製圖：羅恩·米勒（Ron Miller）

長期以來，我們(men) 對銀河係知之甚少，我們(men) 甚至不知道太陽在銀河係中的具體(ti) 位置。不過，天文學家最近利用一些觀測數據，繪製了全新的“銀河係圖”，這幅圖將刷新我們(men) 對銀河係、星係形成的認識。而且通過這幅地圖，我們(men) 還知道，太陽幾乎正好位於(yu) 銀河係盤的中心平麵上。

幾百年前，探險家們(men) 遠渡重洋，橫貫未知大陸，繪製了詳細的地圖。在過去的半個(ge) 世紀中，人類發射的太空探測器已經拍攝了太陽係的大部分區域。然而，盡管我們(men) 已經了解太陽係這個(ge) 天文後院，但對自己所處的宇宙大社區——銀河係——的了解卻不夠。原因很明顯，恰如“不識廬山真麵目，隻緣身在此山中”，我們(men) 無法離開銀河係而回眸銀河係的全景。

也許，你可以夢想我們(men) 發射一艘航天器，讓它駛離我們(men) 的銀河係後，再回頭拍張銀河係的全景照片，但是航天器隻有經過數百萬(wan) 年的旅程後，才能做到這一點，這顯然是不切實際的。我們(men) 還有很多關(guan) 於(yu) 銀河係的懸而未決(jue) 的問題，例如銀河係有多少條旋臂，最接近太陽的一種大型結構是否可以算作一條獨立旋臂，以及我們(men) 太陽係在銀河係中處於(yu) 什麽(me) 位置。

然而，科學家最近正努力從(cong) 內(nei) 到外測繪銀河係，從(cong) 而能首次繪製準確的銀河係結構圖。這個(ge) 美好的前景是數個(ge) 高級射電和光學大型望遠鏡項目共同努力得到的結果，其中包括我們(men) 主導的銀河係“棒和旋臂結構遺產(chan) 性巡天計劃”（Bar and Spiral Structure Legacy Survey，簡稱BeSSeL計劃）。我們(men) 獲得了甚長基線陣（Very Long Baseline Array）前所未有長達5000小時的觀測時間。

我們(men) 的項目的初步結果為(wei) 人們(men) 提供了一幅全新的銀河圖。除了更好地了解銀河係的整體(ti) 圖像外，我們(men) 還開始澄清為(wei) 什麽(me) 銀河係這樣的星係會(hui) 呈現出旋渦結構，以及我們(men) 的銀河家園是如何與(yu) 整個(ge) 宇宙融為(wei) 一體(ti) 的。

宇宙鄰裏

十九世紀初期，第三任羅塞伯爵威廉·帕森斯（William Parsons）建造了一台口徑為(wei) 72英寸的望遠鏡——按當時的標準，這是一台“巨大的”望遠鏡。他觀測並畫出了明顯有旋渦型旋臂圖案的M51星雲(yun) （我們(men) 現在稱之為(wei) 渦狀星係，Whirlpool Galaxy）。然而，在不知道M51有多遠或銀河係尺度的情況下，我們(men) 不清楚渦狀星係是我們(men) 所處的銀河係中的一個(ge) 小結構，還是一個(ge) 與(yu) 銀河係類似的星係。

關(guan) 於(yu) 這些問題的辯論一直持續到二十世紀初。直到美國科學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）使用亨利埃塔·利維特（Henrietta Leavitt）發展的技術測量出我們(men) 到一些明亮恒星的距離後，我們(men) 才了解到，渦狀星係和其他旋渦星雲(yun) 都處於(yu) 銀河係之外，而且與(yu) 銀河係相似。這個(ge) 發現顛覆了銀河係即是整個(ge) 宇宙的觀念。

銀盤是構成銀河係主體(ti) 的薄餅狀區域，通過測量整個(ge) 銀盤中氣體(ti) 的運動，天文學家發現我們(men) 其實生活在一個(ge) 旋渦星係中。星係的主要常見類型包括旋渦星係和橢圓星係兩(liang) 種。從(cong) 遠處看到的銀河係的模樣可能很像近鄰旋渦星係NGC 1300和風車星係（M101）。NGC 1300的中心具有一個(ge) 明亮的長條形結構，天文學家稱其為(wei) 星係的棒結構。兩(liang) 條藍色的旋臂從(cong) 棒結構的兩(liang) 個(ge) 末端伸出，並圍繞中心棒逐漸向外延伸。

大多數旋渦星係中都具有棒結構，一般認為(wei) 這種結構是因星係致密盤的引力不穩定性而形成的。然後，中心的棒結構會(hui) 旋轉，產(chan) 生攪拌作用，進而可能促進旋臂的形成（其他過程，例如盤內(nei) 大質量團塊引起的引力不穩定性或臨(lin) 近星係的引力擾動，也可能導致旋臂的形成）。在藍光波段更容易看到旋臂，這是因為(wei) 旋臂是正在形成恒星的巨大恒星產(chan) 房，更容易發出藍光。風車星係M101是另一個(ge) 可能類似銀河係的星係。盡管風車星係沒有NGC 1300的中心棒，但它有更多的旋臂。

我們(men) 可能生活在一個(ge) 四旋臂的旋渦星係（銀河係）中，它具有一個(ge) 明亮且對稱的中心棒。| 圖片來源：XING-WU ZHENG AND MARK REID Bar and Spiral Structure Legacy Survey/Nanjing University/  Center for Astrophysics, Harvard and Smithsonian (Milky Way chart and illustration) 

天文學家一直認為(wei) ，銀河係可能具有NGC 1300和M101這兩(liang) 個(ge) 星係的特征：可能有類似NGC 1300那樣的明顯的長棒結構，也像M101一樣具有多條旋臂。但是，除了這些基本結論外，仍有很多爭(zheng) 議之處。例如，斯皮策（Spitzer）太空望遠鏡在十多年前的紅外觀測結果表明，銀河係可能隻有兩(liang) 條主旋臂。而對原子氫和一氧化碳的射電波段觀測表明，銀河係具有四條旋臂。在河外星係裏，這些氣體(ti) 是集中在旋臂上的。除旋臂特征之外，天文學家還在爭(zheng) 論太陽離銀河係中心有多遠，以及太陽相對於(yu) 銀河係中平麵（即盤中心平麵）的垂向高度是多少。

大約70年前，科學家計算了附近一些很亮的藍色恒星離我們(men) 的距離。如果把這些恒星標識在銀河係結構圖上就會(hui) 發現，它們(men) 是三條相鄰的旋臂的一部分。我們(men) 將這三條旋臂稱為(wei) 人馬臂、本地臂和英仙臂。大約在同一時間，從(cong) 1950年代開始，射電天文學家觀測到了原子氫氣體(ti) ，這種氣體(ti) 會(hui) 發射波長為(wei) 21厘米的特征射電信號。當這種原子氫氣體(ti) 相對於(yu) 地球運動時，它的特征射電頻率會(hui) 因多普勒效應而發生偏移，從(cong) 而使天文學家能夠利用頻率偏移來測量這種氣體(ti) 的運動速度，進而繪製出它們(men) 在銀河係中的位置分布。

利用這種測量方法，天文學家采用了一個(ge) 以太陽為(wei) 中心的坐標係：類似於(yu) 地球儀(yi) 的經度和緯度，銀經（l）以對著銀河係中心的方向為(wei) 零，並在銀河係的“赤道”平麵內(nei) 順時針方向增加（從(cong) 北天球看銀河係）；銀緯（b）表示垂直於(yu) 銀盤平麵的角度。氫原子氣體(ti) 的21厘米特征射電信號在銀經-速度圖中顯示出連續的結構，其很可能示蹤了銀河係的多條旋臂結構。後來繪製的一氧化碳分子氣體(ti) 的銀經-速度圖也展現了類似的特征。但是，這種間接映射方法可能存在歧義(yi) ，也不夠準確，難以清晰地展示銀河係的旋臂結構。

一個(ge) 新視野

我們(men) 對銀河係結構知之甚少的一個(ge) 原因是，銀河係中有大量的塵埃。塵埃可以有效地吸收可見光，因此在大多數視線方向上，塵埃都遮擋了我們(men) 的視線，讓我們(men) 看不到很遠的地方。另一個(ge) 原因是，銀河係尺度之大令人咋舌：銀河另一側(ce) 的恒星發出的光要經過5萬(wan) 年以上的時間才能到達地球。如此遙遠的距離甚至使我們(men) 很難分辨出哪些恒星離我們(men) 近，哪些恒星離我們(men) 遠。

現在，在太空中運行的新型光學望遠鏡，以及分布在全球的新型射電望遠鏡可以讓我們(men) 更好地回答有關(guan) 銀河係的種種問題。蓋亞(ya) 空間天體(ti) 測量衛星項目（Gaia mission）於(yu) 2013年啟動，旨在測量銀河係中近十億(yi) 顆恒星的精確距離，這無疑將革命性地改變我們(men) 對銀河係形成過程中不同星族的認識。但是，由於(yu) 蓋亞(ya) 衛星是在可見光波段進行觀測，而可見光易被星際塵埃顆粒吸收散射，所以蓋亞(ya) 在觀測離我們(men) 非常遙遠的旋臂時，可能會(hui) 受到星際塵埃的影響。相反，由於(yu) 射電波很容易穿過塵埃，因此射電望遠鏡可以探測整個(ge) 銀盤，我們(men) 就可以利用這類望遠鏡的觀測結果來繪製銀盤的整體(ti) 結構圖。

目前，繪製銀河係結構圖的兩(liang) 個(ge) 主要觀測項目都是使用射電天文學中的甚長基線幹涉測量技術（very long baseline interferometry，VLBI）。日本的 VERA（VLBI Exploration of Radio Astrometry）項目使用了4台射電望遠鏡，分布範圍從(cong) 日本北部（岩手縣水澤市）到日本最南端的衝(chong) 繩石垣島和最東(dong) 端的小笠原群島，橫跨整個(ge) 日本。而我們(men) 的BeSSeL巡天計劃使用的甚長基線陣列（Very Long Baseline Array）包括10台望遠鏡，分布範圍從(cong) 美國夏威夷到新英格蘭(lan) 再到美屬維爾京群島的聖克羅伊島，橫跨西半球的大部分地區。

由於(yu) 構成甚長基線陣列的望遠鏡之間的距離幾乎和地球直徑相當，因此該陣列可以獲得的角分辨率遠遠超過其他任何望遠鏡在任何波長下的分辨率。研究人員必須用該陣列的所有望遠鏡同時觀察，並用世界上最好的原子鍾，讓每個(ge) 站點的計算機同步記錄數據。然後，他們(men) 將記錄的數據運送到一台專(zhuan) 用計算機，由該計算機對各望遠鏡收集的信號進行處理。如果我們(men) 的眼睛對射電波敏感，那麽(me) 經過校準的圖像即是我們(men) 在射電波段可看到的一張幾乎被整個(ge) 地球的寬度所解析的超高清數字圖像。

銀河係結構圖：利用多台射電望遠鏡，天文學家對銀河係進行了數千小時的觀測，測量了一些天體(ti) 結構之間的距離。下圖是有史以來最好的銀河係結構鳥瞰圖。數據展示了圍繞銀河係中心的四個(ge) 主要的旋臂結構。我們(men) 的太陽（天文學家將其視為(wei) 四象限測繪坐標的中心）會(hui) 圍繞銀河係運轉，環繞一周大概需要2.12億(yi) 年。靠近太陽軌道的地方，有一條較小的旋臂（藍色）。未來，使用南半球上的射電望遠鏡開展的研究可能會(hui) 揭示出第四象限中大部分目前未直接觀測到的其他結構。| 製圖：埃琳娜·哈特利（Elena Hartley） 

這樣的圖像具有令人難以置信的角分辨率（優(you) 於(yu) 0.001角秒：如果把整個(ge) 天球均分為(wei) 360度，那麽(me) 1角秒為(wei) 1/3600度）。相比之下，人眼最多隻能分辨約40角秒的結構，即使哈勃太空望遠鏡也隻能實現約0.04角秒的分辨率。

利用VLBI，我們(men) 可以測量出一顆在射電波段很明亮的恒星相對於(yu) 背景類星體(ti) 的位置（類星體(ti) 其實是位於(yu) 遙遠星係中心的、明亮的活躍黑洞），其精度接近0.00001角秒。這樣，我們(men) 可以通過測量三角視差效應來測量非常遠的距離。三角視差效應是指從(cong) 不同的位置觀測時，附近天體(ti) 也相應地出現在背景星空中的不同位置。你可以將手臂向前伸開，舉(ju) 起大拇指，並通過交替閉合左右眼觀察大拇指來模擬這種效果。因為(wei) 我們(men) 兩(liang) 眼間距為(wei) 幾厘米，因此用左右兩(liang) 眼交替觀測離我們(men) 一臂距離的大拇指時，拇指相對遙遠的背景物體(ti) 來說，會(hui) 出現大約6度的偏移。如果我們(men) 知道兩(liang) 次觀測位置的間距，以及觀察到的角位移，就很容易計算出我們(men) 與(yu) 觀測目標的距離。這與(yu) 測繪人員繪製城市地圖的原理相同。

三角視差測距法：天文學家從(cong) 地球公轉軌道的兩(liang) 端分別觀測時，恒星在背景天空中的位置會(hui) 發生偏移，這個(ge) 偏移被稱為(wei) 視差角，可以用來測量恒星與(yu) 我們(men) 的距離。一顆恒星離地球越近，其視差角就越大。與(yu) 已知的日地距離相結合，恒星的三角視差使天文學家可以使用基本的三角函數來計算該恒星與(yu) 地球的距離。| 製圖：埃琳娜·哈特利（Elena Hartley） 

在理想情況下，天文學家要繪製旋臂結構圖應該觀測年輕的大質量恒星。這些短壽命的恒星通常與(yu) 旋臂內(nei) 劇烈的恒星形成過程有關(guan) ，並且此類恒星溫度很高，它們(men) 可以電離周圍的氣體(ti) ，使其發出藍光，因此在理論上，這些恒星在可見光波段可以作為(wei) 觀測星係旋臂的燈塔。

但是，由於(yu) 這些恒星被銀河係的塵埃盤所包圍，我們(men) 無法輕易地在整個(ge) 銀河係中觀測到此類恒星。幸運的是，這些熾熱恒星電離區域外的水分子和甲醇分子可以作為(wei) 非常明亮的射電源，因為(wei) 它們(men) 會(hui) 發射出大量的幾乎沒有被銀河塵埃衰減的天然“脈澤”（maser）。脈澤一詞為(wei) “受激輻射的微波放大”（microwave amplification by stimulated emission of radiation）的首字母縮寫(xie) ，也就是說，脈澤其實就是處於(yu) 射電波段的激光。在天體(ti) 物理環境中，脈澤輻射來自質量與(yu) 木星相當的太陽係尺度的氣體(ti) 雲(yun) 。脈澤源在射電圖像中表現為(wei) 非常明亮的點源。因此，脈澤源是三角視差測量的理想目標。

銀河係新圖景

通過BeSSeL項目和VERA項目，天文學家已經使用三角視差法測量了約200個(ge) 年輕熾熱恒星的距離。這些數據橫跨銀河係，大約覆蓋了銀河係三分之一的區域，並揭示了四條很長的旋臂。

由此繪製而成的“銀河係圖”還顯示，太陽非常接近銀河係的第五條旋臂，這似乎是一段孤立的旋臂，被稱為(wei) “本地臂”。此前，該段旋臂被稱為(wei) “獵戶臂刺”或“本地臂刺”，也就是說，這條旋臂類似於(yu) 從(cong) 其他星係的主旋臂伸出的小型附屬結構。但是，對這種“臂刺”的解釋可能是錯誤的。在我們(men) BeSSeL的數據中，這條旋臂是孤立的，繞著銀河係旋轉了不到四分之一圈。雖然本地臂的長度較短，但在這條臂中，恒星形成率可與(yu) 同樣長度的英仙臂段相當。有趣的是，天文學家曾認為(wei) 英仙臂是銀河係的兩(liang) 條主旋臂之一（另一條是盾牌-半人馬臂）。但是，我們(men) 發現隨著英仙臂遠離太陽，朝著銀河係內(nei) 延伸時，恒星的形成率顯著減少。這表明對於(yu) 外部觀測者而言，英仙臂似乎並不是一條非常明顯的旋臂。

通過繪製大量年輕恒星的三維位置，並對它們(men) 的運動速度進行測量建模，我們(men) 可以推算出銀河係的基本參數。我們(men) 發現，太陽到銀河係中心的距離為(wei) 8150±150秒差距（即26600光年）。這比幾十年前國際天文聯合會(hui) 建議的8500秒差距的值要小。此外，我們(men) 發現銀河係在太陽位置處以236千米/秒的速度旋轉，這大約是地球繞太陽旋轉速度的8倍。根據這些參數值，我們(men) 發現太陽繞銀河係旋轉一圈需要大約2.12億(yi) 年。這也意味著，上一次我們(men) 的太陽係處在銀河係現在的位置時，恐龍仍在地球上漫步。

處於(yu) 太陽位置之內(nei) 的銀河係內(nei) 盤非常薄，幾乎是一個(ge) 平坦的平麵。但太陽相對於(yu) 該平麵的垂向高度一直存在爭(zheng) 議。最近，一些天文學家測得太陽比內(nei) 盤麵高25秒差距（82光年），但我們(men) 的測量值與(yu) 這一估值有較大的不同。通過擬合具有精確距離和位置的大質量恒星所處的平麵，我們(men) 可確定太陽僅(jin) 比該平麵高約6秒差距（20光年）。這一高度僅(jin) 為(wei) 太陽到銀河係中心距離的0.07%，這意味著太陽非常靠近銀盤的中平麵。我們(men) 還證實了前人觀測到的銀河係翹曲，即銀河係外盤麵逐漸偏離內(nei) 盤麵，在北側(ce) 開始向上彎曲，而在南側(ce) 向下彎曲，有點像彎曲的土豆片。

為(wei) 了便於(yu) 描述觀測結果，天文學家通常將銀河係劃分為(wei) 以太陽為(wei) 中心的四個(ge) 象限。使用這種坐標，我們(men) 在前三個(ge) 象限中都找到了旋臂。為(wei) 了繪製第四象限的圖，則需要處於(yu) 南半球的觀測設備。我們(men) 正在開展南半球的觀測項目，計劃使用澳大利亞(ya) 和新西蘭(lan) 的望遠鏡進行觀測。

天空上的鷹眼：測量銀河係另一側(ce) 恒星形成區的微小視差角需要極高的角分辨率，目前隻有通過精確合並來自全球多個(ge) 射電望遠鏡的同時觀測數據才能獲得極高的角分辨率。該圖顯示了甚長基線幹涉測量法這項技術的強大功能，其分辨率比哈勃太空望遠鏡最清晰的圖像還要高約40倍。| 製圖：埃琳娜·哈特利（Elena Hartley） 

在等待這些觀測結果的同時，我們(men) 可以先用來自原子氫和一氧化碳的觀測信息，將已知旋臂外推到第四象限。這些觀測揭示的旋臂結構與(yu) 先前理論上猜想的矩尺-外臂（Norma-Outer）、盾牌-半人馬臂（Scutum-Centaurus-Outer-Scutum-Centaurus）、人馬-船底臂（Sagittarius-Carina）、英仙臂（Perseus）的結構相吻合。不過需要注意的是，我們(men) 對遠離銀河係中心的恒星形成區域隻做過一次觀測。我們(men) 觀測到的這個(ge) 區域的距離，再結合它在一氧化碳的銀經-速度圖中的位置，讓我們(men) 對如何在“地圖”上連接銀河係另一端的旋臂有了一定的信心。

但是，我們(men) 需要更多的觀測來驗證我們(men) 的模型。現在，我們(men) 對自己的銀河家園有了更清晰的了解。我們(men) 可能生活在一個(ge) 四旋臂的旋渦星係中，它具有一個(ge) 明亮且對稱的中心棒。我們(men) 的太陽幾乎完全位於(yu) 銀盤中平麵上，但太陽遠離銀河係中心，大約在銀河半徑的三分之二處。除了幾乎可以環繞銀河係一周的旋臂之外，銀河係還有至少一個(ge) 額外的旋臂段（本地臂），並且各主要旋臂都可能有許多分叉。這些旋臂特征使我們(men) 的銀河係顯得相當正常，但肯定不是典型的。大約三分之二的旋渦星係都有中心棒結構，因此銀河係屬於(yu) 占旋渦星係絕大多數的棒旋星係。然而，銀河係擁有四條清晰、明確且相當對稱的旋臂，這使得銀河係顯得比較獨特，因為(wei) 大多數旋渦星係的旋臂都少得多，並且旋臂也比較淩亂(luan) 。

更多謎團

盡管我們(men) 得到了一些新的答案，但仍有很多懸而未決(jue) 的重要問題。天文學家仍在爭(zheng) 辯旋臂是如何產(chan) 生的。關(guan) 於(yu) 這個(ge) 問題有兩(liang) 種相互競爭(zheng) 的理論，一種理論認為(wei) ，整個(ge) 銀河係尺度上的引力不穩定性會(hui) 形成持久的螺旋形旋臂圖案的密度波；另一種理論則認為(wei) ，一些旋臂片段會(hui) 隨著時間的流逝，因為(wei) 小尺度上的不穩定性而被拉伸、放大，進而連接起來，形成更長的旋臂。在前一種理論中，旋臂可以持續數十億(yi) 年，而在後一種理論中，雖然旋臂的壽命較短，但新的旋臂在銀河係的整個(ge) 演化曆史中會(hui) 出現多次。

由於(yu) 銀河係沒有明確的出生日期，因此很難弄清楚它的準確年齡。目前流行的觀點是，隨著宇宙曆史上先形成的許多較小的原星係發生碰撞和並合，它們(men) 逐漸融合在一起，形成了現在的銀河係。

銀河係大概在50億(yi) 年前就已經是一個(ge) 大型星係，但在那時，它看起來可能與(yu) 現在大不相同，因為(wei) 星係並合過程很可能會(hui) 打散任何已有的旋臂結構。

我們(men) 需要更多的觀測結果來改進我們(men) 現有的銀河係結構圖景，而下一代支持VLBI的射電望遠鏡陣列將為(wei) 此提供便利。這種正在規劃中的射電陣列包括非洲的平方公裏陣列（Square Kilometer Array）和北美的下一代超大型陣列（Next Generation Very Large Array）。兩(liang) 者都是跨越整個(ge) 大陸的巨大射電望遠鏡陣列，預計21世紀20年代末它們(men) 可以全麵投入使用。與(yu) 現有陣列相比，它們(men) 的信號收集麵積將大大增加，因此能夠探測到來自恒星的微弱射電輻射，使我們(men) 在銀河係中的視線可以達到更遠。最終我們(men) 希望明確繪製出銀河家園的建築結構圖，以證實或證偽(wei) 銀河係宏偉(wei) 旋臂結構的形成理論。

本文作者：馬克·J·裏德是哈佛&史密森尼天體(ti) 物理學中心史密森尼天體(ti) 物理學天文台的資深射電天文學家，最近他被選為(wei) 美國科學院院士。鄭興(xing) 武是南京大學天文學教授，過去幾十年來，他主要研究宇宙中的“脈澤”現象和恒星形成。

本文譯者：沈俊太是上海交通大學天文係長聘教授，他的主要研究方向為(wei) 星係動力學、銀河係結構、天文學數值模擬。他的團隊已根據 BeSSel 巡天得到的旋臂位置，使用氣體(ti) 動力學方法估算了銀河係棒和旋臂的圖案轉動速度，相關(guan) 結果發表在國際權威期刊《天體(ti) 物理學雜誌》(Astrophysical Journal)上。

撰文 | 馬克·J·裏德（Mark J. Reid）、鄭興(xing) 武

翻譯 | 沈俊太

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