银河恒星知多少？——天文学家是如何数星星的

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原作：Elizabeth Howell

翻译：黄婧

校译：周学云

编排：黄卓尔

后台：库特莉亚夫卡 李子琦 徐⑨坤 胡永葳

原文链接：https://www.space.com/25959-how-many-stars-are-in-the-milky-way.html

银河系有多少颗恒星？

夜空摄影师Amit Ashok Kamble将10张在新西兰Pakiri海滩上拍摄到的照片进行合成后，最终呈现出了这张令人惊叹的银河系全景图。日期为2014年5月5日。

图源：Amit Ashok Kamble

银河系是地球所在的星系。在晴朗的夜晚，从地球上可以看见银河系的一部分，像一条厚厚的星带横亘天空。我们用肉眼就能看到其中的上千颗恒星，如果用望远镜的话能看到更多。但是，银河系中究竟有多少颗恒星呢？

银河横亘天空

图源：New Scientist

纽约伊萨卡学院的一位助理教授David Kornreich表示：“这是一个令人惊奇的问题，并且很难回答。一般说来，你不可能坐在那里，数一个星系中的恒星。”这位教授是康奈尔大学“向天文学家提问”服务的创始人。

即使是明亮、巨大、离地球相对较近（仅230万光年）的仙女座星系，也只有最大的恒星和一小部分变星（尤其是造父变星）拥有足够的亮度，使得我们可以在这个距离从望远镜中看到它们。一颗太阳大小的恒星对我们来说就太难看见了。所以，天文学家们利用以下一些技术进行了估算。

银河系的结构

通过观察，天文学家们知道了银河系是一个棒旋星系，直径约10万光年。从星系外的角度来看，会发现银河系中心隆起，被五个旋臂环绕，分别是：英仙臂、猎户臂、人马臂、南十字臂（盾牌-半人马臂）、矩尺-天鹅臂[1]。

银河系结构

图源：https://otherwise.com/gallery/，牧夫天文汉化

银河系周围还有一个巨大的热气晕，直径达几十万光年。天文学家猜测这个“晕”的质量和银河系所有恒星的质量总和不相上下。其实，银河系中的很多恒星都很难看到。这是因为银河系的中心有一个充斥着恒星、气体和尘埃的星系核球，以及一个特大质量黑洞。

这个区域的物质太厚了，即使利用世界上最强的望远镜也无法看穿它。天文学家们不确定这个核球是何时以及如何形成的。一些人认为，银河系早期与另一个星系发生碰撞之时，它的历史就已经被改写了。

天文学家曾经认为，宇宙中的所有恒星都位于银河系内。但这个想法在20世纪20年代发生了变化。1924年，美国天文学家爱德温·哈勃和米尔顿·赫马森由造父变星的周光关系测量出仙女座星系的距离注1，发现其远在银河系范围之外，银河系本身便是无数星系中的一个[2]。

工作中的哈勃

图源：

https://sputniknews.com/science/201411201014961234/

如何确定银河系质量

天文学家估算一个星系中的恒星数量时，主要采取确定星系质量的方式。而确定质量则通过观察星系旋转，以及利用光谱学方法观测它的光谱。

所有星系都在互相远离，导致它们的光会向光谱的红端移动（波长变长），即多普勒“红移”现象。然而，在一个旋转的星系中，有一部分将更多地呈现“蓝移”，因为这部分在轻微地向地球移动。在进行估算前，天文学家还必须知道星系的倾角或方向。有时，星系的倾角和方向只是一种“有根据的推测”，Kornreich说道。

“长缝分光（long-slit spectroscopy）”技术最适合进行此类工作。像这样，通过一个细长的狭缝来观察一个细长的物体（比如一个星系），然后用一个设备（如棱镜）对光进行折射。这样就把恒星的光分成了彩虹的颜色（即光谱，译者注）。

其中一些颜色会有缺失，显示出和元素周期表中某种元素相同的光谱特征。这将帮助天文学家发现恒星中都有什么元素。每种类型的恒星都有着独一无二的“化学指纹”，并且会在望远镜中显示出来（这就是天文学家用来区分恒星类型的OBAFGKM序列的基础）。

任何型号的望远镜都可以做这种光谱学工作。Kornreich经常使用位于加州理工学院帕洛玛天文台的200英寸（5米）望远镜。但他补充说，几乎所有合适尺寸的望远镜都可以。

当然，理想状态是使用轨道上的空间望远镜。因为地球大气层中的光污染和某些自然现象，例如，即使是像日落这样简单的天象，都会产生散射光，影响地面望远镜工作。Kornreich补充道，哈勃空间望远镜是一个以此类工作闻名的观测台。另外一个就是还未发射的“鸽王”——詹姆斯·韦伯望远镜了，最新的消息有望在今年年底11月或12月初发射。不过显而易见的是，即使有了继任者韦伯望远镜，对于哈勃的需求依然很大。毕竟，这些观测台不可能把所有时间都花在估算星系质量上。

（题外话：令人望穿秋水望眼欲穿的韦伯望远镜发射时间可谓是波折连连，一转眼已经从2020鸽到了2021。再次鸽了原定于今年万圣节的发射时间后，目前最新的时间估计是今年11月份或12月初。）

哈勃望远镜拍摄的NGC 1300星系照片，这是一个典型的棒旋星系

图源：NASA ; ESA ; HUBBLE HERITAGE TEAM, STSCI/AURA. P. KNEZEK, WIYN

星系中恒星的质量占据多少？

在相同质量的不同星系间，恒星类型和总体质量可能会有差异。Kornreich警告道，这很难笼统地概括，但是一个差异可能在观察椭圆星系和旋涡星系时发现。因为椭圆星系更古老，所以往往比旋涡星系拥有更多K型和M型红矮星。而且它们的气体比较少，因为在演变的过程中这些气体就被吹散了。

一旦一个星系的质量被确定下来，另一件棘手的事情就是弄清楚其中有多少质量是由恒星组成的。事实上，星系的大部分质量都由暗物质构成。虽然这种物质不发光，但人们相信它占据了宇宙的大部分质量。

Kornreich说道：“你必须对星系建模，看看是否能知道在这质量中有多少比例是恒星的。在一个典型的星系中，如果你通过观察旋转曲线来测量质量，那么其中90%左右都是暗物质。”

哈勃望远镜拍摄的NGC 6302蝴蝶星云照片

图源：NASA ; ESA ; HUBBLE HERITAGE TEAM, STSCI/AURA. P. KNEZEK, WIYN

由于星系中剩下的大部分“东西”是由弥散的气体和尘埃组成的，Kornreich估计大约3%的星系质量由恒星占据，但这可能会有变化。更进一步地说，恒星本身的大小有很大不同，从太阳那么大，到比它小几十倍或大几十倍都有可能存在。而恒星的数量也只是一个大概……

那么有没有什么方法能确定到底有多少颗恒星呢？答案是，目前没有精确的方法，只能估算。有一种观点认为，银河系大约拥有1000亿个太阳的质量，因此最简单的办法就是将其转化为1000亿颗恒星（考虑到恒星有大有小，这只能认为是一个平均值）。然而，银河系质量还是太难估算了。另外有观点认为银河系质量在4000亿到7000亿个太阳之间。

欧空局的盖亚探测器正在绘制银河系中大约10亿颗恒星的位置图，它的目标是制作有史以来最好的银河系三维星图。欧空局表示，盖亚将绘制银河系中1%的恒星。所以从这里可以看出来，欧空局认为银河系大约有1000亿颗恒星。

Kornreich表示，需要注意的是，这些数字都是估算的数值。更先进的模型可以使得这个数值更加准确，但很难挨个数清楚并肯定地告诉你银河系中到底有多少颗恒星。

所以，“银河系拥有1000亿颗恒星”就是这么来的，不知道未来这个数字又会有什么变化呢？

注释

注1：哈勃当时并不清楚造父变星分为两类，即I型和II型，它们遵循不同的周光关系，正是由于这个原因，哈勃计算出的M31距离只有75万光年（但也足以说明M31独立于银河系之外了），虽然他之后又修正为150万光年，然而仍偏小，现今测得M31的距离为254±0.06万光年。

参考资料

[1]苏宜编著，天文学新概论（第五版），北京：科学出版社，2019.11，41页

[2]天文学家的量天尺：造父变星，https://www.yangtata.com/view/6744516257619411460，2019-12-16

责任编辑：周学云

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来源：NASA

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