2014年7月8日
棒旋星系UGC 12158可能與銀河系的外形相似。ESA/Hubble & NASA
有人喜歡在T恤衫上或者海報里印一幅星系的照片，并在旁邊畫個箭頭，指著其中一點，標上文字說“你在這里”。
但這真是個大笑話。那肯定不是銀河系，我們也不會在那里。我們至今還沒有一幅銀河系的照片，原因只有一個：我們走不了那么遠。但是這個圖并不能說完全錯（只要這是一個有旋臂的星系）。我們的確生活在一個旋渦星系里，而我們的太陽，也在距星系中心約1/3的地方圍著它打轉(zhuǎn)。
旋渦星系都有一個明亮的中心，以及纏繞在其周圍的藍色旋臂。星系中鑲嵌著明顯的暗條紋，散布著蓬松的氣體云。它們算得上是宇宙中最美麗的天體之一，而且數(shù)量眾多：大約60%的大星系是旋渦星系。
如果你有幸在天空中看到過銀河光帶，你就會知道它看起來和照片上的旋渦星系一點都不像。那我們是怎么知道我們的星系是旋渦狀的呢？我們無法從外部觀看銀河系，我們又是如何知道太陽系在其中的位置的呢？
正如你所想，這是一件不容易的事。天文學(xué)家對此爭論不休，試圖尋求合理的證據(jù)來支持各種不同的觀點。銀河系有幾條旋臂（4條還是6條）？星系內(nèi)有多少恒星？暗物質(zhì)（占星系總質(zhì)量80%的不可見物質(zhì)）是如何分布的？歐洲空間局去年12月發(fā)射了一臺新的空間望遠鏡，它將巡視整個星系，可以幫助我們完善對它的認識。有了它，將來你掛在墻上的銀河系星圖，也會更準確一點。
古代對銀河系的了解程度可以從它的英文單詞中獲知：“星系（Galaxy）”在希臘語中與“奶糖（Lactose）”的詞根是相同的，它是牛奶中提煉出來的糖。如果我們說“銀河系（Milky Way Galaxy），那就好比在說“奶糖奶糖（Milky Way milky way）”，這和“撒哈拉沙漠（Sahara Desert）”是一樣的同義反復(fù)。伽利略當年把他的望遠鏡指向銀河后發(fā)現(xiàn)，銀河內(nèi)充滿了大量肉眼無法分辨的昏暗恒星。到了20世紀早期，Jacobus Kapteyn和Harlow Shapley分別試圖通過測量單個恒星的距離，找出這些恒星在空間中的位置，并把它們連接起來，從而繪出銀河系的結(jié)構(gòu)，以及估算出它的形狀與大小。但他們算出來的大小都是錯誤的（以相反的方式?。?，不過Shapley對銀河系的基本外形和銀心位置的測算還是比較準確的。
銀河看起來是一條光帶的原因是銀河系內(nèi)的許多恒星，包括太陽以及所有肉眼可見的恒星，都集中在一個薄薄的盤面上。當你望向銀河光帶時，你看到的就是高密度聚集在盤面上的恒星。星系并不是一個完全的平面，因此在光帶之外也存在恒星。但是與其寬度相比，星系盤是相當薄的。
星系中恒星的產(chǎn)生并不是平均的。我們在其它星系身上看到的旋臂區(qū)域，都聚集著熾熱的年輕藍色恒星。與那些大量存在的，溫度較低、色澤較紅的同胞星相比，它們顯得特別明亮。因此就產(chǎn)生了這樣的視覺效果：我們看到的旋渦星系都擁有明亮的、被黑暗的空隙區(qū)分開的旋臂。實際上這些地方恒星的密度只比星系盤中的其余部分高出5%左右。旋臂中同時也存在著大量的電離氫，表明這些區(qū)域的溫度比星系中其余部分高。
以下就是天文學(xué)家用以尋找銀河旋臂的方法：尋找熾熱的年輕恒星星群和電離氫云，測算出它們的距離，并使用這些數(shù)據(jù)來描繪出旋臂。這是一個狡猾的辦法，天文學(xué)家要將望遠鏡指向并穿透星系盤面中最厚的部分，并分辨出那些看上去緊緊相連，但實際上卻相隔數(shù)萬光年的恒星。星系中有許多氣體和塵埃，會遮擋可見光，但是射電和紅外望遠鏡可以成功穿透。
藝術(shù)家想象的從星系盤上方俯瞰的銀河系。NASA
現(xiàn)在我們?nèi)粢胫楞y河系的外觀，就已經(jīng)有了一個相當不錯的主意，雖然這幅圖還需要進一步完善。我們居住的星系擁有4條主要的旋臂（其中2條相對較大），而且有幾條稍小的分支（spurs）。我們太陽系所在的區(qū)域位于其中一條分支——獵戶座分支上，這條分支可能是一條現(xiàn)在已經(jīng)消隱的早期旋臂殘留下來的。這是一個好消息：主旋臂中存在著大量藍星，強烈的紫外線會使生命的生存非常艱難。另一個區(qū)域，諾瑪旋臂，是以我奶奶命名的（開個玩笑，當然不是真的）。
所有主旋臂都在星系中心與一個形如花生殼的結(jié)構(gòu)相連，這個結(jié)構(gòu)稱為“棒”。如前面的圖片所示，三分之一的旋渦星系都有棒狀結(jié)構(gòu)。棒狀結(jié)構(gòu)的當中是一團呈橢圓形的恒星，名為核球；核球深處有一個中央黑洞，作為星系的核心，它的質(zhì)量是太陽的400萬倍。
旋臂的外圍是暈，這是一個近似球形的區(qū)域，體積將近銀盤的10倍，暈中分布著年老的恒星。它也是星系內(nèi)大部分暗物質(zhì)的所在，多虧這些暗物質(zhì)產(chǎn)生的引力，星系內(nèi)的一切才得以緊密相連。
為了更詳細地描繪銀河系結(jié)構(gòu)，歐洲空間局去年底發(fā)射了新的空間天文臺“蓋婭”。這個探測器由兩臺分別用以測繪、測量10億顆恒星的分布和距離的望遠鏡組成。它的研究成果將有助于我們更好地了解銀河系的3維結(jié)構(gòu)，包括可以高精度地獲取與旋臂和中央棒有關(guān)的知識。“蓋婭”還將獲取星系深處未知區(qū)域的暗物質(zhì)分布情況，那里的情況目前我們還一無所知。
“蓋婭”這個以繪制銀河系星圖為目的的太空計劃才剛剛開始，它還將探索太陽的誕生地和類地行星，調(diào)查恒星的墓地，測量銀河系的自轉(zhuǎn)，以及進行其它多項任務(wù)。如同過去的制圖師曾努力繪制整個地球的地圖一樣，21世紀的天文學(xué)家也把繪制銀河系的星圖、更好地了解這個我們在宇宙中的家園作為終極目標。
作者Matthew Francis是物理學(xué)家、科普作家、演說家和教育家。最近他在寫一本關(guān)于宇宙學(xué)的新書，暫名為《回歸之路，黑暗天空：宇宙之旅》
