银河究竟有几条旋臂，这个天文学难题被中外科学家联手破解

著名杂志《科学美国人》近日刊登了由美国科学院院士M·里德和该校天文与南京大学空间科学学院郑兴武教授联合撰写的封面文章，总结了由南京大学及德国马普射电天文研究所K·门滕教授所领导的国际团队历经15年对银河系结构的研究成果。

该团队用甚长基线干涉技术精确测量位于银盘上近200个大质量恒星的距离和自行，得到银河系旋臂的结构、太阳系的位置以及它绕银河系中心旋转的速度，绘制出尺度为10万×10万光年的全新银河系结构图。该图是迄今最精确的银河系结构图。

这张迄今最精确的银河系结构图清晰地展示出银河系是一个具有四条旋臂的棒旋星系，这四条旋臂分别是英仙臂、人马—船底臂、矩尺臂和盾牌—半人马臂。基本解决了银河系究竟有几条旋臂这个天文学中长期悬而未决的重大科学问题。

1926 年哈勃按星系的形态把星系分为三大类:椭圆星系、螺旋星系和不规 则星系。后来由此分为椭圆星系、透镜星系、漩涡星系、棒旋星系和不规则星系五大类。

旋涡星系是观测到的数量最多、外形最美丽的一种星系；它的形状很像江河中的旋涡，因而得名。这类星系在其对称面附近含有大量的弥漫物质，从正面看，形状像旋涡；从侧面看，便呈梭状。仙女座星云、三角座星云都是这种类型的河外星系。

而棒旋星系则是一种有棒状结构贯穿星系核的旋涡星系。所以旋涡星系的代号为S型，棒旋星系的记为SB型。不管旋涡星系也好，棒旋星系也好一般都在S或SB后面另加a、b、c等英文字母，用来表示旋臂的出松紧程度，a表示最紧，c表示最松。

旋臂从棒的两端延伸出来，棒的长度有的可达宽度的5倍，有的棒旋星系甚至拥有几个大小不一的中心棒。在这类星系中，中心棒在整体性的旋转着，也就是说棒上离棒中心距离不等恒星都具有相同的角速度。而在棒之外，不同距离处的恒星的角速度各不相同。尘埃多聚集在棒的中央，而恒星形成区、气体云则分布在棒的两端。

在一开始，科学家认为银河系属于旋涡星系，只有2条旋臂，英仙臂和盾牌-半人马臂。一般来说，旋波星系的核球的形状接近球形的，但是银河系的核球比较方，由此科学家对银河系的分类产生了怀疑。

之所以会出现这样的情况，是因为银河系直径估计约为10万至18万光年，太阳系离银河系中心很远，且位置接近银盘中心面，因此我们所看到的旋臂都重叠投影在天球上而无法分辨，如果能精确地测定旋臂上足够多的天体到太阳的距离，就可以到银河系的旋臂结构。然而，在银盘上分布着浓密的尘埃和气体，对银河系旋臂上天体的光学辐射产生非常严重的消光，即使用大光学望远镜也只能看清银盘上6000光年以内的天体，这远远小于银河系的大小。

这也是为什么一开始科学界认为银河系只有2条旋臂，从而得出银河系是旋涡星系的原因。

后来随着射电和红外天文学的兴起。天文学家用射电和红外望远镜发现，银河系旋臂上的大质量恒星形成区中除了有光学辐射的天体之外，还有的、在光学不可见的射电和红外辐射天体以及孕育它们的冷分子气体和尘埃，它们都可以作为银河系结构的示踪天体。更重要的是，射电和红外辐射能穿透银道面上弥漫的星际介质（气体和尘埃），直达银河系的边缘。此基本上推翻了银河系是旋涡星系的论证。目前科学家认为银河系的代号是SBbc型（核球较小且旋臂缠绕宽松的棒旋星系）

著名科学家Bissantz和Gerhard在2002年根据核球的光度分布，得到了三轴棒结构与太阳-银心的夹角的最佳拟合值为20°~25°，长度约为3.5Kpc，三条轴的比例为1：0.4：0.3。此外，按照最新的测光研究和理论模型约束，银河系棒的半长轴约为4Kpc，棒的转动速度约为40Km/s/Kpc，银河系的共转半径约为4.6Kpc。

而这次，南京大学及德国马普射电天文研究所K·门滕教授所领导的国际团队花费15年的时间测量了银盘上163个大质量恒星形成区中脉泽源的自行和距离，结合国际上其他团组测量的37个脉泽源，共获得了银河系中近200个大质量恒星形成区的距离和自行。这些大质量恒星形成区在银盘上的分布清晰地勾画出4条主旋臂。更加确定了银河系是一个棒旋星系。

银河系的棒状结构是如何产生的呢？这个问题，科学界至今还没有答案，而旋臂为什么不会消失呢？

因为我们知道，旋臂是由星系的核心延伸出来的漩涡和棒涡组成的区域。这些长且薄的区域类似漩涡，旋涡星系的自转（棒旋星系是有棒状结构贯穿星系核的旋涡星系）是较差自转，当它们环绕星系中心作旋转运动时，星系最外围(边缘)的恒星运动得比接近中心的恒星更快，内部的自转角速度大于外部的角速度，旋臂本应当越缠越紧，最终完全缠绕在一起，最终使旋臂消失殆尽。

密度波理论认为，旋涡结构并不是永远由同一批物质组成。它实质上是物质集中处低引力势区的波动状图案。恒星并不是永远停留在旋臂上。恒星按照近于圆形的轨道绕星系中心旋转。在运动过程中，恒星将进入，然后再走出旋臂。恒星进入旋臂后由于旋臂区恒星密集和引力场强而减慢速度。但另一方面，速度的减慢又使恒星挤在一起 ，密度增大，引力场加强 ，因此，一旦出现了旋臂图案，这种图案将自行维持。

换句话说，旋臂由密度波波峰的迹线构成。波形图案并不与物质相联，而是以不同的角速度运动。相对运动速度平均约30千米/秒。正是这种运动维持了旋涡星系的规整外貌，也解决了固定物质旋臂因较差自转带来的缠绕困难。

准稳态密度波理论预言的年老恒星旋臂和气体旋臂的位置偏移

而恒星进入旋臂引力势阱后，在那里停留一段时间再随轨道运动出来。星际气体在进入悬臂时受到突然压缩，可能触发恒星形成，这也成功解释了成功地解释了明亮年轻恒星集中分布在悬臂上的现象。

那我们的太阳系位于哪里呢？研究团队发现，我们居住的太阳系不在四条主旋臂上，而非常接近于独立于这四条主旋臂的一条本地臂上。这条本地臂位于英仙臂和人马-船底臂之间，长度约为20000光年，比以前估计的要大得多，它的形状和包含丰富的大质量恒星形成区可与其他4条主旋臂类比。

本地臂或许不是孤立的臂段，极有可能是邻近英仙臂和人马-船底臂的一部分。太阳离银河系中心距离为26000光年，绕银心旋转速度为236千米/秒，即绕行一周大约要2.12亿年。太阳几乎在银盘的中心平面上，距中心面垂直距离约为20光年，比以前的估计值82光年要小。

这次的研究让我们对银河系的又迈进了一步，但是无论是对旋涡星系还是棒旋星系，我们的还是非常浅薄。

广阔的宇宙，还等着我们去不断探索！