26.3: 星系的特性

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

描述天文学家估算星系质量的方法
根据每种星系的质量与光比来描述每种类型的星系

得出星系质量的技术与用于估计太阳、恒星和我们自己的银河系质量的技术基本相同。我们测量银河系外部区域的物体绕中心运行的速度，然后我们使用这些信息以及开普勒的第三定律来计算该轨道内有多少质量。

大量的星系

天文学家可以通过获取恒星或气体的光谱以及寻找多普勒效应产生的波长变化来测量螺旋星系的旋转速度。请记住，某物向我们移动或远离我们的速度越快，其光谱中线条的偏移就越大。例如，开普勒定律，再加上对仙女座星系中在可见光下明亮的部分的观测结果，表明它的银河质量约为\(4 \times 10^{11}\)\(M_{\text{Sun}}\)（足以制造像太阳这样的4000亿颗恒星）。

但是，仙女座星系的总质量大于这个值，因为我们没有将位于其可见边缘之外的物质的质量包括在内。幸运的是，在可见边缘之外还有一些物体，例如孤立的恒星、星团和卫星星系，可以让天文学家估计那里还隐藏了多少其他物质。最近的研究表明，仙女座可见边缘以外的暗物质数量可能与银河系明亮部分的质量一样大。事实上，根据开普勒第三定律及其卫星星系的速度，估计仙女座星系的质量更接近\(1.4 \times 10^{12}\)\(M_{\text{Sun}}\)。据估计，银河系的质量为\(8.5 \times 10^{11}\)\(M_{\text{Sun}}\)，因此事实证明我们的银河系比仙女座小一些。

椭圆星系不会以系统的方式旋转，因此我们无法确定旋转速度；因此，我们必须使用略有不同的技术来测量它们的质量。它们的恒星仍在绕银河中心运行，但没有像螺旋那样以有组织的方式运行。由于椭圆星系包含已有数十亿年历史的恒星，我们可以假设星系本身并没有飞开。因此，如果我们能够测量恒星在绕银河系中心的轨道上移动的各种速度，我们就能计算出银河系必须包含多少质量才能将恒星保持在银河系中。

实际上，星系的光谱是其许多恒星光谱的复合体，它们的不同运动会产生不同的多普勒偏移（有些是红色，有些是蓝色）。结果是，我们在整个星系中观察到的线条包含了许多多普勒偏移的组合。当一些恒星提供蓝移而另一些恒星提供红移时，它们会产生比恒星没有轨道运动的假设星系中的相同线条更宽或更广泛的吸收或发射特征。天文学家称这种现象线在扩大。每条线的宽度表示恒星相对于银河系中心的移动速度范围。反过来，速度范围取决于将恒星固定在星系中的重力。有了关于速度的信息，就可以计算出椭圆星系的质量。

该表\(\PageIndex{1}\)总结了各种类型星系的质量范围（和其他特性）。有趣的是，质量最大和最小的星系是椭圆星系。平均而言，不规则星系的质量小于螺旋星系。

700”、“106 到 1011”、“旧”、“几乎没有灰尘；气体很少”、“10 到 20” 和 “100”。最后，在 “不规则者” 列下是值：“108 到 1011”、“3 到 30”、“107 到 2×109”、“老少少”、“气体多；有些灰尘少，有些灰尘多”、“1 到 10” 和 “？”。">

表\(\PageIndex{1}\)：不同类型星系的特征
特点	螺旋	椭圆机	不规则者
弥撒 (\(M_{\text{Sun}}\))	\(10^9\)到\(10^{12}\)	\(10^5\)到\(10^{13}\)	\(10^8\)到\(10^{11}\)
直径（千光年）	15 到 150	3 到 >700	3 到 30
亮度 (\(L_{\text{Sun}}\))	\(10^8\)到\(10^{11}\)	\(10^6\)到\(10^{11}\)	\(10^7\)到\(2 \times 10^9\)
恒星的种群	老人与年轻人	老了	老人与年轻人
星际物质	气体和灰尘	几乎没有灰尘；气体很少	气体很多；有些灰尘很少，有些灰尘很多
可见部分的质光比	2 到 10	10 到 20	1 到 10
整个星系的质光比	100	100	？

质光比

描述星系特征的一种有用方法是注意其质量（以太阳质量为单位）与其光输出（以太阳亮度为单位）的比率。这个单个数字大致告诉我们哪种恒星构成了银河系发光种群的大部分，它还告诉我们是否存在大量暗物质。对于像太阳这样的恒星，根据我们的定义，质量与光的比为1。

当然，星系并不完全由与太阳相同的恒星组成。绝大多数恒星的质量和亮度都不如太阳，通常这些恒星在不考虑太多光的情况下贡献了系统的大部分质量。低质量恒星的质光比大于 1（您可以使用第 18.4 节表\(18.4.2\)中的数据对此进行验证）。因此，星系的质量与光比通常也大于 1，确切值取决于高质量恒星与低质量恒星的比例。

仍在形成恒星的星系有许多巨大的恒星，它们的质量与光的比通常在1到10之间。主要由较老的恒星群组成的星系，例如椭圆星系，其中巨大的恒星已经完成演化并停止发光，其质量与光比为10比20。

但是这些数字仅指星系的内部、显眼部分（图\(\PageIndex{1}\)）。在《银河系》及以上版本中，我们讨论了我们自己的银河系外部区域暗物质的证据，这些暗物质距离银河中心的距离比明亮的恒星和气体要远得多。最近对附近星系（例如我们之前讨论的仙女座星系）外部旋转速度的测量表明，它们在可见的恒星和尘埃盘周围的暗物质分布也有所扩大。这种基本上看不见的物质增加了银河系的质量，但对银河系的亮度没有任何影响，从而提高了质量与光的比例。如果星系中存在暗色隐形物质，则其质量与光比可能高达100。表中给出了为不同类型的星系测得的两种不同的质量光比\(\PageIndex{1}\)。

alt — 图\(\PageIndex{1}\) M101，风车银河。这个星系是一个面对面的螺旋，距离为2100万光年。 M101 的直径几乎是银河系的两倍，它包含至少 1 万亿颗恒星。

对其他星系的这些测量结果支持了对我们自己星系旋转的研究中已经得出的结论，即目前无法在电磁频谱的任何部分直接观测到宇宙中的大多数物质。了解这种隐形物质的属性和分布对于我们对星系的理解至关重要。越来越清楚的是，暗物质通过其施加的引力，在星系形成和早期演化中起着主导作用。在这里，我们的时代与埃德温·哈勃接受天文学训练的时代之间有一个有趣的相似之处。到 1920 年，许多科学家意识到，如果只有通过更好的观测来确定星云的性质和行为，天文学正处于重要突破的边缘。同样，当今许多天文学家认为，如果我们能更多地了解暗物质的本质和特性，我们可能对宇宙的大规模结构有了更为深入的了解。如果你关注新闻中的天文学文章（正如我们所希望的那样），那么在未来的几年里，你应该会听到更多关于暗物质的信息。

摘要

螺旋星系的质量是通过测量其旋转速率来确定的。椭圆星系的质量是根据对椭圆星系中恒星运动的分析估算出来的。星系可以通过其质量与光的比来表征。具有活跃恒星形成的星系的发光部分的质量与光比通常在1到10之间；仅包含旧恒星的椭圆星系的发光部分的质量与光比通常为10到20。整个星系（包括其外部区域）的质量与光比高达100，这表明存在大量的暗物质。

词汇表

质光比: 星系总质量与其总亮度的比率，通常以太阳质量和太阳亮度为单位表示；质量与光比粗略地表明了星系中包含的恒星类型以及是否存在大量暗物质