银河系全貌图是拍摄出来的吗，是怎么拍摄出来的呢？

默39

银河系全貌图是拍摄出来的吗，是怎么拍摄出来的呢？

上司池

打个比喻，你从小就被关在一栋摩天大厦一间只几扇窗户的小房间里，别说走出大楼抬头看看自己长大的地方，你甚至连门外的走廊都没塌出过一步。你的世界里没有镜子，照相机这种东西，也从来不会有外面的人来访问你，告诉你大楼的形状。
现在，你想画出这栋大楼的样子，你该怎么办？
方法一，透过窗户观看其他的大楼，你发现好多形状相近的，那么你的大楼估计有很大的概率也是差不多的形状吧？
方法二，透过观察不同时间段大楼在地面的投影构建出大楼的3D形象。
方法三，你没有镜子，但你有脸盆甚至茶杯这种能盛水的东西啊，你接了一脸盆的水，用你可怜的小手臂拼命的把脸盆撑出窗外，瞪大眼睛仔细看脸盆里的水反射出来的模糊的大楼形象。
但不管用以上哪种方法，有一个地方是你永远无法看到的，那就是你走廊对面隔着对门那排房间的另一侧大楼的样子。。。
唯一能真正看全大楼的方法真的只有一个，走出房间，下楼，走到大街上，近可能的跑远爬高，这样才能一览众山小。可惜，仅仅打开房门这一步，以现在最快的速度也需要用掉几万年乃至几十万年的时间，更别提还要穿过几千公里长的走廊，再一层一层的爬下几十万层高的大楼。。。

caymkda949764

人类已经拍摄了无数个星系的照片，但却从来没有一张照片能让我们看清银河到底是什么样子。我们身处银河系的内部，就像是1084年身处庐山的苏轼，根本看不清银河的模样。那我们究竟是如何知道它到底是长什么样子的呢？我们看到的那些银河螺旋的照片又是怎么来的呢？
我们只能拍到银河的侧面

在地球上，我们只能拍摄到的银河侧面，就像下面这张：


这张鱼眼照片拍摄于智利海拔5000米高的查南托峰上，这里的的空气既干燥又干净，是地球上观测银河最好的位置之一（我国南京天光所在海拔4000米的南极昆仑站也安装了南极巡天望远镜，也是因为那里海拔高、空气干燥洁净）。在这张全景照片上，似乎整个银河都被拍摄到了。但实际上，包括银河中心在内的另外一大半银河都隐藏在模糊的尘埃之后而无法观测到。（中心左上方那颗明亮而巨大的亮点，其实是我们太阳系内的木星。）你能仅通过这样的照片得知银河是什么样子的么？



智利阿塔卡马沙漠的泻湖与银河的合照，像一个巨大的眼睛在凝视. by Miguel Claro (TWAN, Dark Sky Alqueva)

看见银河

远古时代的人类就对头顶气势磅礴的银河有了极大的兴趣，但从认为银河是女神赫拉的乳汁或河水[1]到对银河有科学的认识，还是从望远镜发明后才开始的。17世纪的伽利略通过自制望远镜惊讶的发现，原来公元前四世纪古希腊哲学家德谟克利特关于银河构成的观点是正确的，银河其实是由无数恒星组成的。然而直到这时，人类都不曾真正认识到银河的形状。（这里补充一下，本文的银河指的并不是银河系而仅指银河的盘状结构，我们夜间看到的绝大多数星星都在银河系内）



世界最大的镜面“天空之镜”（玻利维亚的乌尤尼盐沼）与银河

18世纪，经典天文学进入了蓬勃发展的时代．英国音乐家威廉·赫歇尔（就是发现天王星的那个英国皇家天文学会第一任会长，玩音乐的人里天文学的最好的）用自制的望远镜对银河系恒星进行了1083次观测，他借助这枚当时世界上最大望远镜共计数了117600颗恒星，发现越接近银河恒星越密，银河平面上恒星最密，而垂直于银河平面的恒星较少。他用统计法首次确认了银河是一个扁平状圆盘结构。



威廉赫歇尔造了一个当时世界上最大的反射望远镜，口径1.22米，镜筒长达12米

到了1845年，爱尔兰一个名叫威廉·帕森思的有钱地主斥巨资建造了1.8米口径的望远镜。他借助这个维多利亚时代最牛望远镜观测到了正对着我们的M51星系并手绘了一幅螺旋状的图，这是人类第一次看到星系的螺旋结构。



帕森斯的望远镜看起来像一门超级大炮



涡状星系M51的手绘图，

即便是这样，人们也没有认识到，银河系可能也会是这样的。当时人们甚至并不认为这是星系结构，而把这类螺旋体当做了恒星形成早期的“原恒星”阶段。后来在许多天文学家的努力下，包括沙普利、伊斯顿、哈勃、林德布拉德等一众大牛，借助非常有限的观测数据提出了各种银河系结构模型，人们才逐渐认识到银河有可能是螺旋状的。他们通过研究其它旋涡星系，总结出旋臂的两个特征：有大量新恒星诞生、并且有氢的集聚。如果假设这些特征同样适用于银河的话，那就可以确认银河系是不是有旋臂结构了。
到了21世纪，现代大规模巡天计划相比传统的望远镜能更短的时间内获取海量的天体观测数据，中性氢原子21厘米谱线也使得对银河系结构和演化进行全面的研究成为可能。比如20世纪50年代，天文学家就对银河系内的鹰星云（就是有创造之柱的那个）、欧米伽星云、三叶星云和礁湖星云中的一些恒星进行了距离测量，从而加深了对人马臂的了解。20世纪下半叶，大量的天文工作者通过不断的观测，为我们银河系的螺旋结构提供了海量的新证据。在我的之前的一篇被知乎日报收录的回答中曾提过，人类通过大量的观测和计算，事实上已经确切的知道银河系是一个棒旋星系。
为什么星系大多是盘形的，而不是球形的？虽然我们现在已经知道银河是一个中间厚、边缘薄的扁平盘状螺旋体，但我们并不清楚俯视银河时的具体模样。天文学家甚至都不太确定银河到底是两条、四条还是六条旋臂（目前主流观点认为是四条）。2004年的时候天文学者认为发现了一条新外臂new outer arm，2008年又有一条旋臂Far 3kpc Arm被确定下来，到了2018年才算是比较准确的掌握了银河系众多恒星的形成年代[2]，最近几年各国的天文学家团队都在追踪银河系旋臂中年轻恒星的位置变化，从而帮助人类更确切地知道这些旋臂的位置和准确数量。这还需要更大量的观测数据支持。中国团队就在今年还有新的观测结果发表，这个后面再说。
困难在哪儿？

我们的地球位于银河系的猎户座大旋臂上。我们知道，银盘上特别是旋臂上都是大量拥挤的恒星、尘埃和气体，星际消光非常严重。所谓“星际消光”，指的是遥远天体发出的电磁波被星际弥漫物质（比如前面提到的星际气体或尘埃）部分吸收、散射，造成光度减弱的一种现象。只通过单一光学观测很难透过弥漫在银河中尘埃云全面了解它的真实结构。就像我们来到一个人头攒动的广场边上，很难透过拥挤的人群看到广场另一侧是什么样子。同样道理，使用光学望远镜很难看清银河的远端，也就无法准确测量地球与那些遥远恒星的距离，也就无法给他们定位从而绘制出银河地图来。



这张来自普朗克的图像说明，银河系内充满了大量的尘埃

看不见可怎么办？

1931年，美国贝尔实验室专门负责搜索和鉴别电话干扰信号的无线电工程师卡尔·央斯基(Karl Guthe Jansky)偶然发现有一种每隔23小时56分04秒出现最大值的无线电干扰，研究发现是来自银河的射电辐射，从此开创了用射电波研究天体的新纪元。一般在可见光观测受到很大限制的时候，天文学家就会想到动用红外线（射电波的一种）来观测。
这是因为红外波段具有可见光观测无法比拟的巨大优势：几乎不受星际消光的影响（具体原因就略了，有人想了解再补充吧）。因此红外波段的观测成为人类进一步认识银河结构（特别是银心方向的盘和核球结构）的重要手段。（哦对了，红外线也是威廉·赫歇尔发现的）
射电望远镜收集射电光的方式其实和光学望远镜没什么太大的差别。但由于波长更长，所以望远镜要做得更大（望远镜的分辨率与入射光波长成反比 ，与口径成正比）。像美国一般会用被称为甚长基线阵列的望远镜组（共10个，从新罕布什尔州到夏威夷再到维尔京群岛）、广域红外线巡天探测卫星(WISE)和斯皮策等有红外观测能力的望远镜[3]，中国会用青海的13.7米毫米波射电望远镜和贵州的那个FAST天眼（全球最大的单口径望远镜）等。



欧南台在红外波段拍摄的银河中心方向的图像，可以拍到尘埃背后大量的恒星


定位

有了射电望远镜，我们看到的不再是无法分辨的朦胧光带了，尘埃背后的众多恒星现在都清晰可见。现在我们知道它们确切的方位了，如果我们知道组成银河的每颗恒星离地球的距离，那我们就知道了它相当于地球的三维坐标，那么我们自然就可以绘制出银河的三维地图了。可是，我们怎么知道这些繁星离我们多远呢？

这就要用到一种被称为三角形测量的方法。简单的说，当地球位置的变动时，地球上观测到的恒星相对于较远的星空的位置就会有一个非常非常小的角度偏移（假设太阳与这个恒星没有相对的横向速度）。利用地球绕太阳运行的公转轨道的直径作为基线（等边三角形底边），恒星偏移的角度做为等边三角形的顶角，这样用初中知识就能算出这个恒星到地球的距离了。



自行和视差：地球从A点和B点看到的这颗恒星，相对于不动的背景有了变化，从右边变动到了左边

这就像测量土地或高山的测量员一样，如果知道基线和角度，就可以计算距离（实际上的计算涉及的计算要复杂的多，包括先分类，再利用恒星光谱库确定光谱光度型并得到绝对星等[4]，最终得出测光距离。这里就不写公式[5]了）。其实同理可知，这样不仅可以测量恒星的位置，还可以测量它移动的速度。当我们把银河中的每个恒星都确认了位置和速度，就可以利用计算机将数据转化为平面图，并且知知道它们是如何旋转的了。尤其是那些非常年轻的明亮的恒星，周围有氢气和微量的水组成的气体云，可以用更多的波段来定位其位置（因为新的恒星主要诞生在旋臂上）。



4亿光年外的NGC 7773，长得和银河系很像。by 哈勃

就像早期探险家绘制新大陆地图一样，天文学家不断的观测，不断的耐心细致地填补空白。



大量的恒星被定位后，就能大致描绘出疏密分布的图像了

同时，天文学家还是会利用很多其它星团和星系，来推测银河的结构。比如借助较年轻的疏散星团来确定银河系的旋臂结构和旋转曲线[6]。另一方面，由于银河系的直径距离超过10万光年，我们观测到的数据和实际的数据就会产生很大的时间跨度。也就是说，6万光年外的恒星，是它6万年前的样子。当我们观测到它时，它早已不在那个位置有6万年了。我们就必须要通过建模来弥补距离产生的误差，从而得到大致的形状。
中国的新发现

以上所有的信息，都有可能会被新的观测所刷新。就在上个月（2021年8月20日），上面说的“中国天眼”就在银河的边缘（距银心7万多光年）新发现了一个长达1.63万光年、宽675光年的像“蒲棒”一样的巨纤维结构，同时也发现了盾牌-半人马臂的延伸部分。为银河的图画又添了一笔。
尽管如此，现在的人类仍然不是十分确切的知道银河中间的棒状物和臂状体、以及隆起物和中心超大质量黑洞是如何共同作用形成银河系的。
接下来的十年，也许我们会了解银河更多一点。




黄石公园上空的银河 by Lori Jacobs

结语

磅礴恢宏的银河系的巨幅图像，像一团椭圆的光环，映在人类小小的眼瞳深处。宇宙广博宏大，银河系也不过是一粒渺茫而细微的尘沙，而人类连沧海一粟都算不上。对于亿万年生生不息的浩大宇宙来说，战争与和平，生死与爱恨，那些让我们倾尽一生去探索和追求的东西，都发生在恢宏的银河图景中一个比灰尘还要小的微不足道的暗淡蓝点上的一瞬。
人类像蜉蝣一般生活在这片广阔的太空中，但我们所拥有的生命，对于这个苍茫荒凉的宇宙来说，却堪称神迹。人类用有限而不息的生命，不断的睁眼看着宇宙，努力地去理解它，去描绘它，甚至想去征服它。[7]



银河中心处的景象。透过银河，我们能看到很多有名的梅西耶天体，如礁湖星云（M8），三叶星云（M20），恒星云M24，以及一些暗星云。by Miguel Claro (TWAN, Dark Sky Alqueva)

福安到安顺屏

上两个官方网站吧：
哈勃望远镜官网：
http://www.spacetelescope.org/images/欧洲南方天文台：
http://www.eso.org/public/images/

hughmini

通常意义的全景图有两种，不知道LZ说的是哪种：
1，通过相机拍摄到的真实照片拼接成的全景图：


这张照片是真实的，是由两位法国摄影师跑遍全球，拍摄数千张照片拼接成的真正的图像，它不是想象，不是模拟的效果，是相机得到的真实的曝光数据
资料：
摄影师拍摄千张照片合成银河全景图(图)_科学探索

还有一张比较有名的高清照片，原始文件像素值高达81亿：



所以问题来了，我们身处银河系的内部，怎么会拍到这样一张银河系的全景图呢？
会产生这个疑问，一是可能不知道360度照片拼接是什么，二是可能对银河系的大小没有一个起码的概念。
关于360度照片拼接，大家一定见过这样的照片：


这张相片里，一条本来很直（看人的影子就知道原本是直的）的路，怎么变弯了呢！原理很简单，向正东拍一张照片，然后向左转30度，再拍一张，然后再转30度...一圈下来，回到原点，你得到了12张照片，它们来自12个不同的方向；然后你把它们按拍摄顺序并排放在一起，你会发现——它和上图差不多！上图中左侧的道路和右侧的道路来自两个相反的方向。
回到这张全景图：


这张图的两侧的方向，实际上和中间的方向是相反的，当你的目光看到正中间时，你看到的是银河中心的方向；而当你的目光移到最左端或者最右端时，你看到的实际上是背离银心的方向。是的你没猜错，图像的两侧实际上是衔接在一起的。
至于银河系的大小问题，这是一个被很多人由于糟糕的教学配图而误解了的问题。还是举个形象的例子，如果太阳直径只有1个篮球大小，那么离它最近的另一个篮球大约在8000公里外。如此空旷的星际空间导致银河的照片看起来就像是我们身处它的外部。
那些看上去花花绿绿美美的星系啊星云图，是在原图基础上调了一下曲线、饱和度、对比度等，那些星系的颜色也不是凭空着色的，而是真实的颜色，只不过原片是经过了长时间曝光或者多张不同波段的照片叠加的，所以经过处理后能从黑白调出原有的颜色；还有些压根就不是可见光波段的照片，这些照片的修正也只是将原本不应被人眼识别的波段渲染出一个伪色彩，而那些纹理和对比度则都是真实的。
如果你玩过深空摄影，就知道拍出的原片都是黑白的，但用软件做线性拉伸就能调出原有颜色。
这是一个天文爱好者拍摄的NGC5457星系：你应该能看出来它是有颜色的，只是饱和度很低：


这是哈勃拍摄的NGC5457星系（可见光多波段叠加）：


哈勃的红外波段的NGC5457：



2，根据观测银河系、河外星系绘制的银河系模拟图：


这种图就是模拟的效果图了，但它也不是凭想象力捏造出来的。那么怎么画出悬臂的呢，怎么知道中间亮周围暗的呢？
举个例子，站在广场，某一个瞬间，测到东边1米有一个小孩，南边3米一个美女，西北方向10米有一位老人....（注1）
每测到一人，就把它们画在一张纸上，你在纸的中央，他们的位置则按你观测到的位置等比例投射；
这样，虽然你身处广场之内，等到这张图画完时，你仍然可以得到一个广场所有人的分布，于是一张效果图就出来了。
那么该如何拍到一张真实的来自银河系外的照片呢？
太阳系位于银河系盘面以北26光年（注2），距银心2.5万光年左右，这个位置的银盘厚度大概有几千光年，按8000光年算，我们以垂直于盘面的方向向北飞，即使达到光速，也要4000年后才刚刚勉强离开银河系，而目前人类的飞行器连光速的万分之一都达不到（旅行者1号的速度约为17km/s），你算算要多久才能飞出去？
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注1：关于对太阳系外天体的测距问题：如何测量两个天体之间的实际距离？ - 物理学
注2：“太阳系位于银河盘面以北”，等价于：当站在南极点时，太阳系在银河盘面的投影点位于地平线的上方。