基础知识与概念
基本天文单位
- 太阳质量：
- 天文单位（AU）：日地距离，
- 光年（ly）：
- 秒差距（pc）：
- 常用尺度：，，
经典的概念
- 星系： ⼀个由⼤量恒星组成的，稳定的、⾃引⼒束缚系统（可孤⽴存在）。是宇宙结构的基本单元，是几乎所有重要天文现象的来源。
- 恒星： 星系的主要组成部分，传统上对星系的认识主要就来自对其恒星分布的了解
星系天文学发展历史以及现状
早期探索
- 古代时期：观察到恒星分布在一条“白色的光带”上，古希腊人称之为牛奶河，罗马人称之为Via Lactea。
- 伽利略：用望远镜发现“天河”由无数恒星构成。
- 康德（1724-1804）：德国哲学家，发表《自然通史和天体论》，提出“星云假说”，认为银河系由恒星构成并处于旋转平面上，天空中的“星云”是类似银河系的“宇宙岛”。
- 威廉·赫歇尔：通过恒星计数绘制银河系结构图，假设恒星具有相同本征亮度，给出银河系恒星分布。
19世纪末—照相术的应用
照相术带来革命性变化：
- 长时间曝光可观测更暗天体。
- 精确测量亮度、位置及其变化。
利用更大的望远镜和照相技术，天文学家进一步测量了银河系的恒星分布，其中以卡普坦和沙普利的两个模型为主：
- 卡普坦模型：太阳位于银河系中心，恒星分布在 椭圆+盘 结构上。
- 沙普利模型：银河系尺度更大，太阳不在中心，球状星团分布揭示真实中心位置。
- 1920年“大辩论”后，沙普利的模型被证实更接近真实。
哈勃与河外天文学的开端
- 哈勃（1889-1953）：美国天文学家，利用胡克望远镜拍摄仙女座星云（M31），发现其中的造父变星，利用周期-光度关系测定其距离，确认其为河外星系，开启河外天文学时代。
- 哈勃其他贡献：哈勃定律、星系的哈勃分类。
巡天（星系的人口普查）
巡天之前
20世纪70年代以前，还没有系统的巡天，大部分星系都是偶然发现的近邻星系，其中最著名的星表有：
- 梅西耶星表（Messier objects）：法国天⽂学家Messier于1784年编排，包含110个天体，命名为 M1-M110，也是业余天文爱好者主要拍摄的对象。
- NGC星表（New General Catalogue）：是德雷⽿于1888基于威廉·赫歇⽿等观测的基础上编制，并于1895、1908年扩编，⽬前包含7840个天体（⼤部分为星系）。
近现代巡天
随着望远镜⼝径增⼤，能够探测到更远、更暗的星系，因此对星系进⾏较全⾯的普查成为可能。
- 哈佛斯密松星系红移巡天（CFA Redshift Survey，1977-1980s）：第一个现代意义上的星系巡天，发现星系分布不均匀，存在空洞和细长结构（如Great Wall）。
- 2dFGRS：Two-degree-Field Galaxy Redshift Survey（1997-2002）：测量23万个星系红移，巡天面积1500平方度。
- SDSS：Sloan Digital Sky Survey（斯隆数字巡天）：最成功的巡天项目之一，获得数百万星系图像和光谱，覆盖宇宙爆炸后5亿年到138亿年的历史，是⽬前科学产出和成果最为丰富的项⽬！。
- 哈勃深场（1995）：连续10天观测约1/10月亮大小的天空，揭示出上千个遥远星系（距离100亿光年以上），估计宇宙中总星系数目超过1000亿。
概念解释：
- 红移巡天：测量星系红移，从而得到视向距离
- 弧度表示：，，全天共 。
未来主要巡天
已经开展和计划的巡天包括
, DESI, LSST, EUCLID, PFS, WFIRST, SKA, CSST等- WFIRST（宽视场红外巡天望远镜，已更名为Nancy Grace Roman望远镜）：口径2.4米，视场为哈勃100倍，预计于2027年发射，探测上亿星系图像和数百万光谱。
选择红外波段的原因：
- 尘埃遮挡弱
- 可探测极早时期的遥远星系（辐射已经红移到红外波段）
- CSST（中国空间站巡天望远镜）：口径2米，视场为哈勃300倍，预计于2027年发射，获得超过10亿星系图像和红移。
- SKA（平方公里阵射电望远镜）：总接收面积超过1平方公里，研究中性氢21cm辐射、宇宙电离历史、暗物质暗能量等。
SKA 的主要科学目标：
- 寻找第一代恒心星系，了解宇宙电离历史
- 精确检验爱因斯坦引力理论
- ……
未来展望
星系天文学的关键科学问题：
- 暗物质基本性质与探测
- 暗能量本质（宇宙常数或修改引力）
- 第一代星系形成与宇宙再电离
- 超大质量黑洞形成
- 星系中重子物质循环过程