我们的银河系好似一个“超级飞碟”

几千年以来，人们一直对银河系延伸到辽阔太空的几条螺旋条带感到困惑，伽利略·伽利雷是现代天文学之父，他通过自制的望远镜发现了银河系内难以计数的恒星，直到二十世纪，天文学家才成功地破解了银河系形状和真实属性的奥秘。1610年，伽利略在一篇天象观测的日记中写到，“这是我第三次观测银河系，无论使用望远镜观测银河系的哪一部分，我都能发现数量繁多的恒星，其中的一些恒星看起来非常大，十分令人震撼，另一些恒星看起来非常小，几乎难以探测它们的光线。”伽利略是将自制的望远镜对准天空的第一人，他的名字印入了现代天文学的教科书。

伽利略将一系列的观测结果汇编成了天文学史的一部经典著作——《星光使者》，这位意大利的数学家和天文学家在书中记录了木星的卫星、地球的卫星——月球和浩瀚的银河系。在伽利略的发现之前，这些天体的性质一直是神话“想入非非”的主题，充满了梦幻故事的色彩。公元前5世纪，古希腊哲学家德谟克利特注意到了银河系中弥漫光芒的螺旋条带，当时的非洲占星术士将银河系一环套一环的悬臂带称为“黑夜的脊柱”，在螺旋条带中点缀了无数的星星。

在伽利略过世后的150年，银河系的螺旋条带再次成为科学探索的主题，民间科学家托马斯·怀特相信，银河系的恒星被排布在一个十分扁平的区域，整个银河系看起来像一个巨大的磨刀石，怀特认为银河系不是别的什么奇异物体，而是一块巨大的磨刀石在天空留下的投影。近代哲学之父康德巧妙地借用了怀特的解释，康德的星系理论非常靠近了银河系的真实属性，他在1755年发表了自然哲学著作《自然通史和天体理论》，在书中提出了银河系结构的基本观点，银河系是一个在太空延伸的天体体系，含有非常稀薄分布的恒星，太阳、地球和太阳系的其它行星属于银河系薄层结构的一部分。

康德认为，太阳系的天体和其它恒星不在银河系的中心，而是处在银河薄层结构平面的视线方向，或在垂直于薄层结构的平面上，人们可以看到不同数量分布的恒星群。然而，康德时代和以前的天文观测并不可靠，比如：当时的观测技术确定了恒星的视线亮度，却确定不了恒星的绝对亮度，距离测量是确定恒星绝对亮度的一个基本参数。银河系充斥了各种星际物质，气体和尘埃云吸收和折射了恒星发出的光，星际物质阻碍了恒星光的传播，造成了银河系中心区域十分模糊的图像，当时的天象观测者看不清银河系包罗万象的复杂结构。

使用恒星统计学方法可以确定，太阳系结构大约1万光年的直径区域，却确定不了银河系结构大约10万光年的直径区域，直到二十世纪中期，天文学家才实现了观测技术的突破，通过射电望远镜重新发现了银河系的构造。氢原子是宇宙中最常见的物质元素，星际物质主要元素的中性氢原子充斥在恒星之间，从银河系内氢气体云的分布可以追溯整个银河系的形状，好似医生从X—射线图片看到了人体的骨骼结构，如何看清宇宙结构的“骨骼”？科学家构想了“纳米宇宙”，在氢原子的结构中，一个质子构成了原子核，在氢原子核外，一个电子的旋转方向与原子核的旋转方向相反。

假如两个氢原子发生了碰撞，那么氢原子核和核外电子的旋转方向可能会发生翻转，导致原子核和电子的旋转方向相同，经过一段时间的调整，氢原子核和电子的旋转方向回到之前的相反方向，原子核和核外电子的旋转方向从相反到相同，再从相同到相反，如此的循环过程伴随了能量的释放，辐射能量以电磁波的形态向外传播，电磁波谱线在射电的范围，天文学家通过射电望远镜接受了射电信号。星际物质的密度极低，其中的氢原子不断地发生着碰撞，氢原子谱线或氢线不受阻碍地穿越太空尘埃的“幕墙”，最终到达了地球上的射电天文台。

宇宙没有关闭所有观测波段的“天窗”，人类在天文认识上孜孜以求，感谢“宇宙大帝”开启了射电观测的窗口，天文学家将射电望远镜对准了深邃的苍穹，终于摸清了银河系的悬臂结构。1970年代，天文学家发现，仅将氢原子作为一个发现星系形态的指示器还不够，氢原子在银河系螺旋条带的分布密度较低，可以将另外的物质粒子作为星系结构的显示物，星系分子适合作为星系结构最重要的指示器，一氧化碳的星际分子发出了辐射，通过分析一氧化碳分子的辐射信号，天文学家重新确立了银河系结构的特征。

“银河”一词出自于希腊语词汇“牛奶”，银河系的外形好像一个弯形的车轮，直径大约为10万光年，银心厚度只有5000光年，银河边缘的厚度大约为3000至4000光年。银河系中心藏有一个超大质量的黑洞，一个含有密集恒星的凸起构造笼罩了超大的银心黑洞，在银河系中心的平面上嵌入了一根“超级雪茄”，看起来好似一根横亘在银心平面的擀面棍，天文学家因此将银河系定义为“棒旋结构”。银河系中间厚，边缘薄，有四条旋臂，它们主要由星际物质构成，分别是猎户座旋臂、英仙座旋臂、人马座旋臂和三千秒差距悬臂。 二十世纪七十年代，天文学家通过对银河系一氧化碳分子分布的观测发现了第四条旋臂，这条悬臂跨越了狐狸座和天鹅座，与银心的距离为4000秒差距，但被称为三千秒差距悬臂，这条悬臂正以大约50千米/秒的速度向外膨胀。

银河系和其中的太阳系都在旋转，太阳系以250千米/秒的速度绕银河系中心旋转，每旋转一周大约需要2.5亿年，太阳与银河系中心的距离大约26000光年，太阳位于猎户座旋臂的内侧。银河系由旋臂银盘、中央突起的银心和晕轮三个部分组成，太阳晕是由银盘外稀疏的恒星和星际物质组成的球状外壳。银河系含有2000多亿颗恒星，所有恒星绕银心旋转，各自形成了旋转速度不同的“旋转曲线”，靠近中心的恒星理论上旋转得快，远离中心的恒星旋转得慢，然而，实际测定的旋转曲线出现了不规则性，如何解释恒星绕转速度的不规则性？银河系内可见的物质数量难以解释，天文学家设想了一种看不见的物质形态或“暗物质”，但至今没有发现理论假设的暗物质。

除了银河系内的暗物质谜题，天文学家面临了其它的难题，其中之一是银河系悬臂的无缠绕性，银河系的四条螺旋条带在数十亿年的旋转中依然保持了原有的基本形态，没有发生相互混合的缠绕现象，天体物理学家找到了一个激波理论的解释方式，某种在整个银河系扩散的物质波压缩了悬臂内的星际物质，压缩效应好比在高速公路上发生了交通阻塞，原本畅通的高速公路看起来好似一个条带状的巨型停车场。激波或物质密度波是如何产生的？天体物理学家目前没有给出详细的解释。

（编译：2021-8-21）