关于银河系的结构，这些你都知道？

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几千年来，人们一直在苦苦思索，在整个苍穹之上的银河系。在近代，伽利略发现银河系由无数的恒星组成。然而直到20世纪天文学家才成功地破译了它的形式和它的真实性质。我的第三个发现与银河系的性质有关，不管用望远镜的哪个部分，都能找到大量的恒星，其中有几颗相当大，非常引人注目；然而小恒星的数量是绝对不可测，这些文字是1610年一个人用他自己建造的望远镜研究未知的世界，正是这项工作使他在历史上赢得了一个位置——伽利略。他所描述的这片区域简直就是这个世界之外的地方，在“星际信使”(Sidereus Nuncius)这本书中，这位意大利数学家和天文学家展示了他对木星、地球卫星和银河系的观测。



火轮：银河系，被称为星系，就像一个巨大的螺旋，大约有两千亿颗恒星，其中之一就是我们的太阳。图片：Robert Hurt/SSC/Caltech/JPL/NASA Robert Hurt

在那之前一直是个谜，而且首先是神话的主题。希腊自然哲学家德谟克利特早在公元前5世纪就宣称，天空中弥散的发光地带——非洲人称之为“黑夜的脊梁”——由无数的弱星组成。然而，伽利略发现之后，将近150年过去了，这个天体结构才再次成为科学研究的主题。达勒姆郡的托马斯·赖特认为，恒星被排列在一个类似磨刀石的平坦区域中，磨刀石延伸到整个天空。对他来说，银河系只不过是这个磨刀石的投影，德国哲学家伊曼努尔康德(Immanuel Kant)抓住了这一理论，并几乎发现了真理。在1755年出版的《自然历史》和《天体理论》一书中，他将银河系解释为一层延伸的、非常稀薄的恒星层。

太阳、地球和其他所有行星都是这一层的一部分——但不是在它的中心。根据视线，沿着层的平面或者垂直方向，人类可以看到不同数量的恒星。但是天文学家们是如何发现天空中银河系的可见景象是否反映了它实际的空间结构呢？18世纪末，弗里德里希·威廉·赫歇尔(Friedrich Wilhelm Herschel)设计出的恒星统计数据给出了一个解决方案：赫歇尔(Herschel)记录下了通过望远镜所能看到的所有恒星坐标和亮度。然而，这项任务失败了：除了这些测量的不可靠性之外——例如，尽管可以确定恒星的视亮度，但不可能确定它们的绝对光度和距离——还有一个根本的问题：银河系充满了星际物质、气体和尘埃云，它们吸收了恒星发出的光。


曲线：从侧面看，星系看起来像一个稍微弯曲的轮子，直径约为10万光年，厚度仅为5000光年，中央有一个明亮的球形凸起。图片：Helmut Rohrer

这模糊了中央地区的视野，也让人无法看到总体结构。由于这个原因，恒星统计数据不可能将系统作为一个整体来包含，而只能包含太阳周围半径约为10000光年的区域。这一突破直到20世纪中期才出现，那时天文学家学会了用不同的射电望远镜观察天空。氢是宇宙中最常见的元素，作为星际物质的一部分，中性氢(H1)填补了恒星之间的空间，从而也填补了银河系。这就意味着氢气云的分布可以追溯到整个系统的形状，类似于骨骼塑造人体的方式。但是这些宇宙“骨头”是如何被发现的呢？答案是由纳米宇宙提供的：在氢的基态中，原子核的自旋方向和环绕它的电子是反平行的。如果两个氢原子相撞，原子核和电子的自旋方向可能会翻转，最终彼此平行：一段时间后，它们会回到基本的反平行状态。

这个过程释放能量，能量以电磁波的形式辐射出来。这条线位于电磁频谱的无线电范围内。尽管星际物质的密度极低，但原子不断碰撞，使氢1区在这条氢谱线的光下发光。这种辐射几乎不受阻挡地穿透尘埃窗帘，可以被射电望远镜接收到。多亏了这扇通往宇宙的新窗户，天文学家们得以发现银河系的螺旋结构。然而在20世纪70年代，研究人员发现，仅靠氢不足以作为星系形态的指标，例如，它在旋臂中的集中程度低于预期。最重要的指标是星际分子云，星际分子云在一氧化碳光下发出辐射。现在对银河系的描绘逐渐变得可能。因此，这个星系(来自希腊词gala: milk)是一个弯曲的轮子，直径10万光年，厚度只有5000光年。带着黑洞的轮毂被一个球形的凸起的恒星包围着，这些恒星有一个内嵌的雪茄形状结构。距中心约15000光年，一个由尘埃和气体云以及恒星组成的环形延伸开来。


近距离观察：这张银河系中心部分的图片显示了一个1000 x 500光年的区域，由位于南非的MeerKAT望远镜拍摄，这是一个由64个无线电天线组成的系统。图片：SARAO

星系的特征是几只手臂，大多数都有人类观察它们的恒星星座的名字：人马座和珀尔修斯臂，诺玛臂和盾臂，3-基洛帕秒克臂和天鹅座臂。我们的太阳系位于猎户座臂上，距离中心26000光年，几乎在主平面上银河系包含了大约2000亿个恒星系统，被一个包含了数千个球状星团和由极薄的氢等离子体组成的球状区域所包围。整个星系都在旋转，靠近中心的旋转得更快，远离中心的旋转得更慢。这种微分旋转的曲线显示出不规则性是单凭可见质量是无法解释的。在这里，看不见的暗物质很可能起了作用，天文学家们还面临着另一个问题：尽管有旋转，螺旋臂并没有展开，而是保持了数十亿年的形状。对此的一种解释是，冲击波会在整个系统中传播，并将螺旋臂中的物质压缩，就像高速公路上的交通堵塞一样，研究人员仍在研究这些密度波的成因。

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