诗词与天文（5）银河

恋爱的棉被缀

银河在诗词中多为纯景描写，或安谧祥和或壮观磅礴，佳句甚多。从《古诗十九首》的“河汉清且浅，相去复几许”到曹丕的“明月皎皎照我床，星汉西流夜未央”，从李白的“渭水银河清，横天流不息”到杜甫的“五更鼓角声悲壮，三峡星河影动摇”，从李清照的“天接云涛连晓雾，星河欲转千帆舞”到唐温如的“醉后不知天在水，满船清梦压星河”……
我们眼中的银河，是我们看向银河系中心一侧时银河系在天空的投影。你会看到，天鹅在银河中濯足，天鹰和天琴隔河相望，人马在悠闲饮水，仙后在翩翩起舞，双子在银河中奔跑雀跃……银河穿过了大约30个星座，占全天88星座的大约1/3，而银河系中心在人马座方向。
我们这群位于银河系后花园的碳基生物，有历史记载不过万年，即便回溯到古猿时期，也不过存在了数百万年。作为对比，太阳系绕银河系绕一周需要约2.3亿年。值得骄傲的是，在如此有限的时间里，我们已经对银河系有了非常深入的了解，即便身在庐山中。
我想可以把人们对银河的认知分为三个阶段。【我是外行，可能分的不妥】
第一阶段，银河系是一个由多条旋臂组成的盘状星系。这些旋臂形成于所谓的密度波。恒星绕星系中心旋转，当遇到密集星场时，速度会变慢，而速度的变慢又导致局部恒星密度进一步变大。也就是说，恒星绕转的速度和空间密度都是波动变化的。这种波动既绕中心环形传播﹐又沿半径方向传播﹐密度极大的波峰逐渐形成了旋臂，星系也变成了旋涡状。银河系包含核球、薄盘和厚盘、晕三个成分【加个棒结构】，不同的成分包含的恒星年龄不同、金属丰度不同。
第二阶段，银河系不是一个孤零零的星系，它有着众多的卫星星系，除了南半球瞩目的大小麦哲伦星云，还有众多肉眼看不见的暗弱矮星系。银河系周围充满了与这些卫星星系打架斗殴的证据，比如银晕中存在大量星流遗迹，就来自于很久之前被银河系俘获并被潮汐撕裂的矮卫星星系。
第三阶段，银河系的盘不是一个平坦的盘子，在其外围存在翘曲结构。从中心向外围看去，巨大星系盘会逐渐向上或向下卷起，就像一阵风吹过银河系，形成了炸薯片般的波纹（见图一）。一种理论解释是银河系在演化过程中受到了某种未知的巨大的转矩作用。比如受到暗物质晕的作用，假如暗物质晕的分布不是球对称的，或者与银河系的自转轴有夹角等等。这样银盘上物质的分布受到暗物质的作用，可能会表现出这种状态。



图一 银河系翘曲结构示意图（来自网络）

银河系在我们认识宇宙的过程中起着非常重要的作用，如同太阳之于恒星，我们对遥远星系的认识也起源于银河系。除此之外，我想在银河系研究中最重要的发现之一就是银河系旋转曲线，也就是银河系不同半径处的旋转速度。理论上，考虑内部密度的不均匀性，银河系的旋转曲线速度会从里面慢慢增加，然后再缓慢下降。但观测并非如此，而是在银河系中心速度迅速上升，然后下降，再上升、下降，并且在离星系发光区域较远处旋转速度仍然较大，在最外面保持不变（见图二）。这要求有大量的未知质量分布在星系的外围。因此根据观测的旋转曲线，人们证实了暗物质的存在。这些暗物质包含了80%-90％的银河系质量。当然，暗物质到底是什么？现在依然未知。



图二 银河系自转曲线（来自网络）红线为仅由可见重子物质贡献引力的情况下银河系的自转曲线，白线为实际测量曲线。

另一个关于银河系比较火的领域是其中心的超大质量黑洞。所有星系的中心都可能有一颗超大质量黑洞（或中等质量黑洞）。【有些星系中心有一个黑洞还不满足，还有两个】我们有相当多的间接方法可以推知黑洞的存在，但给黑洞拍照片、直接揭示黑洞真容的只有星系M87和银河系。2022年5月，视界面望远镜发布了银河系中心黑洞的照片，那被闪亮光环所环绕的阴影区域里就藏匿着一颗质量约为400万倍太阳质量的黑洞巨兽（见图三）。听上去很大是吧？实际上这质量只占银河系质量的千分之一。



图三 视界面望远镜拍摄的银河系中心超大质量黑洞照片（来自网络）

最后同样来个猜一猜。如果有一天，你驾驶宇宙飞船误入银河系藕花深处，不不，误入银河系未知的星空深处，你该如何自救？（请看松泉：银河系迷路自救指南）