银河系的结构 04

深圳林妙可

本系列文章预计会有10个章节，这套文献将系统讲述物理学本身，这里是第五季第4篇。
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这一节我们来看看我们身处的家园——银河系。
对我们现在来说，地球之外是太阳系，太阳系之外是银河系。貌似这是小孩子都知道的常识。
虽然是常识，但是这个知识直到100年前，天文学家才确定太阳系之上还有一个更大的结构是银河系，60年前才确定银河系是旋涡状的，而且直到现在我们也不清楚银河系到底应该是什么样子的。
我们现在看到的所有银河系的图片，都还只是天文学家的猜测而已，所以所有有关说银河系结构是啥是啥的大家不要相信，这些都是没有科学依据的。


（银河系全貌猜测图）
为什么我们身处其中，却不知自己的“家”长什么样。这就是—— 不识庐山真面目，只缘身在此山中。
你身处山中，无法知道山的全貌，反而对面的山形反而一目了然！
一般情况，某个天体或是天文学系统，距离我们越近，我们就能研究得越清楚。但是银河系例外，因为我们就在银河系里面。
我们在地球上看到的银河系是什么样子的。


这是一张站在地球上看银河的照片。
银河就是银河系里主要恒星聚集的地方。银河之所以叫银河，就是在夜空中有那么一条带状区域非常亮，聚集了很多星星，就像是夜空中的河流一样。
银河是我们国家的说法了，在西方国家，银河叫做Milky Way，就是一条道路上洒满了牛奶的意思。
第一个尝试对银河系结构作出描述的是18世纪发现天王星的天文学家的赫歇尔。


他能发现天王星，是因为他的望远镜是当时最强大的。既然有了这么一个有力工具，他肯定不满足于发现天王星。所以，他就想着是不是可以做些更宏大的事情，那就是把银河系的样子描绘出来。
他的做法呢，就是用自己的望远镜把全天的恒星数一遍，不光数，还会去估计恒星的距离。这样，就可以把恒星和太阳的相对位置画出来了。如果测得够精确的话，银河系的样子就可以画出来了。
于是他就按照这个想法，做了1000多次观测，一共观测了11.8万颗恒星。但是最后画出来的银河系是什么样子呢？根本没有一点旋涡的样子，看起来就像是一个没有裁剪过的羊皮。


赫歇尔可是当时最有名的天文学家了，用的还是当时最先进的望远镜，仍然只能得到这样一个结果。而且在后来的100年内，没有人对银河系的了解可以超过赫歇尔。
所以你应该了解了，如果只从地球一个视角出发，还原出银河系的样子，那真的是非常困难的。如果想要真的解决这个问题，必须寻找一个外部视角才行。
可是怎么才能找到外部视角呢？这就又要用到宇宙学原理了，不过这次却是反过来用了。
一般天文学利用宇宙学原理，都是把身边发现的规律推广到宇宙的更远处。而对于银河系，则是通过观察远处的其他星系，把从它们身上观察到的特征反过来用在银河系上。这样即便是我们没有离开过银河系，仍然可以用外部视角来研究银河系到底是什么样子的。
其实在赫歇尔之前，就已经有天文学家发现夜空中除了恒星之外，还有一些天体像一团一团的云雾。天文学家专门给这些天体起了名字，叫做星云。现在我们知道，它们有一部分是银河系内部的气体云，有一部分真的是遥远处的星系。
但是当时并不清楚星云的距离，所以也不知道这些星云到底是在银河系内部，还是在银河系外部。
不过已经有天文学家开始猜想了，这些星云其实就是更远处的星系。其中最有名的应该是哲学家康德，他凭借着直觉相信仙女座星云，这种有旋涡结构的星云应该就是一个河外星系，河外就是银河系之外的意思，甚至还在这个基础上猜想我们的银河系也是旋涡状的。
不过，康德的想法没有任何观测支持，只算是一个猜想。真正让人们接受这个观点，还要等将近200年。
到了1923年，天文学家哈勃用更大口径的望远镜去看仙女座星云，发现它不只是一团云雾，而且是有更精细的恒星结构。
后来还在仙女座星云里面发现了造父变星，造父是我国古代神话里的一个人物。造父变星是一种标准烛光，通过它就可以测量出仙女座星云的距离，至少有100万光年。
通过这个距离一计算，就发现了仙女座星云的大小，应该和当时已知的银河系是差不多的，这不可能是在银河系内部的结构。所以从此开始，仙女座星云改名了，叫做仙女座星系。
并且，这也让天文学家第一次开始认真思考，也许银河系真的和仙女座星系一样，有一个旋涡状的结构。
有了这个外部视角之后，再去看地球视角下的银河，有的现象就能得到很好的解释。
比如说，虽然天空中的银河是一条亮带，但是通过望远镜观察的话，就能发现这条亮带上物质的密度是不一样的。在靠近人马座附近的银河的密度会比其他地方大很多。这在之前很难解释。
现在有了外部视角，就很容易理解了。我们看到了仙女座星系不只是呈现旋涡状，看起来还像是一个飞碟，中间厚四周薄，中心物质密度大，四周密度小。所以，银河应该也一样，密度最大的地方，很可能就是星系的中心。
按照这个思路，就可以找到银河系的中心，也就是银心具体在什么地方。
经过观测和计算发现，银河系的中心，也就是银心大概是在人马座的旁边。然后还有天文学家进行了计算，想看看太阳距离银河系的中心，也就是银心有多远。现在我们知道太阳距离银心大概有2.5万光年，银河系的半径大概是5万光年左右。我们其实是在银河系比较偏远的位置上。
当时计算的数值没有那么精确，不过也可以非常确定太阳是在银河系的一个角落里，距离中心很远很远。其实这也算是哥白尼日心说的再一次升级，地球不是太阳系的中心，太阳系也不是银河系的中心。
银河系的大体轮廓知道了，银心也知道了，真实样貌的还原应该要容易很多了吧，并没有。
因为银河系中有大量的星际气体和尘埃，它们是会遮挡住恒星的光芒的。遮挡住之后，对亮度观测和距离的计算就会不准，而且是物质密度越大的部分越是这样。
你可以随便看一张夜空中银河的照片，你就会发现，银河这条星带的中间应该是密度更大、恒星更多，但是偏偏越靠近中间越黑。这就是因为这部分星际气体或尘埃太多，挡住了恒星的光芒。所以，本来恒星越多，越是应该有更多观察数据的地方，偏偏观察数据并不多。
要解决这个问题，还要等一项技术突破，那就是射电望远镜的发明。其实射电望远镜就是我们平时见到的雷达。
在1932年，一位美国的无线电工程师央斯基在调试自己的无线电雷达的时候，接收到了一个奇怪的信号。这个信号传递的方向上没有发现任何的信号源，而且总是指向人马座方向。后来确定了，这就是来自银河系中心的无线电信号。
这也就是说，无线电信号可以穿过银河系中心厚厚的星际气体被我们接收，这就提供了可见光观测之外的另一扇窗。
对于银河系研究，只是提供了一个突破星际迷雾有力的工具。
于是很快，天文学家奥尔特，就是提出太阳系奥尔特云的那个奥尔特，用射电观测和计算分析得到银河系的结构。并在1951年，给出了当时最接近真实情况的银河系示意图。我在文稿中也提供了这张图，可以看到它已经有旋涡状结构了。
不过，射电技术虽然可以解决一部分问题，但是并不能解决所有问题。恒星之间的互相遮挡，还是会让很多现象无法观测。
就比如说银心的背后，直到现在我们也没有任何办法去了解，它就像是月球的背面一样，除非真的派探测器过去，否则我们永远也看不到。也正是这一点，直到现在我们仍然不能确定银河系的精确模样。
总结：
总体来看，对于银河系的结构到目前为止还没有一个清晰的全貌，但是对于我们来说已经掌握了足够多的信息！因为这个宇宙本来就没有义务让我们去理解。但我相信，总有一天我们一定会了解宇宙的真相！

祝 愉快~
参考文献
核心内容来自《高爽的天文学课》摘录