为什么说银河系是一个棒旋星系而不是漩涡星系？

晴朗71

记得以前的记录当中银河系都是漩涡形状的，中间是一个很圆很亮的物体，但是近年来看到的中间却是长棒状的物体，百度了一下才知道以前的观测结果是错误的，那么这个结论是如何更改的？银河系中间的长棒状物体又是什么？

漩涡星系：



棒旋星系（银河系）

猥琐大叔求教pv

咋没人提BRAVA呢，我来补两个锤子。
对于星系的棒，我的理解是属于棒中的恒星需要拥有一些共同的性质才能叫作棒（把这些恒星归成同一类）。那么我们可以非常概略地将银河系的棒当成一支在转的笔，看一下它会有什么性质：



图1

从上方看我们的笔，它在绕中心(G)顺时针旋转；那么假设观测者(O)在下方，笔和观测者-银心视线成45°（好算），观测者到银心的距离为 ，则笔上每一点的视向速度为 。实际上 比较小，在正负5°左右，那么视向速度可以进一步简化为 ，也就是线性关系。
另一个我觉得更重要的是侧向看（从观测者角度看）的时候笔的运动：



图2

既然笔是一个整体，那么笔的中心（红点处）和笔的边缘（绿点处）应该有相同的运动规律，也就是相同的视向速度。所以这个模型的结论是，银河系的棒不同地方的视向速度应该和银经（左右的角度）成正比，和银纬（上下的角度）没有关系。
那么实际上是不是这样的呢？是的。UCLA做了一个叫核球视向速度测定的项目(Bulge Radial Velocity Assay，论文在这里)，测量了核球上不同位置M型巨星的视向速度：



图3 BRAVA观测的源位置。可以把中间那坨灰色的等高线看成上面的笔。

将这些地方的平均速度和速度弥散画出来，是这样的：



图4 BRAVA观测的核球不同位置平均速度与速度弥散的分布

忽略图中的实线，很明显在银经正负5范围内平均速度和银经成正比，而且和银纬(b)无关；这是第一个锤子。
第二个锤子的话其实已经在图4里面了，就是那些实线。上海天文台（现在应该说是上海交大？）的沈俊太老师模拟了银河系的棒状结构（Shen+10，论文）并得出了它的平均速度和速度弥散，也就是图2中三种颜色的实线。模拟得出的银河系里面是有棒状结构的，而且可以看到模型的线和观测符合得很好。
题外话：确定了银河系棒的存在之后下一步就是探究核球的来源了：银河系核球（就是加上棒和中心杂七杂八一堆东西）是本来没有然后自然形成的，还是早期的时候由几个小的星系合并形成的？Shen+10这个模型认为是自然形成的：模拟的初始条件是一个银盘加上一个银晕，没了；而棒是在模拟开始之后星系自己形成的。他们的结论是就算有并合形成的核球，也不超过星系总质量的15%（上次去开会沈老师还下调了这个比例，说是5%还是3%来着）。当然这个问题还处于争论之中。

wzyu638116

银河系究竟是什么类型的星系？对于这个问题，天文学家们进行了无数的研究。



图一：口袋妖怪中的银河兽（我瞎编的）。

银河系是漩涡星系吗？

如果按照爱德文·哈勃在1926年的分类，银河系是一个典型的漩涡星系。
1926年，哈勃按照星系的形态特点（核球相对于盘的大小、旋臂的特征以及旋臂或星系盘分解为恒星和电离氢区的程度），将星系分为椭圆星系、漩涡星系和不规则星系。
其中，漩涡星系的特点是：

• 星系中心为透镜状，中间是一个星系核，周围环绕着扁平的圆盘。
  
• 圆盘从核球处延展出若干旋臂。
  

众所周知，银河系中存在着若干条由尘埃、气体和恒星组成的旋臂（目前主流观点认为有四条主旋臂，分别是：英仙臂、矩尺臂、盾牌-半人马臂和人马臂，但是有些天文学家根据斯皮策空间望远镜的中红外恒星技术统计的结果，认为银河系中只有两条主旋臂：英仙臂和盾牌-半人马臂），这也是漩涡星系的主要特征。
银河系是棒旋星系吗？

按照天文学家的最新研究，漩涡星系应该被分为正常漩涡星系和棒旋星系（传说中的SB），按照星系的旋臂展开程度和星系中心的核球相对于圆盘的重要程度又分为a、b、c三种类型。按照目前的最新研究，银河系应该属于SBbc型（核球较小且旋臂缠绕宽松的棒旋星系）。
那么银河系为什么是棒旋星系呢？
很显然，银河银河系中心的“核球”部分不是球，而是一个棒。
按照现有的星系演化的模型，核球就像是一个迷你的椭圆星系，是星系并合的产物，独立于星系盘和暗晕之外存在。一般来说，核球的形状接近球形的，但是银河系的核球比较方，因此天文学家认为银河系的核球实际上就是我们从侧面观测银河系时看到的那根棒。



图二：银河系结构（不知道哪来的图）。

如果银河系核“球”是一个类似于棒的三轴结构，而且它的长轴不在太阳和银心的连线上，那么在观测上，从我们人类所在的位置观测到的银河系核球靠近观测点的一端会比远端更大更亮一点（和前不久的EHT公布的M87黑洞的照片中的亮点的一样），也就是 @黄崧 博士提到的：

今天在教科书上依然可以看到那张著名的银盘图像 (Dwek 1995)。据说这张图第一次在普林斯顿大学天文系展示的时候，David Spergel就注意到了银河系中心区域的亮度分布是不对称的，并敏锐的感到这是一个棒结构的特征。

这里我有个疑问，不知道是黄博士记错了还是我对具体的研究细节不了解：Spergel和Blitz在1991年就已经提出了银河系中心棒结构不对称性的观点(Blitz & Spergel, 1991)，但是那张照片是1995年发布的。。。当然这个问题不重要。
在Spergel和Blitz提出这个观点后11年，Bissantz和Gerhard在2002年根据核球的光度分布，得到了三轴棒结构与太阳-银心的夹角的最佳拟合值为20°~25°，长度约为3.5Kpc，三条轴的比例为1：0.4：0.3。此外，按照最新的测光研究和理论模型约束，银河系棒的半长轴约为4Kpc，棒的转动速度约为40Km/s/Kpc，银河系的共转半径约为4.6Kpc。
银河系只有一个棒吗？

2005年，Benjamin等人利用斯皮策空间望远镜的中红外恒星计数结果进行了一些研究，他们认为银河系中存在着一个更长的（4.5Kpc）、太阳-银心连线夹角为45°的棒。
尽管棒旋星系中的双棒结构不少见，但是目前的研究都显示次棒的长度仅为长棒的10%~15%。也就是说，如果银河系中真的存在那根更长的棒，那么银河系将是一个“非典型”棒旋星系。
不过对于这个观点，有天文学家认为Benjamin等人计数的时候没有考虑体积效应，且在某些时刻银河系棒由于前导端的存在会变弯，让观测者得到错误的结论。
参考文献

不放了，估计也没人看。

Harry192

挺好的问题，已经有不少靠谱的回答了。银河系内部结构的探索是很困难的，“不识庐山真面目”嘛，只能从恒星的空间分布，恒星和气体的运动学，以及银河系中心区域质量分布的建模上来研究。近年Spitzer巡天在红外波段的观测，以及若干恒星巡天研究，APOGEE和Gaia的新进展，等等，都是描绘银河系内部棒结构的最好观测。
这里只想从历史角度简单补充几点，其中有些谈不上是“证据”，不过可以帮助梳理下天文学家是如何意识到银河系是棒星系的。

• 与河外星系的比较。说来好玩，最早想到银河系有棒的是天文学家De Vaucouleurs。他在60年代的时候就提出银河系更可能是棒旋星系，但是没人鸟他。他研究的是河外星系的分类，而当他在河外星系中按照银河系已知的性质去寻找“同类”的时候，发现大多数这样可以和银河系类比的星系都是棒旋星系。这个只能算推测，但这个逻辑挺有意思的，应该说是一种很好的“观测先验” (A prior)。而我们现在知道，像银河系这个质量的盘星系里，的确是过半数都有不同大小的棒的。
  
• 动力学模型。70年代，恒星动力学研究被引用到星系上，并愈发深入。Miller & Prendergast (1968) 就指出，靠自引力维持的薄盘，几乎一定会在某个阶段形成棒结构。话句话说，这个是一种“理论先验”：已知我们银河系是薄盘星系，又知薄盘星系有很大可能演化出棒结构，那么？
  
• 当然这些都不是真的证据。70年代末，对银盘的中性气体 (HI) 和分子气体 (CO) 巡天展开。天文学家发现这些气体的速度在有些位置很奇怪，不能用规则绕转的速度来解释，需要一个非轴对称的结构。这个所谓的“禁忌速度”现象，构成了银河系内部也许有棒的第一个观测证据。但是，这只是气体，不能排除是气体结构独有的特殊现象。
  
• 如果要从恒星角度证明问题，原则上只要一颗一颗数星星。即便不知道距离，在我们视线方向上的投影分布也可以反映出棒的证据。可是难度在于，银盘上尘埃气体密度，很难直接看到真正的恒星分布，需要红外观测来解决问题。第一个全天尺度的近红外巡天数据来自COBE卫星的DIRBE设备，你今天在教科书上依然可以看到那张著名的银盘图像 (Dwek 1995)。据说这张图第一次在普林斯顿大学天文系展示的时候，David Spergel就注意到了银河系中心区域的亮度分布是不对称的，并敏锐的感到这是一个棒结构的特征。1997年，James Binney的文章更是根据这一观测直接给出了对银河系棒的参数限制。原则上来说，这个证据还是不够“铁”：万一只是我们银河系长残了呢？ 不过这是我个人最喜欢的观测证据：如果你了解了前面说的几个先验知识和气体上的侧面证据，那么恒星分布的这一个如此优雅简洁的证据也会显得格外板上钉钉 (见下图)。
  
• 值得一提的是，银河系中心棒结构的恒星分布证据是广泛存在的，天文学家使用各种能够估计距离的示踪天体来研究银河系内部分布，从红团簇恒星 (光度非常接近的一类巨星) 到渐进巨星等。甚至最早的银河系核球区域的微引力透镜巡天给出的恒星质量分布信息都和有一个棒结构存在相符。
  
• 当然，最终恒星运动学的研究为银河系的棒结构提供了更为确凿的证据。这个就可以参考其他几个靠谱答案了。
  

Wegg et al. (2015) 中展示的银河系K-波段的近红外全景侧向图，可以看做银河系侧面的恒星分布图像。中心区域的不对称结构格外明显，而最合适的解释就是银河系中心有一根与我们成一个小角度的棒结构。

猥琐大叔求教pv

这个问题真的蛮有趣的。我认为天文学界对棒的理解的进展见证了近年来最优秀的天文望远镜对天文学界的改变，和最出色的观测天文学家的工作。
要知道银河系中心究竟是椭圆的（bulge）还是棒（bar）取决于我们能不能穿透银河系的尘埃带清楚地看到银河的中心。大家都知道夏季夜晚壮丽的银河看起来像一条横穿天空的云带，这其实就是聚集在银河系银盘平面的尘埃挡住了无数恒星的光的缘故。这些尘埃在提供审美价值的同时也造成了我们在肉眼可见波段看不清楚银河系中心，过去的大型天文观测项目也大多集中在可见光波段，导致大家很长时间也不清楚银河中心是不是棒状的。
问题的突破来源于天文学家开始对红外夜空的探索。红外线的优点是波长比可见光长得多，可以几乎不受尘埃阻挡在银河系传播（从物理的角度解释就是宇宙中尘埃的尺度比红外光波长小很多导致的），来自银河中心的光不受阻碍可以直接传播到地球。楼上提到的Spitzer望远镜就是红外望远镜的旗舰，它们（GLIMSE团队）所用的方法简单来说就是“数星星”——如果这些来自银河中心的星星在天空中某一特定区域聚集，我们就有理由根据分布特征推断银河中心有一个特定形状的、星星数量密度明显比其他地方多的结构（也就是棒）。
但我认为更直接的观测证据要来自几年后（2012年）另一个望远镜的观测成果：斯隆数字巡天（SDSS）。这个望远镜的观测团队在望远镜上安装了一个性能非常优秀的高精度红外光谱仪（参见APOGEE-2 | SDSS）。同样是可以穿透尘埃直达银河中心的红外观测，与Spitzer的GLIMSE团队只看星星空间的分布不同的是，APOGEE和可以通过恒星的光谱推测恒星相对地球的视向运动速度（从物理上解释这是多普勒效应导致的）。于是他（她）们的新发现是，银河中心附近有相当一部分恒星在高速远离我们（大约每秒200公里），这种运动特征正好对应于一个旋转的棒状结构。见下图：


Credit: Jordan Raddick (Johns Hopkins) and Gail Zasowski (Ohio State / U. of Virginia). Artist’s concept by NASA/JPL-Caltech/R. Hurt.
上图是一个简单的示意图，蓝点是地球所在位置，红色实线箭头代表恒星运动方向，APOGEE所观测到的高速远离我们的银河系中心恒星，是中心的棒状结构整体旋转的结果。
当然题主可能会接着问：既然你说服我说这些远离我们的星星就是棒的一端，那你能看到对应的棒的另一端、正在接近地球的星星吗（上图红色虚线箭头）？
答案是：暂时不可以。因为这一部分银河只有在南半球才能清楚看到哈哈！不过好消息是，斯隆团队正在研究在南半球智利用一个望远镜进行同样的观测，来确证这一发现。

这是参考文献：
Nidever, D. L., Zasowski, G., Majewski, S. R., Bird, J., Robin, A. C., Martinez-Valpuesta, I., ... & Skrutskie, M. F. (2012). The Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment: First Detection of High-velocity Milky Way Bar Stars. The Astrophysical Journal Letters, 755(2), L25.