星系的起源與演化－王為豪教授主講

研習記錄

第一次，我們仰望天空（的照片），不是在看滿天星斗，而是滿天的星系，都是那種一坨一坨有點暈開的橢圓形、螺旋形、或是不規則狀的星系。從這些美麗的星系圖像出發，王教授循序漸進地帶領著我們，從星系的基本概念－星系的形狀與分類，到星系初步的研究－星系的組成與運動，最後是對於星系正在進行中的研究探索－星系的起源與演化。

對於地球科學老師來說，這場演講是從我們對星系熟悉的內容開始出發，同時也讓我們學習關於星系更新的研究結果與未來的研究方向。對學生來說，則是從第一次認識星系開始，到瞭解星系的研究工作有哪些面向。不論如何，我都覺得這三小時的演講是一場以「星系」這個主題來說很棒的入門講座，值得沒有到現場的老師或同學重新看一次錄影內容。

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星系簡介

星系的形狀與分類（#1.2－0:28）

銀河系的形狀與結構（#1.2－2:41）
銀河系是個螺旋狀星系，從側面來看，周圍比較薄的部分稱為銀盤（Disk）、中心附近一個球型的部分稱為核球（Bulge）、包圍整個銀河系的球型區域稱為銀暈（Halo）。
銀盤的中央受到很厚的灰塵阻擋，使得可見光較無法穿透。但波長較長的紅外光穿透能力較強，因此以紅外光觀測可以看見銀河系的盤狀部分有很多星體存在。
銀暈的恆星數量較少，組成以暗物質為主。
銀盤上的恆星多為藍色的年輕恆星，較老的紅色恆星多出現在核球及銀暈。
核球與銀盤的比例大小，可以看做哈伯星系分類的條件。
橢圓形星系核球的比例較大，也多半是由較老的恆星所組成。
（維基百科：https://en.wikipedia.org/wiki/Milky_Way）

星系的組成（#1.2－6:21）
球狀星團，恆星數目較多，恆星年齡較老，多分布在核球及銀暈。因為恆星的數量夠多，本身重力夠大，足以抵銷恆星的隨機運動，維持星團的存在。
疏散星團，恆星數量較少，恆星較年輕，多分布在銀盤。相較於球狀星團，疏散星團的恆星較容易散開，不容易維持。

星系中約有90%暗物質，10％為恆星，及少量氣體。
氣體中約有一半氫原子（HI）、一半氫分子（H2）、和少量游離氫（HII）。
氫原子分布可以利用氫原子中質子和電子自旋方向改變所產生的21公分譜線電磁波。
氫分子分布的觀測較困難，是因為氫分子內的質子與電子運動都是對稱的，不會有電磁波產生。因此多半以觀測會產生電磁波的CO分子，來推論氫分子的分布。
游離氫和其他游離氣體，需要較高溫的恆星（或活躍黑洞）才足以造成，以可見光進行觀測。

星系的運動（#1.4－2:35）
星系要維持現有的形狀，所有的恆星能夠不被重力吸引到一處，則所有的恆星必須繞行質量中心，並保持兩倍動能加上位能的總和為零之條件。
相較於螺旋狀星系的恆星多是在盤面上以相同方向繞行星系中心，橢圓形星系的恆星則多以隨機運動的軌道在繞行。（所謂隨機運動，還是以橢圓形軌道在繞行質量中心，只是每一顆恆星繞行的方向彼此不盡相同。）
以銀河系為例，只要距離超過銀河系中心1000秒差距以上，物質的運動速度大約都是每秒220公里左右。以此運動速度及繞行半徑，我們可以估計銀河系的總質量，大約是一千億倍太陽質量。
橢圓星系的恆星運動，可以分析星系的吸收譜線。星系的吸收譜線與單一顆恆星的吸收譜線類似，但寬度較寬。這是因為星系內恆星運動所導致的都普勒效應，部分藍移與部分紅移所導致。因此藉由星系吸收譜線的寬度，可以推算星系內恆星運動的速度。
若是以星系內天體的運動速度反推星系的質量分布，會發現星系可觀測到的質量遠小於這個計算的結果。因此我們推測，在星系的銀暈部分，存在未被觀測到的暗物質。

旋臂的形成（#1.5－6:51），旋臂並不像一條實體的鞭子，如果以恆星比喻作車子，那麼旋臂就是車子在行進中遇到塞車的路段，所以恆星並非一直維持在旋臂之中，恆星也有可能穿過旋臂到達下一個旋臂。所以旋臂是一個物質分布的密度波所造成。

星系發出的輻射（#1.6－0:36）
無線電波段：電子以接近光速繞行磁場時所發出的同步輻射、氫原子21公分譜線、CO分子轉動能階躍遷的2.6mm譜線。
次毫米及遠紅外波段：灰塵吸收可見光輻射能後所發出的電磁波輻射。
近紅外光：星光，但穿透力比可見光或紫外光要強。
可見光：星光，但會被灰塵擋住。
X光：數萬K天體所發出，可能是白矮星、中子星或黑洞所發出。
γ射線：不確定，中子星或大質量黑洞活躍期有可能產生。
星系的光譜類型和恆星光譜類型的性質相似。

其他星系相關的議題（#1.6－3:41）
星系團中，大約有90%的一般物質無法以可見光被觀測到，但卻能夠以X光的波段被觀測到。這是在溫度達到數十萬K甚至百萬K時，電子與質子分離，因此無法產生電子在能階之間躍遷所產生的電磁波輻射。而是高速電子在近距離通過質子附近時，受到質子電荷影響而加速的瞬間所發出的電磁波，輻射的波長落在X光波段。若這個現象發生在數千K溫度時，則可以在無線電波波段被發現。
（煞車輻射，維基百科：https://en.wikipedia.org/wiki/Bremsstrahlung）

星系的碰撞。（電腦模擬：https://www.youtube.com/watch?v=pR4pzthwqkA）