拨开云雾绘银河：记录400年来跌宕起伏的研究历程
晴朗夏夜肉眼可见的银河(上)和盖亚卫星第三批早期数据获得的银河系色彩(下)，图片来源：中科院紫金山天文台青海观测站(上)，欧洲航空局、盖亚卫星、A. Moitinho(下)
来源 | 赛先生（ID：mrscience100）
撰文 | 郝超杰、徐 烨（中国科学院紫金山天文台）
责编 | 韩越扬、吕浩然
人类对于银河系的科学认识，最早可以追溯到17世纪初。1610年，伽利略开辟了银河系科学研究的先河，他首次利用望远镜观察银河，发现银河是由大量恒星组成的。1755年，德国哲学家伊曼努尔·康德借鉴了英国天文学家汤姆斯·莱特的早期著作[1]，推测银河可能是大量恒星构成的旋转体（现今已被证实）。
康德认为银河由类似于太阳系的引力聚集在一起，但是规模要大得多，由此产生的恒星盘从人类的角度（在盘内）来看，将在天空中呈现出一个“带子”的模样。而且他还推测：在夜空中可见的一些星云可能是类似于我们自己的、单独的“星系”本身，并且把银河系和“星系外星云”称为“宇宙岛屿”，这个术语一直使用到20世纪30年代。
伽利略·伽利雷(左)和伊曼努尔·康德(右)
图片来源：左，贾斯特斯·苏斯特曼斯，1636年 / 右，约翰·贝克尔，1768年
1785年，英国天文学家威廉·赫歇尔自制了一大批望远镜，最大口径超过了一米。他每晚巡视星空，并且将恒星计数，坚持了数十载，共进行二十多万次的观测，最后得到了117600颗恒星的数据。随后，他仔细计算这些恒星的亮度和位置分布，根据恒星的亮度获得其距离，首次尝试描述银河系的形状和太阳在银河系中的位置。他制作了一张银河系形状的图，认为银河系是扁盘状，太阳位于银河系的中心。今天看来这个结果并不准确，但他是第一个用实测的方法研究银河系形态的人，“虽错犹荣”！他也因此被誉为“恒星天文学之父”。
赫歇尔和他的蟹状银河系，图片来源：PTRSL，威廉·赫歇尔，1785
19世纪中叶，“帕森斯敦的利维坦”望远镜（1.8米）由爱尔兰第三位罗斯伯爵威廉·帕金斯建造完成，它的大小是史无前例的，直到20世纪初它都是世界上最大的望远镜。这台望远镜的强大之处在于可以区分椭圆形和旋涡状星云，利用它，罗斯伯爵把目光聚焦在了M51。
1845年春，他发现了M51中的旋涡结构特征，这样的结构是第一次被发现。尽管当时没有照相技术，但是他对M51绘制了一幅非常仔细和精确的素描，他的画与现代照片非常相似。事实上，这一发现是对“星云都是宇宙岛屿”说法的重要支持。
那么银河系本身是否也是一个旋涡呢？1852年，普林斯顿大学的史蒂芬·亚历山大教授提出了一个大胆的推测：银河系也许是另一个旋涡状的星云，但是从内部看她是一条划过天空的亮丝带。这是人类第一次推测银河系具有旋涡结构。
1898年，美国天文学家詹姆斯·基勒使用利克天文台的克罗斯雷反射望远镜对天空中的星云进行了系统性的照相观测。他发现，有一些星云即使没有旋涡结构，也有规则的形状，比如圆形或者光滑的椭圆形外观，这些星云也像旋涡星云那样越向中心越明亮。而且，他发现银河系与这些形状规则的星云之间的差异越来越明显。这项工作同时证明了旋涡星云是可观测宇宙中最常见的星云类型。
1900年，荷兰一位业余的天文学家科内科斯·伊斯顿在《天体物理学杂志》发表了一篇论文：“银河系的一种新学说”[2]：他将银河系描绘成旋涡结构，确定其旋转方向，并将太阳定位在边缘。伊斯顿是最早描述银河系旋涡结构的人之一，不过当时大家的普遍共识还是赫歇尔所描绘的圆饼状特征。
M51素描(左) / M51 照片(右)｜图源：威廉·帕金斯，1845(左) / NASA & ESA(右)
雅各布斯·卡普坦是出生在荷兰的天文学家，他16岁时就通过了大学入学考试，在数学和物理学方面很有天赋。1904年，卡普坦在研究恒星自行的报告[3]中说，这些运动不是随机的，因为恒星可以分为两个“溪流”，向几乎相反的方向运动，直到后来人们才意识到，这些数据是我们银河系自转的第一个证据。
随后在1906年，卡普坦发起了一项对银河系中恒星分布情况进行重大研究的计划，即对不同方向的恒星进行计数。这一巨大项目是天文学中第一个协调统计分析项目，涉及四十多个不同观测站的合作。卡普坦利用照相底片测量不同天区的恒星密度，用统计视差法求得恒星距离，构建了他发现的银河系模型：银河系的直径大约为5万光年，厚度大约1万光年，太阳位于银河系中心附近。
卡普坦在1922年去世，这项研究结果在他去世不久后问世。由于卡普坦在测定恒星光度时未考虑星际尘埃的消光影响，所以他获得的银河系模型大约只有后来认识到的银河系一半大小，但这已经是那时候最精确的银河系模型。
卡普坦（右）和他的银河系模型（左），图片来源：维基百科
1917年，美国威尔逊山天文台一座2.5米的“胡克望远镜”诞生了，这个庞然大物终于超越罗斯伯爵那座称雄世界60多年的1.8米望远镜。不过，直到20世纪20年代，天文学家对银河系的认识与100多年前赫歇尔给出的模型并无太大差别，比如依然认为太阳是银河系的中心。
这时，哈洛·沙普利提出了新的看法。以往天文学家将目光专注到模糊又神秘的星云上，忽略了由数以万计的恒星组成的、由相互间引力束缚的银河系球状星团，而且这些星团大多远离银河平面，那里缺少尘埃可以免除消光的影响。沙普利使用威尔逊山天文台的这台望远镜对大约100个球状星团进行了几年的观测，随后利用球状星团中的造父变星的时间光度关系测量这些星团的距离，在1920年给出了银河系球状星团的空间分布[4]。
沙普利发现，普通恒星较均匀分布，但是球状星团却偏爱一隅，他提出球状星团空间分布的中心就是银河系中心，并且构建了新的银河系模型：银河系是扁盘状的，直径大约30万光年，太阳到银河系中心的距离大约为5万光年。这个尺度远远大于天文界以往对于银河系的认知，于是，沙普利不得不转变自己的“世界观”：不再认为那些模模糊糊的星云是银河系外独立的“宇宙岛屿”，而是相信银河就是宇宙本身，星云只是银河系内部的某种物质。
尽管沙普利提出的银河系大小远远大于目前所公认的大小，但是他首次提出太阳系不在银河系的中心，这完全是可以与400年前哥白尼的“日心说”相提并论的伟大发现。
沙普利的银河系模型，图片来源：英国百科全书
在2.5米的“胡克望远镜”诞生的同一年，也就是1917年，美国利克天文台的希伯·柯蒂斯在仙女座大星云中观测到了十几颗新星，发现这些恒星的光度远低于发生在银河系中的星等，这个结果使得仙女座大星云的估计距离提高到了50万光年，他认为该星云是独立的星系。相反，沙普利主张银河系是整个宇宙，认为仙女座也是银河系的一部分。
于是，1920年，沙普利和柯蒂斯在华盛顿的美国国家科学院就银河系的大小展开了公开辩论。事实上，双方都对对方的论点、论据了如指掌。沙普利首先介绍了他得到的银河系球状星团的分布，由此展开“大星系”的主张；而柯蒂斯则代表当时天文界主流，认为千千万万的星云都是像银河系这样的“宇宙岛屿”。
沙普利和柯蒂斯的正式辩论在当时并没有结果，我们现在知道，这是因为沙普利在太阳系的位置和银河系的大尺度问题上大体正确，柯蒂斯在星云作为独立星系的性质问题上大体正确。
在这场大辩论三年之后，时任哈佛天文台台长的沙普利在办公室收到了一封来信，匆匆读过后，他长叹一口气道：“就这么一封信毁了我的'宇宙’”。这封信来自威尔逊山，写信的是沙普利认识的一位年轻人，名叫爱德文·哈勃。
希伯·柯蒂斯(左)与哈洛·沙普利(右)，图片来源：维基百科
哈勃使用“胡克望远镜”对仙女座大星云的观测发现，其中的造父变星和它们所在的星云距离地球近百万光年，远超当时认为的银河系的尺度，因而一定位于银河系之外，即仙女座星云确实是银河系外巨大的天体系统——河外星系。哈勃的发现从根本上重塑了宇宙的科学观，开启了星系外天文学的时代，被誉为“星系天文学之父”。
造父变星的光变曲线(左)和观测中的哈勃(右)，图片来源：维基百科
银河系物质组成(左)与奥尔特(右)，图片来源：维基百科(左) / NANFA, Joop van Bilsen, 1961(右)
太阳附近旋臂结构(左)：实心圆点表示高亮度恒星的集中分布，空心圆圈表示遥远的恒星，小的's’符号表示太阳的位置。图中显示出太阳附近的旋臂分成了两个分支 / 威廉·摩根(右)，图片来源：维基百科(左) / NANFA, 乔普, 1961 (右)
银河系中性氢的分布(左)：中性氢在银道面上的投影分布，颜色越深表示密度越高。图中可以看出中性氢并非均匀分布，而是显示出类似旋臂的图案 / 德文格鲁射电望远镜(右)，图片来源：MNRAS, 奥尔特, 1958 (左) / 维基百科, 2014 (右)
在接下来的数年中，奥尔特继续开展了银河系旋臂结构的研究，并且带领荷兰天文学家利用射电天文方法研究了银河系中心的结构。在当时，奥尔特等人的研究似乎影响更远，因为摩根只发现了太阳附近的旋臂，而射电波段却能够识别隐秘的银河系远侧的结构。
一段时间以来，奥尔特和他的合作者的发现使摩根的工作蒙上了阴影。直到大约1970年，人们才意识到他们确定的中性氢云的距离没有想象中的那么精确，这是因为中性氢云的运动并不是理论模型所预测的那样，所以他们得到的银河系中性氢分布图并不是很可靠，而摩根成就的独特性再次开始得到人们的充分赞赏[9]。
银河系旋臂结构的经典工作是乔治林父子在1976年完成的[10]，他们根据银河系内的电离氢所在的区域构建了银河系的四条旋臂模型。不过，电离氢的分布较为混乱，在不同银河系位置的连接和连续性不清楚。20世纪90年代美国的斯皮策红外太空望远镜发射升空，恒星的红外观测结果表明银河系可能只有两条旋臂[11]。所以，银河系的旋臂结构依然是扑朔迷离。
说完了旋臂，我们再来看看银河系中心的“棒”。
在1923年哈勃首次证认河外星系的存在之后，越来越多的河外星系不断被发现，而且大部分星系中心区域具有一个明亮的长条形结构，天文学家称其为“棒”结构。以前，银河系一直被认为是一个无“棒”结构的普通旋涡星系。然而在20世纪60年代，天文学家通过银河系21厘米谱线的观测资料发现银河系中心有两条“膨胀臂”向远离银心方向运动。随后，不少天文学家都推测银河系中心可能存在“棒”结构。
“棒”旋星系：河外星系NGC 1300，图片来源：NASA, ESA, STScI/AURA
1991年，布里兹和斯珀格尔综合利用射电观测中性氢和近红外观测恒星的数据确认，在银河系内区存在大尺度的“棒”结构[12]。由于“棒”结构是否存在对银河系结构和动力学演化、银河系内恒星的形成和演化具有重要意义，20世纪90年代以来，有关银河系“棒”结构的观测研究逐渐成为天体物理中一个重要热点，包括多种途径的观测和理论模型研究。
可以说，到1995年左右，人们逐渐达成共识：银河系是一个“棒”旋星系！旋臂从其两端向外延伸。21世纪以来，斯皮策红外太空望远镜和最近的欧洲航空局的盖亚卫星均证认了这一结果。
然而，棒旋结构的确认是否表示银河系也同NGC1300一样具有两个旋臂呢？
在银河系这个规模超过十万光年的巨大涡流中，沿视线方向上的多个结构层层重叠，加之天体距离测量的不确定性，使得我们对银河系旋臂的数目都很难确定。同时，关于银河系旋臂结构的模型纷繁复杂、超过百种。
进入21世纪，银河系旋臂结构领域的天文学家认识到，如果想进一步描绘银河系的旋臂结构，就亟待找到更好的示踪旋臂的天体（这种天体最好不受星际尘埃或者气体消光的影响）并且能采用精确的方法确定其距离（这种方法最好不依赖任何物理学模型而是实测得到的距离）。而这项突破是由我国天文学家实现的。
旋臂是恒星形成的主要场所，揭示银河系旋臂结构首要关键是寻找处在旋臂上的“灯塔”以及如何把它精确定位。
2003年，我国天文学家发现分子的宇宙微波激射，即脉泽，是银河系旋臂极好的示踪天体[13]。脉泽，射电波段的“激光”，这是一种具有很小的空间尺度、标志着恒星形成的天体，它可以穿透银盘上气体和尘埃的遮挡而被地球上的射电望远镜探测到。
为了测量这些遥远的示踪旋臂的“灯塔”，我国天文学家计划用世界上分辨率最高的望远镜——甚长基线干涉阵（VLBA）来实施观测。VLBA是由横跨美国的10台口径25米的射电望远镜组成的一个功能强大的阵列，它的最长基线可达8611千米，分辨率能够达到0.0003角秒，相当于人类可以肉眼阅读4000千米以外的报纸。
2006年，我国天文学家在解决一系列挑战性技术难题后，首次将三角视差测量距离的精度提高到同时期依巴谷卫星测量精度的100倍，实现了天体测量技术的划时代突破，这个精度相当于在地球上准确定位月球上的一只蚂蚁。他们以有史以来最高的天体测量精度确定了银河系英仙臂的距离，彻底解决了天文界关于英仙臂位置的长期争论，使得直接测量银河系旋臂结构成为了可能。
该成果荣登《Science》杂志封面[14]，成为中国天文学家在该杂志封面的首秀。该工作在国内外产生了深远影响，国际权威专家评论中国天文学家的这项工作是银河系结构研究领域的一个里程碑，称他们开创了三角视差测量的新纪元。
三角视差法原理(左) / 美国甚长基线干涉阵(右)，图片来源：中科院紫金山天文台(左) / NRAO(右)
以中国天文学家为首的、利用VLBA测量英仙臂距离的项目获得了巨大成功，这极大地推动了美国国立射电天文台有史以来最大的科学项目、也是迄今为止国际上最大的银河系测量计划——银河系“棒”和旋臂结构（BeSSeL）巡天的成立（2009年）。
十多年来，该项目精确测量了银河系几百个脉泽（距离精度接近0.00001角秒），覆盖了银河系大约三分之一的区域。结合其它波段的天体观测，这个项目诞生了广泛认可的新的银河系旋臂结构[15, 16]。2019年，项目组成员绘制出了10万×10万光年尺度的、全新的、迄今为止最精确的银河系结构图[17]，清晰地展示出银河系是一个具有四条旋臂的“棒”旋星系。同时，该项目证认了前人观测到的银河系盘翘曲现象，即银河系的外盘面逐渐偏离内盘面，整体看起来像“弯曲的土豆片”。
此外，天文界长期以来一直认为太阳附近只有零星物质存在，不可能存在旋臂结构，仅认为太阳附近是一个“鼓包”。而新的银河系结构图显示，太阳附近的本地臂是一条孤立的臂段，非常接近银河系的第五条旋臂。
需要特别指出的是，这是我国天文学家在2013年发现的[18]，他们后来又发现银河系迄今最长的一条旋臂间次结构[19]，这标志着直接测量银河系已经变为现实。本项目还精确限定了银河系基本参数，如银心距、银河系旋转曲线、太阳本动等。但是，目前脉泽主要集中是在北半球观测的，南半球的观测项目正在开展中[20]。
最新的银河系旋臂结构，图片来源：科学美国人，马克·里德 & 郑兴武，2020
最近，我国天文学家根据盖亚卫星的天体测量数据，在国际上率先使用具有三角视差的大质量年轻恒星（O、B型星）、银河系疏散星团和脉泽数据综合描绘太阳附近的银河系结构，再一次证实本地臂的存在，将旋臂结构从北天延伸至脉泽数据尚且缺失的南天，并发现银河系旋臂结构不均匀的现象。根据精确视差距离所描绘的银河系旋臂结构，他们在国际上率先提出银河系不是以前广泛认可的单纯由宏伟的、规则的螺旋形主旋臂所组成的，而是具有多条主旋臂、在主旋臂间充满着次结构的、复杂的旋涡星系的观点，拓展了人类对银河系的了解。
至少目前，我们对自己的银河家园有了更加清晰的认识。我们可能生活在一个具有四条旋臂的“棒”旋星系中，我们的太阳系位于银盘上，但是远离银河系中心大约位于银河系半径的三分之二处，而且太阳很可能在一个孤立的旋臂段中，即“本地臂”。银河系的四条旋臂间有可能有很多分叉，但是四条清晰、明确、对称的旋臂又让她显得比较独特，因为大多数旋涡星系的旋臂很少而且旋臂比较凌乱。
几百年来，科学家们从简单到复杂，从整体到细节，孜孜不倦地绘制着银河系的图像。尽管目前我们已经了解到了一些银河系的基本知识，但仍有许多疑问等着去解答。比如：银河系是在宇宙的什么时间、如何形成的？目前比较流行的观点认为是宇宙早期先形成的许多较小的星系碰撞并合形成了现在的银河系，但是其准确的年龄还是无法确定。
另外，银河系的“棒”和旋臂又是如何形成的？如果认为银河系是早期小星系并合的，那并合过程则一定会打破现在这种旋臂结构；而由旋转曲线计算的银河系的总质量远远大于银河系内可见物质的质量，进而引申出的问题就是：不发光物质是暗物质吗？那么暗物质的质量是多少，它们又是什么、在哪里？抑或我们只是需要修改已有的引力理论来解释该现象。
更多的观测亟待开展来进一步拓展我们对银河系的认知，可喜的是近些年我们的观测设备在不断迈上新台阶，比如已经投入使用的，坐落在我国贵州的500米射电望远镜（FAST），甚至未来更大的射电望远镜阵。此外还有正在规划和建造中的北美下一代甚长基线望远镜阵列（NGVLA），和位于南非与澳大利亚的平方公里阵列（SKA）等。预计它们在十年后可以投入使用，到那时，它们提供给我们的“火眼”（超高的分辨率）和“金睛”（超高的定位精度），一定可以让我们在银河系中的视线到达更远的地方。
相信总有一天，我们最终可以拨开云雾，绘出银河系的“庐山真面目”。
参考文献：
1. Thomas Wright, An Original Theory or New Hypothesis of the Universe, 1750, London, England: H. Chapelle
2. Easton, C. A New Theory of the Milky way., 1900, ApJ, 12, 136
3. Kapteyn, J. C. Remarks on the determination of the number and mean parallax of stars of different magnitude and the absorption of light in space., 1904, AJ, 24, 115-122
4. Shapley, H. Studies based on the colors and magnitudes in stellar clusters. XVII. Miscellaneous results., 1920, ApJ, 52, 73-85
5. Oort, J. H. Observational evidence confirming Lindblad's hypothesis of a rotation of the galactic system., 1927, BAN, 3, 275
6. Morgan, W. W. Some features of galactic structure in the neighborhood of the Sun., 1952, AJ, 57, 3
7. Morgan, W. W. Studies in Galactic Structure. I. a Preliminary Determination of the Space Distribution of the Blue Giants., 1953, ApJ, 118, 318
8. Oort, J. H., Kerr, F. J., Westerhout, G. The galactic system as a spiral nebula (Council Note)., 1958, MNRAS, 118, 379
9. Burton, W. B. The morphology of hydrogen and of other tracers in the Galaxy., 1976, ARA&A, 14, 275, 306
10. Georgelin, Y. M., Georgelin, Y. P. The spiral structure of our Galaxy determined from H II regions., 1976, A&A, 49, 57-79
11. Churchwell, Ed et al. The Spitzer/GLIMPSE Surveys: A New View of the Milky Way., 2009, PASP, 121, 213
12. Blitz, L., Spergel, D. The Shape of the Galaxy., 1991, ApJ, 370, 205
13. Xu, Y., Zheng, X. W., Jiang, D. R., Statistical Properties of 6.7 GHz Methanol Maser Sources., 2003, ChJAA, 3, 49-68
14. Xu, Y., Reid, M. J., Zheng, X. W., Menten, K. M. The Distance to the Perseus Spiral Arm in the Milky Way., 2006, Science, 311, 54-57
15. Reid, M. J. et al. Trigonometric Parallaxes of Massive Star-Forming Regions. VI. Galactic Structure, Fundamental Parameters, and Noncircular Motions., 2013, ApJ, 700, 137-148
16. Reid, M. J. et al. Trigonometric Parallaxes of High Mass Star Forming Regions: The Structure and Kinematics of the Milky Way., 2014, ApJ, 783, 130
17. Reid, M. J. et al. Trigonometric Parallaxes of High-mass Star-forming Regions: Our View of the Milky Way., 2019, ApJ, 885, 131
18. Xu, Y. et al. On the Nature of the Local Spiral Arm of the Milky Way., 2013, ApJ, 769, 15
19. Xu, Y. et al. The local spiral structure of the Milky Way., 2016, Science Advances, 2, e1600878-e1600878
20. Hyland, L. J, Ellingsen, S. P., Reid, M. J Structure of the Milky Way: View from the Southern Hemisphere., 2018, IAU Symposium, 336, 154–157.
延伸阅读
点击下方
关注未来论坛
关注未来论坛
一个承载人类科技梦想
用科学改变未来的公益平台
一个连接前沿科技
解读未来趋势的思想平台