飛出太陽係，便進入銀河係的星際空間。旅行者1號探測器（Voyager1,見圖1）是目前唯一飛出太陽係的人造天體(ti) 。現在它離地球的距離約為(wei) 149倍日地距離，大約222億(yi) 公裏。它發出的信號以光速傳(chuan) 到地球單程需要約17小時。

圖1. 旅行者1號（圖片來源：NASA/JPL）

星際旅行怎麽(me) 能沒有一份趁手的地圖呢？下麵讓我們(men) 一起拚一份銀河係的星際地圖吧。

首先是銀河係的平麵星際地圖。正加速膨脹的宇宙中有約千億(yi) 個(ge) 星係，銀河係是其中並不起眼的一個(ge) ，外形像旋渦，有恒星分布的直徑約為(wei) 17-20萬(wan) 光年[1]，比3年前人們(men) 對銀河係大小的認識增大了近1倍。銀河係中心區域有類似木棒的結構，因此它屬於(yu) 棒旋星係。銀河係從(cong) 中心旋轉出多條旋臂，太陽係就位於(yu) 其中一條叫獵戶座小旋臂的邊緣地帶。如果把銀河係的中心（簡稱：銀心）比作一個(ge) 大型城市的中心，那我們(men) 生活的太陽係則大約位於(yu) 城鄉(xiang) 結合部，距離銀心約2.7萬(wan) 光年[2][3]。銀河係中有約1000-4000億(yi) 顆像太陽這樣的恒星及可能數量相當的行星，他們(men) 主要位於(yu) 銀河係的旋臂和中心區域附近。銀河係在直徑為(wei) 25.8萬(wan) 光年的區域內(nei) 總質量約為(wei) 1.5萬(wan) 億(yi) 倍太陽質量，且其中隻有約10%是恒星和氣體(ti) 等，其餘(yu) 約90%為(wei) 無法直接探測到的暗物質[4]。

圖2. 銀河係示意圖（俯視，圖片來源：https://www.nasa.gov/sites/default/files/images/620057main_milkyway_full.jpg，圖片稍作修改，修圖：邱鵬）

從(cong) 北銀極俯視銀河係（見圖2），它像一個(ge) 旋轉的圓盤。從(cong) 側(ce) 麵看去，這個(ge) “圓盤”中心區域比其他區域更亮且稍隆起，我們(men) 稱之為(wei) 核球，其餘(yu) 亮的區域比較薄，我們(men) 稱之為(wei) 銀盤（見圖3）。銀盤的平均厚度隻有2000光年左右[5]，約為(wei) 直徑的1%。最新研究表明，銀盤並非一個(ge) 平麵，而是呈翹曲的結構[6]（見圖4）。

圖3. 從(cong) 地球觀測的銀河係全景圖  （由多幅實測圖像拚接，圖片來源：ESO/S.Brunier, https://www.eso.org/public/images/eso0932a/）

圖4. 銀河係的翹曲結構（圖片來源：https://www.bao.ac.cn/xwzx/kydt/201901/W020190131561481401707.jpg）

這樣，我們(men) 就得到一幅銀河係的三維星際地圖（見圖5）。

圖5：銀河係三維模擬圖（圖片來源：ESO/NASA/JPL-Caltech/M. Kornmesser/R. Hurt / CC BY）

天文學家將銀河係從(cong) 內(nei) 向外分為(wei) 位於(yu) 中心的銀心、中部隆起的核球、包含旋臂的銀盤、包裹著以上所有結構的外形近似球形的銀暈（見圖6）。銀暈包括看不見的暗物質暈及散布著一些球狀星團的恒星暈，兩(liang) 者在空間上有重合，而前者更大些。

圖6. 銀河係結構示意圖（圖片來源：RJHall，https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c3/Milky_way_profile.svg，圖片稍作修改，修圖：邱鵬）

什麽(me) 是球狀星團呢？一般把十個(ge) 以上且在物理性質上有聯係的一群恒星稱做星團。其中，數目由十幾到幾千顆恒星組成的，結構鬆散且形狀不規則的星團稱為(wei) “疏散星團”，一般比較年輕，主要分布在銀盤上，比如昴星團等；數目由上萬(wan) 到幾十萬(wan) 顆恒星組成，整體(ti) 像雪球的星團稱為(wei) 球狀星團，一般比較年老，主要分布在銀暈中，比如北天最亮的球狀星團M13等。M13位於(yu) 武仙座，包含約100萬(wan) 顆恒星（見圖7），人類曾於(yu) 46年前用當時最大的射電望遠鏡向可能生活在那裏的地外文明發送了一條消息，這條消息包含了人類的DNA、原子序數、地球位置等信息，將在約2.22萬(wan) 年後抵達這個(ge) 星團。

圖7. M13球狀星團  （圖片來源：Adam Block, Mt. Lemmon SkyCenter, U. Arizona）

在銀河係所有結構中，包裹著銀心的核球是最亮的部分。從(cong) 地球看，銀心在人馬座方向，研究發現，位於(yu) 銀心的致密射電源人馬座A*（SgrA*）是一個(ge) 超大質量黑洞，質量約為(wei) 415萬(wan) 倍太陽質量。核球部分位於(yu) 南天，在南半球常年可見，因此南半球看到的銀河更絢爛些（見圖8）。北半球以北京附近為(wei) 例，銀心晚上升起最高的時候隻有20度左右，適宜在夏季觀賞。

圖8. 位於(yu) 智利的甚大望遠鏡（VLT）的導星激光正指向銀心方向（圖片來源：ESO/Y. Beletsky, https://web.archive.org/web/20081121184421/https://www.eso.org/gallery/v/ESOPIA/Paranal/phot-33a-07.tif.html）

盡管人們(men) 很早就懷疑銀心存在超大質量黑洞，但實測的證據卻來自於(yu) 近年對Sgr A*附近十幾顆大質量恒星長達27年的高精度空間運動的監測。S2是其中最亮的恒星之一，它不僅(jin) 有圍繞Sgr A*黑洞的周期為(wei) 16年的公轉軌道，而且第二個(ge) 周期的軌道與(yu) 前一個(ge) 周期形成玫瑰花結，而非重合的橢圓，這種現象也叫“史瓦西進動”。這一發現不僅(jin) 為(wei) 銀心超大質量黑洞的存在提供了強有力的證據，而且也為(wei) 愛因斯坦廣義(yi) 相對論提供了觀測證據（見圖9）。

圖9. （上圖）恒星S2繞銀心黑洞公轉的模擬圖，（下圖）把史瓦西進動軌道差異放大後的示意圖。（圖片來源：ESO/L. Calçada，https://www.eso.org/public/videos/eso1622a/）

2019年4月，人們(men) 首次欣賞到利用“視界麵望遠鏡”拍攝的位於(yu) M87星係中心的超大質量黑洞的照片，科學家在拍這個(ge) 黑洞的同期，其實還拍了位於(yu) 銀心的人馬座A*黑洞，隻是照片目前尚未“洗”出來。不過，作為(wei) 距離我們(men) 最近的超大質量黑洞的首張照片，還是很值得期待的（見圖10）。

圖10. 人馬座A*黑洞的計算機仿真圖像  （圖片來源：視界麵望遠鏡項目/ESO）

有銀河係的四維地圖麽(me) ？第四維或許可以是時間，雖然不能像三維空間的各維那樣可逆。銀河係是如何形成和演化的？未來命運如何？天文學家正在基於(yu) 實測和理論研究試圖找出線索。比如去年4月，我國天文學家主導的一項研究發現：銀河係在演化過程中曾“吞並”過一些質量更小的星係[7]。

我們(men) 乘著太陽係這葉扁舟，以約220公裏/秒的速度圍繞銀河中心公轉,公轉一周約需2.4億(yi) 年[8]。上次太陽係運行到目前位置附近時，地球上正是恐龍開始崛起的三疊紀，再上一次是鸚鵡螺統治著海洋的奧陶紀（見圖11）。下次再轉回來時又會(hui) 是怎樣的光景呢？

圖11. （左圖）恐龍化石，（右圖）鸚鵡螺活體(ti) （圖片來源：網絡）

銀河係中深藏無數寶藏，當然也包括恒星逝去的軀體(ti) 所化作的霓裳，下一站我們(men) 一起去探訪那些尚留有恒星體(ti) 溫的星雲(yun) 。更多精彩，請關(guan) 注觀天者說。

參考文獻：

[1] M. López-Corredoira et al.，Disk stars in the Milky Way detected beyond 25 kpc from itscenter, 2018, A&A, 612, L8;

[2] R. Abuter et al.，A geometric distance measurement to the Galactic centerblack hole with 0.3% uncertainty, 2019,A&A,625,L10；

[3] S. Gillessen,et al., An Update onMonitoring Stellar Orbits in the Galactic Center, 2017,ApJ, 837, 30G

[4]Laura L. Watkins, Evidence for anIntermediate-mass Milky Way from Gaia DR2 Halo Globular Cluster Motions, 2019,ApJ, 873, 118W

[5] Rix.Hans-Walter et al.,The Milky Way’s stellar disk：Mapping and modeling the Galactic disk，2013,A&Arv, 21, 61R

[6] X. D. Chen et al., An intuitive 3Dmap of the Galactic warp’s precession traced by classical Cepheids, 2019,NatAs, 3, 320C

[7] Q. F. Xing et al., Evidence for theaccretion origin of halo stars with an extreme r-process enhancement, 2019,NatAs, 3, 631X

[8] Linda S. Sparke et al., Galaxies inthe Universe: An Introduction, 2007, ISBN 9781139462389, p 90.

主創簡介

王匯娟，中國科學院國家天文台星雲(yun) 計劃研究員。主要從(cong) 事恒星物理和高精度測光和光譜探測方法研究。

薑曉軍(jun) ，中國科學院國家天文台研究員，中國科學院大學崗位教授。主要從(cong) 事恒星物理和天文技術研究。

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