虽然身在银河中，但识银河真面目

出品：科普中国

作者：董志川（中国科学院南京天文光学技术研究所）

监制：中国科普博览

“迢迢牵牛星，皎皎河汉女。”“河汉清且浅，相去复几许？”

在汉乐府诗《迢迢牵牛星》中，如是传神般地描绘了银河的辉煌灿烂。

银河引发了人类多少灵感和忧思，我们人类虽身处这个巨大无比的星流漩涡之中，却“不畏浮云遮望眼”，仅凭借自身的智慧就能努力对它的全貌进行全景式地拼图，这又是何等了不起的丰功伟绩。

尽管我们一直在尝试了解横跨星空的这条乳白色亮带，但银河中隐藏的星际奥秘着实非一朝一夕可穷尽的。知一隅也好，了全貌也罢，让我们来谈一谈我们身处的银河系吧！

在地球上观察银河，为什么是现在这个样子的？

其实，一年四季都可以看到银河，只不过夏秋之交我们看到了银河最明亮壮观的部分。

我们看到的银河为什么是带状的呢？因为我们身处银河内部，只能从银河的侧面去看。

银河

（图片来源：维基百科）

地球绕着太阳在银河系“流浪”，太阳绕着银心运转（周期约2.2亿年）。地球在冬天的时候，运行到太阳外侧，即隔着太阳远离银心的一侧，那么太阳一侧的星空是看不到的，只能在夜晚看到银河系边缘那里的恒星，所以银河暗淡。

地球在夏天的时候，运行到太阳内侧，即靠近银心的一侧，那么夜空中正好可以看到银河最密集的部分，内部的多条悬臂相叠加，所以看得更清晰，更容易观测到明显的带状分布。

每年七八月份秋高气爽，地球运行到了一个绝佳的位置。在这个时候北半球在副热带高压的加持下，晴天数增加，视觉对比度增强，夜天光减弱，这也是我们在七八月份能更清楚地看到银河的原因。

“看到”银河全貌的两种方法

身处银河系中的我们，要看清银河的旋涡/旋棒和四条旋臂的结构，难道要垂直于银盘向上飞出吗？要飞到多远的地方才能看到银河系的全貌呢？

我们不妨做个简单的计算。人双眼的舒适视域约为124度，假设银河系的直径为15万光年（这是最新数据的平均值），那么根据三角函数可以计算出，目视银河系全貌的距离为：3.99万光年，这比我们与银心的距离（2.6万光年）还要远。

这意味着，如果从地球出发，我们需要以光速飞行大约4万年才能到达能目视银河系全貌的地方。

从目前来看，这个距离遥不可及。那么，人类还有其他的途径吗？

有。

我们至少还有两种办法能助力我们实现一览银河的目标。一个办法是“以他人为镜”，另一个办法则是“管中窥豹”。

“以他人为镜”

“以他人为镜”的意思是，我们可以通过观察其他遥远星系（比如我们的邻居仙女星系）的样子，来侧面推测我们银河系的样貌。

这就像我们住在一个建筑外形高度一致的小区里，虽然我们在自己家的房子里没有出门，看不到单元楼的全貌，但我们仍然可以通过观察其他单元楼来了解自己单元楼大概的样式。

在人类已知的星系中，位于3.8亿光年外的UGC 12158星系在外观上看起来与我们的银河系非常相似，它被认为是在外观上最像银河系的星系。与银河系一样，它同样也有四条或五条旋臂，也是一个“棒状旋涡”星系。

UGC 12158星系（左图）与银河系（右图）的外观

（图片来源：维基百科）

然而，这种方法也同样面临一个新的难题，就是如何从海量的数据中筛选出与银河系相似的星系。

因为人工进行这种筛选非常耗时和低效，天文学家就开始借助人工智能的威力，很好地解决了这个难题。

他们使用了欧洲空间局（ESA）赫歇尔太空望远镜（Herschel Space Observatory）所收集的超过10万个星系的图像作为训练数据，并用调校后的人工智能对另外约2万个星系图像进行了测试。结果显示，人工智能的分类准确率达到了90%以上。

利用人工智能分好类的星系图像，天文学家进一步筛选出了与银河系最相似的1000个星系，并对它们进行了详细的分析。经过研究发现，这些星系中有45%是“平坦”的，12%是“弯曲”的，43%是“扭曲”的。

这个结果意味着银河系也很可能是一个“扭曲”的星系，即银河系盘面的两端向上和向下弯曲，形成了一个“S”形。

令人惊喜的是，这个猜测与我们采用下面第二种方法所获得的银河系图景竟然巧合般的一致。

银河系盘是“扭曲”的

（图片来源：维基百科）

“管中窥豹”

第二种方法是我们人类自创的一种“窥一斑而知全豹”式的技术，或者叫“盲人摸象”般的技术，即“大数据巡天技术”。

具体来说，这种技术的应用类似于通过像LAMOST郭守敬望远镜这样高效率巡天的科学重器，通过对银河进行逐帧画像，借助海量的数据堆积，来重构并获得整个银河系的精细结构信息。

这种给银河“画像”的原理说来也很简单，即天文学家通过把大望远镜“触摸”到的每一颗恒星的位置、光度、光谱等信息都标记下来，并获得恒星的化学组成、分布、年龄及运动方式，然后通过日积月累式的数据积累，最终得以重构银河系的全貌，并拟合出它的结构特征。

银河系的大致结构

（图片来源：维基百科）

当然，在此就不得不提及最先做这件事的人。他并非当代的天文学家，而是天文史中的一位前辈先驱，即两百年前著名的威廉·赫歇尔爵士（前面提到的赫歇尔太空望远镜就是以他命名，来纪念他的丰功伟绩）。

威廉·赫歇尔爵士被称为恒星天文学的创始人，被誉为恒星天文学之父。他的“大炮”望远镜举世闻名，利用它，赫歇尔开创了现代天文观测的先河，他还甚至在自己家院子里发现了天王星(用其他望远镜)。

威廉·赫歇尔爵士

（图片来源：维基百科）

正是这位英国18世纪具有传奇色彩的天文学家，经过长期坚持不懈的精密观测，最早通过应用对恒星计数的观测方法，发现了银河系中的恒星分布是扁平状的圆盘结构，并据此勾勒了全世界第一个银河系的轮廓模型，为此他还甚至跑到了南非进行进一步观测验证。

众多科研机构都展开了类似的大数据工作，比如中国科学院国家天文台的“数字银河系”计划，以及中国科学院紫金山天文台的“银河卷轴”计划。

大数据巡天的办法，“盲人摸象，聚沙成塔”的思路，不仅是我们获得银河系全貌行之有效的办法，更是我们人类探索其他宇宙大尺度结构的不二选择。

近十几年来，科学家利用这种办法，获得了很多了不起的发现。比如中国科学家和德国科学家合作，利用与之类似的办法发现了暗物质在宏大宇宙中的超大尺度的网状结构。

另外一批科学家则通过对大量星系数据的大数据统计分析，发现了“巨引源”的存在以及呈现纤维/羽毛状的、横亘5.2亿光年天区的拉尼亚凯亚超星系团的大尺度宇宙结构。

拉尼亚凯亚超星系团

（图片来源：维基百科）

结语

身在银河中，却仍能识得银河真面目。尽管宇宙中的星系离我们非常遥远，但并不意味着人类无法真正了解它们。宇宙充满着吸引力，它遥远却又可接近，令人充满着无限遐想……