[科普中国]-银河系结构

简介

银河和银河系是两个不同层次的概念:银河是晴朗夜空中可以看到的一条形状不规则的银白色光带，而银河系则是由众多恒星构成的庞大天体系统。古代哲学家对银河的认识，就其本质上说只是建立在一些主观想象的基础之上，而缺乏科学依据。例如，亚里斯多德认为银河只是一种大气现象，是地球发出的水蒸气，而不承认是天上之物。第一个正确认识银河系本质的是古希腊哲学家德谟克利特，他认为银河是由无数个恒星构成的，只是因为这些恒星太暗、太密而无法加以分辨，于是表现为一条模糊的光带。1608年，荷兰人李波尔赛在一次偶然的机会中发明了望远镜。翌年，伽利略亲自动手制作望远镜并用于天文观测，开创了天文观测的新时代。是年冬天，伽利略用望远镜对银河进行观测，发现银河并不是一片薄云，而是密密麻麻无数个星星，只是肉眼无法加以分辨，表现为天空中一条暗淡的光带，这样就从观测上证实了德谟克利特的见解。对银河系结构的实测研究是由英国天文学家威廉赫歇尔开创的。1785年，赫歇尔通过恒星计数得出，银河系中恒星分布的主要部分为一个扁平圆盘状结构。他在用望远镜所作的1083次观测中，共计数了117600颗恒星。赫歇尔在恒星计数工作的基础上，再加上若干假设，从而得出了天文学史上第一个银河系模型(见图)。不过，在赫歇尔的模型中太阳位于银河系的中心。1918年，美国天文学家沙普利利用球状星团的空间分布，正确地推断太阳并不位于银河系中心，而是位于比较靠近银河系边缘的地方。这时，距赫歇尔提出第一个银河系模型已经过去了130余年。

根据近代天文学的观测和研究，银河系是一个旋涡星系，它的总体结构大体上可以分为4个部分，即银盘、核球、银晕和暗晕。除暗晕部分外，银河系的总质量约为1.4×1011太阳质量，其中以恒星形式出现的约占90%，由气体和尘埃组成的星际物质占10%左右。银河系的年龄估计为100亿年或更老。银盘是银河系恒星分布的主体部分，呈轴对称和平面对称的扁平圆盘状，直径约为8.2万光年。太阳到银河系中心的距离(银心距)约为2.6万光年，离银盘的对称平面(银道面)不远(20～30光年)。银盘的厚度是不均匀的，太阳位置附近银盘的厚度在3300光年左右。除暗晕外，银河系质量的85%～90%集中在银盘内。核球是位于银河系中心部分的恒星密集区，大致呈扁旋转椭球体状，长轴为1.3～1.6万光年，厚1.3万光年。核球的质量估计约占除暗晕外银河系质量的5%。核球中主要是一些年老的天体，越接近中心，核球恒星的密集程度越高。在银河系中心方向观测到有一个结构复杂的强射电源人马A，它至少含5个子源，在一个直径33光年的子源中有一个直径接近5光年的亮核，这就是银核。银核的质量约为几百万太阳质量，现在普遍认为那里有一个超大质量黑洞，不过它并没有处于剧烈活动期。包围着银盘的是一个由稀疏分布的恒星和星际物质组成的区域，称为银晕。银晕大体上呈球状，直径在10万光年左右，范围比银盘大得多，但因为物质分布很稀疏，所以质量大约只有银盘质量的10%。银晕主要由两类天体组成，即老年恒星和球状星团，此外还有少量的气体。在银晕之外有一个范围更大的物质分布区，这就是暗晕，又称银冕。暗晕的组成成分是目前尚无法观测到的暗物质，直径可能是银晕直径的10倍，质量可能高达银河系其他部分质量总和的10倍。暗晕主要是根据银盘天体的运动学状况推算出来的:如果银河系的物质分布向中心集中，那么离中心越远的恒星绕银心的旋转速度就越慢，而实测结果却不是这样。在太阳附近以及更远的地方，恒星的运动速度大致保持不变，甚至还略有增加，由此便导出在银河系外围必然存在大量暗物质的结论，也就是存在暗晕。

1944年，德国天文学家巴德提出了星族的概念，他根据恒星的物理性质、空间分布和运动特征，把银河系中的恒星分为星族I和星族II两大类。星族I天体分布在一个以银心为中心的扁圆环状范围内，年龄较轻，绕银心的运动速度大，但速度弥散度小;星族II天体则分布在一个以银心为中心的略扁的球体内，年龄比较老，绕银心的运动速度小，但速度弥散度大。所以，银盘中主要是星族I天体，而核球和银晕内主要是星族II天体。银河系中恒星的运动状态取决于银河系的引力场，而引力场又取决于银河系的物质分布。银河系天体的运动既不是像太阳系内行星运动那样的开普勒运动，也不是刚体自转，而是所谓较差自转，即银心距不同的恒星有不同的转动角速度。1925年，瑞典天文学家林德伯拉德提出了有关银河系自转的正确概念。1927年，荷兰天文学家奥尔特导出了银河系较差自转对恒星观测运动影响的计算公式。奥尔特-林德伯拉德理论是有关银河系自转的一种最为成功的理论，并为大量的观测所证实。银盘中星族I天体在近圆轨道上沿同一方向绕银心转动，轨道面与银道面的交角不大，运动线速度随银心距的变化曲线称为银河系自转曲线。太阳附近恒星的转动速度约为每秒220km，绕银心一周需2亿多年时间，所以太阳自形成以来已在银河系中公转了20多圈1。

形状银盘银河系的物质密集部分组成一个圆盘，称为银盘。银河系中，由恒星、尘埃和气体组成的扁平盘。银盘内有旋臂，这是气体、尘埃和年轻恒星集中的地方。银盘主要由星族Ⅰ天体组成，如G～K型主序星、巨星、新星、行星状星云、天琴RR变星、长周期变星、半规则变星等。核球是银河系中心恒星密集的区域，近似于球形 ，直径约4千秒差距，结构复杂。核球主要由星族Ⅱ天体组成，也有少量星族Ⅰ天体。核球的中心部分是 银核。它发出很强的射电、红外、X射线和γ射线。其性质尚不清楚 ，可能包含一个黑洞。银晕主要由晕星族天体，如亚矮星、贫金属星、球状星团等组成，没有年轻的O、B型星，有少量气体。银晕中物质密度远低于银盘。

银晕银盘外面范围更大、近于球状分布的系统，称为银晕，其中的物质密度比银盘的低得多。银晕直径约为九万八千光年，这里恒星的密度很低，分布着一些由老年恒星组成的球状星团。

银冕也大致呈球形。银盘直径约25千秒差距，厚1～2秒差距，自中心向边缘逐渐变薄，太阳位于银盘内，离银心约8.5千秒差距，在银道面以北约8秒差距处。银盘内有旋臂，这是气体、尘埃和年轻恒星集中的地方。核球是银河系中心恒星密集的区域，近似于球形，直径约4千秒差距，结构复杂。核球主要由星族Ⅱ天体组成，也有少量星族Ⅰ天体。核球的中心部分是银核。它发出很强的射电、红外线、X射线和γ射线。其性质尚不清楚，可能包含一个黑洞。银晕主要由晕星族天体，如亚矮星、贫金属星、球状星团等组成，没有年轻的O、B型星，有少量气体。银晕中物质密度远低于银盘。银晕长轴直径约30千秒差距，年龄约10年，质量还不十分清楚。在银晕的恒星分布区以外的银冕是一个大致呈球形的射电辐射区，其性质了解得甚少。

历程对银河系结构的初步描绘在夏季晴朗的夜晚，如果没有月亮，你遥望夜空，会看到有一条银白色的光带从东北方向伸向天弯的另一端，这宛若薄纱般的光带就是银河。在我国古代，人们把银河看作是天上的河流。我们的祖先给它起了许多好听的名字:银河、长河、河汉、明河、秋河、银汉、天汉、星汉等不下二十几个。在西方，银河被称为“Milk Way”，意即“奶路”，据古希腊神话，这横贯天空的奶白色银河，是天神的妻子—赫拉乳房中喷出的乳汁。

1601年，当意大利科学家伽利略将他发明的望远镜第一次指向银河时，他发现这条白茫茫的光带实际上是由不计其数的恒星所构成的。随着天文望远镜贯穿能力的提高，人们在各方向所观察到的恒星越来越多。但此后的一百多年，人类对银河系的恒星，一直停留在研究其位置及其位置变化上。直到18世纪中叶，西方科学界和哲学界才开始探讨恒星宇宙的组成问题。1705年，英国天文学家丁.赖特(1711一1786年)提出，环绕天弯的银河不会在所有方向上都无止境地延伸下去，它只是分布在有限的范围之内，他认为恒星世界其实是一个扁平如透镜的集团，太阳为恒星中的一个成员。1755年，德国哲学家康德也论述道:宇宙好比一片汪洋大海，银河众星构成一个孤立的恒星集团，犹如一座小岛—“宇宙岛”;在宇宙中还分布着很多这样的小岛。1761年，德国科学家兰勃特(1728一1777年)也阐述了恒星系统的论断。他们的共同观点是:恒星宇宙是由值星组成的有限范围的庞大体系。

第一个用观测事实求出银河系的结构模型的是威廉·赫歇尔(1738一1822年)。赫歇尔是通过业余自学进行天文学工作的，经过几十年坚韧不拔的努力，终于成为赫赫有名的天文学家，被称为“恒星天文学之父”。并且他们一家有三人都对天文学作出过卓越的贡献，赫歇尔的姓氏一时成为国际天文学界所仰慕的对象。赫歇尔出身音乐家庭，其兄弟姐妹六人，从小接受音乐教育，都显露出音乐才华。在学习音乐的同时，其父还教威廉·赫歇尔一些天文学知识。1753年，16岁的威廉为减少家庭负担，投身军乐团成为小提琴和双簧管演奏员。1757年，即法军侵入英汉诺威的第二年，身为音乐家的赫歇尔不堪忍受战争之苦，只身渡海，逃亡英国伦敦，以作乐师为生。但他白天靠音乐去谋生，晚上仍坚持自修天文学和进行天文观测。1772年，他的妹妹卡罗琳·赫歇尔(1750一1848年)来到了英国，从此，她一直协助威廉进行天文观测，帮他磨制一架又一架望远镜，料理生活，终身不离，甚至一直未嫁。1781年，赫歇尔43岁，在观测中，他不期而遇地发现了天王星，从此他声名威振，得到了英国皇家学会的科普利奖章，并受英王乔治三世的册封，成为英皇家学会会员，并予以优薪和府第，从此他开始专职从事天文学工作。

赫歇尔观测用的望远镜都是自己磨制的，为此他的家都成了作坊，为了磨制一架好的望远镜，他不分寒暑，夜以继日地工作，常常为了赶制望远镜，饿得饥肠辘辘仍不停手，卡罗琳心疼哥哥，就常常一口一口地喂饭给哥哥吃，累了，就躺在工作间休息一会，卡罗琳为他读故事以解除疲劳。就这样，赫歇尔一生共磨制了400多片望远镜片，他制出的反射式望远镜都是当时最好的。美国著名科普作家阿西莫夫这样评论赫歇尔:“在整整一代人的时间里，赫歇尔和他的大型反射望远镜统治着天文学。”为了探索恒星系统的结构，赫歇尔兄妹通力合作，用他们自制的贯穿本领空前的望远镜，进行系统的巡天观测他们把天区分为683个取样区，对每个样区的恒星进行观测，恒星计数的极限星等达到了12等的暗星。年复一年，日复一日，他们进行着艰难的跋涉，从不放过任何一个晴朗的夜晚，甚至通宵达旦地工作，经过十几年的工作，他们进行了1083次观测，共计数了117，600颗恒星。他们记录的大量的数据，若是用今天每页400字的稿纸抄的话，需要近6000页，可见其工作量之巨大。1785年，他们通过对观测数据的分析，得到了银河系的结构图(见图示):银河系的形状为扁而平、轮廓参差、太阳居于其中央。这样人类第一次用观测事实勾勒了银河系的图像，并且首次证明肉眼所见的乳白色银河和散布在全天的恒星构成了一个巨大的天体系统—银河系。由于当时还不知任何一颗恒星的距离，赫歇尔就估计了银河系直径和厚度的大致比例。人们称这一模型为“赫歇尔1785年银河系模型”。

以后，赫歇尔又经过了35年的观测探索，对银河系第一模型进行了修改，他确认银河系为一扁平的、空间有限的、太阳居其中的恒星系统，但由于望远镜的贯穿本领不能穷其边缘，银河系的直径比以前大得多，但不能测出其大小，后人称为“赫歇尔1817年银河系模型”。此后的一个多世纪，赫歇尔的研究方法和成果被天文学界尊为典范，并由此开创出一门新兴学科—恒星天文学，赫歇尔也被称为“恒星天文学之父”。

把太阳移出银河系的中心1906年，荷兰天文学家卡普坦(1851年一1922年)提出应用现代天文学方法重新进行天文计数工作，并将天空均匀划分为206个’`选择区域”。由于这时已经知道一些恒星的距离，加上运用赫歇尔时代所不具备的天文照相技术，技术结果大大改进。1922年，卡普坦提出了银河系模型，轮廓与赫歇尔的模型相似，但直径比其大4倍，约为4光年，太阳居银河系中央，距太阳越远的地方恒星越稀疏。卡普坦模型实际上是赫歇尔模型的定量发展。对银河系结构做出突破性认识的是美国天文学家沙普利。沙普利选择天文职业非常富有戏剧性。他出身于农民之家，他的父亲是一位农民兼小学教员。他在一所农村小学念了5年书，又学了一段商业课程，16岁当上了记者，是靠业余时间自学完成中学课程的。在1907年考进密苏里大学之前，他热衷于新闻工作，负责报道争端和枪杀事件。但他对新闻界的生活方式感到不满，尤其是报道夸大事实，使他感到厌烦，于是他考虑向其他领域发展。翻看大学学科目录时，由于目录是按英文字母顺序排列，因为他不会念考古学这个词，就把它放在一边，而选择了下一个天文学，他就如此简单地步入了天文学领域，而后又成了著名的天文学家。由于他的好运接踵而来，被一些老一辈天文学家称为天文学上的“暴发户”。他一生幸运地得到了几位一流天文学家的指导和帮助，首先是西尔斯—密苏里大学天文台台长，他让沙普利作助手，经常点拨和培养他，在1911年沙普利取得硕士学位之后，西尔斯推荐他到普林斯顿大学天文台工作。在这里，他又遇到了著名的天体物理学家罗素，在罗素的指导下完成了关于食双星的著名学位论文。

1914年春，沙普利接受海尔(1868一1938)和西尔斯的邀请，去南加利福尼亚州的威尔逊山天文台。此天文台是海尔于20世纪早期创建的，很快，它就成为世界上最重要的天文机构之一，是天文学研究的前沿机构。在那里，世界上最大的2.54米胡克反射望远镜马上就要落成，它同时还有一架当时威力强大的60英寸(1.52米)反射望远镜。在去威尔逊天文台之前，沙普利专程拜访了他的导师贝利(Solon Bailey)，当时贝利是历史悠久的哈佛天文台的代理台长，他专攻球状星团中的变星，曾作过大量的变星观测。球状星团是一类特殊的恒星集团，是由成千上万，甚至几十万几百万颗恒星聚集而成球形的星团，它的恒星分布密度很大，是太阳附近恒星分布密度的50倍，而星团中心密度则超过其1000倍。球状星团中有造父变星，贝利已经发现了一些，贝利建议沙普利充分利用威尔逊天文台的精良设备，去发现球状星团中更多的造父变星。

沙普利认真地接受了贝利的建议，他携新婚妻子一到达威尔逊天文台，就投入了多球状星团中造父变星的观测和研究工作。为此沙普利曾说:’我们的目标就是要去做从未做过的事。”“要成为科学研究中的领先者，实现海尔使威尔逊山天文台成为一个著名研究机构的梦想”。他花了4年时间，夜以继日地工作，拍摄了成百上千张星团照片，逐一检视，又对造父变星的亮度进行测量，并测定出其亮度变化周期和平均亮度，然后他用“造父视差法”，定出其光度，求出其距离。接着，他研究了球状星团在天球上的分布，他发现球状星团相对于太阳的分布不均匀，90%以上的球状星团位于人马座为中心的半个天球上，他们的距离较大;10%的球状星团位于另一半球上，他们的距离较近。科学家及哲学家历来都有这样的观念，即认为自然界是对称的，由此，沙普利认为球状星团在天球上的分布是均匀的，只是它们的中心不在太阳，而在人马座附近，这才是银河系的中心。1919年，沙普利提出了他的银河系模型，银河系的形状好似透镜，其直径约为30万光年，太阳到银河系中心的距离约为6万光年。几百年来人们一直以为太阳是宇宙的中心，沙普利以其大胆的勇气，惊人的想象力和创造力，描绘出了一幅银河系新的图景，把太阳’请”出了银河系的中心，揭开了天文学史上新的篇章。德国天文学家巴德曾赞赏道:“我一向佩服沙普利的路子，他在很短的时间里一举拿下了这个问题，终于得到了银河系的图像，把一切老派的银河系尺度的观念打垮了。”沙普利将太阳放到银河系的边缘，就象哥白尼将地球挪出太阳系的中心一样，为建立银河系正确的图像跨出了关键性的一步。

1930年，瑞士天文学家特朗普勒(1886一1956年)在研究了星际消光效应之后，对球状星团的距离进行了校正，推算出银河系的直径约为10万光年以下，而太阳到银河系中心的距离约为3万光年。

在射电波中回眸银河系当爱因斯坦和弗里德曼用广义相对论方程研究整个宇宙的时候，天文学家还仅仅在人眼直接可以接受的可见光波段观侧天体。由于在银河系中的银道面附近存在者大量的星际尘埃，从而产生的星际消光阻碍了可见光的观测，致使人类在已经能够看到遥远的河外星系的时候，还未能认清人类自身所居住的星系—银河系的真面目。正像宋代著名诗人苏东坡所说的那样“横看成岭侧成峰，远近高低各不同，不识庐山真面目。只缘身在此山中。”自1925年美国天文学家哈勃创建了第一个河外星系的分类系统之后，他将星系分为了漩涡、棒旋、椭圆和不规则四大类。然而我们自身所在的银河系是属于哪一类型的星系呢。

1927年荷兰天文学家奥尔特(1900一1992年)与瑞典天文学家B。林德伯莱德合作，发现了银河系的旋转。从此开始了奥尔特对银河系结构的长时间探索。1938年，奥尔特用光学观测的方法，发现银河系存在旋涡结构，但由于银道面附近强烈的星际消光，妨碍了这项研究的深入进行。

1931年美国新泽西州贝尔电话实验室为横跨大洋的无线电电话建造了长30，5米高3.66米的旋转天线阵。在此工作的无线电工程师央斯基(K.Gdansky，1905一1950年)在研究噪声干扰时，在1.46米的波长波段，发现了一种来源不明的射电噪声。开始他以为此射电噪声来自太阳，但随着不断地跟踪观测，他发现噪声源并不完全与太阳运行同步，而是每天都要提前4分钟，而恒星时的周期正好比太阳短4分钟。因此央斯基意识到噪声源来自太阳系外星空中的某一固定位置。而此位置正好指向人马座方向，经过一年的监测，他发现当他的无线电阵指向沙普利预言的银河系中心方向时，此射电噪声最强。故1935年央斯基发表论文明确断定，他测得了来自银河系中心的射电辐射，这是人类首次探测到宇宙射电，导致了射电天文学的诞生。从此冲破了人类只能在可见光波段探测宇宙的历史，为人类认识宇宙打开了一扇新的天窗，开创了用射电波研究天体的新纪)石。

光是什么，现代物理学告诉我们光是电磁波辐射，而人眼能够分辨的可见光波段仅占电磁波谱中很窄的一段。天文学家是通过探测宇宙天体所发生的光辐射来认识宇宙的，而宇宙天体的光辐射并不局限于可见光波段，其辐射广布在无线电波段、红外、紫外、x射线、，射线等整个电磁波段上。因此随着观测技术的发展，人类开始了全波段的天文观测。当射电窗口被打开以后，已任荷兰莱顿天文台台长的奥尔特立刻意识到，由于射电波与可见光不同，能够穿越星际气体和尘埃的阻碍，对于研究银河系的结构，射电波辐射也许能提供全新的图象。于是奥尔特让他的学生范德胡斯特(1918一)从理论上寻找可供观测的射电谱线。范德胡斯特做了认真的研究，1944年他预言可以探测到星际空间含量丰富的中性氢原子的21厘米谱线。1945年，第二次世界大战刚刚结束，奥尔特就向荷兰科学院建议建造一个25米的射电望远镜来探测这条谱线，但未能实现。后来终于于1951年5月，利用从德军手中缴获的一个7.5米雷达天线改装成一架射电望远镜，用它观测到了来自银河系的21厘米谱线的讯号。比美国的尤恩和拍塞尔的同一发现晚了约3个月。同年6月，澳大利亚的天文学家克里斯琴森和海特曼也测到了这条谱线。这三个测量结果、是同时发表的，在世界科学界引起了对银河系结构研究的巨大关注。

1956年奥尔特建议制造的25米射电望远镜开始在特温格罗天文台投入工作，继续开展银河系21厘米谱线的系统巡测，利用中性氢的密度分布研究银河系的结构。1958年奥尔特领导的射电天文小组与澳大利亚联邦科学与工业组织的射电天文小组，将南北半球的观测结果做了综合，绘制出了第一幅银河系21厘米中性氢的分布图，从中可以清楚地看到银河系具有涡旋结构。该图由奥尔特、克尔和韦斯特奥特联合发表于题为