撥開(kāi)云霧繪銀河：記錄400年來(lái)跌宕起伏的研究歷程
晴朗夏夜肉眼可見(jiàn)的銀河(上)和蓋亞衛(wèi)星第三批早期數(shù)據(jù)獲得的銀河系色彩(下)，圖片來(lái)源：中科院紫金山天文臺(tái)青海觀測(cè)站(上)，歐洲航空局、蓋亞衛(wèi)星、A. Moitinho(下)
晴朗無(wú)月的夜晚，當(dāng)我們仰望星空，一定會(huì)被一條明暗相間的彩色光帶所吸引。她廣袤且深邃，絢麗又神秘，這就是太陽(yáng)系的家園——銀河系。我們的太陽(yáng)是她數(shù)千億顆恒星中的普通一員。
最近，歐洲航空局的蓋亞衛(wèi)星基于超過(guò)18億顆恒星的觀測(cè)數(shù)據(jù)描繪了我們視線(xiàn)方向上的銀河系圖像。銀河系的盤(pán)和中心區(qū)域很容易辨認(rèn)，但我們的銀河系從外面看究竟會(huì)是什么樣子呢。下面讓我們一起暢游銀河系，走進(jìn)銀河系研究的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)。
撰文 | 郝超杰、徐 燁（中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)）
責(zé)編 | 韓越揚(yáng)、呂浩然
一直以來(lái)，我們對(duì)銀河系知之甚少，甚至不知道太陽(yáng)在銀河系中的準(zhǔn)確位置。因?yàn)槲覀冏≡阢y河系之中，不可能從外面拍攝她的圖像。比如你從來(lái)沒(méi)有走出自己的房子，就不會(huì)知道它從外面看起來(lái)是什么樣子。如果我們可以制造一艘航天器，讓它飛出銀河系再回眸銀河系全景，那么它將需要數(shù)百萬(wàn)年的旅程，這顯然不切實(shí)際。因此，關(guān)于銀河系的研究歷史可謂是跌宕起伏、曲折艱辛。
人類(lèi)對(duì)于銀河系的科學(xué)認(rèn)識(shí)，最早可以追溯到17世紀(jì)初。1610年，伽利略開(kāi)辟了銀河系科學(xué)研究的先河，他首次利用望遠(yuǎn)鏡觀察銀河，發(fā)現(xiàn)銀河是由大量恒星組成的。1755年，德國(guó)哲學(xué)家伊曼努爾·康德借鑒了英國(guó)天文學(xué)家湯姆斯·萊特的早期著作[1]，推測(cè)銀河可能是大量恒星構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)體（現(xiàn)今已被證實(shí)）。
康德認(rèn)為銀河由類(lèi)似于太陽(yáng)系的引力聚集在一起，但是規(guī)模要大得多，由此產(chǎn)生的恒星盤(pán)從人類(lèi)的角度（在盤(pán)內(nèi)）來(lái)看，將在天空中呈現(xiàn)出一個(gè)“帶子”的模樣。而且他還推測(cè)：在夜空中可見(jiàn)的一些星云可能是類(lèi)似于我們自己的、單獨(dú)的“星系”本身，并且把銀河系和“星系外星云”稱(chēng)為“宇宙島嶼”，這個(gè)術(shù)語(yǔ)一直使用到20世紀(jì)30年代。
伽利略·伽利雷(左)和伊曼努爾·康德(右)
圖片來(lái)源：左，賈斯特斯·蘇斯特曼斯，1636年 / 右，約翰·貝克爾，1768年
1785年，英國(guó)天文學(xué)家威廉·赫歇爾自制了一大批望遠(yuǎn)鏡，最大口徑超過(guò)了一米。他每晚巡視星空，并且將恒星計(jì)數(shù)，堅(jiān)持了數(shù)十載，共進(jìn)行二十多萬(wàn)次的觀測(cè)，最后得到了117600顆恒星的數(shù)據(jù)。隨后，他仔細(xì)計(jì)算這些恒星的亮度和位置分布，根據(jù)恒星的亮度獲得其距離，首次嘗試描述銀河系的形狀和太陽(yáng)在銀河系中的位置。他制作了一張銀河系形狀的圖，認(rèn)為銀河系是扁盤(pán)狀，太陽(yáng)位于銀河系的中心。今天看來(lái)這個(gè)結(jié)果并不準(zhǔn)確，但他是第一個(gè)用實(shí)測(cè)的方法研究銀河系形態(tài)的人，“雖錯(cuò)猶榮”！他也因此被譽(yù)為“恒星天文學(xué)之父”。
赫歇爾和他的蟹狀銀河系，圖片來(lái)源：PTRSL，威廉·赫歇爾，1785
19世紀(jì)中葉，“帕森斯敦的利維坦”望遠(yuǎn)鏡（1.8米）由愛(ài)爾蘭第三位羅斯伯爵威廉·帕金斯建造完成，它的大小是史無(wú)前例的，直到20世紀(jì)初它都是世界上最大的望遠(yuǎn)鏡。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡的強(qiáng)大之處在于可以區(qū)分橢圓形和旋渦狀星云，利用它，羅斯伯爵把目光聚焦在了M51。
1845年春，他發(fā)現(xiàn)了M51中的旋渦結(jié)構(gòu)特征，這樣的結(jié)構(gòu)是第一次被發(fā)現(xiàn)。盡管當(dāng)時(shí)沒(méi)有照相技術(shù)，但是他對(duì)M51繪制了一幅非常仔細(xì)和精確的素描，他的畫(huà)與現(xiàn)代照片非常相似。事實(shí)上，這一發(fā)現(xiàn)是對(duì)“星云都是宇宙島嶼”說(shuō)法的重要支持。
那么銀河系本身是否也是一個(gè)旋渦呢？1852年，普林斯頓大學(xué)的史蒂芬·亞歷山大教授提出了一個(gè)大膽的推測(cè)：銀河系也許是另一個(gè)旋渦狀的星云，但是從內(nèi)部看她是一條劃過(guò)天空的亮絲帶。這是人類(lèi)第一次推測(cè)銀河系具有旋渦結(jié)構(gòu)。
1898年，美國(guó)天文學(xué)家詹姆斯·基勒使用利克天文臺(tái)的克羅斯雷反射望遠(yuǎn)鏡對(duì)天空中的星云進(jìn)行了系統(tǒng)性的照相觀測(cè)。他發(fā)現(xiàn)，有一些星云即使沒(méi)有旋渦結(jié)構(gòu)，也有規(guī)則的形狀，比如圓形或者光滑的橢圓形外觀，這些星云也像旋渦星云那樣越向中心越明亮。而且，他發(fā)現(xiàn)銀河系與這些形狀規(guī)則的星云之間的差異越來(lái)越明顯。這項(xiàng)工作同時(shí)證明了旋渦星云是可觀測(cè)宇宙中最常見(jiàn)的星云類(lèi)型。
1900年，荷蘭一位業(yè)余的天文學(xué)家科內(nèi)科斯·伊斯頓在《天體物理學(xué)雜志》發(fā)表了一篇論文：“銀河系的一種新學(xué)說(shuō)”[2]：他將銀河系描繪成旋渦結(jié)構(gòu)，確定其旋轉(zhuǎn)方向，并將太陽(yáng)定位在邊緣。伊斯頓是最早描述銀河系旋渦結(jié)構(gòu)的人之一，不過(guò)當(dāng)時(shí)大家的普遍共識(shí)還是赫歇爾所描繪的圓餅狀特征。
M51素描(左) / M51 照片(右)｜圖源：威廉·帕金斯，1845(左) / NASA & ESA(右)
雅各布斯·卡普坦是出生在荷蘭的天文學(xué)家，他16歲時(shí)就通過(guò)了大學(xué)入學(xué)考試，在數(shù)學(xué)和物理學(xué)方面很有天賦。1904年，卡普坦在研究恒星自行的報(bào)告[3]中說(shuō)，這些運(yùn)動(dòng)不是隨機(jī)的，因?yàn)楹阈强梢苑譃閮蓚€(gè)“溪流”，向幾乎相反的方向運(yùn)動(dòng)，直到后來(lái)人們才意識(shí)到，這些數(shù)據(jù)是我們銀河系自轉(zhuǎn)的第一個(gè)證據(jù)。
隨后在1906年，卡普坦發(fā)起了一項(xiàng)對(duì)銀河系中恒星分布情況進(jìn)行重大研究的計(jì)劃，即對(duì)不同方向的恒星進(jìn)行計(jì)數(shù)。這一巨大項(xiàng)目是天文學(xué)中第一個(gè)協(xié)調(diào)統(tǒng)計(jì)分析項(xiàng)目，涉及四十多個(gè)不同觀測(cè)站的合作?？ㄆ仗估谜障嗟灼瑴y(cè)量不同天區(qū)的恒星密度，用統(tǒng)計(jì)視差法求得恒星距離，構(gòu)建了他發(fā)現(xiàn)的銀河系模型：銀河系的直徑大約為5萬(wàn)光年，厚度大約1萬(wàn)光年，太陽(yáng)位于銀河系中心附近。
卡普坦在1922年去世，這項(xiàng)研究結(jié)果在他去世不久后問(wèn)世。由于卡普坦在測(cè)定恒星光度時(shí)未考慮星際塵埃的消光影響，所以他獲得的銀河系模型大約只有后來(lái)認(rèn)識(shí)到的銀河系一半大小，但這已經(jīng)是那時(shí)候最精確的銀河系模型。
卡普坦（右）和他的銀河系模型（左），圖片來(lái)源：維基百科
1917年，美國(guó)威爾遜山天文臺(tái)一座2.5米的“胡克望遠(yuǎn)鏡”誕生了，這個(gè)龐然大物終于超越羅斯伯爵那座稱(chēng)雄世界60多年的1.8米望遠(yuǎn)鏡。不過(guò)，直到20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家對(duì)銀河系的認(rèn)識(shí)與100多年前赫歇爾給出的模型并無(wú)太大差別，比如依然認(rèn)為太陽(yáng)是銀河系的中心。
這時(shí)，哈洛·沙普利提出了新的看法。以往天文學(xué)家將目光專(zhuān)注到模糊又神秘的星云上，忽略了由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的恒星組成的、由相互間引力束縛的銀河系球狀星團(tuán)，而且這些星團(tuán)大多遠(yuǎn)離銀河平面，那里缺少塵?？梢悦獬獾挠绊憽Ｉ称绽褂猛栠d山天文臺(tái)的這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡對(duì)大約100個(gè)球狀星團(tuán)進(jìn)行了幾年的觀測(cè)，隨后利用球狀星團(tuán)中的造父變星的時(shí)間光度關(guān)系測(cè)量這些星團(tuán)的距離，在1920年給出了銀河系球狀星團(tuán)的空間分布[4]。
沙普利發(fā)現(xiàn)，普通恒星較均勻分布，但是球狀星團(tuán)卻偏愛(ài)一隅，他提出球狀星團(tuán)空間分布的中心就是銀河系中心，并且構(gòu)建了新的銀河系模型：銀河系是扁盤(pán)狀的，直徑大約30萬(wàn)光年，太陽(yáng)到銀河系中心的距離大約為5萬(wàn)光年。這個(gè)尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天文界以往對(duì)于銀河系的認(rèn)知，于是，沙普利不得不轉(zhuǎn)變自己的“世界觀”：不再認(rèn)為那些模模糊糊的星云是銀河系外獨(dú)立的“宇宙島嶼”，而是相信銀河就是宇宙本身，星云只是銀河系內(nèi)部的某種物質(zhì)。
盡管沙普利提出的銀河系大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前所公認(rèn)的大小，但是他首次提出太陽(yáng)系不在銀河系的中心，這完全是可以與400年前哥白尼的“日心說(shuō)”相提并論的偉大發(fā)現(xiàn)。
沙普利的銀河系模型，圖片來(lái)源：英國(guó)百科全書(shū)
在2.5米的“胡克望遠(yuǎn)鏡”誕生的同一年，也就是1917年，美國(guó)利克天文臺(tái)的希伯·柯蒂斯在仙女座大星云中觀測(cè)到了十幾顆新星，發(fā)現(xiàn)這些恒星的光度遠(yuǎn)低于發(fā)生在銀河系中的星等，這個(gè)結(jié)果使得仙女座大星云的估計(jì)距離提高到了50萬(wàn)光年，他認(rèn)為該星云是獨(dú)立的星系。相反，沙普利主張銀河系是整個(gè)宇宙，認(rèn)為仙女座也是銀河系的一部分。
于是，1920年，沙普利和柯蒂斯在華盛頓的美國(guó)國(guó)家科學(xué)院就銀河系的大小展開(kāi)了公開(kāi)辯論。事實(shí)上，雙方都對(duì)對(duì)方的論點(diǎn)、論據(jù)了如指掌。沙普利首先介紹了他得到的銀河系球狀星團(tuán)的分布，由此展開(kāi)“大星系”的主張；而柯蒂斯則代表當(dāng)時(shí)天文界主流，認(rèn)為千千萬(wàn)萬(wàn)的星云都是像銀河系這樣的“宇宙島嶼”。
沙普利和柯蒂斯的正式辯論在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有結(jié)果，我們現(xiàn)在知道，這是因?yàn)樯称绽谔?yáng)系的位置和銀河系的大尺度問(wèn)題上大體正確，柯蒂斯在星云作為獨(dú)立星系的性質(zhì)問(wèn)題上大體正確。
在這場(chǎng)大辯論三年之后，時(shí)任哈佛天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)的沙普利在辦公室收到了一封來(lái)信，匆匆讀過(guò)后，他長(zhǎng)嘆一口氣道：“就這么一封信毀了我的‘宇宙’”。這封信來(lái)自威爾遜山，寫(xiě)信的是沙普利認(rèn)識(shí)的一位年輕人，名叫愛(ài)德文·哈勃。
希伯·柯蒂斯(左)與哈洛·沙普利(右)，圖片來(lái)源：維基百科
哈勃使用“胡克望遠(yuǎn)鏡”對(duì)仙女座大星云的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，其中的造父變星和它們所在的星云距離地球近百萬(wàn)光年，遠(yuǎn)超當(dāng)時(shí)認(rèn)為的銀河系的尺度，因而一定位于銀河系之外，即仙女座星云確實(shí)是銀河系外巨大的天體系統(tǒng)——河外星系。哈勃的發(fā)現(xiàn)從根本上重塑了宇宙的科學(xué)觀，開(kāi)啟了星系外天文學(xué)的時(shí)代，被譽(yù)為“星系天文學(xué)之父”。
造父變星的光變曲線(xiàn)(左)和觀測(cè)中的哈勃(右)，圖片來(lái)源：維基百科
1927年，瑞典天文學(xué)家貝蒂爾·林德布拉德從理論角度提出：銀河系內(nèi)，越往外的恒星運(yùn)動(dòng)的越慢，這些恒星繞銀河系中心轉(zhuǎn)動(dòng)一周所用的時(shí)間也不同。換言之，銀河系內(nèi)的眾多恒星并不是作為一個(gè)整體在自轉(zhuǎn)，而是各自繞著銀河系中心旋轉(zhuǎn)。荷蘭萊頓大學(xué)天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)、物理學(xué)家與天文學(xué)家威廉·德西特把這個(gè)理論進(jìn)展告訴了剛剛獲得博士學(xué)位的簡(jiǎn)·奧爾特，奧爾特相信這種猜測(cè)可以通過(guò)觀測(cè)來(lái)證實(shí)。
奧爾特是荷蘭天文學(xué)家，師從卡普坦，是卡普坦最后一個(gè)學(xué)生，所以把卡普坦對(duì)大量恒星總體運(yùn)動(dòng)的研究繼續(xù)下去對(duì)他而言十分合適。奧爾特擅長(zhǎng)將研究過(guò)程中的數(shù)學(xué)和物理簡(jiǎn)化，他為了描述銀河系內(nèi)恒星的運(yùn)動(dòng)，推導(dǎo)出了兩個(gè)公式，這就是著名的“奧爾特公式”，里面的兩個(gè)常數(shù)被稱(chēng)為“奧爾特常數(shù)”[5]。利用推導(dǎo)出的這個(gè)公式和一些恒星的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，奧爾特計(jì)算出太陽(yáng)距離銀河系中心的距離大概是2萬(wàn)光年，而且，按照這個(gè)公式，他計(jì)算出太陽(yáng)繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)一周所需要的時(shí)間是2億年。
值得一提的是，1924年，年僅24歲的奧爾特就發(fā)現(xiàn)了“銀暈”，它是球狀的物質(zhì)團(tuán)，包裹著盤(pán)狀的銀河系。“銀暈”里面包含著非常多年老的星團(tuán)和恒星，它們都圍繞著銀河系旋轉(zhuǎn)。1932年，他又發(fā)現(xiàn)銀河系盤(pán)的質(zhì)量要遠(yuǎn)大于可見(jiàn)物質(zhì)的質(zhì)量，因此斷言銀河系包括相當(dāng)數(shù)量的不發(fā)光物質(zhì)，這使得他成為暗物質(zhì)研究的先驅(qū)之一。
只不過(guò)他還不知道，八年前他發(fā)現(xiàn)的“銀暈”里面包含著更多的暗物質(zhì)。此外，奧爾特是最早認(rèn)識(shí)到射電天文學(xué)重要性的少數(shù)科學(xué)家之一，不僅成為射電天文學(xué)的先驅(qū)之一，也是射電巡天的“開(kāi)山祖師”。
銀河系物質(zhì)組成(左)與奧爾特(右)，圖片來(lái)源：維基百科(左) / NANFA, Joop van Bilsen, 1961(右)
銀河系的盤(pán)是星際物質(zhì)主要集中的地方。自旋渦星系M51發(fā)現(xiàn)之后，部分天文學(xué)家就推測(cè)我們銀河系可能也是一個(gè)旋渦星系，也具有旋臂結(jié)構(gòu)，可是一直沒(méi)有得到證實(shí)。旋臂是氣體、塵埃和年輕恒星集中的地方，銀河系內(nèi)大部分的恒星是在旋臂上誕生的。
1938年，奧爾特通過(guò)研究太陽(yáng)附近的恒星分布，雖然發(fā)現(xiàn)了銀河系中恒星的旋臂狀分布，但是恒星距離的不準(zhǔn)確和恒星樣本的不完備使得結(jié)果并不可靠。而首次證認(rèn)我們銀河系存在旋臂結(jié)構(gòu)的是美國(guó)天文學(xué)家威廉·摩根。
1951年圣誕節(jié)，摩根在美國(guó)天文學(xué)會(huì)上作了十五分鐘的演講，報(bào)告了他和合作者使用光學(xué)方法對(duì)O型和B型恒星（剛剛形成的非常年輕、非常亮的恒星）的精確距離測(cè)量證實(shí)太陽(yáng)附近旋臂結(jié)構(gòu)存在的研究。會(huì)場(chǎng)上，摩根得到了熱烈的掌聲，不僅有鼓掌，還有一些天文學(xué)家激動(dòng)地踩腳，因?yàn)檫@是天文學(xué)史上最宏偉的發(fā)現(xiàn)之一，這是人類(lèi)第一次證認(rèn)銀河系存在旋臂結(jié)構(gòu)[6, 7]。
太陽(yáng)附近旋臂結(jié)構(gòu)(左)：實(shí)心圓點(diǎn)表示高亮度恒星的集中分布，空心圓圈表示遙遠(yuǎn)的恒星，小的‘s’符號(hào)表示太陽(yáng)的位置。圖中顯示出太陽(yáng)附近的旋臂分成了兩個(gè)分支 / 威廉·摩根(右)，圖片來(lái)源：維基百科(左) / NANFA, 喬普, 1961 (右)
就在摩根首次披露太陽(yáng)附近的旋臂結(jié)構(gòu)之后的1958年，奧爾特通過(guò)在射電波段觀測(cè)銀河系內(nèi)中性氫的分布，完整地描繪出了銀河系的旋臂結(jié)構(gòu)[8]。早在1944年，在荷蘭烏特勒支大學(xué)讀書(shū)的一名博士生亨德里克·范得胡斯特就首先發(fā)現(xiàn)：銀河系中的中性氫會(huì)發(fā)出21厘米譜線(xiàn)。波長(zhǎng)為21厘米的光子位于電磁波中的射電波段，需要用射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)探測(cè)。終于在1951年，美國(guó)和澳大利亞的科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)觀測(cè)到了先前預(yù)測(cè)的銀河系的21厘米譜線(xiàn)。
需要了解的是：銀河系內(nèi)的中性氫云幾乎不發(fā)出可見(jiàn)光，即使發(fā)出少量可見(jiàn)光也會(huì)被自身遮擋，但是它們發(fā)射出來(lái)的21厘米譜線(xiàn)卻可以暢通無(wú)阻，這是天文學(xué)家探測(cè)和研究它們的重要原因。此后，奧爾特致力于爭(zhēng)取資金和力量來(lái)建造射電望遠(yuǎn)鏡，終于在1956年建成了當(dāng)時(shí)世界上最大的、口徑25米的德文格魯射電望遠(yuǎn)鏡。
在德文格魯望遠(yuǎn)鏡建成之后，奧爾特和范得胡斯特一起，系統(tǒng)地用它掃描銀河系中的21厘米譜線(xiàn)發(fā)射區(qū)，并使用先前提出的奧爾特公式確定這些中性氫云的距離。1958年，奧爾特和合作者發(fā)布了銀河系第一張21厘米譜線(xiàn)掃描圖，確定出銀河系的旋臂結(jié)構(gòu)，指出了銀河系中心所在的位置，還在這些云中發(fā)現(xiàn)了大量恒星。此前，奧爾特已經(jīng)從理論上預(yù)言銀河系的旋臂內(nèi)富含中性氫云，這些云會(huì)孕育新的恒星。這些觀測(cè)證明奧爾特的理論研究是正確的。這項(xiàng)研究同時(shí)表明，射電觀測(cè)確實(shí)能夠探測(cè)到比光學(xué)更遠(yuǎn)的區(qū)域。
銀河系中性氫的分布(左)：中性氫在銀道面上的投影分布，顏色越深表示密度越高。圖中可以看出中性氫并非均勻分布，而是顯示出類(lèi)似旋臂的圖案 / 德文格魯射電望遠(yuǎn)鏡(右)，圖片來(lái)源：MNRAS, 奧爾特, 1958 (左) / 維基百科, 2014 (右)
在接下來(lái)的數(shù)年中，奧爾特繼續(xù)開(kāi)展了銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的研究，并且?guī)ьI(lǐng)荷蘭天文學(xué)家利用射電天文方法研究了銀河系中心的結(jié)構(gòu)。在當(dāng)時(shí)，奧爾特等人的研究似乎影響更遠(yuǎn)，因?yàn)槟Ω话l(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)附近的旋臂，而射電波段卻能夠識(shí)別隱秘的銀河系遠(yuǎn)側(cè)的結(jié)構(gòu)。
一段時(shí)間以來(lái)，奧爾特和他的合作者的發(fā)現(xiàn)使摩根的工作蒙上了陰影。直到大約1970年，人們才意識(shí)到他們確定的中性氫云的距離沒(méi)有想象中的那么精確，這是因?yàn)橹行詺湓频倪\(yùn)動(dòng)并不是理論模型所預(yù)測(cè)的那樣，所以他們得到的銀河系中性氫分布圖并不是很可靠，而摩根成就的獨(dú)特性再次開(kāi)始得到人們的充分贊賞[9]。
銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的經(jīng)典工作是喬治林父子在1976年完成的[10]，他們根據(jù)銀河系內(nèi)的電離氫所在的區(qū)域構(gòu)建了銀河系的四條旋臂模型。不過(guò)，電離氫的分布較為混亂，在不同銀河系位置的連接和連續(xù)性不清楚。20世紀(jì)90年代美國(guó)的斯皮策紅外太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空，恒星的紅外觀測(cè)結(jié)果表明銀河系可能只有兩條旋臂[11]。所以，銀河系的旋臂結(jié)構(gòu)依然是撲朔迷離。
說(shuō)完了旋臂，我們?cè)賮?lái)看看銀河系中心的“棒”。
在1923年哈勃首次證認(rèn)河外星系的存在之后，越來(lái)越多的河外星系不斷被發(fā)現(xiàn)，而且大部分星系中心區(qū)域具有一個(gè)明亮的長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)，天文學(xué)家稱(chēng)其為“棒”結(jié)構(gòu)。以前，銀河系一直被認(rèn)為是一個(gè)無(wú)“棒”結(jié)構(gòu)的普通旋渦星系。然而在20世紀(jì)60年代，天文學(xué)家通過(guò)銀河系21厘米譜線(xiàn)的觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)銀河系中心有兩條“膨脹臂”向遠(yuǎn)離銀心方向運(yùn)動(dòng)。隨后，不少天文學(xué)家都推測(cè)銀河系中心可能存在“棒”結(jié)構(gòu)。
“棒”旋星系：河外星系NGC 1300，圖片來(lái)源：NASA, ESA, STScI/AURA
1991年，布里茲和斯珀格爾綜合利用射電觀測(cè)中性氫和近紅外觀測(cè)恒星的數(shù)據(jù)確認(rèn)，在銀河系內(nèi)區(qū)存在大尺度的“棒”結(jié)構(gòu)[12]。由于“棒”結(jié)構(gòu)是否存在對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)演化、銀河系內(nèi)恒星的形成和演化具有重要意義，20世紀(jì)90年代以來(lái)，有關(guān)銀河系“棒”結(jié)構(gòu)的觀測(cè)研究逐漸成為天體物理中一個(gè)重要熱點(diǎn)，包括多種途徑的觀測(cè)和理論模型研究。
可以說(shuō)，到1995年左右，人們逐漸達(dá)成共識(shí)：銀河系是一個(gè)“棒”旋星系！旋臂從其兩端向外延伸。21世紀(jì)以來(lái)，斯皮策紅外太空望遠(yuǎn)鏡和最近的歐洲航空局的蓋亞衛(wèi)星均證認(rèn)了這一結(jié)果。
然而，棒旋結(jié)構(gòu)的確認(rèn)是否表示銀河系也同NGC1300一樣具有兩個(gè)旋臂呢？
在銀河系這個(gè)規(guī)模超過(guò)十萬(wàn)光年的巨大渦流中，沿視線(xiàn)方向上的多個(gè)結(jié)構(gòu)層層重疊，加之天體距離測(cè)量的不確定性，使得我們對(duì)銀河系旋臂的數(shù)目都很難確定。同時(shí)，關(guān)于銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的模型紛繁復(fù)雜、超過(guò)百種。
進(jìn)入21世紀(jì)，銀河系旋臂結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的天文學(xué)家認(rèn)識(shí)到，如果想進(jìn)一步描繪銀河系的旋臂結(jié)構(gòu)，就亟待找到更好的示蹤旋臂的天體（這種天體最好不受星際塵埃或者氣體消光的影響）并且能采用精確的方法確定其距離（這種方法最好不依賴(lài)任何物理學(xué)模型而是實(shí)測(cè)得到的距離）。而這項(xiàng)突破是由我國(guó)天文學(xué)家實(shí)現(xiàn)的。
旋臂是恒星形成的主要場(chǎng)所，揭示銀河系旋臂結(jié)構(gòu)首要關(guān)鍵是尋找處在旋臂上的“燈塔”以及如何把它精確定位。
2003年，我國(guó)天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)分子的宇宙微波激射，即脈澤，是銀河系旋臂極好的示蹤天體[13]。脈澤，射電波段的“激光”，這是一種具有很小的空間尺度、標(biāo)志著恒星形成的天體，它可以穿透銀盤(pán)上氣體和塵埃的遮擋而被地球上的射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到。
為了測(cè)量這些遙遠(yuǎn)的示蹤旋臂的“燈塔”，我國(guó)天文學(xué)家計(jì)劃用世界上分辨率最高的望遠(yuǎn)鏡——甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉陣（VLBA）來(lái)實(shí)施觀測(cè)。VLBA是由橫跨美國(guó)的10臺(tái)口徑25米的射電望遠(yuǎn)鏡組成的一個(gè)功能強(qiáng)大的陣列，它的最長(zhǎng)基線(xiàn)可達(dá)8611千米，分辨率能夠達(dá)到0.0003角秒，相當(dāng)于人類(lèi)可以肉眼閱讀4000千米以外的報(bào)紙。
2006年，我國(guó)天文學(xué)家在解決一系列挑戰(zhàn)性技術(shù)難題后，首次將三角視差測(cè)量距離的精度提高到同時(shí)期依巴谷衛(wèi)星測(cè)量精度的100倍，實(shí)現(xiàn)了天體測(cè)量技術(shù)的劃時(shí)代突破，這個(gè)精度相當(dāng)于在地球上準(zhǔn)確定位月球上的一只螞蟻。他們以有史以來(lái)最高的天體測(cè)量精度確定了銀河系英仙臂的距離，徹底解決了天文界關(guān)于英仙臂位置的長(zhǎng)期爭(zhēng)論，使得直接測(cè)量銀河系旋臂結(jié)構(gòu)成為了可能。
該成果榮登《Science》雜志封面[14]，成為中國(guó)天文學(xué)家在該雜志封面的首秀。該工作在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，國(guó)際權(quán)威專(zhuān)家評(píng)論中國(guó)天文學(xué)家的這項(xiàng)工作是銀河系結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的一個(gè)里程碑，稱(chēng)他們開(kāi)創(chuàng)了三角視差測(cè)量的新紀(jì)元。
三角視差法原理(左) / 美國(guó)甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉陣(右)，圖片來(lái)源：中科院紫金山天文臺(tái)(左) / NRAO(右)
以中國(guó)天文學(xué)家為首的、利用VLBA測(cè)量英仙臂距離的項(xiàng)目獲得了巨大成功，這極大地推動(dòng)了美國(guó)國(guó)立射電天文臺(tái)有史以來(lái)最大的科學(xué)項(xiàng)目、也是迄今為止國(guó)際上最大的銀河系測(cè)量計(jì)劃——銀河系“棒”和旋臂結(jié)構(gòu)（BeSSeL）巡天的成立（2009年）。
十多年來(lái)，該項(xiàng)目精確測(cè)量了銀河系幾百個(gè)脈澤（距離精度接近0.00001角秒），覆蓋了銀河系大約三分之一的區(qū)域。結(jié)合其它波段的天體觀測(cè)，這個(gè)項(xiàng)目誕生了廣泛認(rèn)可的新的銀河系旋臂結(jié)構(gòu)[15, 16]。2019年，項(xiàng)目組成員繪制出了10萬(wàn)×10萬(wàn)光年尺度的、全新的、迄今為止最精確的銀河系結(jié)構(gòu)圖[17]，清晰地展示出銀河系是一個(gè)具有四條旋臂的“棒”旋星系。同時(shí)，該項(xiàng)目證認(rèn)了前人觀測(cè)到的銀河系盤(pán)翹曲現(xiàn)象，即銀河系的外盤(pán)面逐漸偏離內(nèi)盤(pán)面，整體看起來(lái)像“彎曲的土豆片”。
此外，天文界長(zhǎng)期以來(lái)一直認(rèn)為太陽(yáng)附近只有零星物質(zhì)存在，不可能存在旋臂結(jié)構(gòu)，僅認(rèn)為太陽(yáng)附近是一個(gè)“鼓包”。而新的銀河系結(jié)構(gòu)圖顯示，太陽(yáng)附近的本地臂是一條孤立的臂段，非常接近銀河系的第五條旋臂。
需要特別指出的是，這是我國(guó)天文學(xué)家在2013年發(fā)現(xiàn)的[18]，他們后來(lái)又發(fā)現(xiàn)銀河系迄今最長(zhǎng)的一條旋臂間次結(jié)構(gòu)[19]，這標(biāo)志著直接測(cè)量銀河系已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。本項(xiàng)目還精確限定了銀河系基本參數(shù)，如銀心距、銀河系旋轉(zhuǎn)曲線(xiàn)、太陽(yáng)本動(dòng)等。但是，目前脈澤主要集中是在北半球觀測(cè)的，南半球的觀測(cè)項(xiàng)目正在開(kāi)展中[20]。
最新的銀河系旋臂結(jié)構(gòu)，圖片來(lái)源：科學(xué)美國(guó)人，馬克·里德 & 鄭興武，2020
最近，我國(guó)天文學(xué)家根據(jù)蓋亞衛(wèi)星的天體測(cè)量數(shù)據(jù)，在國(guó)際上率先使用具有三角視差的大質(zhì)量年輕恒星（O、B型星）、銀河系疏散星團(tuán)和脈澤數(shù)據(jù)綜合描繪太陽(yáng)附近的銀河系結(jié)構(gòu)，再一次證實(shí)本地臂的存在，將旋臂結(jié)構(gòu)從北天延伸至脈澤數(shù)據(jù)尚且缺失的南天，并發(fā)現(xiàn)銀河系旋臂結(jié)構(gòu)不均勻的現(xiàn)象。根據(jù)精確視差距離所描繪的銀河系旋臂結(jié)構(gòu)，他們?cè)趪?guó)際上率先提出銀河系不是以前廣泛認(rèn)可的單純由宏偉的、規(guī)則的螺旋形主旋臂所組成的，而是具有多條主旋臂、在主旋臂間充滿(mǎn)著次結(jié)構(gòu)的、復(fù)雜的旋渦星系的觀點(diǎn)，拓展了人類(lèi)對(duì)銀河系的了解。
至少目前，我們對(duì)自己的銀河家園有了更加清晰的認(rèn)識(shí)。我們可能生活在一個(gè)具有四條旋臂的“棒”旋星系中，我們的太陽(yáng)系位于銀盤(pán)上，但是遠(yuǎn)離銀河系中心大約位于銀河系半徑的三分之二處，而且太陽(yáng)很可能在一個(gè)孤立的旋臂段中，即“本地臂”。銀河系的四條旋臂間有可能有很多分叉，但是四條清晰、明確、對(duì)稱(chēng)的旋臂又讓她顯得比較獨(dú)特，因?yàn)榇蠖鄶?shù)旋渦星系的旋臂很少而且旋臂比較凌亂。
幾百年來(lái)，科學(xué)家們從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從整體到細(xì)節(jié)，孜孜不倦地繪制著銀河系的圖像。盡管目前我們已經(jīng)了解到了一些銀河系的基本知識(shí)，但仍有許多疑問(wèn)等著去解答。比如：銀河系是在宇宙的什么時(shí)間、如何形成的？目前比較流行的觀點(diǎn)認(rèn)為是宇宙早期先形成的許多較小的星系碰撞并合形成了現(xiàn)在的銀河系，但是其準(zhǔn)確的年齡還是無(wú)法確定。
另外，銀河系的“棒”和旋臂又是如何形成的？如果認(rèn)為銀河系是早期小星系并合的，那并合過(guò)程則一定會(huì)打破現(xiàn)在這種旋臂結(jié)構(gòu)；而由旋轉(zhuǎn)曲線(xiàn)計(jì)算的銀河系的總質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銀河系內(nèi)可見(jiàn)物質(zhì)的質(zhì)量，進(jìn)而引申出的問(wèn)題就是：不發(fā)光物質(zhì)是暗物質(zhì)嗎？那么暗物質(zhì)的質(zhì)量是多少，它們又是什么、在哪里？抑或我們只是需要修改已有的引力理論來(lái)解釋該現(xiàn)象。
更多的觀測(cè)亟待開(kāi)展來(lái)進(jìn)一步拓展我們對(duì)銀河系的認(rèn)知，可喜的是近些年我們的觀測(cè)設(shè)備在不斷邁上新臺(tái)階。比如已經(jīng)投入使用的，坐落在我國(guó)貴州的500米射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），再比如我國(guó)正在規(guī)劃的，由數(shù)個(gè)500米射電望遠(yuǎn)鏡及國(guó)內(nèi)其它百米量級(jí)的射電望遠(yuǎn)鏡一起組成的射電望遠(yuǎn)鏡陣（FAST Array）。此外還有正在規(guī)劃和建造中的北美下一代甚長(zhǎng)基線(xiàn)望遠(yuǎn)鏡陣列(=（NGVLA），和位于南非與澳大利亞的平方公里陣列（SKA）等。預(yù)計(jì)它們?cè)谑旰罂梢酝度胧褂茫侥菚r(shí)，它們提供給我們的“火眼”（超高的分辨率）和“金睛”（超高的定位精度），一定可以讓我們?cè)阢y河系中的視線(xiàn)到達(dá)更遠(yuǎn)的地方。
相信總有一天，我們最終可以撥開(kāi)云霧，繪出銀河系的“廬山真面目”。
參考文獻(xiàn)：
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