银河系的结构是怎样被人类发现的？

银河系的结构是怎样被人类发现的？

要回答这个问题，我们要先回顾人类探索和研究银河系的历史。

久居城市的人们由于光污染，或许已经意识不到银河的存在了，但30多年前笔者还是小孩子的时候，夏天夜里在院子里睡觉，半夜醒来经常能看到夜空中一道淡淡的白色光晕，就像一条小河，静静地在天上流淌。在古代中国，人们称其为天河，相传是王母娘娘为了隔开牛郎织女而用簪子在天上划出来的。汉代乐府诗《迢迢牵牛星》里有一句“河汉清且浅，相去复几许？”，三国时大军阀兼诗人曹操的名诗《观沧海》中有一句“星汉灿烂，若出其里”，这里的“河汉”、“星汉”指的都是这道天河。

而在古代西方世界，它却被称作“Milky Way”（奶路），相传是古希腊神后赫拉的奶水飞溅所致。在古埃及神话里，它是由牛奶组成 ；有趣的是，在南太平洋的毛利人眼里，天上那道白色的东西是他们的大神Tama-rereti的独木舟。但就是想象力最丰富最大胆的人也没料到：我们在天上看到的灿烂繁星，只是它的一小部分。

哥白尼宇宙体系，最外层是恒星天

1609年伽利略独立发明了望远镜之后，决定用它来研究天文学。他把望远镜指向了银河，发现它是由无数的小星星组成的。这是人类开始研究银河系的最初一步。然而这个时候，大多数人，包括大天文学家哥白尼在内，还和古希腊天文学家一样，认为天上的星星都镶嵌在一个薄薄的称为“恒星天”的天层上，只有天才思想家布鲁诺大胆猜测：那些或明或暗的光点都是一个个的太阳，换句话说， 太阳和天上的恒星没有什么区别，那么恒星就不可能是附着在一个薄层结构上的。

1718年，罂国天文学家哈雷注意到恒星的自行现象（恒星在天上也在缓慢地运动，这种现象叫自行），古老的恒星天镶嵌说不攻自破，于是到18世纪中叶，有两个学者开始思考恒星的运动和秩序问题，他们一个是罂国的学者托马斯·赖特（Thomas Wright, 1711-1786），另一个是大名鼎鼎的德意志哲学家伊曼努尔·康德。前者在1750年发表了一个假说，认为银河是我们太阳系所属的一个大的天体结构的投影，我们不过是身处其中罢了。这个思想启发了哲学家康德，于是他很高兴地认识到，虽然恒星到处乱跑，但并不是毫无秩序，银河系就是更高一级的秩序。在康德1755年出版的哲学著作“自然通史和天体论”里，他一再提到赖特的猜想，并毫无保留地接受和宣传了赖特的另外一个猜想：天空中那些暗弱的云雾状天体，就是一个个的星系（19世纪时称之为“宇宙岛”）。

托马斯·赖特，1711-1786‍‍

伊曼努尔·康德

这些思想无疑是激进和革命性的，但从科学上讲，这些猜想并没有可靠的证据支持，跟扯淡也差不了多少。又过了30年，罂国天文学家威廉·赫歇耳注意到，天空中星星的分布并不是均匀，他下决心搞清楚这个问题，于是他把天空划分成面积相等的683个区域，然后用望远镜逐个观测，计数每个区域里他能看到的恒星的数目，这个工作进行1083次，持续了好几年，到1785年为止他一共数出了117600颗恒星。赫歇耳发现，越靠近银河平面（即现代所谓银道面），天空单位面积内的恒星数量就越多，而与银河平面相差90°的地方（即现代所谓银极），单位面积的恒星数量最少。

1785年赫歇耳绘制的银河系恒星分布图，太阳位于银心

赫歇耳据此认为：天上的恒星都均匀分布在一个带分叉的类似薄透镜形状的东西里（赫歇耳认为它的直径是6000光年，厚度约1100光年），太阳系位于这个天体结构的中心附近，朝向垂直于透镜平面的方向看去，能看到星星少，而朝向着透镜平面的方向看去，能看到的星星多，由于这个方向星星过于密集而无法将其区分开来，所以形成了云雾状的白色光带。这是人类第一次科学地认识到银河系的存在。

早期观测者罗斯伯爵三世(威廉·帕森斯，1800-1867)手绘的M51观测图

不过，赫歇耳认为太阳系位于银河系的中心附近，这就过于草率了。此外，银河内有一些明显缺少星星的暗区，其成因也是赫歇耳当时解释不了的。此外，天文学家已经发现了夜空中有很多暗弱的云雾状天体（人们称之为“星云”），例如麦哲伦环球航行时在南天星空发现了两个明显的星云（大麦哲伦云和小麦哲伦云），它们是属于银河系，还是在银河系之外？康德等人认为它们是银河系外其他恒星组成的宇宙岛，而赫歇耳等人却发现有些星云从望远镜里看去呈现出漩涡状结构，而且大口径高分辨率的望远镜能够把它们分解成密集的暗弱恒星，而有些星云用望远镜怎么看都还是云雾状的。

螺旋星系M101，旋臂明显可见

猎户座大星云，这样的气体星云无法用望远镜分解成恒星

19世纪中叶天体物理学兴起之后，人们试图用光谱研究来解决这个问题，但观测结果反而把问题复杂化了。这个问题困惑了几代天文学家和学者，也曾引起恩格斯的兴趣，1876年他在《自然辩证法》手稿里指出：“一部分气状星云，作为还没有形成的太阳，属于我们的星系，这并不排斥这样的情况：另一些星云，如梅特勒所主张的，是很远的独立的宇宙岛，这种宇宙岛的相对发展阶段要用分光镜才能确定。”天文学后来的发展证明，他的猜测大体是正确的。

进入20世纪，人们对银河系和宇宙岛的了解并没有比18世纪增加多少。1906年，荷兰天文学家雅各布斯·卡普坦继续了威廉·赫歇耳的工作，只不过这次囊括了南天星空。在他的倡议下，世界各地的天文学家开展合作，把整个天球分成若干等面积的区域，从中随机抽取了206个区域，分别计数其中能看到的恒星数目。根据计数的结果，卡普坦认为银河系直径为55000光年，厚11000光年，大体呈透镜状，太阳位于其中心附近，距离银心2,000光年。卡普坦的银河系比赫歇耳的银河系大了9倍，尽管这已经突破当时人们想象的极限了，但现在我们知道，这和真实的银河系（直径100000到180000光年）比，还是相差了一半。但更重要的是，卡普坦依然认为太阳系位于银河系中心附近。

哈洛 · 沙普利，1885-1972

首先搞清楚太阳系位置问题的是美国天文学家哈洛 · 沙普利（Harlow Shapley，1885-1972）。人们用小望远镜发现夜空中有一些暗弱的圆形斑点，从大口径望远镜里看去是由成千上万乃至数十万恒星密集聚集在一起形成的，这种天体被称为球状星团。沙普利注意到当时已经发现的93个球状星团中约有1/3是位于人马座方向的，考虑到人马座的面积只占天空面积的2%，如果我们假定球状星团的分布在实际上是均匀的，那么这种视觉上的反常聚集只能有一种合理解释：我们的太阳严重偏离球状星团的分布中心。沙普利相信球状星团是银河系内的天体，它们的分布中心就是银河系的中心，它们的分布范围就代表了银河系的范围。因此，只要测量了球状星团的距离，那么银河系的大小和太阳系的位置这两个问题也就迎刃而解。

大望远镜下看到的球状星团

可由于观测精度的限制，20世纪初人类只能用三角测量法精确测量太阳附近一个很小范围内的恒星的距离，要测量球状星团的距离必须另辟蹊径。我们知道天体看上去有亮有暗，这种视亮度的差异并不能代表天体真实发光能力的强弱（术语叫“光度”），夜晚的月亮比任何星星都亮，但这并不能说明它真实的发光能力就比那些恒星强，我们都知道那仅仅是因为月亮离我们非常近。因此，天文学家引入“绝对星等”的概念来表示天体的光度，也就是说，假设那些天体都在距离我们32.6光年处发光，这个时候能看到的亮度、测出的星等就是它们的绝对星等。知道了一个天体的距离和视星等，我们可以用一个简单的公式计算出它的绝对星等，例如，已知太阳距离我们8光分，视亮度为-26.74等，它的绝对星等可算出来为4.83等；反过来，如果通过某种渠道知道了天体的绝对星等，再观测出它的视星等，我们就可以计算出它的距离。现在问题归结为如何用物理方法间接推算出天体的绝对星等。

亨丽爱塔·S·勒维特，因癌症英年早逝

天空中有一些恒星的亮度会周期性变化，其中一类恒星的光变规律比较一致，它们的代表星是仙王座δ，因此被称为“仙王座δ型变星”，由于仙王座δ在中国古代被称作“造父一”，所以这类变星在中文世界被称为“造父变星”。1912年哈佛大学天文台的天文学家亨丽爱塔·S·勒维特（女，1868-1921）在研究大小麦哲伦云内的造父变星时发现，它们的光变周期和它们的视亮度存在简单的线性关系：造父变星的光变周期越长，它的视星等就越亮，由于位于同一个天体内，这些造父变星与地球的距离都差不多，这就意味着造父变星的光变周期和它们的光度有关，这种关系被天文学家称为“周（期）-光（度）关系”。如果天文学家能通过观测确定一颗造父变星的光变周期，就有可能根据周-光关系预测它的光度。沙普利得知了勒维特的发现，他在1915年设法解决了利用造父变星的周期计算光度的问题，从而为用造父变星测量天体距离扫清了障碍。

造父变星的周-光关系，横轴为光变周期，纵轴为绝对星等

1914年沙普利借助威尔逊山天文台的1.5米口径大望远镜仔细研究了一些球状星团，他从中识别出一些造父变星。沙普利运用自己发现的新方法，测定了3颗球状星团的距离。受此鼓舞，他又运用天琴座RR型变星的类似周-光关系，测定了4颗球状星团的距离，之后他又从这七个已知距离的球状星团中计算球状星团中最亮恒星的绝对星等，假定所有球状星团的最亮恒星都是一样亮的，据此又间接推算出21颗球状星团的距离。最后他又用了一个巧妙的办法，估计了另外41个球状星团的距离：我们知道两个尺寸相同的天体，离我们远的看起来小，他从已知的球状星团的视直径和距离估算了球状星团的真实直径，然后计算了球状星团的平均直径，假定剩余那些球状星团的尺寸是平均直径，然后根据它们的视直径反推它们的距离。

就这样，掌握了球状星团方位和真实距离之后的沙普利最终确定银河系的直径是30万光年，厚3万光年，银心在人马座方向，太阳距离银心5万光年。继哥白尼打破了人类所在的地球居于宇宙中心的迷思之后，沙普利又打破了人类所在的太阳系居于宇宙中心的美梦。

但是宇宙岛问题并没有解决，围绕天空中那些模糊的斑点的争论仍在继续。1920年4月26日，在威尔逊山天文台台长乔治·海耳（George E. Hale）的提议下，美国国家科学院召开了一个讨论宇宙的尺度问题的辩论会。哈洛 · 沙普利和里克天文台的天文学家希伯‧柯蒂斯（Heber D. Curtis）各自进行了40分钟的演讲，天文学史上有名的“大辩论”（Great Debate，又称“沙普利-柯蒂斯之争”，Shapley–Curtis Debate）拉开了帷幕。辩论中沙普利介绍了他测量银河系大小的方法，坚持认为银河系的直径为约30万光年，而柯蒂斯则认为沙普利的方法不对，银河系的大小只是沙普利估算值的1/10，而他利用仙女座大星云的新星的亮度估算仙女座大星云的距离为33万光年，因此仙女座大星云肯定是银河系外的天体。因为柯蒂斯口才比较好，所以当时人们认为辩论中他略占上风。

埃德温·哈勃，1889－1953

最终解决宇宙岛问题的是美国天文学家埃德温·哈勃（著名的哈勃太空望远镜就是用他的姓氏命名的），1923年他使用威尔逊山天文台的2.5米口径大望远镜在仙女座大星云的旋臂上发现了造父变星，在精心测量了这颗造父变星的光变周期之后，他运用沙普利确定的周-光关系公式，算出来它距离我们大约90万光年，不论是柯蒂斯的银河系模型还是沙普利的银河系模型，都远远小于这个数值。据说沙普利收到哈勃的信之后沮丧地说了一句话：这封信摧毁了我的宇宙。不过沙普利也不是一败涂地，他关于太阳系位于银河系偏远地带的观点就是正确的，而柯蒂斯的相应观念反而是错误的，正确的银河系模型是他们俩人各自正确观点的综合。

Hooker望远镜，口径2.53米。哈勃用它测量了仙女座大星云的距离

20世纪30年代，天文学家发现了星际消光现象，就是星系内部大量的气体和尘埃削弱了遥远的天体发来的光线，就像给我们戴了一副太阳镜一样，降低了遥远天体的亮度。这既解释了银河中间何以有大片缺少恒星的暗区，也解释了卡普坦、柯蒂斯等人何以低估了银河系大小和仙女座大星云的距离，把他们的观测结果用星际消光效应校正之后，就能得到相对正确的银河系尺寸了。

尘埃和气体云组成的暗星云挡住了背景恒星的光，形成一个空洞‍‍

天文学家也发现了沙普利高估银河系尺寸的原因：他所发现的球状星团内的造父变星，其实是室女座w型变星，这种变星的光度比相同光变周期的造父变星要低，结果导致沙普利算得的球状星团的距离比实际距离大了不少。

解决了银河系的尺寸问题，接下来的问题就是，银河系具体是什么样子的？北宋诗人苏轼在《题西林壁》中写道“不识庐山真面目，只缘身在此山中”，我们可以看到南京大学的新闻稿里也同样引用了这句诗。由于我们身处银河系内部，因此也很难直接拍到银河系的全貌，只能根据蛛丝马迹来推断银河系的样子。类比是我们一开始采用的办法。经过哈勃的工作，我们已经知道宇宙间存在着大量类似银河系的星系，因此对河外星系的研究在很大程度上可以推进我们对银河系本身的了解。例如，1926年哈勃把星系分为椭圆星系、透镜星系、螺旋星系和不规则星系，根据天文学家对银河系的观测，可以把银河系归类入螺旋星系，那么我们就可以通过观察螺旋星系的样子来想象银河系的样子，即银河系由位于中心的银核、从银核引出的旋臂（二者组成了银盘）和包围银河系盘面的球形的银晕组成。又如，1943年，美国天文学家沃尔特·巴德通过对仙女座大星云的研究，确认恒星可以区分为星族I和星族II，很快这个结论就推广到银河系内，人们还确定太阳也属于星族I，等等。

仙女座大星云

螺旋星系都有旋臂，然而银河系的旋臂由于星际消光的影响，在光学波段很难观测（6000光年外的银河系恒星发出的可见光已经难以被地球上的天文学家观测到了）。20世纪50年代射电天文学兴起，由于无线电波和红外线受星际物质消光效应的影响较小，因此天文学家得以运用21厘米谱线和红外线描绘出银河系漩涡结构和旋臂的分布。1952年，射电天文学家首先利用21厘米谱线绘制了银河系内中性氢的分布状况，这幅图清晰地呈现了银河系的旋臂结构。根据射电天文学家后来的研究，银河系有4条主旋臂，分别被命名为“盾牌座-半人马座（方向）旋臂”、“英仙座旋臂”、“矩尺座旋臂”和“人马座旋臂”，另有两条支旋臂，其中“3KPC支臂”是英仙座旋臂附近的一个支旋臂，另外一个叫“猎户座-天鹅座支臂”，我们太阳系就位于这里。

通过21厘米谱线绘制的银河系内中性氢分布图

在我上小学和中学的时候，银河系被认为是一个拥有三或四个旋臂的正常漩涡星系（哈勃分类为Sa），拥有一个球形的银核，通常人们会用仙女座大星云等漩涡星系的照片来向我们科普银河系的形状。但到了20世纪90年代，天文学家Spergel和Blitz根据种种迹象提出，银河系可能不是Sa型，而是棒旋星系（哈勃分类为Sb），也就是说银河系的核心区域不是球，而是一个椭球。2003年美国航空宇航局（NASA）发射了一颗红外天文卫星“斯皮策”（Spitzer，由于耗尽冷却剂于2008年停止工作），它对银核进行了细致的观测，终于在2005年确认银河系是棒旋星系，这个由沿椭圆轨道绕银心运动的恒星和气体组成的棒状结构约有28000光年，同时“斯皮策”认为银河系只有两条主旋臂（盾牌-半人马臂和英仙座臂），其余的则是小旋臂。

河外星系的哈勃分类图

此后，“斯隆数字巡天”（缩写为SDSS）项目也使用红外波段对银河系结构进行进一步研究，发现银河中心附近有相当一部分恒星在高速远离我们，这种运动特征正好对应于一个旋转的棒状结构。

星系UGC 12158，如果从银河系以外看银河系大概就是这个样子

21世纪初，包括中国在内的8个国家的22个天文学家一起筹画了名叫“银河系棒和旋臂结构遗珍巡天”（Bar and Spiral Structure Legacy Survey，缩写“BeSSeL Survey”，中文简写为“贝塞尔巡天”，纪念第一个运用视差法测量出恒星距离的德国天文学家贝塞尔）的科学计划，利用VLBI技术对选定的银河系旋臂示踪天体进行精密测距和测速，希望以此解决银河系旋臂的结构、太阳系的位置以及它绕银河系中心旋转的速度等关键问题。如果您还对前面的介绍记忆犹新，那么您一定会联想到沙普利运用球状星团的分布来估算银河系大小和太阳系位置的研究，没错，他们的研究思路是一致的，只不过沙普利采用的示踪天体是球状星团，而这一批天文学家利用的则是银河系旋臂上的大质量恒星形成区。

“贝塞尔巡天”计划的Logo

经历了漫长的15年研究，近日研究团队中的美国天文学家、美国科学院院士马克·里德和南京大学天文学教授郑兴武在美国老牌科学杂志《科学美国人》上总结了他们团队的研究成果。从2003年开始，他们测量了银盘上163个大质量恒星形成区中脉泽源的自行和距离（中国天文学家观测分析了其中85个），并结合国际上其他团组测量的37个脉泽源，利用这些脉泽源在银盘上的分布清晰地勾画出4条主旋臂的结构，再结合红外、一氧化碳和大量年轻天体的观测资料，最终绘制出了尺度为10万×10万光年的全新银河系结构图，这也是迄今最精确的银河系结构图，它清晰地展示银河系是一个具有四条旋臂的棒旋星系。他们还发现，我们的太阳系位于英仙臂和人马-船底臂之间的一个相对独立的本地臂上，这个本地臂有约20000光年长；此外他们还确认，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，绕行银心一周大约要2.12亿年。他们还发现太阳距银盘中心面的垂直距离约为20光年，比以前的估计值82光年要小，可以说太阳几乎就在银盘的中心平面上。

银河系结构图，郑兴武和马克·里德（Mark J. Reid）提供

这些发现刷新了我们对银河系的认知，不过回首人类对银河系的研究历史，我们相信这只是一个重要的里程碑，而绝不是认识的终点。我们期待天文学家能够给我们带来更多关于银河系的新知识。

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