既然人類只能看到很小範圍夜空，銀河系的形狀是如何確定的？

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在網上看到這個圖片。既然我們可見的星空只是這麼一小片的話，我們是怎麼知道銀河系的形狀是這樣的，以及我們在這個位置的呢？

@曹越的答案前半段說對了，後半段沒有說出來。實際上銀河系以外的星系也有很多種不同的形態，包括旋渦星系、橢圓星系等等，只靠觀察河外星系是沒法知道銀河系的結構的。

以William Herschel為代表的「數星星」是個極其繁瑣而不討好的方法。在歷史上，不少天文學家為了探明銀河系的結構，沿著這個思路一條道走到黑。

在20世紀初期，天文界公認還是相信荷蘭天文學家雅各布·卡普坦（J.C.Kapteyn）基於「數星星」得到的結論。但他當時還不知道銀河系中存在大量的星際物質，它們吸收了部分星光（即星際消光），所以卡普坦給出的銀河系明顯偏小了，長寬只有 4000 x 1000 pc（秒差距），並且認為太陽系就是銀河系的中心。

奧爾特（1900-1992）

卡普坦去世以後，受其影響，他的學生奧爾特（Jan Oort）繼續從事銀河繫結構的研究。奧爾特已經意識到廣泛存在的星際塵埃會嚴重影響恆星計數的結果，他決定換個方法，就是從恆星的距離、視向速度來研究銀河系的自轉。當時瑞典天文學家林德布拉德（Bertil Lindblad）剛剛發現了銀河存在自轉，離銀河系中心越遠的恆星，繞銀心旋轉的速度越慢。奧爾特順著這個思路，發現太陽並非位於銀河系中心，而是距銀心有3萬光年的距離，繞銀心公轉一圈需要2億年。雖然並沒有勾畫出銀河系的外貌，但已經比卡普坦的銀河系模型進步很多了。

格羅特·雷伯的首台射電望遠鏡，位於美國伊利諾伊州惠頓市

1937年，美國工程師格羅特·雷伯（Grote Reber）在自家後院建立了世界上第一台射電望遠鏡，隨後幾年裡完成了人類歷史上第一次無線電波段的天空掃描。奧爾特立即注意到了雷伯的結果，意識到射電天文學的巨大潛力，但是第二次世界大戰的爆發讓很多研究停滯了。二戰結束後，奧爾特和另一位荷蘭天文學家范得胡斯特（van de Hulst）合作，決定採用中性氫原子發出的波長21厘米的無線電波探索銀河系的結構。氫元素是宇宙中數量最多的元素，銀河系也不例外。銀河系中大部分空間都是低溫空曠的區域，其中的氫原子幾乎不發出可見光，卻可以發出21厘米波。與可見光不同，21厘米波能夠輕易穿透星際物質雲。奧爾特和同事們在荷蘭Kootwijk豎起了一個直徑7.5米的天線，選擇了銀道面上的54個天區進行採樣觀測，相互之間間隔 5 度。1952年，他們初步完成了觀測，由奧爾特在羅馬舉行的國際天文學聯合會（IAU）大會上公布了他們探測到的銀河系旋臂結構：

圓代表以銀心為中心到太陽的大圓。瞻仰原文請移步：1954BAN....12..117V Page 117

荷蘭地處北半球，有將近一半的銀河系是看不見的。隨後的幾年，他們又在澳大利亞悉尼附近的Potts Hill建立了一面11米直徑的天線，進行南半球的觀測。1958年，奧爾特、克爾（Kerr）、韋斯特豪特（Westerhout）三人發表了論文，首次將南北半球的觀測結果合併在一起，拼成了人類歷史上第一幅接近完整的銀河系旋臂結構圖，今天在幾乎每一本天文學教科書上都能找到。

太陽位於靠近上方的放射性中心處，下方扇形的空白區域是被銀河系中心擋住的部分。瞻仰原文請移步：1958MNRAS.118..379O Page 379

那麼為什麼威廉·赫歇爾(William Herschel)提出的恆星計數方法行不通呢？這是因為，旋渦星系的旋臂是通過「密度波」的機制形成的，就像高速公路上擁堵的汽車。旋臂並非剛性結構，而是恆星在繞轉過程中比較集中的區域，是「動態」的。在旋臂的後方，不斷有恆星進入旋臂，在旋臂的前方，不斷有恆星離開旋臂。

在旋臂上，恆星的密度較高，星際塵埃和氣體受到擠壓，形成了大量的恆星形成區（下圖中粉色的區域），其中明亮的藍白色O、B型恆星不斷形成，才使整個星系顯出明亮的「旋臂」的結構。普通的恆星計數中大部分都是太陽這樣的主序星，因為恆星一生中絕大部分時間位於主序，所以在任一時間看來，主序星的數目比較多。此外紅巨星的數目也很多，因為它們很明亮，在很遠的距離上都能看見。但不幸的是，我們今天已知這兩種恆星都難以繪製銀河系的旋臂結構。銀河系盤中瀰漫的塵埃會讓遠處的恆星看上去比實際距離更遠，並在某些區域會嚴重低估恆星的數量，這就是為什麼赫歇爾當年繪製的銀河與實際情況相差十萬八千里。旋臂結構只有用中性氫、大質量和年輕的O、B型恆星、電離氫區、巨型的分子雲才能很好的追蹤。赫歇爾、卡普坦等早期的探索者在銀河繫結構這個問題上都誤入了歧途。

上圖：旋渦星系M83

1990年代以後，天文學家逐漸懷疑銀河系不是一個旋渦星系，而是一個棒旋星系，這個觀點在2005年得到有力的證實。這就是另外一個故事了。下圖是用歐洲南方天文台VISTA望遠鏡的巡天數據生成的銀河系旋臂示意圖，其中同心圓的中心是太陽的位置。可以看到，銀河系不僅包含中心的兩個棒狀結構（分別稱為銀河系棒 Galactic bar，和長棒Long Bar），還包含幾條大的旋臂（英仙臂、盾牌-南十字臂、船底-人馬臂、矩尺臂），還有幾個小旋臂（3kpc臂），旋臂上還有分叉，太陽就位於其中一個分叉——獵戶臂上。

所以，在探索銀河系的旋臂結構這個話題上， @曹越的回答和本文連起來才是相對完整的答案。

因為除恆星外，還看了些別的：

「人類只能看到很小範圍夜空」指的僅僅是光學可見範圍，除了這個，我們現在還觀測到銀河系發出的無線電波、微波、紅外光、紫外光、X光、伽馬光

這幅來自NASA的圖很好地展示出我們看上去銀河的樣子，其中幫助我們建立起對銀河整體認識的，更多地歸功於對「Atomic Hydrogen（原子氫）」和「Molecular Hydrogen（分子氫）」的觀測。

太陽系處於銀河系的盤面上，所以就像上圖中九種觀測得到的圖景那樣，我們只能看到「edge-on（側面）」的銀河！如果要得到銀河系「face-on（正面）」圖像，則還需要一個重要的信息：距離。

也就是說，側面的觀測只給了我們天體的位置 X和 Y，我們還需要距離 Z才能建立起一個銀河系三維(X、Y、Z)圖景。

然而，即便恆星的距離有很多種方法來測定，但星光架不住塵埃遮擋，只有太陽周邊很小範圍的恆星可以被看到。

不過...

有一種波可以穿透塵埃，它便是銀河系內巨分子雲和原子云這些星際介質所發出的光——射電波。

大多數射電望遠鏡裝備了頻譜儀，和所有靠「譜」的信息一樣，它帶給我們這樣一個重要觀測量——速度：

（如圖，一氧化碳及其同位素分子的譜線，含有速度信息）

這個Velocity被叫做「本地靜止速度」，它對應著天體的距離——氣體們繞著銀河系中心旋轉，在視線方向上，不同的距離自然會顯現不一樣的速度特徵。

最早，原子氫巡天得到了銀河系原子氣體的分布圖和速度-位置圖，並依此作出銀河系的「旋轉曲線」，以及顯示出銀河系的形狀是：具有旋臂結構旋渦星系。

但旋渦星系也可以長得不一樣！它到底是這樣的呢

還是這樣的呢：

於是人們對銀河系旋臂的數目和位置感興趣起來。

隨後又觀測了銀河系的分子氣體——與到處瀰漫在銀河系中的原子氣體不同，它們主要聚集在銀盤上：

這是銀河系內一氧化碳的的速度-位置圖局部，假彩色部分是2001年確定的，灰色AB段是2011年確認的，它們都來自於美國哈弗斯密松天文中心1.2m望遠鏡的觀測。如圖中右上角可見，通過對分子氣體的觀測，我們發現銀河系是有多條旋臂（arm）、星系的中心還有「棒」狀結構。

綜合全部圖景後，從正面看就得到了這張著名的銀河繫結構想像圖：

（坐標是銀道的經度坐標）

接下來，口徑更大望遠鏡（青海德令哈13.7m毫米波望遠鏡）對銀河系遙遠的部分進行了觀測，2015年，又看到了新延展的旋臂（藍色線條部分）：

在另一方面，速度與距離的對應關係終究不是直接的，它只能給出銀河系的大致結構。但天文學家們已經開始考慮其更細節的樣子是什麼，這就極其依賴遠距離天體的距離測量。

自2006年以來，利用「甚長基線干涉技術」（VLBI），科學家們觀測了銀河系中遙遠的恆星形成區，後者輻射出強烈的的脈澤（maser）——也就是射電波段的激光（laser），可以被地球上 VLBI的射電望遠鏡網路捕捉到

而大質量恆星形成區都分布在旋臂上，所以利用這個方法可以確認出旋臂的形態走向，以及三角視差距離——簡單地說就是每半年觀測一次，利用地球公轉軌道划出一條邊，再加上兩次測量同一天體得到的一個角，構造出一個等腰三角形，然後就能求得天體的距離：

大力出奇蹟，2014年時發現，太陽系不在主旋臂上，它處在英仙旋臂（Perseus arm）和人馬旋臂（ Sagittarius arm）之間的本地旋臂（Local arm）上。

地球又繞太陽轉了兩年，這樣的觀測便一直持續著，目前最新的成果也剛剛刊出：在本地旋臂和人馬旋臂間有一個「刺」狀結構，像一座傾斜的橋（下圖中白色部分）連接著兩條旋臂：

也許這就是鵲橋吧。

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圖片及參考：
NASA
用紫金山天文台青海站13.7米望遠鏡對恆星形成區域的觀測研究----中國科學院紫金山天文台青海觀測站
A Molecular Spiral Arm in the Far Outer Galaxy
A Possible Extension of the Scutum-Centaurus Arm into the Outer Second Quadrant
The Bar and Spiral Structure Legacy (BeSSeL) Survey
The local spiral structure of the Milky Way
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附一些說明：
太陽系本身也在轉，地球也在繞太陽轉，射電望遠鏡也在地球上跟著地球自轉——考慮了這些，天文學家創造出一種「本地靜止標準（LSR）」參考系，對應的Velocity就是「本地靜止速度」。

圖一是銀河的各波段巡天圖像，從上至下分別是：408兆赫茲射電連續分布、原子氫分布圖、G赫茲射電連續分布、分子氫分布（實際是一氧化碳分布）、中遠紅外強度分布、近紅外強度分布、光學圖像、X射線圖像、伽馬射線圖像。

銀河系中最多的星際分子介質是分子氫和氦，它們平常較為穩定，很難有能級變化，所以不便被觀測。除此外最多的是一氧化碳，後者依存在分子氫周圍，可以代表分子氫。

天文學的發展歷程，就是一步步拓寬我們視野的歷程。

現在想像一下你穿越回幾百年前，你能用的觀測手段就是肉眼和簡陋的望遠鏡，你怎麼產生「銀河系」這個概念？怎麼得到銀河系的結構？又怎麼知道你在銀河系的什麼位置？這些問題正是當時天文學家所面臨的。下面我們來回顧下這些聰明的天文學家是怎麼一步步得到對銀河系的認識的。

如果只用肉眼觀察銀河系，全天能夠看到的恆星大概只有6000多顆（當然不可能在一個晚上同時看到）。除此以外就是一條長長的乳白色的帶子——銀河，你無法用肉眼分辨出這是什麼。這幾乎就是你能得到的全部信息了。

1609年，義大利天文學家伽利略發明了人類歷史上第一台天文望遠鏡。透過他的望遠鏡，這條乳白色帶子的神秘面紗被揭開，它是由無數肉眼無法分辨的恆星形成的。至此，人們明白了銀河實際上和我們看到的恆星在本質上是相同的，它們共同組成一個系統——銀河系。

1687年，牛頓發表了著名的萬有引力定律。1775年，德國哲學家康德發表了《自然通史和天體論》一書，在此基礎上提出大膽的猜想：1、既然銀河系存在引力，並能穩定存在，那麼它必然是一種旋轉著的盤狀結構，來防止其塌縮。2、宇宙中可能不止銀河系一個這樣的盤狀結構，而是一個個分布在空間的「宇宙島」（island universe）。

大膽的猜想需要觀測的支撐。為了搞清銀河系的形狀，英國天文學家William Herschel發明了一種獨特的「數恆星」方法。首先他提出3大假設：
1. 我們可以看到銀河系最邊緣的恆星；
2. 銀河系中的恆星是均勻分布的；
3. 每個恆星的亮度基本相同。
這樣，我們在某一個方向看到的恆星數量，正比於我們與這個方向銀河系邊緣的距離的立方。我們只要數出每個方向恆星的數量，就能畫出銀河系形狀了，很方便吧！

圖：「數恆星」法示意
William Herschel 據此畫出了銀河系的形狀是這個樣子的：

圖：William Herschel 的銀河系，中間亮點是太陽
你可能會一臉蒙蔽：這哪裡是我看到的銀河系呀！的確，他的結果與現在相比有很大誤差，原因是他的3個假設都是錯誤的。但是，他的模型至少可以看出銀河系的扁平結構，「數恆星」法也是一種開創性方法，這在當時都是有進步意義的。順便說一句，William Herschel 就是那個發現天王星的人。。

後來，隨著觀測技術的不斷提升，人們對銀河系的認識也越來越清晰。1906－1922年，荷天文學家Jacobus Kapteyn花了16年時間，研究了特定的200天區，通過分析其中恆星的個?數、視亮度和自行，得到銀河系是旋轉著的扁平結構。

細心的讀者可能發現了：我們處於銀河系中，永遠看到的是銀河系的測面，那麼那些正面圖像的旋臂結構是怎麼來的呢？（首先說明一點：你能看到的所有銀河系正面圖像，都不是真實照片。因為你只有跳出銀河系拍攝，才能得到這樣的照片，而我們飛的最遠的探測器：旅行者1號才剛剛走出太陽系，所以肯定是不可能啦！）
在1920年代以前，人們認為的整個宇宙還僅限於銀河系，而對銀河系以外一無所知。其實，人們已經發現了一些漩渦狀的天體結構，只是不知道它們是銀河系以內的天體，還是銀河系以外的另一個星系。經過1920年天文學界的大辯論，直到1923年，美國天文學家哈勃測定了仙女座星雲M31的距離，發現距離遠大於銀河系直徑，從而認定M31是一個獨立的星系。

圖：1845年Lord Rosse手繪的M101星雲，當時還不知道這是一個星系

現在，我們有了眾多星系的正面圖像，就很容易猜測銀河系正面應該是什麼樣子，再結合觀測就可以得到銀河系正面的模擬圖。

於是，我們終於知道了教科書上的以下內容：銀河系是一個漩渦星系，直徑10萬光年，厚度數千光年，太陽位於距離銀河系中心26000光年處。

以上。

先舉一個栗子嘗嘗
想像一下這個場景，假如你生活在一萬年前的上古時期，那時沒有鏡子(這裡限定不把水面當鏡子用)沒有相機，你是沒法直接看到自己長什麼樣的。但是你對自己的身體充滿好奇，想要了解自己身體的結構。
那麼有沒有什麼辦法能夠讓你知道自己的形貌呢？
雖然條件有限，但你依然有很多事可做
1.雖然你不能看到自己的面部，但能看到自己的下半身。
2.以前靠看，現在可以聽你的身體某些部位的聲音。比如聽你的呼吸&>-可以推測氣管、肺部等等的一些情況，可以聽心跳&>-推測心臟的一些情況。後來你發現，還可以摸自己的身體，就可以知道你的背部大概長什麼樣，你的頭部大概長什麼樣。當你對自己聽的越來越多、摸的越來越多，就能夠更好地描繪自己了。
3.雖然你不能看到自己，但能夠看到別人。當你發現男女不同，然後分析自己，就能知道自己是男的還是女的。隨著你見過的人越來越多，你發現有的人白髮蒼蒼，有的人年輕健壯，還有的長得很快，還有的還在爬行。這個時候，你就可以把人粗略劃分為老人、青年、少年、嬰幼兒。接下來，你通過對自己的分析，再和這幾個類別做比對，就可以知道自己是老人還是青年，然後就可以用你觀察到的他人形象來粗略描繪自己。

好了，吃完栗子
接下來，我們看看天文學家怎麼做的
（1）我們看不到milky way的俯視圖，但能看到側視圖。（2）我們現在有越來越多的技術可以觀測和探索銀河系，除了光學望遠鏡，還有射電望遠鏡、X射線望遠鏡、紅外望遠鏡，還有太空望遠鏡。除了觀測恆星，還可以觀測星團、星雲等等。最早靠三角視差法來測定恆星的距離，後來有了周年視差法，再後來又有了依靠超星星爆發、造父周光關係測距法等方法測定距離，包括現在很牛逼的VLBI技術。總的來說，我們的技術越來越豐富，得到的細節也越來越多。（3）我們現在能夠看到越來越多的河外星系，按照河外星系的形態將星系分為棒旋星系、旋渦星系、橢圓星系、透鏡狀星系、不規則星系，通過比對分析就可以得到銀河系的形貌。
1. 銀河系全貌
銀河是天空中的一個環帶，在人馬座附近最亮、最寬，它的中心線近似為天球上的一個大圓。
只要抬頭看一看夜空,就可以看到銀河系的大致形狀,它像是一條暗淡的光帶橫亘在天空.這條光帶的寬度約為15度,星星比較均勻地分布在光帶的兩側.這表明銀河系是扁平的圓盤狀,我們的太陽系位於圓盤盤面附近。如果銀河系不是扁平的圓盤狀,它看上去就會非常不同。比如說,如果銀河系呈球狀,我們看到的銀河系就不會是窄窄的一條光帶,而是布滿了整個夜空。如果我們的位置大大高於或低於星系盤盤面，我們就不會看到銀河系像光帶一樣橫亘在天空。

2. 確定銀心
1920年H. Shapley（美）利用球狀星團內的天琴RR型變星測量星團距離，並給出球狀星團的空間分布。Shapley發現球狀星團均勻地分布在銀河的兩側，並且有向人馬座聚集的傾向。

Shapley認為球狀星團是銀河系的子系統，並以銀心為分布中心。Shapley由此估計太陽繫到銀心的距離為16 kpc.在Shapley的模型中，銀河系的結構是扁盤狀的，直徑為100 kpc.
美國天文學家Shapley發現巨大的球狀星團

早期對銀河系的研究集中在可見光波段，由於天文學家並不了解星際介質的存在及其消光作用，因而得到關於銀河繫結構的錯誤的結論。直到20世紀30年代人們才認識到星際介質的分布範圍及其對觀測的重要影響。並發展了射電與紅外的手段來研究銀河系的結構。
3. 銀河繫結構
銀河系是一個包含2×1011顆恆星的、具有旋渦結構的盤狀星系。
質量~ 1012M⊙，直徑~ 105 ly (30 kpc)
主要成分
(1) 銀盤(disk) （旋臂spiral arm）、(2) 核球(bulge) 、(3) 銀暈(halo) 、(4) 銀冕(corona)
通過測定我們能夠看到的所有星星的距離,可以進一步確定太陽系在銀河系中的位置.

展示銀河系形狀的照片是根據觀測到的銀河繫結構，通過計算機合成的。「人類可見的星空只有一小片」是指「肉眼可見的星空只有一小片」。而現代銀河繫結構理論不完全是通過肉眼觀測得到的。

題圖來自知名博客 Wait But Why 的文章 The Fermi Paradox。插圖上方的段落是這樣子的：

A really starry sky seems vast—but all we』re looking at is our
very local neighborhood. On the very best nights, we can see up to about
2,500 stars (roughly one hundred-millionth of the stars in our galaxy),
and almost all of them are less than 1,000 light years away from us (or
1% of the diameter of the Milky Way). So what we』re really looking at
is this:

翻譯：

繁星閃耀的星空似乎很空曠——但我們所看到的「星空」其實只是我們的鄰居。在條件非常好的夜裡，我們最多可以看到約 2500 顆恆星（大約是銀河系恆星總數的一億分之一）。他們大多在我們周圍 1000 光年內（大約是銀河系直徑的 1%）。所以我們看到的夜空實際上是這樣的：

肉眼能看到的夜空範圍其實真得很小，但是若有望遠鏡等儀器的輔助，可觀測的夜空範圍將大大提升。
目前觀測銀河繫結構所利用的方案完全可以探測範圍完全能覆蓋整個銀河系，所以問題的前提也就不成立了。

關於具體測量的方法，我們身處銀河系中，怎麼拍攝出銀河系的照片？ - 陸沉的回答寫得很詳盡。有興趣了解的話，可以前去閱讀。
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其實在一開始的時候，我以為這個問題和上面那個問題（我們身處銀河系中，怎麼拍攝出銀河系的照片？ - 天文學）重複了，後來才發現兩者的重點不同。我認為把問題改成「既然人類只能看到很小範圍夜空，銀河系的形狀是如何確定的？」會好很多。
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[2016/11/06] 編輯：改進分割線格式 + 修正 2 處標點 + 修正 1 處語病 + 刪去 1 處無關吐槽；
[2016/11/13] 編輯：改進修改日誌格式。

有幾本書，講述人類對於銀河系的探索。比如《銀河系》，以及若干討論星系演化的書。
參見我的豆列天文學-天體物理學

真相是：

1，人類迄今為止並沒有觀測到整個宇宙，甚至連銀河系都只能觀測到極小的一部分。其他的宇宙景象……都是推算出來的，是的你沒看錯，是推算出來的。

2，迄今為止人類發射的衛星，只要離開地球體系，進入太陽系體系或者太陽系邊緣，所拍攝到的景象全部都是一片黑暗，完全不是人類所想像的繁星滿天。

3，由此推算的結果，是宇宙很像一個電影院，所有的景象以地球為焦點（投影幕），一旦離開地球焦點去觀察，宇宙景象消失。所以，我們生活的世界其實是『楚門的世界』。

通過觀測不同類型的輻射—光學、射電和紅外，天文學家能夠辨認出旋臂的不同特徵並最終拼接出它的全貌，就像拼圖一樣。
http://bolide.lamost.org/articles/article243.htm這裡面寫的很詳細。

人類有種偉大的技能：腦補

算出來的

統計法：通過對天體的觀測來確定天體彼此之間的位置關係，比如我們可以通過某一個天體的移動和光譜及紅移知道其與我們之間的距離和移動規律，通過大量的統計可以確定天體空間位置（我們可以將地球甚至是太陽系做為三位空間的原點，通過更加遙遠的天體建立三位空間坐標系），然後將他們的位置在三位空間坐標系中標示出來，這樣我們就建立了銀河系的三位模型。

首先，人類看到的範圍並不小，130億光年外的星體都能觀測的到。因為星系之間是有距離的，星系內恆星的距離往往都在0到數十光年不等，確定銀河系的形狀是根據一片區域內觀測到的恆星密集程度，確定星系的大概直徑及形狀（銀河系呈螺旋圓盤狀，直徑大約10萬光年），再根據觀測到的恆星位置，運用超級計算機模擬出太陽系在星系中的位置。你看到的銀河系圖片只是經過計算機處理模擬後的圖片，不是真正的銀河系照片。