撥開云霧繪銀河：記錄400年來跌宕起伏的研究歷程
晴朗夏夜肉眼可見的銀河(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)，圖片來源：中科院紫金山天文臺青海觀測站(上)，歐洲航空局、蓋亞衛(wèi)星、A. Moitinho(下)
晴朗無月的夜晚，當我們仰望星空，一定會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，這就是太陽系的家園——銀河系。我們的太陽是她數(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18億顆恒星的觀測數(shù)據(jù)描繪了我們視線方向上的銀河系圖像。銀河系的盤和中心區(qū)域很容易辨認，但我們的銀河系從外面看究竟會是什么樣子呢。下面讓我們一起暢游銀河系，走進銀河系研究的過去、現(xiàn)在和未來。
撰文 | 郝超杰、徐 燁（中國科學院紫金山天文臺）
責編 | 韓越揚、呂浩然
一直以來，我們對銀河系知之甚少，甚至不知道太陽在銀河系中的準確位置。因為我們住在銀河系之中，不可能從外面拍攝她的圖像。比如你從來沒有走出自己的房子，就不會知道它從外面看起來是什么樣子。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)百萬年的旅程，這顯然不切實際。因此，關(guān)于銀河系的研究歷史可謂是跌宕起伏、曲折艱辛。
人類對于銀河系的科學認識，最早可以追溯到17世紀初。1610年，伽利略開辟了銀河系科學研究的先河，他首次利用望遠鏡觀察銀河，發(fā)現(xiàn)銀河是由大量恒星組成的。1755年，德國哲學家伊曼努爾·康德借鑒了英國天文學家湯姆斯·萊特的早期著作[1]，推測銀河可能是大量恒星構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)體（現(xiàn)今已被證實）。
康德認為銀河由類似于太陽系的引力聚集在一起，但是規(guī)模要大得多，由此產(chǎn)生的恒星盤從人類的角度（在盤內(nèi)）來看，將在天空中呈現(xiàn)出一個“帶子”的模樣。而且他還推測：在夜空中可見的一些星云可能是類似于我們自己的、單獨的“星系”本身，并且把銀河系和“星系外星云”稱為“宇宙島嶼”，這個術(shù)語一直使用到20世紀30年代。
伽利略·伽利雷(左)和伊曼努爾·康德(右)
圖片來源：左，賈斯特斯·蘇斯特曼斯，1636年 / 右，約翰·貝克爾，1768年
1785年，英國天文學家威廉·赫歇爾自制了一大批望遠鏡，最大口徑超過了一米。他每晚巡視星空，并且將恒星計數(shù)，堅持了數(shù)十載，共進行二十多萬次的觀測，最后得到了117600顆恒星的數(shù)據(jù)。隨后，他仔細計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在銀河系中的位置。他制作了一張銀河系形狀的圖，認為銀河系是扁盤狀，太陽位于銀河系的中心。今天看來這個結(jié)果并不準確，但他是第一個用實測的方法研究銀河系形態(tài)的人，“雖錯猶榮”！他也因此被譽為“恒星天文學之父”。
赫歇爾和他的蟹狀銀河系，圖片來源：PTRSL，威廉·赫歇爾，1785
19世紀中葉，“帕森斯敦的利維坦”望遠鏡（1.8米）由愛爾蘭第三位羅斯伯爵威廉·帕金斯建造完成，它的大小是史無前例的，直到20世紀初它都是世界上最大的望遠鏡。這臺望遠鏡的強大之處在于可以區(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)。盡管當時沒有照相技術(shù)，但是他對M51繪制了一幅非常仔細和精確的素描，他的畫與現(xiàn)代照片非常相似。事實上，這一發(fā)現(xiàn)是對“星云都是宇宙島嶼”說法的重要支持。
那么銀河系本身是否也是一個旋渦呢？1852年，普林斯頓大學的史蒂芬·亞歷山大教授提出了一個大膽的推測：銀河系也許是另一個旋渦狀的星云，但是從內(nèi)部看她是一條劃過天空的亮絲帶。這是人類第一次推測銀河系具有旋渦結(jié)構(gòu)。
1898年，美國天文學家詹姆斯·基勒使用利克天文臺的克羅斯雷反射望遠鏡對天空中的星云進行了系統(tǒng)性的照相觀測。他發(fā)現(xiàn)，有一些星云即使沒有旋渦結(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越明顯。這項工作同時證明了旋渦星云是可觀測宇宙中最常見的星云類型。
1900年，荷蘭一位業(yè)余的天文學家科內(nèi)科斯·伊斯頓在《天體物理學雜志》發(fā)表了一篇論文：“銀河系的一種新學說”[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，不過當時大家的普遍共識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家，他16歲時就通過了大學入學考試，在數(shù)學和物理學方面很有天賦。1904年，卡普坦在研究恒星自行的報告[3]中說，這些運動不是隨機的，因為恒星可以分為兩個“溪流”，向幾乎相反的方向運動，直到后來人們才意識到，這些數(shù)據(jù)是我們銀河系自轉(zhuǎn)的第一個證據(jù)。
隨后在1906年，卡普坦發(fā)起了一項對銀河系中恒星分布情況進行重大研究的計劃，即對不同方向的恒星進行計數(shù)。這一巨大項目是天文學中第一個協(xié)調(diào)統(tǒng)計分析項目，涉及四十多個不同觀測站的合作?？ㄆ仗估谜障嗟灼瑴y量不同天區(qū)的恒星密度，用統(tǒng)計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5萬光年，厚度大約1萬光年，太陽位于銀河系中心附近。
卡普坦在1922年去世，這項研究結(jié)果在他去世不久后問世。由于卡普坦在測定恒星光度時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認識到的銀河系一半大小，但這已經(jīng)是那時候最精確的銀河系模型。
卡普坦（右）和他的銀河系模型（左），圖片來源：維基百科
1917年，美國威爾遜山天文臺一座2.5米的“胡克望遠鏡”誕生了，這個龐然大物終于超越羅斯伯爵那座稱雄世界60多年的1.8米望遠鏡。不過，直到20世紀20年代，天文學家對銀河系的認識與100多年前赫歇爾給出的模型并無太大差別，比如依然認為太陽是銀河系的中心。
這時，哈洛·沙普利提出了新的看法。以往天文學家將目光專注到模糊又神秘的星云上，忽略了由數(shù)以萬計的恒星組成的、由相互間引力束縛的銀河系球狀星團，而且這些星團大多遠離銀河平面，那里缺少塵?？梢悦獬獾挠绊憽Ｉ称绽褂猛栠d山天文臺的這臺望遠鏡對大約100個球狀星團進行了幾年的觀測，隨后利用球狀星團中的造父變星的時間光度關(guān)系測量這些星團的距離，在1920年給出了銀河系球狀星團的空間分布[4]。
沙普利發(fā)現(xiàn)，普通恒星較均勻分布，但是球狀星團卻偏愛一隅，他提出球狀星團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：銀河系是扁盤狀的，直徑大約30萬光年，太陽到銀河系中心的距離大約為5萬光年。這個尺度遠遠大于天文界以往對于銀河系的認知，于是，沙普利不得不轉(zhuǎn)變自己的“世界觀”：不再認為那些模模糊糊的星云是銀河系外獨立的“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遠大于目前所公認的大小，但是他首次提出太陽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”相提并論的偉大發(fā)現(xiàn)。
沙普利的銀河系模型，圖片來源：英國百科全書
在2.5米的“胡克望遠鏡”誕生的同一年，也就是1917年，美國利克天文臺的希伯·柯蒂斯在仙女座大星云中觀測到了十幾顆新星，發(fā)現(xiàn)這些恒星的光度遠低于發(fā)生在銀河系中的星等，這個結(jié)果使得仙女座大星云的估計距離提高到了50萬光年，他認為該星云是獨立的星系。相反，沙普利主張銀河系是整個宇宙，認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國家科學院就銀河系的大小展開了公開辯論。事實上，雙方都對對方的論點、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的分布，由此展開“大星系”的主張；而柯蒂斯則代表當時天文界主流，認為千千萬萬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時并沒有結(jié)果，我們現(xiàn)在知道，這是因為沙普利在太陽系的位置和銀河系的大尺度問題上大體正確，柯蒂斯在星云作為獨立星系的性質(zhì)問題上大體正確。
在這場大辯論三年之后，時任哈佛天文臺臺長的沙普利在辦公室收到了一封來信，匆匆讀過后，他長嘆一口氣道：“就這么一封信毀了我的‘宇宙’”。這封信來自威爾遜山，寫信的是沙普利認識的一位年輕人，名叫愛德文·哈勃。
希伯·柯蒂斯(左)與哈洛·沙普利(右)，圖片來源：維基百科
哈勃使用“胡克望遠鏡”對仙女座大星云的觀測發(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光年，遠超當時認為的銀河系的尺度，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觀，開啟了星系外天文學的時代，被譽為“星系天文學之父”。
造父變星的光變曲線(左)和觀測中的哈勃(右)，圖片來源：維基百科
1927年，瑞典天文學家貝蒂爾·林德布拉德從理論角度提出：銀河系內(nèi)，越往外的恒星運動的越慢，這些恒星繞銀河系中心轉(zhuǎn)動一周所用的時間也不同。換言之，銀河系內(nèi)的眾多恒星并不是作為一個整體在自轉(zhuǎn)，而是各自繞著銀河系中心旋轉(zhuǎn)。荷蘭萊頓大學天文臺臺長、物理學家與天文學家威廉·德西特把這個理論進展告訴了剛剛獲得博士學位的簡·奧爾特，奧爾特相信這種猜測可以通過觀測來證實。
奧爾特是荷蘭天文學家，師從卡普坦，是卡普坦最后一個學生，所以把卡普坦對大量恒星總體運動的研究繼續(xù)下去對他而言十分合適。奧爾特擅長將研究過程中的數(shù)學和物理簡化，他為了描述銀河系內(nèi)恒星的運動，推導出了兩個公式，這就是著名的“奧爾特公式”，里面的兩個常數(shù)被稱為“奧爾特常數(shù)”[5]。利用推導出的這個公式和一些恒星的運動數(shù)據(jù)，奧爾特計算出太陽距離銀河系中心的距離大概是2萬光年，而且，按照這個公式，他計算出太陽繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)一周所需要的時間是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，包裹著盤狀的銀河系?！般y暈”里面包含著非常多年老的星團和恒星，它們都圍繞著銀河系旋轉(zhuǎn)。1932年，他又發(fā)現(xiàn)銀河系盤的質(zhì)量要遠大于可見物質(zhì)的質(zhì)量，因此斷言銀河系包括相當數(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，奧爾特是最早認識到射電天文學重要性的少數(shù)科學家之一，不僅成為射電天文學的先驅(qū)之一，也是射電巡天的“開山祖師”。
銀河系物質(zhì)組成(左)與奧爾特(右)，圖片來源：維基百科(左) / NANFA, Joop van Bilsen, 1961(右)
銀河系的盤是星際物質(zhì)主要集中的地方。自旋渦星系M51發(fā)現(xiàn)之后，部分天文學家就推測我們銀河系可能也是一個旋渦星系，也具有旋臂結(jié)構(gòu)，可是一直沒有得到證實。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，奧爾特通過研究太陽附近的恒星分布，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確和恒星樣本的不完備使得結(jié)果并不可靠。而首次證認我們銀河系存在旋臂結(jié)構(gòu)的是美國天文學家威廉·摩根。
1951年圣誕節(jié)，摩根在美國天文學會上作了十五分鐘的演講，報告了他和合作者使用光學方法對O型和B型恒星（剛剛形成的非常年輕、非常亮的恒星）的精確距離測量證實太陽附近旋臂結(jié)構(gòu)存在的研究。會場上，摩根得到了熱烈的掌聲，不僅有鼓掌，還有一些天文學家激動地踩腳，因為這是天文學史上最宏偉的發(fā)現(xiàn)之一，這是人類第一次證認銀河系存在旋臂結(jié)構(gòu)[6, 7]。
太陽附近旋臂結(jié)構(gòu)(左)：實心圓點表示高亮度恒星的集中分布，空心圓圈表示遙遠的恒星，小的‘s’符號表示太陽的位置。圖中顯示出太陽附近的旋臂分成了兩個分支 / 威廉·摩根(右)，圖片來源：維基百科(左) / NANFA, 喬普, 1961 (右)
就在摩根首次披露太陽附近的旋臂結(jié)構(gòu)之后的1958年，奧爾特通過在射電波段觀測銀河系內(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讀書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發(fā)出21厘米譜線。波長為21厘米的光子位于電磁波中的射電波段，需要用射電望遠鏡來探測。終于在1951年，美國和澳大利亞的科學家?guī)缀跬瑫r觀測到了先前預測的銀河系的21厘米譜線。
需要了解的是：銀河系內(nèi)的中性氫云幾乎不發(fā)出可見光，即使發(fā)出少量可見光也會被自身遮擋，但是它們發(fā)射出來的21厘米譜線卻可以暢通無阻，這是天文學家探測和研究它們的重要原因。此后，奧爾特致力于爭取資金和力量來建造射電望遠鏡，終于在1956年建成了當時世界上最大的、口徑25米的德文格魯射電望遠鏡。
在德文格魯望遠鏡建成之后，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)從理論上預言銀河系的旋臂內(nèi)富含中性氫云，這些云會孕育新的恒星。這些觀測證明奧爾特的理論研究是正確的。這項研究同時表明，射電觀測確實能夠探測到比光學更遠的區(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，而是顯示出類似旋臂的圖案 / 德文格魯射電望遠鏡(右)，圖片來源：MNRAS, 奧爾特, 1958 (左) / 維基百科, 2014 (右)
在接下來的數(shù)年中，奧爾特繼續(xù)開展了銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的研究，并且?guī)ьI(lǐng)荷蘭天文學家利用射電天文方法研究了銀河系中心的結(jié)構(gòu)。在當時，奧爾特等人的研究似乎影響更遠，因為摩根只發(fā)現(xiàn)了太陽附近的旋臂，而射電波段卻能夠識別隱秘的銀河系遠側(cè)的結(jié)構(gòu)。
一段時間以來，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，人們才意識到他們確定的中性氫云的距離沒有想象中的那么精確，這是因為中性氫云的運動并不是理論模型所預測的那樣，所以他們得到的銀河系中性氫分布圖并不是很可靠，而摩根成就的獨特性再次開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，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90年代美國的斯皮策紅外太空望遠鏡發(fā)射升空，恒星的紅外觀測結(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。
說完了旋臂，我們再來看看銀河系中心的“棒”。
在1923年哈勃首次證認河外星系的存在之后，越來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)域具有一個明亮的長條形結(jié)構(gòu)，天文學家稱其為“棒”結(jié)構(gòu)。以前，銀河系一直被認為是一個無“棒”結(jié)構(gòu)的普通旋渦星系。然而在20世紀60年代，天文學家通過銀河系21厘米譜線的觀測資料發(fā)現(xiàn)銀河系中心有兩條“膨脹臂”向遠離銀心方向運動。隨后，不少天文學家都推測銀河系中心可能存在“棒”結(jié)構(gòu)。
“棒”旋星系：河外星系NGC 1300，圖片來源：NASA, ESA, STScI/AURA
1991年，布里茲和斯珀格爾綜合利用射電觀測中性氫和近紅外觀測恒星的數(shù)據(jù)確認，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)是否存在對銀河系結(jié)構(gòu)和動力學演化、銀河系內(nèi)恒星的形成和演化具有重要意義，20世紀90年代以來，有關(guān)銀河系“棒”結(jié)構(gòu)的觀測研究逐漸成為天體物理中一個重要熱點，包括多種途徑的觀測和理論模型研究。
可以說，到1995年左右，人們逐漸達成共識：銀河系是一個“棒”旋星系！旋臂從其兩端向外延伸。21世紀以來，斯皮策紅外太空望遠鏡和最近的歐洲航空局的蓋亞衛(wèi)星均證認了這一結(jié)果。
然而，棒旋結(jié)構(gòu)的確認是否表示銀河系也同NGC1300一樣具有兩個旋臂呢？
在銀河系這個規(guī)模超過十萬光年的巨大渦流中，沿視線方向上的多個結(jié)構(gòu)層層重疊，加之天體距離測量的不確定性，使得我們對銀河系旋臂的數(shù)目都很難確定。同時，關(guān)于銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的模型紛繁復雜、超過百種。
進入21世紀，銀河系旋臂結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的天文學家認識到，如果想進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?；蛘邭怏w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任何物理學模型而是實測得到的距離）。而這項突破是由我國天文學家實現(xiàn)的。
旋臂是恒星形成的主要場所，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，我國天文學家發(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、標志著恒星形成的天體，它可以穿透銀盤上氣體和塵埃的遮擋而被地球上的射電望遠鏡探測到。
為了測量這些遙遠的示蹤旋臂的“燈塔”，我國天文學家計劃用世界上分辨率最高的望遠鏡——甚長基線干涉陣（VLBA）來實施觀測。VLBA是由橫跨美國的10臺口徑25米的射電望遠鏡組成的一個功能強大的陣列，它的最長基線可達8611千米，分辨率能夠達到0.0003角秒，相當于人類可以肉眼閱讀4000千米以外的報紙。
2006年，我國天文學家在解決一系列挑戰(zhàn)性技術(shù)難題后，首次將三角視差測量距離的精度提高到同時期依巴谷衛(wèi)星測量精度的100倍，實現(xiàn)了天體測量技術(shù)的劃時代突破，這個精度相當于在地球上準確定位月球上的一只螞蟻。他們以有史以來最高的天體測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)于英仙臂位置的長期爭論，使得直接測量銀河系旋臂結(jié)構(gòu)成為了可能。
該成果榮登《Science》雜志封面[14]，成為中國天文學家在該雜志封面的首秀。該工作在國內(nèi)外產(chǎn)生了深遠影響，國際權(quán)威專家評論中國天文學家的這項工作是銀河系結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域的一個里程碑，稱他們開創(chuàng)了三角視差測量的新紀元。
三角視差法原理(左) / 美國甚長基線干涉陣(右)，圖片來源：中科院紫金山天文臺(左) / NRAO(右)
以中國天文學家為首的、利用VLBA測量英仙臂距離的項目獲得了巨大成功，這極大地推動了美國國立射電天文臺有史以來最大的科學項目、也是迄今為止國際上最大的銀河系測量計劃——銀河系“棒”和旋臂結(jié)構(gòu)（BeSSeL）巡天的成立（2009年）。
十多年來，該項目精確測量了銀河系幾百個脈澤（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，這個項目誕生了廣泛認可的新的銀河系旋臂結(jié)構(gòu)[15, 16]。2019年，項目組成員繪制出了10萬×10萬光年尺度的、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具有四條旋臂的“棒”旋星系。同時，該項目證認了前人觀測到的銀河系盤翹曲現(xiàn)象，即銀河系的外盤面逐漸偏離內(nèi)盤面，整體看起來像“彎曲的土豆片”。
此外，天文界長期以來一直認為太陽附近只有零星物質(zhì)存在，不可能存在旋臂結(jié)構(gòu)，僅認為太陽附近是一個“鼓包”。而新的銀河系結(jié)構(gòu)圖顯示，太陽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，這是我國天文學家在2013年發(fā)現(xiàn)的[18]，他們后來又發(fā)現(xiàn)銀河系迄今最長的一條旋臂間次結(jié)構(gòu)[19]，這標志著直接測量銀河系已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實。本項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、太陽本動等。但是，目前脈澤主要集中是在北半球觀測的，南半球的觀測項目正在開展中[20]。
最新的銀河系旋臂結(jié)構(gòu)，圖片來源：科學美國人，馬克·里德 & 鄭興武，2020
最近，我國天文學家根據(jù)蓋亞衛(wèi)星的天體測量數(shù)據(jù)，在國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）、銀河系疏散星團和脈澤數(shù)據(jù)綜合描繪太陽附近的銀河系結(jié)構(gòu)，再一次證實本地臂的存在，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)，他們在國際上率先提出銀河系不是以前廣泛認可的單純由宏偉的、規(guī)則的螺旋形主旋臂所組成的，而是具有多條主旋臂、在主旋臂間充滿著次結(jié)構(gòu)的、復雜的旋渦星系的觀點，拓展了人類對銀河系的了解。
至少目前，我們對自己的銀河家園有了更加清晰的認識。我們可能生活在一個具有四條旋臂的“棒”旋星系中，我們的太陽系位于銀盤上，但是遠離銀河系中心大約位于銀河系半徑的三分之二處，而且太陽很可能在一個孤立的旋臂段中，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、對稱的旋臂又讓她顯得比較獨特，因為大多數(shù)旋渦星系的旋臂很少而且旋臂比較凌亂。
幾百年來，科學家們從簡單到復雜，從整體到細節(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，但仍有許多疑問等著去解答。比如：銀河系是在宇宙的什么時間、如何形成的？目前比較流行的觀點認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，但是其準確的年齡還是無法確定。
另外，銀河系的“棒”和旋臂又是如何形成的？如果認為銀河系是早期小星系并合的，那并合過程則一定會打破現(xiàn)在這種旋臂結(jié)構(gòu)；而由旋轉(zhuǎn)曲線計算的銀河系的總質(zhì)量遠遠大于銀河系內(nèi)可見物質(zhì)的質(zhì)量，進而引申出的問題就是：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解釋該現(xiàn)象。
更多的觀測亟待開展來進一步拓展我們對銀河系的認知，可喜的是近些年我們的觀測設備在不斷邁上新臺階。比如已經(jīng)投入使用的，坐落在我國貴州的500米射電望遠鏡（FAST），再比如我國正在規(guī)劃的，由數(shù)個500米射電望遠鏡及國內(nèi)其它百米量級的射電望遠鏡一起組成的射電望遠鏡陣（FAST Array）。此外還有正在規(guī)劃和建造中的北美下一代甚長基線望遠鏡陣列(=（NGVLA），和位于南非與澳大利亞的平方公里陣列（SKA）等。預計它們在十年后可以投入使用，到那時，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），一定可以讓我們在銀河系中的視線到達更遠的地方。
相信總有一天，我們最終可以撥開云霧，繪出銀河系的“廬山真面目”。
參考文獻：
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