你從未見過的銀河之美

07-14

望廬山瀑布
李白
日照香爐生紫煙，遙看瀑布掛前川。
飛流直下三千尺，疑是銀河落九天。

銀河系是太陽系所在的星系，包括1000到4000億顆恆星和大量的星團、星雲，還有各種類型的星際氣體和星際塵埃。銀河系本體直徑約為120,000光年（不考慮銀冕和外圍物質），中心厚度約為12,000光年。銀河系總質量是太陽的2100億倍（2015年的計算結果，誤差率20%）。

銀河系是棒旋星系，具有巨大的盤面結構，由明亮密集的核球、兩條主要的旋臂和兩條未形成的旋臂組成，旋臂相距4500光年。太陽位於銀河一個支臂獵戶臂上，至銀河中心的距離大約是26,000光年。

銀河系的中央是超大質量的黑洞（人馬座A），自內向外分別由銀心、銀核、銀盤、銀暈和銀冕組成。銀河系中央區域多數為老年恆星（以白矮星為主），外圍區域多數為新生和年輕的恆星。周圍幾十萬光年的區域分布著十幾個衛星星系，其中較大的有大麥哲倫星雲和小麥哲倫星雲。銀河系通過吞噬周邊的矮星系使自身不斷壯大，雖然過程相當漫長。

銀河系是本星系群中的一員，最近的星系是仙女座星系（M31）。

銀河系在天空上的投影像一條流淌在天上閃閃發光的河流一樣，所以古稱銀河或天河，一年四季都可以看到銀河，只不過夏秋之交看到了銀河最明亮壯觀的部分。

從無光污染的內華達州黑岩沙漠（Black Rock Desert）

望向人馬座方向的銀河（包括銀心）

斯皮策空間望遠鏡拍攝的銀河系中心圖像

銀河系（古稱銀河、天河、星河、天漢、銀漢等。西方人稱之為Milky Way，意為「奶路」。）是太陽系所處的星系。它包含1,000至4,000億顆恆星（1–4×1011）、數千個星團和星雲，屬於棒渦星系系統，還包含各種星際氣體和星際塵埃。其直徑約為100,000光年，中心厚度約為12,000光年，可見物質總質量是太陽質量的1400億倍。太陽系是這個龐大星系的恆星之一，而我們居住的地球則屬於太陽系中的一個行星。

2分鐘帶你了解銀河系的一生（135億年）

過去普遍認為銀河系與同處於本星系團的仙女座大星系一樣，都是旋渦星系，但後來有研究認為銀河係為棒旋星系，目前尚無定論。銀河系具有巨大的盤面結構，由於我們在盤面內部，環視整個盤面，只能看見橫跨星空的白色帶狀物由人馬座延伸至夏季大三角，甚至仙后座），冬季最黯淡（在獵戶座一個橫跨星空的白色帶狀物，像一條流淌在天上閃閃發光的河流一樣，北半球來說夏季最明顯（在天蠍座與人馬座）。

銀河系周圍有許多衛星星系，銀河系和這些星系都屬於本星系群，而本星系群是室女座超星系團的一部份。2014年一份夏威夷大學的研究指出室女座超星系團是超星系團Laniakea的一部份。

從死亡谷所見的銀河系

對銀河系的探索

雖然從非常久遠的古代，人們就認識了銀河。但是對銀河系的真正認識還是從近代開始的。

1750年，英國天文學家賴特認為銀河系是扁平的。1755年，德國哲學家康德提出了恆星和銀河之間可能會組成一個巨大的天體系統；隨後的德國數學家郎伯特也提出了類似的假設。到1785年，英國天文學家威廉·赫歇耳繪出了銀河系的扁平形體，並認為太陽系位於銀河的中心。

1918年，美國天文學家沙普利經過4年的觀測，提出太陽系應該位於銀河系的邊緣。1926年，瑞典天文學家貝蒂爾·林德布拉德分析出銀河系也在自轉。

特徵

銀河系是一個中間厚，邊緣薄的扁平盤狀體。他的主要部分稱為銀盤，呈漩渦狀。

它的總質量約有太陽的一萬億倍，直徑約為十萬光年，中央厚約1.5萬光年，邊緣厚約3000-6000光年。太陽約處於獵戶臂上距銀河系中心約27,700光年（8492秒差距）某處。

我們的銀河系有多大？

銀盤外面是由稀疏的恆星和星際物質組成的球狀體，稱為銀暈，直徑約10萬光年（30659秒差距）。

兩條旋臂的銀河系想像圖

1950年代開始以電波觀測銀河系，可以發現有4條旋臂，分別是矩尺、半人馬－盾牌、人馬與英仙等主要旋臂。太陽位在介於半人馬與英仙臂間的次旋臂：獵戶臂中。旋臂主要由星際物質構成。但最新的研究顯示，根據NASA斯皮策空間望遠鏡所攝80萬張影像，1.1億顆恆星的最新測繪統計發現，銀河系可能只有兩條旋臂。人馬臂和矩尺臂絕大部分是氣體，只有少量恆星點綴其中。

銀河系也有自轉。太陽系以每秒250千米速度圍繞銀河中心旋轉，旋轉一周約2.2億年。

銀河系有兩個伴星系：大麥哲倫星系和小麥哲倫星系。

與銀河系相對的稱之為河外星系。

一般認為，銀河系中的恆星多為雙星或聚星。而2006年新的發現認為，銀河系的主序星中2/3都是單星。

基於2MASS的觀測數據的銀河系紅外線畫像

年齡

依據歐洲南天天文台的研究報告，估計銀河系的年齡約為136億歲（1.36×1010年），幾乎與宇宙一樣老。

由天文學家Luca Pasquini、Piercarlo Bonifacio、Sofia Randich、Daniele Galli以及Raffaele G. Gratton所組成的團隊在2004年使用甚大望遠鏡的紫外線視覺矩陣光譜儀進行的研究，首度在球狀星團NGC 6397的兩顆恆星內發現了鈹元素。這個發現讓他們將第一代恆星與第二代恆星交替的時間往前推進了2至3億年，因而估計球狀星團的年齡在134±8億歲，因此銀河系的年齡不會低於136±8億歲。

結構

觀測到的銀河鐝臂結構

2005年，銀河系被發現以哈柏分類來區分或應是一個巨大的棒旋星系SBc（旋臂寬鬆的棒旋星系），總質量大約是太陽質量的6,000億至30,000億倍。有大約1,000億顆恆星。

從80年代開始，天文學家才懷疑銀河是一個棒旋星系而不是一個普通的旋渦星系。2005年，斯皮策空間望遠鏡證實這項懷疑，還確認在銀河的核心的棒狀結構比預期的還大。

銀河的盤面估計直徑為100,000光年，太陽至銀河中心的距離大約是26,000光年，盤面在中心向外凸起。

銀河的中心有巨大的質量和緊密的結構，因此強烈懷疑它有超重質量黑洞，因為已經相信有許多星系的核心都存在超重質量黑洞。

就像許多典型的星系一樣，環繞銀河系中心的天體，在軌道上的速度並不由與中心的距離和銀河質量的分布來決定。在離開核心凸起或是在外圍，恆星的典型速度是每秒210～240公里之間。因此這些恆星繞行銀河的周期只與軌道的長度有關，這與太陽系不同，在太陽系，距離不同就有不同的軌道速度對應著。

銀河的棒狀結構長約27,000光年，以44±10度的角度橫亘在太陽與銀河中心之間，他主要由紅色的恆星組成，相信都是年老的恆星。

被觀察到與推論的銀河旋臂結構

每一條旋臂都給予一個數字對應（像所有旋渦星系的旋臂），大約可以分出12段。相信有四條主要的旋臂起源自銀河的核心，她們的名稱如下（參考右側的圖）：

2 and 8 - 3kpc和英仙臂

3 and 7 - 矩尺臂和天鵝臂（與最近發現的延伸在一起 - 6）

4 and 10 - 南十字座和盾牌臂

5 and 9 - 船底臂和人馬臂

至少還有兩個小旋臂或分支，包括：

11 - 獵戶臂（包含太陽和太陽系在內 - 12）

在主要的旋臂外側是外環或稱為麒麟座環，這是天文學家布賴恩·顏尼（Brian Yanny）和韓第·周·紐柏格（Heidi Jo Newberg）提出，是環繞在銀河系外由恆星組成的環，其中包括在數十億年前與其他星系作用誕生的恆星和氣體。

銀河的盤面被一個球狀的銀暈包圍著，估計直徑在250,000至400,000光年。由於盤面上的氣體和塵埃會吸收部份波長的電磁波，所以銀暈的組成結構還不清楚。盤面（特別是旋臂）是恆星誕生的活耀區域，但是銀暈中沒有這些活動，疏散星團也主要出現在盤面上。

銀河中大部分的質量是暗物質，形成的暗物質暈估計有5.8×1011M⊙，以銀河為中心被聚集著。

新的發現使我們對銀河結構與維度的認識有所增加，比早先經由仙女座星系（M31）的盤面所獲得的更多。最近新發現的證據，證實外環是由天鵝臂延伸出去的，明確的支持銀河盤面向外延伸的可能性。人馬座矮橢球星系的發現，與在環繞著銀極的軌道上的星系碎片，說明他因為與銀河的交互作用而被扯碎。同樣的，大犬座矮星系也因為與銀河的交互作用，使得殘骸在盤面上環繞著銀河。

在2006年1月9日，Mario Juric和普林斯頓大學的一些人宣布，史隆數位巡天在北半球的天空中發現一片巨大的雲氣結構（橫跨約5,000個滿月大小的區域）位在銀河之內，但似乎不合於目前所有的銀河模型。他將一些恆星匯聚在垂直於旋臂所在盤面的垂線上，可能的解釋是小的矮星系與銀河合併的結果。這個結構位於室女座的方向上，距離約30,000光年，暫時被稱為室女恆星噴流。

在2006年5月9日，Daniel Zucker和Vasily Belokurov宣布史隆數位巡天在獵犬座和牧夫座又發現兩個矮星系。

由錢德拉X射線天文台拍攝的照片組合成的X射線銀河

太陽在銀河系中的位置

太陽（包括地球和太陽系）都在獵戶臂靠近內側邊緣的位置上，在本星際雲中，距離銀河中心7.94±0.42千秒差距我們所在的旋臂與鄰近的英仙臂大約相距6,500光年。我們的太陽與太陽系，正位在科學家所謂的銀河的生命帶。

太陽運行的方向，也稱為太陽向點，指出了太陽在銀河系內遊歷的路徑，基本上是朝向織女，靠近武仙座的方向，偏離銀河中心大約86度。太陽環繞銀河的軌道大致是橢圓形的，但會受到旋臂與質量分布不均勻的擾動而有些變動，我們目前在接近近銀心點（太陽最接近銀河中心的點）1/8軌道的位置上。

太陽系大約每2.25—2.5億年在軌道上繞行一圈，可稱為一個銀河年，因此以太陽的年齡估算，太陽已經繞行銀河20—25次了。太陽的軌道速度是217km/s，換言之每8天就可以移動1天文單位，1400年可以運行1光年的距離。

海頓天象館的8.0千秒差距的立體銀河星圖，正好涵蓋到銀河的中心。

銀河系的鄰居

NGC 7331經常被視為「銀河的雙胞胎」，從銀河系之外回顧我們的銀河或許就是這個樣子。

銀河、仙女座星系和三角座星系是本星系群主要的星系，這個群總共約有50個星系，而本地群又是室女座超星系團的一份子。

銀河被一些本星系群中的矮星系環繞著，其中最大的是直徑達21,000光年的大麥哲倫雲，最小的是船底座矮星系、天龍座矮星系和獅子II矮星系，直徑都只有500光年。其他環繞著銀河系的還有小麥哲倫雲，最靠近的是大犬座矮星系，然後是人馬座矮橢圓星系、小熊座矮星系、玉夫座矮星系、六分儀座矮星系、天爐座矮星系和獅子I矮星系。

在2006年1月，研究人員的報告指出，過去發現銀河的盤面有不明原因的傾斜，現在已經發現是環繞銀河的大小麥哲倫雲的擾動所造成的漣漪。是在她們穿過銀河系的邊緣時，導致某些頻率的震動所造成的。這兩個星系的質量大約是銀河的2%，被認為不足以影響到銀河。但是加入暗物質的考量，這兩個星系的運動就足以對較大的銀河造成影響。在加入暗物質之後的計算結果，對銀河的影響增加20倍，這個計算的結果是根據馬薩諸塞大學阿默斯特分校馬丁·溫伯格的電腦模型完成的。在他的模型中，暗物質的分布從銀河的盤面一直分布到已知的所有層面中，結果模型預測當麥哲倫星系通過銀河時，重力的衝擊會被放大。

穿過空間的速度

一般而言，根據愛因斯坦的狹義相對論，任何物體通過空間時的絕對速度是沒有意義的，因為在太空中沒有合適的慣性參考系統，可以作為測量銀河速度的依據（運動的速度總是需要與另一個物體比較才能量度）。

因為各向宇宙微波背景輻射非常的均勻，只有萬分之幾的起伏，所以喬治·斯穆特想到一個方法，就是測量宇宙微波背景輻射有沒有偶極異向性。

在1977年，美國勞倫斯伯克萊國家實驗室的喬治·斯穆特等人，將微波探測器安裝在U-2偵察機上面，確切地測到宇宙微波背景輻射的偶極異向性，大小為3.5±0.6 mK，換算後，太陽系在宇宙中的運動速度約為390±60 km/s，但這個速度與太陽系繞行銀河系核的速度220 km/s方向相反，這代表銀河系核在宇宙中的速度，約為600多km/s。

有鑒於此，許多天文學家相信銀河以每秒600公里的速度相對於鄰近被觀測到的星系在運動，大部份的估計值都在每秒130～1,000公里之間。如果銀河的確以每秒600公里的速度在運動，我們每天就會移動5,184萬公里，或是每年189億公里。相較於太陽系內，每年移動的距離是地球與冥王星最接近時距離的4.5倍。銀河在空間中運動的方向是指向長蛇座的方向。

神話

世界各地有許多創造天地的神話圍繞著銀河系發展出來。很特別的是，在希臘就有兩個相似的希臘神話故事在解釋銀河是怎麼來的。有些神話將銀河和星座結合在一起，認為成群牛隻的乳液將深藍色的天空染白了。在東亞，人們相信在天空中群星間的霧狀帶是銀色的河流，也就是我們所說的天河。

Akashaganga是印度人給銀河的名稱，意思是天上的恆河。

依據希臘神話，銀河是赫拉在發現宙斯以欺騙的手法誘使他去餵食年幼的赫拉克勒斯因而濺灑在天空中的奶汁。另一種說法則是赫耳墨斯偷偷的將赫拉克勒斯帶去奧林匹斯山，趁著赫拉沉睡時偷吸他的奶汁，而有一些奶汁被射入天空，於是形成了銀河。

在芬蘭神話中，銀河被稱為鳥的小徑，因為他們注意到候鳥在向南方遷徙時，是靠著銀河來指引的，它們也認為銀河才是鳥真正的居所。現在，科學家已經證實了這項觀測是正確的，候鳥確實在依靠銀河來引導，在冬天才能到溫暖的南方陸地居住。即使在今天，芬蘭語中的銀河依然使用Linnunrata這個字。

在瑞典，銀河系被認為是冬天之路，因為在斯堪的納維亞地區，冬天的銀河是一年中最容易被看見的。

古代的亞美尼亞神話稱銀河係為麥稈賊之路，敘述有一位神祇在偷竊麥稈之後，企圖用一輛木製的運貨車逃離天堂，但在路途中掉落了一些麥稈。

在中國，是一段凄美的愛情故事，銀河是王母娘娘拔下頭上的金簪一揮，一道波濤洶湧的天河就出現了，牛郎和織女被隔在兩岸，只能相對哭泣流淚。他們的忠貞愛情感動了喜鵲，千萬隻喜鵲飛來，搭成鵲橋，讓牛郎織女走上鵲橋相會，王母娘娘對此也無奈，只好允許兩人在每年七月七日於鵲橋相會。

銀河的未來

目前的觀測認為仙女座星系（M31）正以每秒300公里的速度朝向銀河系運動，在30-40億年後可能會撞上銀河系。但即使真的發生碰撞，太陽以及其他的恆星也不會互相碰撞。這兩個星系可能會花上數十億年的時間合併成橢圓星系。而來自美國天文台的發現，史密斯雲的邊緣已經與銀河系的氣體發生作用並推開圍繞銀河的氣體。銀河系會對它施加一個潮汐力，使其分裂。大約2千萬至4千萬年之後，史密斯雲的核心將會撞擊銀河系圓盤。