28.E：星系的演变和分布（练习）

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为了进一步探索

文章

安德鲁斯，B. “星系想告诉我们什么？” 天文学（2011 年 2 月）：24。介绍我们对不同类型星系的形状和演变的理解。

Barger，A. “宇宙的中年危机。” 《科学美国人》（2005年1月）：46。关于我们的时代与早期宇宙在星系的作用以及超大质量黑洞所起的作用方面有何不同。

伯曼，B. “失踪的宇宙。” 天文学（2014 年 4 月）：24。简要回顾暗物质，它可能是什么，以及修改后的重力理论，这些理论也可以解释它。

Faber、S. 等 “盯着宇宙黎明。” 天空与望远镜（2014 年 6 月）：18。使用哈勃望远镜观看最遥远和最早的星系的程序。

Geller、M. 和 Huchra，J. “绘制宇宙地图”。 天空与望远镜（1991 年 8 月）：134。在他们的项目中，以三维方式绘制星系的位置。

Hooper，D. “探索时代的暗物质。” 天空与望远镜（2013年1月）：26。在寻找暗物质本质的实验中。

James，C.R. “哈勃深场：价值一万亿颗星的照片。” 天文学（2015 年 11 月）：44。详细的历史和结果，加上哈勃超深场。

Kaufmann、G. 和 van den Bosch，F. “星系的生命周期。” 《科学美国人》（2002年6月）：46。关于星系的演变以及不同形状的星系是如何发展的。

Knapp，G. “挖掘天堂：斯隆数字天空调查。” 天空与望远镜（1997 年 8 月）：40。

Kron、R. 和 Butler，S. “永远的星星和脱衣舞。” 天文学（1999年2月）：48。在斯隆数字调查中。

Kruesi，L. “我们对暗物质到底了解多少？” 天文学（2009 年 11 月）：28。重点关注暗物质可能是什么，以及需要找出答案的实验。

Larson、R. 和 Bromm，V. “宇宙中的第一颗星。” 《科学美国人》（2001 年 12 月）：64。论黑暗时代和第一批恒星的诞生。

Nadis，S. “探索 Galaxy-Black Hole 连接。” 天文学（2010 年 5 月）：28。关于巨型黑洞在星系演化中的作用。

Nadis，S. “天文学家揭示了宇宙的隐藏结构。” 天文学（2013年9月）：44。暗物质是可见宇宙赖以生存的脚手架。

席林，G. “哈勃走得更远。” 天空与望远镜（2015 年 1 月）：20。使用带有 HST 的引力透镜来观察最遥远的星系。

施特劳斯，M. “阅读创造蓝图。” 《科学美国人》（2004年2月）：54。关于对星系的大规模调查以及它们告诉我们有关早期宇宙组织情况的信息。

Tytell，D. “广阔的深场：了解大局。” 天空与望远镜（2001 年 9 月）：42。关于NOAO对深空物体的调查。

Villard，R. “Gravity 的大幻觉是如何揭示宇宙的。” 天文学（2013 年 1 月）：44。关于引力透镜及其教给我们的东西。

网站

星系组装：http://jwst.nasa.gov/galaxies.html。关于星系的介绍性背景信息：我们所知道的和我们想学习的东西。

引力透镜简史：www.einstein-online.info/spot... ensing_history。来自爱因斯坦在线。

宇宙结构：skyserver.sdss.org/dr1/en/ast... structures.asp。关于星系组织方式的简要回顾页面，来自斯隆调查。

发现第一个引力透镜：astrosociety.org/wp-content/u... /ab2009-33.pdf。作者：雷·韦曼，2009 年。

哈勃太空望远镜的引力透镜发现：http://hubblesite.org/newscenter/arc...tational-lens/。按时间顺序排列的新闻稿和图片列表。

本地星系群体：http://www.atlasoftheuniverse.com/localgr.html。来自宇宙地图集项目的可点击地图。另请参阅他们的 Virgo Cluster 页面：http://www.atlasoftheuniverse.com/galgrps/vir.html。

rotCurve：burro.astr.cwru.edu/javalab/R... eWeb/main.html。使用这个 Java 小程序模拟，尝试使用真实的星系旋转曲线数据来测量暗物质光环。

斯隆数字天空调查网站：http://classic.sdss.org/。包括非技术部件和技术部件。

Spyglasses 进入宇宙：www.spacetescope.org/scienc... ional_lensing/。哈勃关于引力透镜的页面；包括视频链接。

处女座星系群：http://messier.seds.org/more/virgo.html。包含简要信息以及地图、图像等链接的页面

视频

宇宙模拟：www.tapir.caltech.edu/~phopki... ies_cosmo.html。来自FIRE小组的精美视频，其中包含有关星系如何形成的计算机模拟。

局部宇宙学：http://irfu.cea.fr/cosmography。星系地图的叙述飞越，显示了宇宙中较近的区域（17:35）。

引力透镜：https://www.youtube.com/watch?v=4Z71RtwoOas。来自费米实验室的视频，与唐·林肯博士合影（7:14）。

星系是如何用原始汤煮出来的：https://www.youtube.com/watch?v=wqNNCm7SNyw。里克天文台的桑德拉·费伯博士于2013年发表的关于星系演变的公开演讲；硅谷天文学系列讲座的一部分（1:19:33）。

Hubble Extreme Deep Field 向后推时空前沿：https://www.youtube.com/watch?v=gu_VhzhlqGw。 2012 年简短视频 (2:42)。

深入三维宇宙：https://www.eso.org/public/videos/eso1507a/。2015 EsoCast 视频讲述了如何使用超大型望远镜探索哈勃超深场并进一步了解最微弱、最遥远的星系（5:12）。

千禧模拟：wwwmpa.mpa-garching.mpg.de/ga... rgo/millennium。随着宇宙的演变，德国的超级计算机跟随具有代表性的大型盒子的演变。

飞越大型当地建筑的电影：www.ifa.hawaii.edu/~tully/。作者：布伦特·塔利。

揭开暗物质：https://www.youtube.com/watch?v=bZW_B9CC-gI。物理学家帕特里夏·伯查特（Patricia Burchat）的 2008 年 TED 关于星系和暗物质的演讲（17:08）。

斯隆数字天空调查概述电影：astro.uchicago.edu/cosmus/projects/sloanmovie/。

虚拟宇宙：https://www.youtube.com/watch?v=SY0bKE10ZDM。麻省理工学院关于宇宙部分演变的模型，其中包括暗物质（4:11）。

当两个星系碰撞时：www.openculture.com/2009/04/w... s_collide.html。计算机模拟，它在不同点停止，显示自然界中就是这样一个系统的哈勃图像（1:37）。

协作小组活动

假设你开发了一个理论来解释纽约市的演变。让你的小组讨论它是否会类似于宇宙结构的发展（正如我们在本章中所描述的那样）。你的纽约模型中有哪些元素与天文学家的宇宙结构增长模型相似？哪些元素不匹配？
大多数天文学家认为暗物质存在，并且是宇宙中物质总量的很大一部分。同时，大多数天文学家并不认为不明飞行物可以证明来自另一个世界的外星人正在拜访我们。然而，天文学家从未真正见过暗物质或不明飞行物。你为什么认为一个想法被科学家广泛接受，而另一个不是？你认为哪个想法更可信？给出你的理由。
你的小组中有人向一位朋友描述了星系的红移调查，他说他从未听说过浪费更多精力。他问，谁在乎宇宙的大规模结构？你的团队的反应是什么？你能想出什么理由来投入资金来弄清楚宇宙是如何组织的？
一个小但非常富裕的国家的领导人沉迷于地图。她整理了一系列精美的地球地图，购买了天文学家收集的所有其他行星的地图，现在她想委托制作一张尽可能好的整个宇宙地图。您的小组被选中为她提供建议。她应该投资什么样的仪器和调查来绘制一张好的宇宙地图？尽量具体。
从哈勃太空望远镜下载富星系团的高分辨率图像（请参阅 “进一步探索” 部分中的引力透镜新闻报道列表）。看看你的团队能否共同努力识别引力弧，即被星团质量扭曲的遥远背景星系的图像。你能找到多少？你能识别出同一背景星系的多张图像吗？（如果小组中有人真的很感兴趣，有一个名为 Spacewarps 的 Citizen Science 项目，你可以帮助天文学家识别图像上的引力透镜：https://spacewarps.org。 )
你对引力透镜感到非常兴奋，以至于你开始和一个还没有上过天文学课程的聪明朋友谈论引力透镜。听完你说完之后，这个朋友开始担心。他说：“如果引力透镜能够扭曲类星体图像，有时会为同一个物体生成多张或幽灵图像，那么我们怎么能相信天空中的任何光点都是真实的呢？也许我们看到的许多星星也只是幽灵图像或镜头图像！” 让你的小组讨论如何应对。（提示：想想类星体的光在通向我们的路径以及典型恒星的光所走的路径。）
目前正在智利北部山顶塞罗帕雄山顶建造的8.4米大型天气测量望远镜（LSST）将每隔几天使用其3.2千兆像素的摄像机对整个天空进行一次测量，寻找在从视线中消失之前在天空中短暂出现的短暂或临时物体，包括太阳系中的小行星和柯伊伯带天体, 以及遥远宇宙中的超新星和其他爆炸性高能事件. 当LSST在2021年之后的某个时候全面运行时，每晚将产生多达30 TB的数据。 （太字节等于 1000 千兆字节，这可能是你用来对计算机或记忆棒容量进行评级的单位。）与你的团队一起，考虑一下你认为每晚以科学高效但高效的方式处理如此大量的数据可能会遇到哪些挑战。你能为这些挑战提出任何解决方案吗？
类星体现在很少见，但是当宇宙大约是当前年龄的四分之一时，类星体的数量要多得多。整个宇宙星系中发生的恒星总形成在大致相同的红移时达到顶峰。你的团队认为这是巧合吗？为什么或者为什么不呢？
了解天文学中的思想（如本章中的思想）在流行文化中的渗透程度的一种方法是看看你能否在市场上找到天文学词汇。在网上简短地搜索 “暗物质” 一词，就会发现既是一个咖啡品牌，又是一个带有这个名字的 “肌肉生长加速器” 品牌。你们的小组在产品世界中还能找到本章中使用的其他术语吗？（例如，什么是真正流行的安卓手机？）
你在宇宙中的完整地址是什么？小组成员应根据本章（以及本书的其余部分）中的信息写出他们的完整地址。在你的邮政编码和国家之后，你可能需要添加大陆、行星、行星系、星系等。然后每个小组成员都应该向没有学习天文学的家庭成员或学生解释这个地址。

查看问题

遥远（年轻）的星系与我们今天在宇宙中看到的星系有何不同？
有什么证据表明恒星的形成始于宇宙只有几亿年的历史？
描述椭圆星系的演变。螺旋星系的演化与椭圆星系的演化有何不同？
解释一下当我们称宇宙为同质和各向同性时我们的意思。你会说地球上大象的分布是均匀的和各向同性的吗？为什么？
描述星系分组的情况，从局部群到超级星团。
有哪些证据表明宇宙中有很大一部分物质是看不见的？
当天文学家绘制最大比例的宇宙结构地图时，他们如何找到要排列的超级星系团？
星爆星系中活跃的银河核的存在如何影响星爆过程？

思想问题

描述一下如何使用星系的颜色来确定它所包含的恒星种类。
假设一个星系形成了几百万年的恒星然后停止了（没有其他星系与之合并或碰撞）。 5亿年后，主序列中质量最大的恒星会是什么？一百亿年后？在这段时间内，银河系的颜色将如何变化？（参考从主序列到红巨人的演变。）
鉴于这里提出的关于星系如何形成的想法，你会期望在 Local Group 中找到一个巨大的椭圆星系吗？为什么或者为什么不呢？ Local Group 中真的有巨型椭圆机吗？
椭圆星系能演变成螺旋星系吗？解释你的答案。螺旋能变成椭圆吗？怎么样？
如果我们看到由引力透镜产生的类星体的双重图像，并且能够获得充当引力透镜的星系光谱，那么我们就可以限制与类星体的距离。解释一下怎么做。
第 27 章缩略图的左侧面板显示了一群黄色星系，这些星系通过引力透镜产生了几张蓝色星系的图像。哪个更远——蓝色星系还是黄色星系？星系中的光来自恒星。主导星团光线的恒星的温度与主导蓝透镜星系光的恒星的温度有何不同？哪个星系的光由年轻的恒星主导？
假设你站在一个人口稠密的大城市的中心，这座城市完全是圆形的，周围环绕着人口密度较低的郊区，反过来又被一圈农田所环绕。从这个特定位置来看，你会说种群分布是各向同性吗？同质？
天文学家一直在通过观察宇宙的一部分并观察星系在该片中的位置来绘制地图。如果宇宙是各向同性且均匀的，为什么它们需要多个切片？假设他们现在想让每个切片延伸到更远的宇宙中。他们需要做什么？
以农业的发展来衡量，人类文明已有大约一万年的历史了。如果你的望远镜今晚收集已经行驶了一万年的星光，那颗恒星是在我们的银河系内部还是外面？在那段时间里，恒星可能发生了很大变化吗？
鉴于在哈勃深场中可见的星系中只有大约 5% 的亮度足以让天文学家进行光谱学研究，他们需要充分利用其他 95% 的星系。一种技巧是使用它们的颜色和表观亮度来尝试粗略估计它们的红移。你认为这种红移估计技术（与实际测量光谱中的红移相比）的不准确性会如何影响我们绘制大型结构地图（如第 28.3 节图\(28.3.8\)中所示的细丝和空隙）的能力？

自己搞清楚

使用第 28.3 节中示例\(28.3.1\)中的信息，你必须能够测量多少微弱的物体才能在第二次调查中包括相同种类的星系？请记住，物体的亮度随距离的反平方而变化。
使用第 28.3 节示例\(28.3.1\)中的信息，如果星系分布均匀，那么在第二次调查中，你预计还会有多少倍的星系呢？
使用第 28.3 节示例\(28.3.1\)中的信息，您完成第二份调查需要多长时间？
星系存在于巨大空隙的 “墙” 中；在空隙中发现的星系很少。文字说，自138亿年前开始扩张后不久，细丝和空隙的结构就存在于宇宙中。在科学中，我们总是必须检查某些结论是否与我们掌握的任何其他信息相矛盾。在这种情况下，我们可以问一下，在大约140亿年后，空隙是否会被星系填满。观测表明，除了与宇宙膨胀相关的运动外，空隙墙中的星系正在以300 km/s的典型速度向随机方向移动。至少其中一些星系将进入空隙。 140亿年后，一个星系会向空隙移动多远？空白已经存在了140亿年，这是一个合理的假设吗？
使用本文中给出的哈勃常数和图\(28.3.8\)中给出的红移，计算第 28.3 节图中最遥远星系的速度、距离和回顾时间。记住速度的多普勒公式\(\left( v = c \times \frac{\Delta \lambda}{\lambda} \right)\)和哈勃定律（\(v = H \times d\)其中\(d\)是到星系的距离）。对于这些低速度，你可以忽略相对论效应。
假设暗物质在整个银河系中均匀分布，不仅在外部光环中，而且在整个凸起和太阳系居住的圆盘中。你预计太阳系内会有多少暗物质？你认为这很容易被察觉吗？提示：对于银河系暗物质光环的半径，使用\(R\) = 300,000 光年；对于太阳系的半径，使用 100 AU；首先计算两个体积的比例。
第 28.5 节中的图\(28.5.3\)中所示的星系细丝和超级星团的模拟盒子跨越了 10 亿光年。如果你要制作一个比例模型，让那个盒子覆盖大学校园的核心，比如说 1 公里，那么银河系会有多大？仙女座星系在比例模型中会有多远？
宇宙大爆炸后第一个被引力崩溃的物体可能是球状星团大小的星系碎片，\(10^6\)太阳质量周围有质量。假设你将其中两个合并在一起，然后将两个较大的部分合并在一起，依此类推，乐高风格，直到你达到银河系质量，大约是\(10^{12}\)太阳质量。这需要多少代合并，有多少原创作品？（提示：用 2 的次方思考。）