關於銀河系的結構，這些你都知道？

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幾千年來，人們一直在苦苦思索，在整個蒼穹之上的銀河系。在近代，伽利略發現銀河系由無數的恆星組成。然而直到20世紀天文學家才成功地破譯了它的形式和它的真實性質。我的第三個發現與銀河系的性質有關，不管用望遠鏡的哪個部分，都能找到大量的恆星，其中有幾顆相當大，非常引人注目；然而小恆星的數量是絕對不可測，這些文字是1610年一個人用他自己建造的望遠鏡研究未知的世界，正是這項工作使他在歷史上贏得了一個位置——伽利略。他所描述的這片區域簡直就是這個世界之外的地方，在「星際信使」(Sidereus Nuncius)這本書中，這位義大利數學家和天文學家展示了他對木星、地球衛星和銀河系的觀測。

火輪：銀河系，被稱為星系，就像一個巨大的螺旋，大約有兩千億顆恆星，其中之一就是我們的太陽。圖片：Robert Hurt/SSC/Caltech/JPL/NASA Robert Hurt

在那之前一直是個謎，而且首先是神話的主題。希臘自然哲學家德謨克利特早在公元前5世紀就宣稱，天空中彌散的發光地帶——非洲人稱之為「黑夜的脊樑」——由無數的弱星組成。然而，伽利略發現之後，將近150年過去了，這個天體結構才再次成為科學研究的主題。達勒姆郡的托馬斯·賴特認為，恆星被排列在一個類似磨刀石的平坦區域中，磨刀石延伸到整個天空。對他來說，銀河系只不過是這個磨刀石的投影，德國哲學家伊曼努爾康德(Immanuel Kant)抓住了這一理論，並幾乎發現了真理。在1755年出版的《自然歷史》和《天體理論》一書中，他將銀河系解釋為一層延伸的、非常稀薄的恆星層。

太陽、地球和其他所有行星都是這一層的一部分——但不是在它的中心。根據視線，沿著層的平面或者垂直方向，人類可以看到不同數量的恆星。但是天文學家們是如何發現天空中銀河系的可見景象是否反映了它實際的空間結構呢？18世紀末，弗里德里希·威廉·赫歇爾(Friedrich Wilhelm Herschel)設計出的恆星統計數據給出了一個解決方案：赫歇爾(Herschel)記錄下了通過望遠鏡所能看到的所有恆星坐標和亮度。然而，這項任務失敗了：除了這些測量的不可靠性之外——例如，儘管可以確定恆星的視亮度，但不可能確定它們的絕對光度和距離——還有一個根本的問題：銀河系充滿了星際物質、氣體和塵埃雲，它們吸收了恆星發出的光。

曲線：從側面看，星系看起來像一個稍微彎曲的輪子，直徑約為10萬光年，厚度僅為5000光年，中央有一個明亮的球形凸起。圖片：Helmut Rohrer

這模糊了中央地區的視野，也讓人無法看到總體結構。由於這個原因，恆星統計數據不可能將系統作為一個整體來包含，而只能包含太陽周圍半徑約為10000光年的區域。這一突破直到20世紀中期才出現，那時天文學家學會了用不同的射電望遠鏡觀察天空。氫是宇宙中最常見的元素，作為星際物質的一部分，中性氫(H1)填補了恆星之間的空間，從而也填補了銀河系。這就意味著氫氣雲的分布可以追溯到整個系統的形狀，類似於骨骼塑造人體的方式。但是這些宇宙「骨頭」是如何被發現的呢？答案是由納米宇宙提供的：在氫的基態中，原子核的自旋方向和環繞它的電子是反平行的。如果兩個氫原子相撞，原子核和電子的自旋方向可能會翻轉，最終彼此平行：一段時間後，它們會回到基本的反平行狀態。

這個過程釋放能量，能量以電磁波的形式輻射出來。這條線位於電磁頻譜的無線電範圍內。儘管星際物質的密度極低，但原子不斷碰撞，使氫1區在這條氫譜線的光下發光。這種輻射幾乎不受阻擋地穿透塵埃窗帘，可以被射電望遠鏡接收到。多虧了這扇通往宇宙的新窗戶，天文學家們得以發現銀河系的螺旋結構。然而在20世紀70年代，研究人員發現，僅靠氫不足以作為星系形態的指標，例如，它在旋臂中的集中程度低於預期。最重要的指標是星際分子雲，星際分子雲在一氧化碳光下發出輻射。現在對銀河系的描繪逐漸變得可能。因此，這個星系(來自希臘詞gala: milk)是一個彎曲的輪子，直徑10萬光年，厚度只有5000光年。帶著黑洞的輪轂被一個球形的凸起的恆星包圍著，這些恆星有一個內嵌的雪茄形狀結構。距中心約15000光年，一個由塵埃和氣體雲以及恆星組成的環形延伸開來。

近距離觀察：這張銀河系中心部分的圖片顯示了一個1000 x 500光年的區域，由位於南非的MeerKAT望遠鏡拍攝，這是一個由64個無線電天線組成的系統。圖片：SARAO

星系的特徵是幾隻手臂，大多數都有人類觀察它們的恆星星座的名字：人馬座和珀爾修斯臂，諾瑪臂和盾臂，3-基洛帕秒克臂和天鵝座臂。我們的太陽系位於獵戶座臂上，距離中心26000光年，幾乎在主平面上銀河系包含了大約2000億個恆星系統，被一個包含了數千個球狀星團和由極薄的氫等離子體組成的球狀區域所包圍。整個星系都在旋轉，靠近中心的旋轉得更快，遠離中心的旋轉得更慢。這種微分旋轉的曲線顯示出不規則性是單憑可見質量是無法解釋的。在這裡，看不見的暗物質很可能起了作用，天文學家們還面臨著另一個問題：儘管有旋轉，螺旋臂並沒有展開，而是保持了數十億年的形狀。對此的一種解釋是，衝擊波會在整個系統中傳播，並將螺旋臂中的物質壓縮，就像高速公路上的交通堵塞一樣，研究人員仍在研究這些密度波的成因。

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