银河系的形成和演化

　　摘要银河系是宇宙中数以百亿计星系中的一员.自威廉·赫歇尔以来，人们对银河系结构和运动状态的认识已有200多年历史，而有关银河系起源和演化的探索则只是在最近半个多世纪内才成为天文学的研究热点.文章在简述银河系认识史的基础上，对有关银河系形成和演化这一重要天体物理问题做了概要的评述，其中包括银河系厚盘的发现及其可能的形成机制.
　　
　　1 银河系的研究简史
　　
　　早在15世纪中期，法国大主教尼古拉就已猜测夜空中的众多繁星都是十分遥远的太阳.1584年，意大利思想家布鲁诺（Bruno G）进一步明确提出宇宙无限的概念，并认定太阳只是一颗普通的恒星.不过，鉴于这些天才的猜测缺乏实测科学依据的支持，学者们并没有给以充分的关注. 
　　对银河系本质的认识首先归功于望远镜的问世.1608年，荷兰人利伯希（Lippershey H）在一次偶然机会中发明了望远镜.1609年，伽利略率先把自制的望远镜对准银河，他发现银河实际上由无数颗恒星构成，只是因为这些星星既多又暗，且密集在一起，肉眼无法加以分辨，在晴朗夜空中形成了一条模糊而又不规则的银白色光带——银河.1750年，英国天文学家赖特（Wright T）正确指出，银河和天空中所有的恒星构成一个扁平状的巨大恒星系统，但他并没有给出观测证据.
　　首先通过实测探究银河系结构的是著名英国天文学家、天王星发现人威廉· 赫歇尔（Herschel W）.从1770年代起，赫歇尔开始用恒星计数方法研究银河系结构.在几十年内所作的1083次观测中，他总共计数了117,600颗恒星，就当时的条件来说工作量非常大，赫歇尔为之付出了极大的心血.1785年，赫歇尔在观测的基础上加上若干理论假设，建立了天文学史上的第一个银河系模型(见图1).
　　
　　
　　赫歇尔的工作具有重大历史意义，它证实了作为一个恒星系统的银河系的客观存在，使人类的视野从太阳系范围大大地拓展了.这是继哥白尼建立日心说之后，天文学发展史上的又一个重要里程碑，赫歇尔因此被后人誉为恒星天文学之父.在赫歇尔的模型中，太阳仍然位于那时所认识的宇宙范围——银河系的中心.基于赫歇尔当时在天文界中有着很高的声望，这一不正确的概念维持了130余年.
　　1830年代发明了照相术，荷兰天文学家卡普坦（Kapteyn J）首先意识到这可以为天文学家提供一种全新的观测手段，他正确地认定，借助照相方法重做恒星计数工作，可望得出比赫歇尔更好的结果.经过不懈的努力，卡普坦于1922年发表了他的银河系模型：银河系主体具有盘状结构，直径5.5万光年，厚1.1万光年，包含了474亿颗恒星；太阳位于靠近盘中心的位置上，离中心约为2000—2300光年，世人称为“卡普坦宇宙”.遗憾的是，尽管卡普坦曾正确认识到“太阳到系统的中心必定有相当大的距离”，但他最终还是放弃了.
　　正确判定太阳在银河系中位置的工作是由美国天文学家沙普利（Shapley H）完成的.1918年，沙普利研究了69个球状星团的空间分布，发现有90%位于银河系中心方向一侧，并根据球状星团分布这种“一边倒”的观测现象，正确推断太阳并不居于银河系中心，而是处在比较靠近银河系边缘的位置上，这一结论为深入研究银河系结构奠定了基础.在沙普利的模型中，太阳位于距银河系中心约5万光年处，而全部球状星团涉及的空间范围约为30万光年，这个数字实际上是偏大了.这时，距赫歇尔提出的第一个银河系模型已过去了130余年.
　　根据近代天文观测和研究可知［1,2］，银河系是一个旋涡星系，年龄估计在100亿年以上，总体结构大体可分为4部分(见图2—图4)，即银盘、核球、银晕和暗晕.银河系总质量（指不计暗晕部分，下同）约为1.4×1011太阳质量，其中以恒星形式出现的约占90%，由气体和尘埃组成的星际介质占10%左右.
　　
　　银盘是银河系中恒星和星际介质分布的主体，集中了银河系质量的85%—90%.银盘呈轴对称和平面对称的扁平圆盘状，直径8.2万光年.太阳到银河系中心的距离（银心距）约为2.6万光年，离银盘对称平面（银道面）仅为20—30光年.银盘中心厚，边缘薄，太阳附近银盘厚度约3,300光年.
　　核球是位于银河系中心部分的恒星密集区，大致呈扁旋转椭球体状，长轴约1.3—1.6万光年，厚1.3万光年左右.核球质量约占银河系质量的5%，主要成分是老年天体，且越接近核心区，恒星密度越高.银河系中心附近有一个至少含5个子源的强射电源人马A，明亮的银核即位于其中的1个子源内，直径接近5光年，质量约是太阳质量的几百万倍.一种流行的观点认为，在银核位置上有一个超大质量黑洞，不过目前它并没有处于剧烈活动期. 
　　
　　包围着银盘的是一个物质平均密度比银盘低得多的区域，称为银晕，大体上呈球状，直径约10万光年.银晕涉及的范围比银盘大得多，但因物质分布非常稀疏，故质量大约只及银盘的10%.银晕中主要有两类天体，即老年恒星和球状星团，此外还有极少量的气体.
　　银晕外有一个范围更大的物质分布区，这就是暗晕，其成分是暗物质，尺度可能是银晕的10倍，质量可能高达银河系其他部分质量总和的10倍.暗晕的存在是根据观测资料间接推定的：如果银河系物质主要集中在银盘和银核，则离中心越远处，恒星绕银心的转动速度越慢，而实测结果却大相径庭——在太阳附近以及更远的地方，恒星转动的速度大致保持不变，甚至还略有增加.由此推断在银河系外围必定存在大量性质尚不很清楚的不发光暗物质，它们构成了暗晕.
　　
　　2 两种可能的演化途径
　　
　　在沙普利之后的几十年时间内，随着天文观测研究工作的深入，特别是射电天文手段的面世，人们对银河系结构取得了较为全面的认识，开始探究银河系的运动学和动力学状态，并进而探讨银河系的形成和演化机制. 
　　银河系天体的运动状态取决于银河系引力场，也就是取决于银河系的物质分布状况.恒星在银河系内的运动形式既不像太阳系中行星的开普勒运动，也不是角速度处处相同的刚体自转，而是所谓“较差自转”，即不同银心距的恒星有不同的转动角速度.这一概念首先是由瑞典天文学家林德伯拉德（Lindblad B）于1925年提出的，两年后经荷兰天文学家奥尔特（Oort J H）的工作而得以完善.在上述工作基础上，奥尔特于1932年建立了第一个近代银河系模型，并开创了用动力学方法解释恒星运动学状态的研究途径，称为奥尔特-林德伯拉德理论［3］.
　　1944年，当时正在美国工作的德国天文学家巴德（Badde W）明确提出星族的概念，即根据银河系物质的物理化学性质、空间分布和运动特征，把银河系天体区分为星族I和星族II两类.星族I天体的年龄较轻，大致分布在以银心为中心的一个扁圆环状范围内，它们绕银心的运动速度较大，但速度弥散度较小；星族II天体年龄比较老，分布在一个以银心为中心的略扁的球形天区内，这类天体绕银心的运动速度较小，但速度弥散度却比较大.银盘中天体以星族I为主，核球和银晕内主要是星族II天体. 
　　目前所观测到的银河系的物理、化学、分布、运动学特征以及星族的客观存在，是100多亿年前银河系形成以及嗣后长期演化的结果.为了探究这一漫长过程中所发生的真实情况，首先必须建立合理的银河系理论模型，并对观测事实做出有效的解释.迄今已提出的这类模型可谓名目繁多，大体上可以根据模型试图解释的主要观测事实，分为质量模型、恒星计数模型、运动学模型、动力学模型以及化学演化模型等几大类.如质量模型是要对银河系及其各个成分的密度分布做出说明，使模型预期值与一些观测量（如太阳附近的总面密度等）相一致；恒星计数模型应该对银河系不同位置处恒星绝对星等的分布给出合理解释；运动学模型涉及恒星的空间运动，不仅要求能说明恒星数密度与绝对星等之间关系，而且要对不同位置上的恒星速度分布做出预言；而化学演化模型则要通过研究物质化学成分的历史演变踪迹，来探索银河系形成和演化的线索.

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银河系的形成和演化

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