星系盘厚度效应的研究

在三维引力Poisson方程严格解基础上，探讨了有限厚星系盘基盘的动力学性质，并进一步讨论了盘的厚度效应对银河系所需晕质量的影响。研究了扰动盘的动力学性质，通过将扰动引力势Poisson方程的严格解与林家翘、徐遐生提出的自维持密度波理论相结合，建立了三维旋涡星系有限厚盘上密度波的色散关系。在此色散关系的基础上讨论了盘的局域稳定性，研究了旋涡星系旋臂的形态、三维盘状星系密度波的群速度。研究表明厚度是星系盘研究中不容忽略的重要参量。另外在有限厚盘星系密度波色散关系的基础上还探讨了一种确定星系厚度的新方法。     

一个有限厚度旋涡星系模型

本文将三维引力势Poisson方程在一个特殊模式下的速变相一级渐近解用于三维定常模拟恒星盘。在考虑了垂直于星盘平面的运动和物理量的三维分布以后,得出了相应的色散关系。用Schmidt模型对银河系旋臂进行了实例计算,结果表明:在模拟太阳附近的两个主要旋臂——人马臂和英仙臂的情况下,在内林德布拉德共振圈和共转圈之间、在内林德布拉德共振圈以内以及在外林德布拉德共振圈以外等三个区域里,均可得到稳定模型。最后对在较厚旋涡星系中,螺旋波长随着离开星系盘中心平面的距离不同而变化的特征,作了一个简单的分析。我们认为,这种密度波波长随高度的变化或许可以解释以下观测现象:(1)在有些旋涡星系中旋臂有相当宽度。(2)在有些旋涡星系中,旋臂间界限不很分明。(3)在有些旋涡星系中,旋臂外侧亮度突然减弱,而内侧减弱很慢。     

一个有限厚度旋涡星系模型

本文将三维引力势Poisson方程在一个特殊模式下的速变相一级渐近解①用于三维定常模拟恒星盘。在考虑了垂直于星盘平面的运动和物理量的三维分布以后,得出了相应的色散关系。用Schmidt模型②③对银河系旋臂进行了实例计算,结果表明:在模拟太阳附近的两个主要旋臂——人马臂和英仙臂的情况下,在内林德布拉德共振圈和共转圈之间、在内林德布拉德共振圈以内以及在外林德布拉德共振圈以外等三个区域里,均可得到稳定模型。最后对在较厚旋涡星系中,螺旋波长随着离开星系盘中心平面的距离不同而变化的特征,作了一个简单的分析。我们认为,这种密度波波长随高度的变化或许可以解释以下观测现象:(1)在有些旋涡星系中旋臂有相当宽度。(2)在有些旋涡星系中,旋臂间界限不很分明。(3)在有些旋涡星系中,旋臂外侧亮度突然减弱,而内侧减弱很慢。     

面向类旋涡星系盘有效厚度的获取及图像处理方法

面向类(face-on)旋涡星系盘的有效厚度或标高不能通过表面亮度测光的方式测量.为了获得面向类旋涡星系盘的厚度参数,将基于三维星系盘引力势Poisson方程在等角对数螺旋型物质密度扰动情形下的解,运用一种解析法对面向类旋涡星系盘的标高进行测算.为了去除星系核球的光污染而获得旋臂最内点位置(r0)的重要参数,使用了在星系观测图像中扣除双成份(盘+核球)测光模型的图像处理方法.通过对旋涡星系相关结构参数的拟合测量,各得到了一个普通旋涡星系(S)与棒旋星系(SB)的有效厚度与相关参数,并给出了它们的球盘比(rb/rd)和星系盘的标长与厚度之比(rd/H).采用这种在观测图像中扣除双成份测光模型的方法,将更容易看清旋臂结构的最内端,因而这里获得的禁区半径r0的数值往往比从原星系图像上直接测量的数值要小,获得的星系盘有效厚度将更薄.     

旋涡星系中对任意旋臂倾角一致有效的密度-引力势渐近关系

本文给出对于臂数m≥2的旋涡星系(正常旋涡星系或棒旋星系),对任意旋臂倾角(0≤|β|≤π/2)一致有效的扰动密度-扰动引力势渐近关系。在|β|≤1的特殊情形,它回到紧卷波的各种已知渐近关系;在|β|不小的情形,这一新结果适用于讨论构成棒旋星系的“开展模式”(open mode)。     

旋涡星系密度波理论中Poisson积分的简化及应用

本文给出了旋涡星系密度波理论中Poisson积分的一种简化方法。这一简化的最重要应用在于利用它计算旋涡模式时可节省大量计算机时。此外本文还利用这种简化方法对一系列密度——引力势渐近关系进行了系统的数值检验。 用这一简化方法计算核函数比用未简化的核函数形式直接计算节省机时八十四倍。当在数值模式理论研究中大量计算Poisson积分时,应用本文提出的简化将有效地提高计算效率并保证足够高的精度。     

旋涡星系的厚度的估算

本文利用文[1]中所求得的扰动引力势的严格解,当此解由无旋臂区向有旋臂区连续过渡时,在解中出现一非波动项,对此项作出估计,可得出厚度(H=2/α)与开始形成旋臂处的半径的r_0关系:αr_0=7(α为星系半厚度的倒数).我们由[2]选出了50颗旋涡星系,并测定了它们的r_0,由此定出了星系盘的平均厚度.     

关于有限厚度旋涡星系中密度-引力势渐近关系的一个注记

本文将指出,为得到有限厚度旋涡星系中平均扰动引力势φ_1(r)与扰动面密度σ_1(r)的渐近关系,以及对称面上的扰动引力势φ_1(r,0)与σ_1(r)的渐近关系,我们不一定要从相应的三维渐近关系出发,而可以用二重级数展开方法直接地、十分简单地导出。所得结果对于紧卷性准确到m~2(kr)~(-2)量级,对于厚度效应准确到 k〈|z|〉量级,其中m为旋臂数,k为径向波数,r为到星系中心的径向距离,〈|z|〉为星到对称面距离的平均值。这样的精度对于讨论有限厚度扁盘状星系中密度波模式及其增长率通常是足够的。本文结果表明:在上述精度下,如采用〈|z|〉表征厚度,则不同纵向密度剖面下的φ_1(r,0)～σ_1(r)渐近关系可表为统一形式;如采用二星纵向平均距离〈|z-z’|〉表征厚度,则不同纵向密度剖面下的φ_1(r)～σ_1(r)渐近关系可表为统一形式。只有比值〈|z-z’|〉/〈|z|〉才是纵向密度剖面的泛函。对于符合物理意义的通常各种不同密度剖面,此比值都甚接近:对于高斯型纵向密度剖面,此比值为2~(1/2);对于 sech~2(z/z_1(r))型剖面,此比值为 1/In2=1.443;对于 exp[-|z|/z_1(r)]型剖面,此比值为1.5。     

旋涡星系模型及银河系的物质密度分布

本文假定轴旋涡星系的物质密度分布由三部分组成:平行于星系对称面的层分布,它沿z方向成指数衰减;对称于中心的多球层分布;以及星系中心的高度密集的球核。在这样的假设下,本文求出了星系物质密度分布的分析表达式,并以银河系为例,定出了银河系物质密度分布的具体结果。本文所得结果,与最新观测结论相一致。     

星际气体激波与恒星线性密度波的总合自洽解

本文从二维气体动力学和泊松方程出发,研究星际气体激波和线性恒星密度波自洽的密度波理论,求出准稳、紧卷、双臂的线性恒星密度波和星际气体激波的总合自洽解。所得结果表明,在采用不完全的流体力学线性方程组及全局的引力方程的条件下,得到的是收敛的自洽解,该解给出了与局部渐近解相同的色散关系、非谐波形式的总密度分布及总引力分布,所得结果还表明,若采用完全的流体力学线性化方程组,将得出不稳定的线性恒星密度波。     

三维旋涡星系的动力学研究

在三维对数螺线型密度扰动的引力Poisson方程严格解基础上,导出了对称平面(z=0)上三维混合盘密度波的色散关系,并以此讨论了对于不同类型扰动盘的局域稳定性,同时还计算了盘面上密度波的群速度．数值计算表明对数螺线型密度扰动,能比较好地满足扰动密度与扰动势反相位的关系;厚度和旋臂数目的增加有利于盘的稳定,而气体成分将导致盘不稳定;考虑厚度效应,银河系密度波传播的动力学时标与Toomre估计的数值相比将大大延长,至少需要4．17×109年,约占宇宙年龄的三分之一,从而可使以往密度波理论中得出的群速度太大的问题得到缓解．     

恒星速度椭球分布律对旋涡星系的影响

本文讨论在考虑恒星速度椭球分布情形下旋涡星系的性质。由分析可知:旋涡星系的运动是恒星“气流”的紧卷旋涡式轴对称基本运动与密度波扰动的迭加,也即既有物质运动也有波的传播。当旋涡星系的旋臂为曳式时,它是旋闭的,并且恒星速度的椭球分布能导致星系密度波模式的不稳定。这种不稳定性提供了激发并维持星系密度波的一种机制,得以使且系旋臂长期维持。     

盘状星系中星际气体的三维分布

本文从气体动力学的基本方程出发,讨论了在银河系的恒星和气体的总合引力场作用下,星际气体的大尺度三维结构.求出了星际气体空间分布的精确解,用此结果讨论了盘状星系中气体的峰值分布问题.分析了星系翼的一般特征,并具体地计算了银河系中星际气体的等密度曲线,提出了银河翼结构的一些可能趋势.     

密度波理论中星系激波的时间演化

密度波理论中星系激波的解大都假设为局部的,并且往往不考虑星际气体自引力的影响。本文取消了上述两个假设条件,求解了二维不定常气体动力学方程组,其中包括了星际气体的自引力效应。研究了在外加扰动螺旋引力场的作用下,轴对称气体盘中星系激波的形成过程。得到了星系激波的运动和密度分布特征。与非自洽的局部激波解相比,两者的定性特征相似,但定量结果有较大差别。计算表明,星系激波宏图的图样速度随时间和空间而变化,变化的大小甚致超过了外加密度波的图样速度。形成星系激波的特征时间约为5×10~8年。由于激波宏图与外加密度波宏图的相对缠卷,难于维持准稳恒的星系密度波,但每一具体时刻仍有大尺度的星系激波宏图。     

矢引力子场度规场的一个内部解

本文从考虑矢引力子场的爱因斯坦方程出发,在一特殊密度分布情况下,求得了内部解。     

旋涡星系随uUbble序列的一些统计性质

对发表在A＆Ap Supplement Series上的365个旋涡星系的一些参数(如表示旋臂缠卷松紧程度的参数A、切向角μ、盘的扁度H／D25以及厚度等)随Hubble序列变化的关系进行了统计研究．首次得到这些参量的平均值;并且从统计结果可以明显地看到Hubble对旋涡星系的分类只是一种定性的、只有统计意义上的分类;另外,从我们的统计结果看,密度波理论的色散关系对大多数旋涡星系是成立的,即大多数旋涡星系的旋臂满足紧卷螺旋波的要求．     

St?ckel引力势理论的拓展及其应用

St?ckel引力势是一类最普遍形式的可分离势。具有St?ckel形式的星系是完全可积系统,即其中的恒星轨道都是规则的,其运动积分可以解析求出。运动积分——特别是作用量(J,一种特殊的运动积分),能简化恒星运动的描述;研究星系中恒星的运动学和动力学的重要途径是作用量空间,比如使用以作用量作为参量的分布函数f(J_R, L_z, J_z)。通过将一般星系的引力势局部地近似成St?ckel势,人们可以估算一般星系中恒星运动的作用量。介绍天文学家在拓展St?ckel引力势的研究上取得的重大进展:在基于St?ckel势理论估算一般星系中的作用量(或运动积分)方面,开发出了若干快速数值算法(例如St?ckel作弊法[St?ckel Fudge]、St?ckel拟合法),基于环面映射的收敛性高精度数值算法(例如轨道积分拟合生成函数法、迭代环面构造法),以及提出作为近似的运动积的解析表达式;在分布函数的构造方面,基于上述估算的作用量或直接利用St?ckel势的运动积分公式(主要是I_3表达式),提出了一些分布函数模型,f(J_R, L_z, J_z)或f(E, L_z, I_3)。这些进展使得人们可以对星系开展基于分布函数的建模。此外,还介绍近几年把这些方法应用到银河系观测数据的若干代表性工作。     

有限厚度的盘状星系中物质密度的分布

本文对于物质密度沿z方向指数衰减的轴对称盘状星系模型,忽略恒星本动,讨论了物质在星系盘面的投影面密度同星系旋转曲线的关系,得出了对于无限薄盘的Toomre模型的改正公式。结果表明,考虑了星系厚度以后,物质分布比无限薄盘模型更加向中心集中。对银河系中心部分,投影面密度值比Toomre公式给出的密度值约高9%。     

寻找暗星系

虽然天文学家发现宇宙中90～99%的物质不发光,或发出的光非常弱,探测不到,但是许多人并不相信这是真的。夏威夷大学的科曼蒂和澳大利亚斯特罗姆洛山天文台的弗里曼对十几个从最亮的旋涡星系到最暗的矮星系研究后发现,星系越大暗物质的比例越低。最小的矮星系的暗物质密度?..     

旋涡星系随Hubble序列的一些统计性质

对发表在Ａ＆ＡｐＳｕｐｐｌｅｍｅｎｔ Ｓｅｒｉｅｓ上３６５个旋涡星系的一些参数（如表示旋臂缠卷松紧程度的参数Λ、切向角ｕ、盘的扁度Ｈ／Ｄ２５以及厚度等）随Ｈｕｂｂｌｅ序列变化的关系进行了统计研究。首次得到这些参量的平均值;并且从统计结果可以明显地看到Ｈｕｂｂｌｅ对旋涡星系的分类只是一种定性的、只有统计意义上的分类;另外,从我们的统计结果看,密度波理论的色散关系对大多数旋涡星系是成立的,即大多数旋涡