Liz Kruesi　文　Shea　編譯

經(jīng)過長達(dá)數(shù)個(gè)世紀(jì)的探索之后，現(xiàn)在天文學(xué)家們終于了解了我們銀河系的旋臂。但還有更多的未知留待發(fā)現(xiàn)。

我們所在的銀河系最顯著的特征就是它的旋渦結(jié)構(gòu)。雖然現(xiàn)在旋臂對(duì)于我們來說顯然已經(jīng)不陌生，但在以前卻并非如此。因?yàn)槲覀兙臀挥阢y河系之中，這使得探測它的結(jié)構(gòu)變得極為困難。我們可以觀測其他宏偉的旋渦星系，例如M51和MlOl，但這是從正向看過去的。當(dāng)你身陷迷宮的時(shí)候，要想搞清楚它的結(jié)構(gòu)就會(huì)難得多。

[圖片說明]：紅外波段下拍攝的銀河系中心。塵埃和其他吸光物質(zhì)會(huì)擋住可見光，因此天文學(xué)家必須利用紅外線來穿透塵埃，探究銀河系的秘密。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/S. Stolovy (SSC/Caltech)。

那么，天文學(xué)家們是如何解開銀河系的結(jié)構(gòu)的呢？他們又是如何探測銀河系的旋臂和中央的棒的呢？天文學(xué)家的堅(jiān)韌品格和探測手段的不斷完善是取得突破的關(guān)鍵。通過觀測不同類型的輻射——光學(xué)、射電和紅外，天文學(xué)家能夠辨認(rèn)出旋臂的不同特征并最終拼接出它的全貌。

旋轉(zhuǎn)銀盤

對(duì)銀河系的觀測始于我們最熟悉的輻射形式——可見光。在18世紀(jì)80年代，威廉·赫歇爾（William Herschel）統(tǒng)計(jì)了夜空中不同區(qū)域中的恒星數(shù)量以此來估計(jì)銀河系的形狀和大小。在這一過程中，他為銀河系是一個(gè)形似薄盤的恒星系統(tǒng)提供了首個(gè)證據(jù)。他注意到，在夜空中的銀河里聚集了遠(yuǎn)比垂直于此方向多得多的恒星。因此，他認(rèn)為這就是銀河系的盤（銀盤）。他還注意到“星云”（天空中的模糊光斑）在各個(gè)方向上的分布也是不均勻的——隨著視線逐漸遠(yuǎn)離銀盤平面（銀道面），它們的數(shù)量會(huì)上升。他當(dāng)時(shí)并不知道這是由于銀盤中含有更多的塵埃、恒星和氣體阻擋我們的視線所造成的。

[圖片說明]：威廉·赫歇爾（William Herschel）統(tǒng)計(jì)選定區(qū)域中恒星的數(shù)量，繪制出了他的銀河系圖。他把太陽放在了靠近中心的地方（用較大的星形表示），因?yàn)楫?dāng)時(shí)的天文學(xué)家不知道銀盤中還存在有塵埃和其他物質(zhì)。版權(quán)：Unda Hall Library of Science. Engineering, and Technology。

前進(jìn)的另一大步出現(xiàn)在一個(gè)多世紀(jì)后，當(dāng)時(shí)天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)銀盤在圍繞一個(gè)中心旋轉(zhuǎn)。而事實(shí)上，銀河系有一個(gè)扁平的盤本身就預(yù)示了它正在旋轉(zhuǎn)。這就像被甩到空中的面團(tuán)。由于旋轉(zhuǎn)，盡管開始時(shí)呈一個(gè)團(tuán)塊，但最終會(huì)變薄成盤狀。相反地，被稱為球狀星團(tuán)的大型恒星系統(tǒng)在銀河系中則是球形分布的，這說明做為一個(gè)整體它們不繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)。雖然單個(gè)球狀星團(tuán)具有隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，但把所有的球狀星團(tuán)看成一個(gè)整體，它是不轉(zhuǎn)動(dòng)的。

直到1927年天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了銀河系旋轉(zhuǎn)的證據(jù)。根據(jù)瑞典天文學(xué)家伯蒂爾·林德布拉德（Bertil Lindblad）的理論，荷蘭天文學(xué)家揚(yáng)·奧爾特（Jan Oort）將近距恒星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)解釋為銀河系的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。

既然銀盤在轉(zhuǎn)動(dòng)，那么它的中心在哪兒？在可見光下觀測，人馬座中的銀盤明顯要亮于其他部分。這意味著銀心就在人馬座方向。1918年美國天文學(xué)家哈洛·沙普利（Harlow Shapley）給出了其他的證據(jù)。他確定了69個(gè)球狀星團(tuán)的位置和距離。通過假設(shè)它們呈一個(gè)大致的球形分布，他發(fā)現(xiàn)它們運(yùn)動(dòng)的平均中心就在銀道面的南側(cè)。而且，由于球狀星團(tuán)在人馬座方向上聚集度最高，他（正確地）假設(shè)這一中心就位于那里。在隨后幾十年里許多研究證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)，并為它補(bǔ)充了一點(diǎn)：我們的太陽距離銀河系中心大約2.6萬光年。

追蹤旋臂

在恒星測量技術(shù)出現(xiàn)前，天文學(xué)家就懷疑銀河系是一個(gè)旋渦星系，原因有二：銀河系是一個(gè)扁平的系統(tǒng)；其中存在年輕的高溫藍(lán)色恒星。根據(jù)對(duì)其他旋渦星系的觀測， 天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)正是這些恒星形成區(qū)中的藍(lán)色恒星構(gòu)成了旋臂。

天文學(xué)家相信，旋臂是由穿行于星系盤中的“密度波”所造成的。相對(duì)于銀道面中的物質(zhì)，密度波的運(yùn)動(dòng)速度與之不同。因此就像高速公路上的堵車，當(dāng)恒星、氣體和塵埃進(jìn)入密度波的高密度區(qū)（旋臂）時(shí)就會(huì)被擠壓。正由于此，觸發(fā)了恒星形成過程。當(dāng)物質(zhì)穿過這一區(qū)域之后，密度就會(huì)下降。

20世紀(jì)40年代后期，出生于德國的美籍天文學(xué)家沃爾特·巴德（Walter Baade）和美國天文學(xué)家尼古拉斯·梅奧爾（Nicholas Mayall）研究了仙女星系（M31）的旋臂結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)年輕的藍(lán)色恒星及其周圍的氣體云（發(fā)射星云）可以用來追蹤旋臂。于是，天文學(xué)家就此開始尋找這些旋臂的示蹤天體。

[圖片說明]：和銀河系一樣，M83也是一個(gè)棒旋星系。天文學(xué)家認(rèn)為，如果我們從上往下看銀河系，它可能會(huì)和M83類似。版權(quán)：ESO。

氫氣體云中年輕高溫藍(lán)色恒星所發(fā)出的紫外輻射會(huì)電離周圍的氫。電離氫會(huì)發(fā)出特定顏色（或波長）的輻射。天文學(xué)家會(huì)專門在這些波段上尋找電離氫。

1951年，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了銀河系旋臂的直接證據(jù)。美國天文學(xué)家威廉·摩根（William W. Morgan）、斯圖爾特·沙普萊斯（Stewart Sharpless）和唐納德·奧斯特布羅克（Donald Osterbrock）觀測到了兩條平行的電離氫帶，它們對(duì)應(yīng)的正是銀河系的不同旋臂。

對(duì)于探測近距離的銀河系結(jié)構(gòu)，在可見光波段觀測發(fā)射星云和藍(lán)色恒星行之有效。不過正如天文學(xué)家所知道的，銀道面中的氣體和塵埃會(huì)阻礙光線。所以他們不得不尋找另一條途徑來觀測銀河系中其他更遙遠(yuǎn)的部分。

就在那里

1930年，出生于瑞士的美籍天文學(xué)家羅伯特·特朗普勒（Robert Trumpler）證明，塵埃和氣體會(huì)影響光線。他觀測了100多個(gè)由年輕恒星組成的疏散星團(tuán)，并用兩種方法計(jì)算了它們的距離。首先，他假設(shè)這些星團(tuán)具有相同的直徑，這就意味著看上去越小星團(tuán)它的距離就越遠(yuǎn)。其次，他比較了觀測到的特定恒星的亮度和由它們的光譜型估計(jì)出的本征光度。他發(fā)現(xiàn)，亮度越暗的星團(tuán)距離越遠(yuǎn)。如果銀河系中不包含任何吸光的物質(zhì)，那么這兩種方法得出的結(jié)論相互吻合。但是事實(shí)并非如此，這意味著氣體和塵埃會(huì)阻擋在銀道面中傳播的光線。

被稱為星際介質(zhì)的氣體和塵埃會(huì)通過吸收和散射來使得星光變暗和變紅（紅化）。這是如何發(fā)生的呢？可見光的波長和塵埃粒子以及氣體分子的尺度相當(dāng)。因此，星際介質(zhì)會(huì)散射可見光。另一方面，波長更長的輻射（例如，紅外和射電輻射）則可以暢通地穿行于星際介質(zhì)中。于是很自然地，下一步就是要進(jìn)入其他的波段。

射電革命

1944年，荷蘭天文學(xué)家亨德里克·范德赫爾斯特（Hendrik van de Hulst）預(yù)言，銀河系氣體云中的中性氫原子會(huì)在一個(gè)特定的波長上發(fā)射出輻射。這一銳利的發(fā)射線位于波長21厘米處。假設(shè)氫能勾勒出銀河系的旋臂，天文學(xué)家通過尋找“21厘米譜線”就能測量銀盤中的氫。

[圖片說明]：中性氫輻射。中性氫原子由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成，它們都具有自旋。電子的自旋既可以和質(zhì)子自旋平行（左上）也可以反平行（右下）。當(dāng)電子的自旋從平行狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為反平行時(shí)就會(huì)發(fā)出波長為21厘米的輻射。版權(quán)：Pearson Prentice Hall, Inc.。

為了在射電波段進(jìn)行測量，天文學(xué)家在天空中選定了一塊20°×20°的觀測區(qū)域。接著他們會(huì)從中選出一些特定的地點(diǎn)，然后（在這一波長上）沿著視線方向進(jìn)行測量——收集和視線相交的所有天體的信息。

請(qǐng)記住，銀盤是轉(zhuǎn)動(dòng)的。因此觀測到的每片氫云也在運(yùn)動(dòng)，于是它們的發(fā)射線在電磁波譜上也會(huì)移動(dòng)。對(duì)于朝向觀測者運(yùn)動(dòng)的氫云，電磁波會(huì)被“擠壓”，進(jìn)而觀測到的波長會(huì)變短。如果它正在遠(yuǎn)離觀測者，電磁波由于被“拉伸”，因此觀測到的波長會(huì)變長。這就是多普勒效應(yīng)。這和高速公路上呼嘯而過的汽車類似。當(dāng)汽車朝向你駛來的時(shí)候，你聽到的音調(diào)會(huì)變高（波長變短）；當(dāng)它離你而去的時(shí)候，你聽到的音調(diào)會(huì)變低（波長變長）。

通過把測量到的發(fā)射線和標(biāo)準(zhǔn)的21厘米譜線進(jìn)行比較，天文學(xué)家就能夠確定出氫云的運(yùn)動(dòng)速度。但21厘米譜線并不能提供實(shí)際距離的信息。這要由測量到的速度進(jìn)一步計(jì)算得出。就像任何旋轉(zhuǎn)的扁平天體，在銀河系中天體的速度取決于它到銀河系中心的距離。

天文學(xué)家測量了其他星系中恒星的速度，并且將它們和這些恒星到星系中心的距離進(jìn)行比較，得出了“旋轉(zhuǎn)曲線”。天文學(xué)家也測量了銀河系的旋轉(zhuǎn)曲線，只不過這次他們自己就在銀河系中，因此難度要大得多。

除了要知道速度是如何隨著到銀心的距離不同而變化的，天文學(xué)家還必須要知道太陽到銀河系中心的距離，這個(gè)數(shù)字大約是2.6萬光年。

因此，視線方向上的每一片氫云到銀心的距離各不相同，由此它們的運(yùn)動(dòng)速度也各不一樣。天文學(xué)家們?cè)?1厘米發(fā)射線附近能看到多條銳利的發(fā)射線，但都發(fā)生了些許的多普勒頻移。

有了氫云的速度，通過和旋轉(zhuǎn)曲線進(jìn)行比較，天文學(xué)家就能確定出它到銀心的距離。進(jìn)一步就可以繪制出它們的位置。他們發(fā)現(xiàn)中性氫確實(shí)組成了銀河系的旋臂。1953年，奧爾特和范德赫爾斯特首次公布了21厘米射電巡天的結(jié)果。

就如同其他的巡天觀測，天文學(xué)家也必須謹(jǐn)慎地對(duì)待21厘米的觀測結(jié)果。銀河系中的某些部分會(huì)偏離圓軌道運(yùn)動(dòng)，有的甚至是隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。通過綜合不同的方法，天文學(xué)家才能拼接出一幅更準(zhǔn)確的銀河系結(jié)構(gòu)圖。

到20世紀(jì)50年代末，天文學(xué)家已經(jīng)知道銀河系有若干條旋臂，它們都尾隨于銀河系的自轉(zhuǎn)。他們還知道，我們銀河系的旋臂可能并不具有類似M51這樣緊密的宏象結(jié)構(gòu)，但比起MlOl則要收得更緊一些。

[圖片說明]：相對(duì)于銀河系，星系M51（上圖）具有更緊密的宏象旋臂，星系M101（下圖）的旋臂則更為松散。天文學(xué)家們使用了許多測量技術(shù)來確定我們銀河系的結(jié)構(gòu)。版權(quán)：M51：Robert Gendler；M101：Dick Locke。

星際介質(zhì)中有大約一半的氫并非處于氫原子狀態(tài)（單個(gè)的氫原子），而是以氫分子（由兩個(gè)氫原子組成）的形式出現(xiàn)。氫分子只能發(fā)出微弱的射電輻射。不過沒關(guān)系，一氧化碳會(huì)發(fā)出很強(qiáng)的射電輻射，它可以告訴天文學(xué)家氫分子的位置。因?yàn)檫@些分子會(huì)以相對(duì)穩(wěn)定的比例出現(xiàn)。因此，天文學(xué)家通過觀測一氧化碳的發(fā)射線就能探測出氫分子。

20世紀(jì)70年代，天文學(xué)家開始由觀測一氧化碳來測量氫分子區(qū)。他們使用不同的射電技術(shù)拼接出了一幅銀河系的旋臂結(jié)構(gòu)圖。

然而，即使有了這些方法，天文學(xué)家要想了解銀河系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)仍然很難。20世紀(jì)50年代末，天文學(xué)家觀測到了非常靠近銀心處旋臂的奇特運(yùn)動(dòng)。他們發(fā)現(xiàn)，氣體并不單單地圍繞銀心旋轉(zhuǎn)（就像銀河系中的其他部分），它們還會(huì)遠(yuǎn)離銀心。他們把它稱為“3千秒差距膨脹旋臂”。但這條旋臂是如何形成的呢？

有人提出，銀河系的中心有一個(gè)棒狀結(jié)構(gòu)，從中心向兩側(cè)延伸出大約10,000光年（3千秒差距）。在棒的端點(diǎn)上聯(lián)有一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)或者是旋臂。而確定銀河系中心的結(jié)構(gòu)則要等到20世紀(jì)90年代紅外衛(wèi)星上天之后。

完成拼圖

此后天文學(xué)家們繼續(xù)在多波段上對(duì)銀河系進(jìn)行著探測。他們很快就轉(zhuǎn)向了紅外波段——比射電波段能量要高（波長較短），但比可見光能量較低（波長較長）。由于紅外輻射可以暢通地穿行于銀河系的塵埃之中，天文學(xué)家由此就可以觀測到銀河系的核心。雖然早在20世紀(jì)50年代初天文學(xué)家就已經(jīng)開始對(duì)銀河系進(jìn)行紅外觀測，但地球大氣對(duì)絕大部分紅外輻射的阻擋使得他們收效甚微。

美國宇航局的宇宙背景探測器通過把紅外探測器——彌漫紅外背景實(shí)驗(yàn)——送入太空解決了這個(gè)問題。1990年，彌漫紅外背景實(shí)驗(yàn)拍攝了第一張銀河系中央核球的近紅外照片。這一圖像令人印象非常深刻，就像從側(cè)向觀測其他旋渦星系一樣。

[圖片說明]：1990年天文學(xué)家獲得了銀河系中心區(qū)域的首幅紅外圖像。彌漫紅外背景實(shí)驗(yàn)在三個(gè)不同紅外波段上的觀測合成了這幅照片。版權(quán)：COBE/DIRBE/NASA。

其他的紅外巡天則拍攝了銀道面和核球的更銳利的圖像。但更重要的是，天文學(xué)家們現(xiàn)在可以看“穿”塵埃來研究銀心附近恒星的運(yùn)動(dòng)。

那么，既然20世紀(jì)50年代一些天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了在銀心半徑10,000光年（3秒差距）內(nèi)氣體的反常運(yùn)動(dòng)，那么紅外觀測可以揭示出是什么造成了這些運(yùn)動(dòng)嗎？

到20世紀(jì)90年代，天文學(xué)家們分析了來自氣球和彌漫紅外背景實(shí)驗(yàn)對(duì)銀心的紅外觀測結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)核球在某一個(gè)方向上被拉長了——這因此也暗示了銀河系中心的棒狀結(jié)構(gòu)（在繞銀心轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中）和我們之間存在一定的夾角。

最近的另一項(xiàng)研究進(jìn)一步確認(rèn)了棒的存在。2005年，斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡的紅外中銀道面非常巡天在中紅外波段進(jìn)行了觀測，記錄下了大約3,000萬個(gè)源，精確地測量了銀河系的中心。由此天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)銀心在某個(gè)方向上恒星的數(shù)量明顯要比其他的多，這預(yù)示了棒的存在。他們還發(fā)現(xiàn)棒的長度大約為2.8萬光年，與太陽到銀心的距離（2.6萬光年）相當(dāng)。

那么，銀河系中央的棒到底是什么？它是一大群在長橢圓軌道上繞銀心運(yùn)動(dòng)的恒星。在棒的兩端有兩條旋臂與之相連——盾牌-半人馬臂和英仙臂。另外兩條旋臂似乎也始于棒較長的兩側(cè)。

[圖片說明]：經(jīng)過數(shù)百年的研究，天文學(xué)家對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)有了較好的了解。銀河系有一個(gè)中央棒和四條旋臂，其中兩條似乎是大旋臂。銀盤從側(cè)向看也可能存在一定的翹曲。版權(quán)：NASA/JPL-Caltech。

于是事情出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。幾十年來，天文學(xué)家一直認(rèn)為銀河系中有四條主要旋臂——英仙臂、人馬臂、盾牌-半人馬臂和矩尺臂，以及一些旋臂的分支，例如我們所在的獵戶分支。但2008年，紅外中銀道面非常巡天又做出了一大重要發(fā)現(xiàn)：我們的銀河系可能只包含有兩條主要的旋臂，另外兩條則是小旋臂。盾牌-半人馬臂和英仙臂富含氣體和不同年齡的恒星。而人馬臂和矩尺臂則絕大部分是氣體，只有少量恒星點(diǎn)綴其中。

天文學(xué)家利用射電、紅外和可見光拼出了一幅銀河系的詳圖。銀盤的直徑大約12萬光年，中心棒狀結(jié)構(gòu)長2.8萬光年。我們到銀心的距離為2.6萬光年，運(yùn)動(dòng)速度為每秒220千米。但銀河系中仍然有很多的未解之謎——銀河系中的暗物質(zhì)是由什么組成的？銀河系一共有多少旋臂？等等。天文學(xué)家任何時(shí)候都不會(huì)缺乏研究的課題。

（本文已刊載于《天文愛好者》2010年第4期）