银河系的结构和动力学

大小

第一可靠测量银河系的大小是由美国天文学家在1917年制造的沙普利．他通过建立物体的空间分布来确定尺寸球状星团．Shapley发现，相对于一个相对较小的系统太阳在它的中心附近，就像以前认为的那样，银河系是巨大的，太阳更靠近边缘而不是中心。假设是球状的集群勾勒出银河系的轮廓后，他确定它的直径约为10万光年太阳距离太阳中心约3万光年。(一光年是光在一年内走过的距离，大约是9,4600亿公里(5,8800亿英里)。)多年来，他的价值观一直保持得非常好。在某种程度上取决于正在讨论的特定成分，银河系的恒星盘与沙普利的模型预测的一样大，中性氢在某种程度上更广泛地分散，而黑色(即不可观测的)物质可能占据了比预期更大的体积。的说法叫关系最远的星星该星系的气体云距离银河系中心大约有10万光年，而太阳距离银河系中心大约有2.5万光年。

螺旋系统的结构

银河系的结构是一个相当典型的大型螺旋系统。(螺旋星系和其他类型的星系在文章中有描述星系)。这个结构可以被看作是由六个独立的部分组成:(1)一个原子核，(2)一个中央凸起，(3)一个盘(薄盘和厚盘都有)，(4)螺旋臂，(5)一个球形组件，和(6)一个巨大的晕。其中一些成分相互融合。

的核

在银河系的中心有一个非凡的天体——一个巨大的天体黑洞周围环绕着吸积盘高温气体。由于银河系中厚厚的尘埃屏障，无论是中心物体还是它周围的任何物质都无法在光学波长下观测到。然而，这个物体在广播波长和已经被被称为人马座A *射电天文学家。有点类似于的中心活跃星系（见下文)，虽然规模较小，但星系核是广泛活动的场所，显然是由暗物质提供动力的黑洞．红外辐射而且x射线从该地区发射，在那里可以观察到快速移动的气体云。数据有力地表明，物质正从核区域外被拉入黑洞，包括一些来自黑洞的气体z方向(即，垂直于银河面)。当气体靠近黑洞时，中心物体的强大引力将气体挤压成一个快速旋转的圆盘，从黑洞向外延伸约5-30光年。对圆盘的旋转测量和恒星的轨道运动(在红外波长下观察)表明，黑洞的质量是黑洞的4,000,000倍以上太阳．(因红外观测确定人马座A*是一个黑洞，美国天文学家安德里亚Ghez德国天文学家Reinhard甘泽尔被授予2020年诺贝尔奖物理学奖)。

的中央隆起

围绕着原子核的是恒星的延伸凸起，形状接近球形，主要由人口二世恒星，尽管它们的重元素相对丰富。(对于星族II恒星的解释，看到恒星和恒星群)。夹杂着星星的有好几颗球状星团相似的恒星，恒星和星团都有围绕原子核的近似径向轨道。凸出的恒星可以从光学上看到，它们突出在银河平面的模糊尘埃之上。

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的旋臂

直到1953年，天文学家才知道银河系有一个螺旋结构，当时他们第一次可靠地获得了星系之间的距离。因为模糊星际尘埃而太阳系内部的位置，螺旋结构是很难用光学探测到的。这种结构更容易辨别两个中立国的无线电地图氢或分子云，因为两者都可以通过尘埃被探测到。到观察到的中性氢的距离原子必须在测量速度的基础上进行估计，并结合银河系的旋转曲线，这可以从不同星系经度的测量中建立起来。

从对其他星系的研究可以看出，旋臂一般遵循对数螺旋形式，这样日志r＝一个−bϕ,其中φ是一个从手臂中心到最外层测量的位置角度，r距离星系中心，和一个而且b是常数。星系的俯仰角范围大约是50°到85°。对于任何给定的星系，如果它遵循真对数螺旋，那么俯仰角是恒定的。银河系旋臂的俯仰角很难从有限的光学数据中确定，但大多数测量表明其值约为75°。在太阳系所在的银河系部分有三个旋臂。

自20世纪50年代以来，对银河系旋臂的理论理解已经取得了很大的进展，但仍然没有完全理解确定它们结构的各种效应的相对重要性。总体格局几乎可以肯定是一个大体的结果动力效应被称为密度波模式。美国天文学家林嘉巧和Frank H. Shu指出，螺旋形状是星系盘中恒星密度分布的任何大规模扰动的自然结果。当计算恒星之间的相互作用时，发现所产生的密度分布呈螺旋状，不随恒星旋转，而是以固定的模式更慢地围绕原子核运动。单个恒星在它们的轨道上进出旋臂，在旋臂中暂时减速，从而导致密度增强。对于银河系，中性氢的比较数据Lin和Shu的计算表明，这种模式的速度是每1000光年4公里/秒。

其他影响星系螺旋形状的效应也被探索过。例如，已经证明，一个一般的螺旋模式仅仅是由星系有差动旋转这一事实造成的;也就是说，在离星系中心不同的距离上，自转速度是不同的。任何扰动，例如恒星形成事件的序列，有时被发现以接近线性的模式展开，最终将仅仅因为差动旋转而呈现出螺旋形状。例如，一些星系的外层螺旋结构可能是潮汐作用的结果遇到与其他星系或星系同类相食。变形也可以包括大爆炸的结果，比如超新星事件。然而，这些措施往往只产生相当局部的影响。

磁场

人们曾经认为，星系的螺旋结构可能是由一个强大的磁场．然而，当用无线电技术探测到一般磁场时，发现它太弱了，无法对星系结构产生大规模的影响。银河系场的强度只有地球磁场强度的0.000001倍地球磁场在它的表面，a价值这个数值太低了，不足以对星际气体产生动力效应，从而解释螺旋臂结构所代表的顺序。然而，这是足够的强度，导致尘埃颗粒在星际空间的一般排列，这是一个特征，可以通过测量极化星光。在星际尘埃颗粒的流行模型中，这些颗粒被证明是快速旋转的，并且含有少量的金属(可能是铁)，但主要成分是冰和碳．银河系的磁场可以逐渐作用于尘埃粒子，并使它们的旋转轴排成一条直线，使它们的短轴与磁场的方向平行。磁场本身沿着银河带排列，因此粒子的短轴也沿着银河平面排列。星系低纬度恒星的偏振测量证实了这种模式。

旋转

的运动星星在本地恒星附近，可以理解为围绕遥远星系核旋转的圆形轨道的一般恒星群，以及具有更高旋转轨道的恒星的混合物椭圆轨道，对地面观测者来说是高速恒星地球随着太阳在通告中轨道．圆盘状恒星的一般旋转是在20世纪20年代的研究中首次发现的，尤其是瑞典天文学家的研究Bertil Lindblad他正确地解释了恒星运动中明显的不对称，这是恒星轨道特征的多重性质的结果。

星系的盘状组成部分以一种类似于银河系的模式围绕着星系核旋转行星的太阳系它们围绕太阳的轨道几乎是圆形的。因为在不同的距离上旋转速率是不同的中心在银河系中，沿银河系不同方向的盘状恒星的速度表现出不同的模式。荷兰天文学家简·h·奥尔特首先用星系旋转运动来解释这种效应，使用径向恒星的速度和固有运动。他证明了差动旋转导致恒星的径向速度随银河经度的数学表达式发生系统的变化径向速度=一个r罪2l，在哪里一个被称为奥尔特常数，约为15公里/秒/千秒差距(1千秒差距是3260光年)，r距离是多少明星,l是银河经度。

对于measured，也可以推导出类似的表达式适当的运动的星星。观测数据与奥尔特公式的一致性是林德布莱德关于恒星运动观点正确性的里程碑式的证明。它导致了现代对银河系的理解，即由一个巨大的旋转圆盘和其他更球形、旋转更慢的组件组成叠加．

质量

总在20世纪60年代，人们似乎已经相当确定银河系的质量，但现在却成了一个相当不确定的问题。测量最远的大型氢云的质量是一个相对简单的过程。所需要的测量是中性氢气的速度和位置，结合气体在星系中心附近以近乎圆形的轨道旋转的近似。一个旋转曲线，它将气体的圆周速度与它到星系中心的距离联系起来。这条曲线的形状值是由星系对气体施加的引力决定的。系统中心部分的速度较低，因为气体轨道内部的质量不多;银河系的大部分都在它的外部，并不向内运动引力拉。在中间距离上速度很高，因为在这种情况下，大部分质量都在气体云的轨道内，而向内的引力是最大的。在最远的距离上，速度下降，因为几乎所有的质量都在云的内部。银河系的这一部分据说具有开普勒轨道，因为物质应该以与德国天文学家相同的方式运动约翰尼斯·开普勒发现行星在太阳系内运动，几乎所有的质量都集中在绕轨道运行的天体的轨道内。然后，通过建立系统的数学模型，用不同数量的物质以不同的方式分布，并将得到的速度曲线与观测到的速度曲线进行比较，就可以找到银河系的总质量。在20世纪60年代的应用中，这一程序表明银河系的总质量大约是太阳质量的2000亿倍。

然而，在20世纪80年代，速度曲线测定的改进开始使人们对早期的结果产生怀疑。向下的趋势银河系外围较低的速度被发现是错误的。相反，曲线几乎保持不变，这表明在测量到的氢气之外仍然有大量的物质。这反过来又表明，一定有一些完全意想不到的未被探测到的物质存在。它必须大大超出以前所接受的银河系边缘的位置，而且它必须在几乎所有波长上都是黑暗的，因为即使用望远镜搜索它也无法探测到广播，x射线，紫外线，红外、光学望远镜．直到暗物质如果我们不能确定它的分布，就不可能测量银河系的总质量，所以我们只能说，银河系的质量至少是太阳质量的几千亿倍，也有可能是1万亿倍。

星系中暗物质的性质仍然是星系天文学的主要问题之一。许多其他星系似乎也有这种未被探测到的物质。在20世纪90年代，天文学家进行了详尽的透镜实验，包括研究银河系中心地区和银河系中部的数百万颗恒星麦哲伦星云寻找质量会使背景恒星透镜变亮的黑暗物体。一些透镜事件被探测到，但黑暗物体的数量推断出不足以完全解释星系和星系团中的暗物质。暗物质很可能由一些未被发现的粒子组成，例如WIMP (弱相互作用大质量粒子)．