我们如何通过观测确定银河系的模样

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你印象中的银河系是什么样子的？大约都知道银河系是一个中间厚边缘薄的盘状旋转的巨大星系，包含数千亿颗恒星，直径超过10万光年，而我们的太阳系就处在这个盘的偏向外缘的位置。




图1你只需要一个晴朗的空气很清新干净的地方观察夜空，你就能直接看到，或者用一台好一点的相机就可以拍摄下来。图2你可能在电视上、书上、网上等等看到。那么图2是怎么得来的呢？反正不可能站在银河系的外面某个地方拿个相机拍一张照片吧？
已知人类文明不过5000多年，人类发射的最远探测器旅行者一号距今不到50年，飞行距离200多亿公里，基本上就是大概飞出了太阳系的范围。说人话就是：1光年大约是9.46万亿公里，哪怕在5000年前用光速离开地球，到现在也就距离地球5000多光年，对比银河系直径的十几万光年根本不是一个数量级。可以悲观的说，地球上的人类或许永远都没有机会到银河系的外面拍下一张银河系的全景照片。
那我们是如何观测银河系的呢？答案是望远镜。你一定通过不同的媒介见过各种不同的望远镜。



普通的光学（反射、折射）望远镜

古时候伽利略机缘巧合发现透镜折射发明了望远镜。通过这种望远镜，可以清楚的看到月球上的环形山。但是对于更远的星空，地球上的望远镜就会受到地球大气层以及大气层中的各种物质干扰（大气层中有各种尘埃粒子会遮挡远方星空的光，还会发生散射折射之类；另外受地球引力影响大气层越往上空气越薄，本身就会发生透镜式的折射现象），于是发明了在地球外面的空间望远镜。



哈勃空间望远镜

由于空间望远镜的体积大小限制，以及观测不可见光线波段的无线电波方面的技术进步，发明了射电望远镜。光的本质是电磁波，电磁波有波长，不同波长的电磁波有不同的特性。


实际上我们在可见光波段内所能看到的星空绝大部分都还在银河系范围内。肉眼可见的恒星与地球的距离大都没有超过1000光年，我们所熟知的天狼星、大角星、织女星、牛郎星等恒星离地球都只有几十光年。少数的肉眼可见恒星离地球比较远，例如，位于2600光年外的天津四，位于7500光年外的海山二。只有极少数肉眼可见的恒星位于1万光年之外，最远的可能是位于1.6万光年外的仙后座V762。


银河系范围只外肉眼可见的河外星系只有四个，分别是大麦哲伦星系、小麦哲伦星系、仙女座星系与三角座星系，它们看起来都是一团暗淡的光斑。宇宙实在太大了，星系之间的距离动辄数百、数千、乃至数亿光年，遥远星系发出的光到达地球时已经暗淡到肉眼不可见。俗话说不识庐山真面目，只缘身在此山中。你在一栋大楼某一层的某一个小小的房间里，怎么能知道整栋楼是什么样子的呢？而且宇宙空间中有很多很多不发光的星际物质，包括一些沉寂了的恒星、行星、陨石彗星以及星际尘埃，这些物质会遮挡远方的星系和恒星的可见光到达地球（地球黑夜的原因之一），但是就无法有效的阻挡红外波段的电磁波。



FAST天眼（500米口径球面射电望远镜）

射电望远镜就是观测远红外的无线电波的望远镜。波长越长，穿透力越强，抗干扰力就越强。所以大气层就不会影响了，也就可以建造在地球表面了。更甚者，可以通过在地球不同位置建造多个射电望远镜，组成望远镜阵列，就等于一个直径和地球一样大的望远镜。相机界有一句话叫“底大一级压死人”，望远镜也是一样的，口径越大能接收到的电磁波就越多，观测效果就越好越精细。通过射电望远镜从不同方向观测红外波段的光，就能观测包裹地球的整个银河系。
现在又要引入一项新的概念：建模。3D建模和3D打印，本质类似于堆积木。你只要知道每一块积木的准确堆放位置，就能把一堆零散的积木组成一个特定形状的积木集。同样的道理，只要把各个方向观测到的数据统计起来进行3D建模，就可以知道银河系的大致形状。注意：是大致形状。
因为电磁波从遥远的星体到达地球是需要时间的，而银河系的直径距离超过10万光年，也就是说电磁波从银河系的这一边传到另一边所需要的时间超过10万年。所以，因为距离的跨度，我们观测到的数据和实际的数据就会产生时间差，距离跨度越大产生的时间差越长，时间差距越长，误差就越大。大致可以理解为，我们观测到8万光年以外的恒星，是它8万年前的样子。而这过去的8万年，它的位置和现在的实际情况已经发生了变化。这样一来，我们通过观测到的数据建模得到的模型，因为距离产生的误差，只可能得到大致的形状。
当然，随着观测到的数据积累以及通过足够的数据进行推算和演化，最终建模得出的结论会越来越趋向于准确。90年代普遍认为银河系是一个像仙女座星系一样的漩涡星系，正是因为技术进步和观测数据的积累，现在已经广泛认为银河系是一个棒旋星系。



仙女座大星系，Andromeda Galaxy;M31;NGC 224

<hr/>本文都是我自己的理解和表述，意在通俗易懂的说明大致情况，没有严格的数据计算，可能不够科学严谨。引用的图都是网上找的，如有侵权，请联系。