？赫歇尔是如何绘制地图的？
假设在本课程的期末考试中，为你的小组分配了望远镜时间来观察教授为你选择的恒星。教授告诉你恒星在天空中的位置（它的右上升和偏角），但没有别的。你可以做任何你想要的观察。你将如何确定这颗恒星是种群 I 还是种群 II 的成员？
暗物质的存在令人大吃一惊，其本质在今天仍然是个谜。总有一天，天文学家会对它有更多的了解（你可以在《星系的演变与分布》中了解更多关于最新发现的信息）。你的小组能否列出早期的天文观测清单，这些观测起初令人惊讶和神秘，但最后却是入门教科书中广为人知的部分（观测结果更多）？
物理学家格雷戈里·本福德（Gregory Benford）写了一系列科幻小说，这些小说将在不久的将来发生在银河系中心附近。假设你的小组正在写这样的故事。列出银河中心附近的环境与太阳所在的 “银河郊区” 环境的不同之处。我们所知道的生命在靠近中心运行恒星的行星上生存会更容易还是更难（以及为什么）？
如今，在大多数城市地区，城市的灯光完全淹没了我们天空中微弱的银河系光线。让小组中的每位成员调查 5 到 10 位朋友或亲戚（你可以分散在校园里调查或使用社交媒体或电话），解释银河系是什么，然后询问他们是否看过。还要问他们的年龄。向您的小组汇报并讨论您对调查的反应。一个人的年龄和他们是否见过银河系之间有什么关系吗？今天在地球上长大的许多孩子从来没有（或很少）在空中看到我们的家乡银河，这有多重要？

查看问题

解释为什么我们将银河系看作是横跨天空的微弱光带。
解释一下在螺旋星系中的哪个位置可以找到球状星团、分子云和原子氢。
描述区分种群 I 恒星和种群 II 恒星的几个特征。
简要描述我们银河系的主要部分。
描述表明银河系中心可能存在黑洞的证据。
解释为什么恒星中重元素的丰度与它们在银河系中的位置相关。
我们银河系的长远未来会怎样？

思想问题

假设银河系是一条仅延伸到天空一半的光带（即半圆形）。那么，关于太阳在银河系中的位置，你会得出什么结论呢？给出你的理由。
假设有人提出，与其援引暗物质来解释太阳轨道以外的恒星轨道速度增加的原因，不如假设银河系的中心黑洞要大得多，就可以解决这个问题。仅仅增加银河系中央超大质量黑洞的假定质量能否正确解决银河系中出乎意料的高轨道速度的问题？为什么或者为什么不呢？
球状星团在高度椭圆的轨道上围绕银河旋转。你预计集群将把大部分时间花在哪里？（想想开普勒定律。）在任何时候，你会期望大多数球状星团相对于银河系中心以高速或低速移动吗？为什么？
沙普利利用球状星团的位置来确定银河中心的位置。他能使用开放集群吗？为什么或者为什么不呢？
考虑以下五种物体：开放星团、巨型分子云、球状星团、O 星和 B 星群以及行星星云。
1. 哪些只发生在螺旋臂中？
2. 除了螺旋臂以外，哪些只出现在银河系的其他部分？
3. 哪些被认为很年轻？
4. 哪些被认为很旧？
5. 哪些星星最热？
射手座的矮星系是最接近银河系的星系，但它直到 1994 年才被发现。你能想出它之前没有被发现的原因吗？（提示：想想它的星座里还有什么。）
假设三颗恒星位于银河系圆盘中，距离银河中心 20,000 光年、25,000 光年和 30,000 光年，假设现在这三颗恒星的排列方式可以画一条直线穿过它们然后到达银河系的中心。随着时间的推移，这三颗星的相对位置将如何变化？假设它们的轨道都是圆形的，位于圆盘的平面上。
为什么恒星的形成主要发生在银河系的圆盘中？
你期望在银河系的哪个地方找到 II 型超新星，这些超新星是快速穿越生命的大型恒星的爆炸？你期望在哪里找到涉及白矮星爆炸的 I 型超新星？
假设恒星在不损失质量的情况下进化——一旦物质融入恒星中，它就会永远存在。银河系的外观与现在的外观有何不同？会有种群 I 和人口 II 星吗？还有什么其他区别？

自己搞清楚

假设太阳以 220 km/s 的速度绕银河系中心运行，距离中心 26,000 光年。
1. 计算太阳轨道的周长，假设它大约是圆形的。（请记住，圆的周长由 2 R 给出，其中 R 是圆的半径。一定要使用一致的单位。从光年到 km/s 的转换可以在在线计算器或附录中找到，或者你可以自己计算：光速为 300,000 km/s，你可以确定一年中的秒数。）
2. 计算太阳的周期，即 “银河年”。再说一遍，要小心这些单位。它与我们在上面给出的数字一致吗？
太阳在2.25亿年内绕银河系中心运行，距离为26,000光年。鉴于此\[a^3= \left( M_1 + M_2 \right) \times P^2 \nonumber\]，半长轴在\(a\)哪里，轨道周期在\(P\)哪里，太阳轨道内银河系的质量是多少？
假设太阳的轨道稍远一点，但银河系在其轨道内的质量与我们在自己动手练习 2 中计算的质量相同。在 30,000 光年的距离内，它的周期会是多少？
我们已经说过，银河系的旋转方式不同；也就是说，内部的恒星绕银河中心完成完整的360°轨道的速度比更远的恒星更快。使用开普勒第三定律和我们在自己猜测练习 2 中得出的质量来计算距离中心仅 5000 光年的恒星的周期。现在对距离为 50,000 光年的球状星团做同样的计算。假设太阳、这颗恒星和球状星团都落在穿过银河系中心的直线上。在太阳完成环绕银河中心的一次完整旅程之后，它们之间的相对位置会如何？（假设银河系中的所有质量都集中在其中心。）
如果我们的太阳系已有46亿年的历史，那么地球已经存在多少银河年了？
假设银河系中一颗恒星的平均质量是太阳质量的三分之一。使用我们在自己猜测练习 2 中计算的银河质量值，并估计银河系中有多少颗恒星。给出一些理由，可以合理地假设一颗普通恒星的质量小于太阳的质量。
银河系含有大量暗物质的第一个线索是观察到恒星的轨道速度并没有随着与银河中心距离的增加而降低。使用行星的轨道速度构造太阳系的旋转曲线，可在附录 F 中找到。这条曲线与银河系的旋转曲线有何不同？它告诉你太阳系中大部分质量集中在哪里？
银河系中心存在黑洞的最好证据也来自开普勒第三定律的应用。假设一颗距离银河中心20光小时的恒星的轨道速度为6200 km/s。其轨道内必须有多少质量？
决定自己动手练习 8 中的物体是否为黑洞的下一步是估计这个质量的密度。假设所有质量均匀分布在半径为 20 光小时的球体中。以 kg/km ³ 为单位的密度是多少？（请记住，球体的体积由给出\(V= \frac{4}{3} \pi R^3 \)。）解释为什么密度可能比你计算的值还要高。这种密度与我们在本书中谈到的太阳或其他物体的密度相比如何？
假设射手座矮星系与银河系完全合并，并在其中增加了 150,000 颗恒星。估计银河系质量的百分比变化。这个质量是否足以影响太阳绕银河中心的轨道？假设射手座星系的所有恒星最终都进入了银河系的核凸起，然后解释你的答案。