身在银河系中的我们，到底是怎么知道整个银河系全貌的？| 沈俊太
中科院格致论道讲坛
2024-11-21 17:44
发布于北京
中科院格致论道讲坛官方账号
不识庐山真面目，
只缘身在此山中。
正因为我们生活在银河系里，
所以反而很难看到银河系的全貌。
沈俊太
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中国科学院上海天文台首席研究员
格致论道第28期
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2018年7月29日 北京
大家好，我是沈俊太。今天我想给大家讲一讲关于银河系的一些事情。
这是一张星空的照片。
我想请问在座的各位，有谁真的看到过银河？
好像非常少，这也很正常，因为上海的天光有点儿太亮了，而且有雾霾，所以我们看不清楚星空。
如果我们到附近的高山上去看，会看到星空是非常漂亮的。
银河就是图片里这条明暗交错的暗带。银河系就是太阳所在的星系。
太阳和其他的恒星，并不是均匀分布在整个宇宙中，而是成为一个一个的集体，再分布在整个宇宙中。这
就像人类并不是均匀地分布在地球的表面上的，我们集中居住在城市里，城市之间的地带人非常少。
我们刚才说银河系就是图片中的这条暗带，这些不在这条暗带里边的恒星，属不属于银河系？
其实这些星星离我们都非常近，都属于银河系。
如果我们把银河系想象成一个盘子，
所有我们肉眼能看到的星星都在图中这个小红圈里边。
有时
我们会觉得这些银河系内的恒星好像是分布在四面八方，但其实它们都在银河系里边。
这
是另外一张非常漂亮的星空，是在智利5000米的高山上拍摄的，那是世界上最好的观测台址之一。
可以看到照片中除了繁星点点，还有一些其他的天体。
在人类学会使用望远镜之后，我们对这些天体有了更深入的了解
。
比如仙女座大星云、M33星云。还有其他的一些天体，比如说球状星团，非常漂亮，它是1万颗恒星聚集在一个非常小的空间形成的。
那么这些天体（星云和星团）在银河系之内吗？
我把这个问题的答案留在后边。
银河系是什么样子
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我们生活在银河系里，很自然地，我们想知道银河系的全貌是什么样子。
我们都知道苏东坡的这句诗，“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。正因为我们生活在银河系里，我们反而很难看到银河系的全貌。
有人就想，我们造一艘宇宙飞船，飞出整个银河系，我们不就能看到它的全貌了吗？
现在人类造出的距离地球最远的飞行器叫做旅行者一号，它现在的运行速度是6万公里每小时。
中国高铁最高速度是300-350公里/小时，这种宇宙飞船比我们的高铁快200倍。
如果我们乘坐这艘宇宙飞船，从北京到上海只需要一分钟。
那如果我们乘坐旅行者一号飞出银河系，大家猜猜要多长时间？
5000万年！
我们人类只有五千年的文字历史，显然这是天方夜谭，我们不可能飞出银河系去看银河系的全貌。
但我们依然可以问这些问题，
银河系真实的模样是什么样子？银河系是不是独一无二的？为什么银河系会演化成现在的样子？
天文学家一直也在追问这些问题的答案。
大约250年前，英国的天文学家赫歇尔首次勾勒出了银河系的大小。
在这个图中我们可以看到，他认为太阳在银河系的中心附近，银河系是一个扁平状的结构，它的直径是6400光年，厚度是1300光年。
又过了一百多年，美国的著
名科学家夏普利通过研究球状星团的空间分布，发现太阳其实并不在银河系中心，推翻了有500年历史的日心说，这是我们人类认知宇宙历史上的一个巨大的飞跃。
这个图里有很多小圆圈，每个小圆圈代表1个球状星团，每个球状星团内包含了1万到10万颗恒星，它很亮，所以我们能在很远的地方看到它。
图中黄色的小星星代表太阳。
当时夏普利做了一个非常大胆的假设，他假设球状星团就是银河系的一个子系统，那么球状星团的中心就应该是银河系的中心。
但是通
过测量，他发现太阳并不在这些球状星团的中心，所以他就大胆地推测，太阳并不在银河系的中心。
而且他认为银河系就是整个宇宙，我们刚才看到的那些漂亮的旋涡星云，都在银河系之内。
当然，并不是每一个科学家都赞同夏普利的观点。
1920年，美国科学院就爆发了一场关于宇宙尺度的大辩论，一派以夏普利为代表，一派以柯蒂斯为代表。
夏普利这一派认为银河系非常之大，它就是整个宇宙，旋涡星云就是处于银河系内的气体云。
另一派的观点则认为，旋涡星云在银河系之外，它们是恒星系统，不是气体云，而且每一个星云就像银河系一样，是一个
岛宇宙
，整个宇宙是由很多银河系这样的岛宇宙构成。
如果说宇宙是一个大洋，那么每一个星云都像银河系一样，是一个漂浮在大洋上的岛屿。
测量星云的距离？
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当时这场论战并没有胜利方，主要是因为当时没有很好的观测设备，我们的科学知识也很欠缺。
那么请大家想一想，怎么才能最好地回答这个问题？
假如我们有一把量天尺，就可以精确地测量离我们最近的星云的距离。如果这个距离大于当时已知的银河系尺度，它们就在银河系之外，反之就应该在银河系之内。
那个时候，大家已经开始意识到，
有一种非常有意思的变星，可以作为一个很好的量天尺。
这种变星叫做造父变星，变星就是这个星星的亮度在天空中发生周期性的明暗变化。
通过测量造父变星的光变周期，我们就可以推出它本身的光度，知道它本身的光度以后，通过和视亮度比较，我们就可以测出距离来。
就好比我们知道一根蜡烛本来是多亮，如果我们看到它很亮，说明它离我们很近，如果看到它很暗，说明它离我们的距离非常远。
四年之后，哈勃果然在仙女座大星云发现了这一类造父变星。
哈勃是非常著名的天文学家，现在在地球之外飞行的一个太空望远镜，就是以他的名字命名的，哈勃太空望远镜。
左边这个图就是哈勃正在用望
远镜进行观测，他用的是当时刚刚落成的世界上最大的望远镜虎克2.5米望远镜。
有了这个观天利器，哈勃就非常详细地研究了仙女座大星云，他发现其中有很多造父变星。
他假设这些造父变星都属于仙女座大星云，就可以通过造父变星的距离推出仙女座大星
云离我们的距离。
他推出，这个距离大概是100万光年，远远大于当时已知的银河系的尺度30万光年。
所以他就证明了仙女座大星云在银河系之外，银河系并不是整个宇宙。
在哈勃之后，我们逐渐意识到
星系是宇宙的基本组元，宇宙中有无数像银河系一样的岛宇宙星系。
星系还可以被细分为几类，左边这张图是椭圆星系，右边是旋涡星系，旋涡星系像一个盘子一样，这是从正面看过去的样子，它有很漂亮的旋臂结构。
旋涡星系又可以被细分为两类，一类叫做正常的旋涡星系，另一类叫做棒状旋涡星系。
那我们的银河系属于哪一类星系？
为了回答这个问题，我们再重新检视一下在可见光波段我们看到的银河系。
我们可以看到银河系上有很多暗带，这些暗带为什么是暗的？
因为银河系中有很多尘埃，尘埃会遮挡我们的视线，就像雾霾一样，尘埃背后的这些东西被尘埃挡住，在天空上显现出来是暗区。
为了解决这个问题，我们可以去红外波段看一看，这是在红外波段看到的银河系。
红外波段的光的波长比可见光要长，所以这些光可以穿透尘埃，让我们看到背后的恒星，于是这些暗带都消失了。
我们看到的是一个扁的盘状结构，所以
银河系是一个旋涡星系
。
另外我们会注意到银河系的中心有一个很亮的东西，这个物体叫做核球，大约有1/3的恒星都位于这个核球，所以它非常重要。
这是我们从侧面看到的银河系，那么银河系的正面图是什么样子？
我们前面提到，我们在银河系之内，很难看到它的全貌，那我们该怎么办？
有一个办法，我给大家做一个类比。假如世界上没有镜子，你不知道自己长什么样子，但你可以去看一看你的兄弟姐妹、亲戚朋友的样子，推算你自己长什么样子。
假如他们有一个鼻子两只眼睛，那你可能也是一个鼻子两只眼睛。
所以我们可以到银河系之外去寻找灵感。
这是银河系的一个兄弟姐妹，叫做UGC 6093。
它是一个旋涡星系，有很漂亮的旋臂，而且中心有一个长条形的棒。
除此之外，它还有一个非常亮的中心，叫中心核球。
这个星系的核球和我们银河系的核球是不是一回事儿呢？
关于核球，天文学界有个经典理论，他们认为旋涡星系的核球都是在星系并合的过程中产生的。
如果有一大一小两个星系，大的会把小的吃掉，形成一个更大的旋涡星系，中心形成一个核球。
那么经典理论也适用于我们的银河系吗？
我现在想提醒大家关注这两点。第一，银河系中心核球的左边看起来要比右边要大一些；第二，这个核球看上去不是我们从侧面看到的椭球形结构。
所以我在美国做博士后的时候，就对这个问题产生了兴趣。回国以后，我就开展了这个课题的研究。
我们提出了一个假设，也许银河系的核球并不是星系并合产生的，而是银盘自发产生的。
为了证实这个假设，我们首先需要做一些公式的推导，然后把我们的理论放到计算机里，让计算机模拟每一颗恒星的运动。
最后我们可以构建一个关于银河系的模型，然后把这个模型和我们现有的观测相比较，看二者是否符合。
这是我们的一个模型，最开始银河系是没有棒的，它是一个圆盘。逐渐地，它会获得一个旋转的棒。
这个棒形成之后，大家看侧面，银河系好像有一个波浪形的不稳定性。
这种不稳定性饱和以后，中心就变得非常厚。
所以我们认为核球就是侧面看到的银河系的棒。
我们的模型和当时的观测结果吻合得非常好，左边的图是关于核球形态的比较，大家会看到左边的核球要大一点，右边的核球要小一点。
因为棒的朝向和我们视线方向有个角度，我们在左边看到的是棒的近端，在右边看到的是远端，所以近端就显得比
远端大一些。
更重要的是，我们的模型和银河系的运动学的数据吻合得非常好，我们的模型可以很好地解释这些观测的数据点。
我们的工作也促进了科学界对银河系的深入理解，这是艺术家根据科学数据绘制的一张银河系的正面俯视图，在这幅图中，下面那个点就是太阳系。
银河系里的“棒”
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如果把银河系比作上海市，银河系的中心就是上海的人民广场，但太阳并不在银河系的中心，太阳在郊外，大概是虹桥机场的位置。在银河系中心有一个长条形的棒，英文是Bar。
Bar还有一个意思，酒吧，在城市的什么地方最容易找到酒吧？
城市的中心。
我们的观点就是我们看到的银河系的核球，其实就是从侧面看到的银河系的棒。
上图就是一个典型的银河酒吧，有很多外星人在喝酒。
什么东西和酒最搭配？
花生米。
我们竟然真的在银河系的中心发现了一颗花生米。
我们认为银河系本来的形状就是一个类似于花生状的结构。
左边这个图，其实并不是核球在转，而是我们的视角在转，给人一种三维的感觉。
而且银河系中的核球在其他的星系里也可以看到。最右边这个图的左下方，就有一个包含了花生状核球的星系，它长得非常像花生。
在这个酒吧里，我们还发现了其他非常有意思的吃的东西。
花生核球里面，恒星有非常独特的运行轨道，左边的图是恒星的运行轨道，上面是俯视图，
下面是侧视图，从侧面看过去，这个恒星的运行轨迹非常像一个香蕉。
我们还发现了一些像椒盐卷饼一样的恒星轨道。
我们的研究正式发表以后，得到了科学界的很多关注。
出人意料的是，我们的工作竟然也引起了神学界的关注。
这是美国一个基督教网站头条的截图，标题是“银河系不是一个平常的星系”，所以银河系必须是神创造的。
这个人是多伦多大学的天体物理博士，但后来他致力于从科学发现里寻找神创论的迹象，这是他们对我们的论文的一个引用。
但其实他们只看到了我们论文的摘要，就特别激动地写下了那个头条，其实我们在论文
的正文里明确地写道，我们的银河系其实并不是一个独特的星系。
银河系从侧面看上去，就很像上图的NGC 4565。
在科学界一般来说，如果我们的工作得到其他人的引用或评价，我们都会感到非常开心、骄傲，但我们的工作竟然得到了神学界的引用，是一种很奇妙的感觉。
相信大家通过我讲的内容，对科学研究的方法有了大概的了解。
科学研究总是先从观测或实验事实出发，然后提出假设和模型。
、
首先，你的理论必须能够解释现有的观测结果，但最重要的是，你的理论还要给出一些我们没有观测过的预言，观测学家再沿着这个方向去观测、去做实验。
如果你的预言得到了证实，那么恭喜你，你的理论通过了新一轮的考验。
但如果这些预言没有得到证实，就表明你的模型需要修改，甚至是错误的，需要提出一套新的模型。
就像夏普利推翻了日心说，但他也被哈勃证明他的很多观点是错误的。
我们关于银河系模型做的这些工作，也许过几年会被其他人证明是错的，我们的科学研究总是这样一个螺旋式上升的过程。
在研究星系和宇宙的过程中，我总是被一句话打动，“
宇宙最不可理解之处，就在于它竟然是可以被理解的
”。
我们渺小的人类，只有几千年有文字的历史，科学萌芽也仅仅只有几百年的时间，我们竟然可以了解到这么多关于宇宙的奥秘，这本身就是一件非常令人吃惊的事情。
最后，我想用这句打油诗来感谢格致论道讲坛——
格物致知天道宽，耿耿银河路可攀。
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