夜空中的銀河系。來源：Wikimedia

撰文 | 張?zhí)烊兀绹轮荽髮W(xué)奧斯汀分校理論物理博士）

責(zé)編 | 魏朝博

審校 | 張雙南（中國科學(xué)院高能物理研究所研究員）、鄭永春（中國科學(xué)院國家天文臺）

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1977年9月5日，美國宇航局發(fā)射了旅行者1號探測器，將近39年過去了，旅行者1號這個運行速度約為每秒17公里的人造天體早已飛越木星，掠過土星，2013年已經(jīng)正式離開太陽風(fēng)的邊界【注1】，成為迄今為止唯一一個進入太陽系外空間的人類使者。根據(jù)2016年6月NASA的資料，旅行者1號目前距地球約202億公里（見圖3-1）?？雌饋硎窃谙蛑肴笋R座的方向沖去！但實際上還離得遠著呢。半人馬座中的α，是離太陽最近的恒星，距離為4.37光年。

圖3-1  旅行者1號飛離太陽系

不過，我們的假想旅行將很快地超越旅行者1號，才能去探索太陽系之外的迢迢銀河！

銀河是一座宇宙中的星城，是天上的好萊塢。我們?nèi)庋劭杀娴乃泻阈牵ㄎ覀兊奶柡吞栂?，絕大多數(shù)都屬于這座巨大的星城——銀河系。

宇宙實在太大太大了！如果將每個天體比作一個生命體，我們?nèi)祟愔幌袷羌纳诘厍蛏眢w上極其微小的小生物。那么，太陽系算是地球之家，銀河系則是這個家所在的城市?，F(xiàn)在，我們就來探索一下這個城市。

圖3-2：地面的星城和天上的星城

在非常久遠的古代，人類就認識了銀河。那是懸掛在靜謐奇妙的夜空中，令人想入非非的一道星河。孩子們想象著是否可以跳到天河中去游泳？成年人則從銀河兩邊兩顆晶瑩閃爍的星星編出了牛郎織女等浪漫的神話故事。此外，中國古詩詞中也不乏描寫銀河的句子：例如，王建用“天河悠悠漏水長，南樓北斗兩相當”的句子來描寫夜空。

西方文化中也有類似的神話，將銀河稱為“牛奶路”。這個“奶”字來源于希臘神話，意指這條“天河”，是天帝宙斯的妻子（天后赫拉）在天上灑落的乳汁。

但是，神話和聯(lián)想只停留在文學(xué)和藝術(shù)的意義上，科學(xué)才能讓我們進行更深入的探索。有了科學(xué)的幫助，人類才得以了解滿天繁星后面暗藏著的秘密。比如說，我們現(xiàn)在知道了：夜晚為我們指路的北極星距離地球約323光年，就是說我們看到它發(fā)出的光已經(jīng)走了323年！而牛郎星和織女星呢，它們相距16光年，就算這對戀人能用光速進行通話，信號來回一次也要32年，看來是不可能約定每年一次的七夕相會的。

古人也知道銀河是由無數(shù)星星組成的，但人類真正對銀河系有了科學(xué)的認識，還是從近代才開始。

與銀河系有關(guān)的許多天文觀測記錄，都和一位傳奇的女天文學(xué)家卡羅琳·赫歇爾（Caroline Lucretia Herschel，1750年-1848年），以及她的哥哥：英國著名天文學(xué)家威廉·赫歇耳（William Herschel，1738年-1822年）的貢獻有關(guān)。

1785年，威廉認為銀河系是扁平的，太陽系位于其中心。30多年后，美國天文學(xué)家沙普利從威廉兄妹的觀測數(shù)據(jù)，得出太陽系位于銀河系邊緣的結(jié)論。直到上世紀二十年代，天文學(xué)家們才認識到銀河系正在不停地自轉(zhuǎn)。

赫歇耳這個名字，實際上是天文界一個著名的家族，其中主要包括上面提及的威廉，他的妹妹卡羅琳，和威廉的兒子約翰·赫歇爾（John Herschel，1792年-1871年）。

圖3-3：赫歇爾兄妹自制望遠鏡

卡羅琳是科學(xué)史上少有的杰出女性之一，經(jīng)歷頗富傳奇性。她是赫歇爾家庭中十個孩子的第八位，小時候健康不佳多災(zāi)多病。在10歲時，她得了斑疹傷寒，導(dǎo)致臉上留下疤痕累累，且身材矮小，據(jù)說高度長到4英尺3英寸就停止了。由于她的發(fā)育不良，她的父母認為她不會結(jié)婚，應(yīng)該被訓(xùn)練成一名仆人，就沒給予正規(guī)教育。但是后來，老赫歇爾去世后，威廉發(fā)現(xiàn)了妹妹的天賦，將卡羅琳從家中解救出來，走向外面的廣闊世界。

威廉·赫歇爾對音樂有濃厚的興趣，造詣頗深。他讓卡羅琳學(xué)習(xí)音樂，教她如何唱歌，卡羅琳很快成為一個多才多藝的女高音，不過她只在威廉舉辦的音樂會上演唱。但當威廉的興趣集中轉(zhuǎn)向天文觀測方面之后，卡羅琳便成為他這方面不可或缺的得力助手。

卡羅琳學(xué)會了如何擦亮透鏡，如何自己制作望遠鏡。威廉還教卡羅琳如何記錄觀察到的資料和數(shù)據(jù)，如何進行必需的數(shù)學(xué)計算。兄妹倆用親手制成的望遠鏡（見圖3-3），先后探察了北半球1083個天區(qū)共計11萬多顆星星。

1781年3月13日，赫歇爾兄妹在觀測雙星時發(fā)現(xiàn)了一顆新的行星——天王星Uranus。這項發(fā)現(xiàn)使他們贏得了巨大的聲譽，也使威廉于1782年成為英國皇家天文學(xué)家。于是，卡羅琳隨哥哥前往英國，但威廉經(jīng)常需要外出進行學(xué)術(shù)活動，卡羅琳則作為威廉的管家和助理留在家里。這種時候，她也從不放過任何一天觀測天象的機會。并且，她逐漸積累起不少自己獨立觀測到的天文記錄。

1783年2月26日，卡羅琳發(fā)現(xiàn)了一個疏散星團（今天被稱為NGC 2360），并在那年年底又發(fā)現(xiàn)了另外兩個星團。在1786年8月1日，卡羅琳發(fā)現(xiàn)一個發(fā)光物體在夜空中緩緩行駛。她在第二天晚上再次觀察，并立即通過郵件提醒其他天文學(xué)家，宣布自己發(fā)現(xiàn)了一顆彗星，并告知其他人該彗星的路徑特點，使他們可以觀測研究。這是目前公認的第一位女性發(fā)現(xiàn)的一顆彗星。這一發(fā)現(xiàn)使卡羅琳贏得了她的第一份工資，1787年，卡羅琳正式被喬治三世國王聘用為威廉的助手，成為第一位因為科學(xué)研究而得到國王發(fā)給工資報酬的女性。

卡羅琳總共獨立地發(fā)現(xiàn)了14個星云和8顆彗星。卡羅琳后來真的終身未嫁，是否談過戀愛我們也不得而知。她把每一天的生命都貢獻給了天文觀測。

圖3-4：卡羅琳從家庭仆人成為“領(lǐng)工資”的天文學(xué)家

在1822年威廉去世后卡羅琳從英國返回德國，但并沒有放棄天文研究，她整理好自1800年威廉發(fā)現(xiàn)的2500個星云列表。她幫助天文學(xué)會整理和勘誤天文觀測資料，補充遺漏，提交索引。英國皇家天文學(xué)會為表彰她的貢獻，授予她金質(zhì)獎?wù)?，?6歲時，普魯士國王也授予她金獎。

威廉死后，他的兒子約翰子承父業(yè)，繼續(xù)父親和姑姑的工作。約翰把觀測基地移到了南非，在地球的南半球共探測了2299個天區(qū)計70萬顆星，第一次為人類確定了銀河系的盤狀旋臂結(jié)構(gòu)，把人類的視野從太陽系伸展到10萬光年之遙。從三位赫歇耳大量的觀測結(jié)果（近百萬顆星星！），人們才開始認識到世界之大，銀河系之大，整個太陽系不過是銀河系邊緣上一個不起眼的極小區(qū)域而已。

后來，是美國著名的天文學(xué)家愛德溫·哈勃（Edwin Hubble，1889年-1953年），第一次將人類的眼光投向了銀河系之外。也就是當人們認識到“天外還有天，河外還有河”之后，才對銀河系這個天上的大城市有了更多的認識和了解。有些時候，需要設(shè)想讓自己“跳出”銀河系來觀察銀河系才更為準確，否則便成了：不識銀河真面目，只緣身在此河中。

圖3-5：哈勃的星系分類法

哈勃將宇宙中的星系按其外觀分為兩類：橢球星系和螺旋星系，螺旋星系中又包括漩渦星系和棒旋星系，此外，還觀察到一些形狀不太規(guī)則的，暫時稱它們?yōu)椴灰?guī)則星系，見圖3-5。哈勃的星系分類規(guī)則被沿用至今，不過，從現(xiàn)代天體物理的觀點看，哈勃對這幾類星系演化歷史的解釋卻不正確。

哈勃當時認為他提出的星系分類法，也可以描述星系的演化。也就是說，星系按照圖3-4中從左到右所示的過程演化：最左邊最接近球形的星系是幼兒時期，然后變成橢球，再變成有旋臂的螺旋星系，之后旋臂會逐漸減少。

而根據(jù)現(xiàn)代的星系演化理論，星系形成和演化的圖像非常復(fù)雜，不同類型的星系不一定有演化關(guān)系，可能經(jīng)歷了完全不同的形成和演化過程。有些星系完全是其它塌縮之后的自演化，有些經(jīng)歷了次并合，有些經(jīng)歷了主并合。

現(xiàn)代的觀測估計，銀河系大約包含了2千億顆恒星，恒星只是星系的主要成員，但這個數(shù)目就已經(jīng)大大地超過了地球上的總?cè)丝跀?shù)。所以，將銀河系僅僅比喻為一座大城市，其實是大大地“小看”它了！

這么巨大的人口，是如何分布在城市里的呢？

銀河系在不停地自轉(zhuǎn)，屬于螺旋星系中的棒旋星系，因為在它的旋轉(zhuǎn)核心中央，有一個類似長棒的聚集區(qū)，見圖3-6a中的俯視圖和側(cè)視圖。太陽系又以每秒250公里的速度圍繞銀河中心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)周期約2.2億年。據(jù)說估計銀河系包括暗物質(zhì)的總質(zhì)量大約是8000億個太陽（這個數(shù)值很難說，各種模型的估算值之間相差很大！）。整個銀河看起來，像是一個形狀扁平的飛碟，在空中飛速旋轉(zhuǎn)。飛碟直徑大到10萬光年，中心厚度大約1.5萬光年，邊緣厚度也有0.3萬光年。太陽系則算是住在銀河系的“郊區(qū)”，離中心處大概2.8萬光年左右。也正因為地球是從比較邊緣處望這個大盤子，所以看起來才像一條帶子，或者說像是“一條河”了。

大多數(shù)亮晶晶的星星都集中在銀核和銀盤上，銀盤實際上又是由幾條旋臂組成。銀河系主要區(qū)域是圓盤形，但外面還有兩層由稀疏的恒星和星際物質(zhì)組成的球狀體，稱為銀暈，見圖3-6a右上方圖中的內(nèi)層銀暈和外層銀暈。此外，按照最新的理論，圖中所畫的這一切都應(yīng)該淹沒在一個更大的“暗物質(zhì)”的海洋中。

圖3-6：銀河系的結(jié)構(gòu)

依靠近幾年來天文探測技術(shù)的突飛猛進，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)星系的中央都存在一個超重黑洞。我們的銀河系也是如此。在距離地球2.6萬光年的地方，其實也就是靠近銀河系的中心處了，有一個人馬星座，也叫射手座。人們在這個星座所觀察到的星星的排列方式看起來如同一個半人半馬射手的形象，因而得名“人馬”。還有另一個也類似半人半馬形象的星座叫做半人馬座。近幾年來，人馬座A*引起了天文學(xué)家們的極大興趣，因為它是一個強大的紅外線和X射線輻射源。一位德國科學(xué)家在2008年最終證實，“人馬座A*”位于銀河系中心，就是一個質(zhì)量約為太陽400萬倍的超大黑洞。

我們這個大盤子城市的“市中心”的最中心部分竟然是一個超大質(zhì)量的黑洞！有趣的是，黑洞具有將周邊物體吸進洞中的能力，進去就出不來，有點像是恒星的“墳?zāi)埂薄Ｔ诤诙吹闹車敲芗阈堑摹般y核”。銀核則像一座長長的橄欖球形城堡，也可以說是一個“養(yǎng)老院”，因為其中居住的幾百億顆恒星中，大多數(shù)是老耄之年的白矮星（圖3-6a）。

銀核的外面是銀盤。這個天天掛在我們夜空中的大盤子實際上是由好幾條螺旋形的“手臂”組成，稱之為銀臂。我們從地球上看到它的側(cè)影，很像一條河。但如果我們能夠跳出地球，到大盤子的正面去看它，卻是更像一個旋轉(zhuǎn)的風(fēng)車，見圖3-6a。風(fēng)車有4個葉片，即銀河系的4條旋臂，分別是矩尺、半人馬－盾牌、人馬與英仙等主要旋臂。太陽系的位置介于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(zhì)構(gòu)成，也有或疏或密的恒星散布其中，就像城市邊沿的郊區(qū)部分，居民比市中心少多了，時而密集，時而零落，散布在空曠的原野中，見圖3-6b。

在銀河旋臂中居住的主要是年輕的恒星，類似太陽，它們還在發(fā)光發(fā)熱，處于精力旺盛的主序星階段，喜歡住郊區(qū)。此外，那兒也有聚聚散散四處游蕩玩耍的童年恒星。

在球形外圍的銀暈部分，大部分是稀疏的塵埃和星云，也零散地分布著少量恒星，可謂“獨行大俠”。奇怪的是，其中也有一些白矮星類型的“孤寡老人”。

游歷了整個銀河系，下一期讓我們再把目光回到人類自身，看看人類是如何突破地球引力，將飛行器送入太空的~

注釋：

【注1】所謂太陽系邊界的定義大致有兩種，一種是太陽風(fēng)的邊界稱為heliosphere，位置比較確定。旅行者1號實際上是穿越了太陽風(fēng)的邊界。另一種是太陽的引力邊界，其定義比較模糊，取決于參考的天體，但是都比太陽風(fēng)的邊界遠得多。