太阳系都没出去人类怎么知道银河系是什么样的

冯武鸣

利用中性氢原子发出的21厘米线！其实都是些不直观的方法，除非能够跑到银河系外拍摄到整个银河的全貌，就像从地球上可以拍摄到整个仙女座星系全貌一样。但人类的探测器才刚刚跑出太阳系而已，所以还差很远。本文将为您讲解观测银河系样子的历史发展。

古代历史发展
希腊哲学家德谟克利特（公元前450-370年）提出，夜空中被称为银河的亮带可能是由遥远的恒星组成的。然而，亚里士多德（公元前384-322年）认为银河系是由“一些大而众多且紧密相连的恒星的炽热气体燃烧”
、引起的，并且“燃烧发生在大气的上部，在我们的世界与天体运动相连的地区。” 新柏拉图哲学家奥林匹奥多罗斯·小奥林匹亚（公元495-570CE）对这一观点持批评态度，他认为如果银河系位于月球之下（也就是位于地球和月球之间），那么它在地球上的不同时间和地点就会出现不同，并且它应该具有视差，而这种视差是不存在的。在他看来，银河系是一种天体。
根据莫哈尼·穆罕默德（Mohani Mohamed）的说法，阿拉伯天文学家阿尔哈森（965-1037）首次尝试观察和测量银河系的视差。他的结论是，因为银河系没有视差，它必须远离地球，所以它不属于大气层。安达卢西亚天文学家伊本·巴哲（“Avempace”，d.1138）提出银河系是由许多恒星组成的，并且这些恒星几乎相互靠得很近，由于来自次级物质的折射效应，所以它们看起来像是一幅连续的图像。在14世纪，叙利亚出生的伊本·凯伊姆（Ibn Qayyim）提出银河系是“在固定恒星球体中聚集在一起的无数小恒星”。
近现代历史的发展
1610年，意大利天文学家伽利略·伽利莱（Galileo Galilei）使用望远镜研究银河系并发现它由大量微弱的恒星组成，因此银河系由许多恒星组成的实际证据出现在1610年，这是人类第一次用光学望远镜近距离的观测银河。1750年，英国天文学家托马斯·赖特（Thomas Wright）在他的《宇宙原始理论或新假设》中（正确地）推测，银河系可能是一个由大量恒星组成的旋转体，这些恒星通过引力聚集在一起，类似于我们的太阳系，但规模要大得多。由此产生的恒星圆盘从圆盘内部的角度可以看作是天空中的一条带。在1755年的一篇论文中，伊曼努尔·康德详细阐述了赖特关于银河系结构的想法。我们在银河圆盘内部的视角看，由此产生的恒星盘可以看作是天空中的一个带。
第一个描述银河系形状和太阳位置的是弗里德里希·威廉·赫歇尔爵士（Frederick William Herschel），这一任务是由威廉·赫歇尔在1785年通过计算天空不同区域的恒星数量来完成的，也就是我们熟知的“数恒星”计数法。他制作了一个太阳系接近中心的星系形状图。1920年，雅各布斯·卡普坦（Jacobus Cornelius Kapteyn）用一种精细的方法得到了一个(直径约15秒差距)小的椭球星系的绘制图，其中太阳靠近中心。哈洛·沙普利（Harlow Shapley）基于球状星团编目的不同方法绘制了一种完全不同的图像：一种直径大约70秒差距且中心远离太阳的扁平圆盘形状。不过这两个分析都没有考虑到星系平面中存在的星际尘埃对光的吸收，但是罗伯特·朱利叶斯·特鲁普尔（Robert Julius Trumpler）在1930年通过研究疏散星团来量化这种效应之后，我们的主星系银河系的形状开始有了新的改变。





威廉·赫歇尔绘制的第一幅银河系形状图，我们的太阳位于其中心。图片来自知乎
现代历史的发展
1944年，亨德里克·C·范德胡斯特（Hendrik C. van de Hulst）预言：我们可以从星际原子氢气中探测到波长为21厘米的微波辐射（21厘米线）; 结果在1951年便发现来自星际氢原子的辐射线。这种辐射不会被银河系内星际尘埃所吸收掉，因此它的多普勒频移可以用来绘制我们银河系中气体的运动。这些观察结果导致了我们假设星系中心是一种旋转棒结构。利用改进的射电望远镜，也可以在其他星系中追踪到氢原子。在20世纪70年代，薇拉·鲁宾（Vera Rubin）发现，我们观测到的银河转速与可见的恒星和气体质量预测之间存在差异。今天，人们认为星系旋转问题可以解释为存在大量看不见的暗物质。
1951年，扬·奥尔特（Jan Hendrik Oort）与他的同事探测到了中性氢21厘米波，这个发现在射电天文学上具有里程碑式的意义，奥尔特很快认识到它在研究银河系结构方面的潜力。1952年，他们初步完成了观测，由奥尔特在罗马举行的国际天文学联合会（IAU）大会上公布了他们探测到的银河系旋臂结构。1958年-1959年，奥尔特等人又绘制出人类第一幅银河系的中性氢21厘米波分布图，证实了银河系的漩涡结构，还发现了正在膨胀的3千秒差距旋臂。





奥尔特等人绘制的第一幅银河系的中性氢21厘米波分布图，太阳位于图的上方，空白之处是被银河中心挡住的区域。图片来自：The galactic system as a spiral nebula (Council Note)
在20世纪90年代，天文学家们开始怀疑银河系是棒旋星系而不是一个普通的旋涡星系。他们的怀疑在2005年被斯皮策空间望远镜的观测证实，这表明银河系中心的棒比之前预想的还要大。棒旋星系指的是中间具有由恒星聚集组成短棒形状的螺旋星系。短棒通常会影响在棒旋星系里的恒星与星际气体的运动，它也会影响旋臂。棒旋星系的旋臂则由短棒的末端涌现。而在普通的螺旋星系中，恒星都是由核心直接涌出的；在星系分类法以符号SB表示。银河系，我们的太阳系所在地，被归类为棒旋星系。





欧洲南方天文台可见光和红外巡天望远镜（VISTA）的数据生成的银河系旋臂示意图，其中图下方圆圈是太阳的位置。数据日期：2013年9月12日，图片来自：NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt
参考资料
1.WJ百科-英文版（Galaxy/Milky Way）
2.知乎
文章作者：零度星系（天文在线）
审核人员：小抽
最终审核：零度星系（天文在线）
编辑用时：2018年09月25日-2018年09月26日
审核用时： 1小时
最后更新：2018年11月9日星期五
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全文排版：天文在线（零度星系）
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嗅觉Y不缺失

可以看看科普作家塞弗的《从阿尔法到奥米伽——时空宇宙的始与终》

林之秋实

那些没有望远镜的古代天文学家真屌

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棒旋星系会不会是星系有两个中心造成的？就像双星系统一样？

孤独的野鸭菇

那样的话LIGO早就发现并探测到引力波了，再说了，如果是双黑洞，银河系吃枣药丸！