當我們身處銀河系內部,我們銀河系的外部照片是如何拍攝的?

2020-12-22 天文在線

如果我們在銀河系內部,我們的銀河系是如何從外部拍攝的

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

這是一個了不起的問題。大多數人不會想像到要了解我們的銀河的真實外觀是多麼難以達成的工作。這就像一個人身處叢林之中,卻企圖描繪出森林的地圖。你可以很容易地看到周邊的事物,但更遠處的物體可能會被部分甚至全部遮擋,因此你會很難甚至不可能看見他們。

17世紀後期,威廉和卡羅琳·赫歇爾首次對繪製銀河系地圖進行了認真的嘗試。他們用最先進的望遠鏡仔細計算了天空中不同方向上的星星的數量,並利用這些觀測結果繪製了如下的地圖:

雖然這是一次勇敢的嘗試,但我們現在知道這是天真的設想,因為黑暗的塵埃雲幾乎遮住了我們太陽系以外的所有恆星。我們怎麼知道的?因為當雲層阻擋所有可見光時,它們的紅外線更透明,無線電波幾乎完全透明。因此,當天文學家最終探究出如何建造紅外和射電望遠鏡時,我們才第一次真正看到了銀河系中更遙遠的恆星。以下是這些恆星在銀河系中波長的比較:

圖源:sohu

事實上,在20世紀20年代之後,在天文學家哈羅·沙普利和希伯·柯蒂斯之間的大辯論之後,天文學界的共識最終轉向正確的結論,即銀河系只是一個普通的星系。它是可觀測宇宙的數十億個星系之一。但是即使在今天,我們有了最好的太空望遠鏡,我們仍然對銀河系的樣子只有一個大概的概念:

圖源:搜狐

你看到的所有更詳細的圖片,要麼是藝術家基於這些圖表的猜測(見下圖),要麼更可能的是,只是另一個星系的照片。

從反饋中我看到,人們對赫歇爾夫婦繪製銀河系的視覺嘗試很感興趣。我想說的是,有許多有效的科學理由,說明你可能會想要這樣做。事實上,已經有很多嘗試用現代儀器來重複這個過程。下面你可以看到幾年前的3D調查。注意我們如何用光學方法卻只能看到銀河系的一小部分。

想像你自己是義大利香腸,我們的銀河系是比薩餅(顯然這是比例失調的)。你必須在銀河系的上方拍攝一張完整的照片,這在我們這邊是不可行的(因為銀河系的長度比你能想像的還要長,接近120,000光年,而且我們被卡在它的一個臂上,距離它的中心28000光年)。

有趣的事實是,在很長一段時間裡,我們對銀河系的形狀不是很確定。為了了解這一點,我們將其與其他星系進行了比較,想像我們被困在它的一個臂彎裡,它會是什麼樣子,最後得出結論,「好吧,它是螺旋形的!!」

現在問題來了,那麼我們從小就在科學書上看到的那些圖片到底是什麼?

嗯,這些照片大多是一些其他星系的(一般來說,照片是梅西埃74或M74星系)。以下是一些圖片:

另一個一定也在你大腦中揮之不去的問題是:

那我們怎麼知道我們的銀河系是什麼樣子的呢?

這是從地球上最黑暗的地方拍攝的銀河系照片:

開始欣賞吧!

這個答案不管是對於那些用權威回答你所不能回答的問題的人來說,還是對於觀測站來說是一樣重要的。我知道這一點是因為我在我所知的是第一個這樣做的宇宙飛船上工作。宇宙背景探索者,或稱COBE,是1989年發射的宇宙飛船,它製作了第一張顯示宇宙微波背景變化的大望遠鏡地圖。但是人們忘記了製作各向異性圖的DMR儀器只是COBE攜帶的三種儀器之一。其他人,FIRAS和DIRBE,得到較少的關注,但也同樣重要。FIRAS最後證明了宇宙微波背景輻射是黑體輻射,並測量了整體溫度,精確到了極點。DIRBE測量出了紅外背景溫度。

作為測量的副產品,DIRBE還碰巧拍攝了我們銀河系的美麗圖像。或者,我應該說,恰逢重建時,DIRBE數據產生了我們銀河系的美麗圖像。

要理解為什麼DIRBE如此重要,你必須明白,當你看著CMB時,你等同於是在看宇宙的背景噪音。要看到這個,你必須移除所有的信號。銀河系在太空中的運動,太陽系在銀河系中的運動,以及地球圍繞太陽的軌道都發生了紅移。這些都是可以測量和直接應用的東西。但是天空中其他東西發出的光呢?在很大程度上,銀河外的資源是由COBE的數據獲取方法來處理的。DMR的像素很大,如果我沒記錯的話,是7度圓錐。3個DMR微波接收器對中的每一個都觀察了相隔一定角度距離的天空,並對它們的亮度進行了差分測量。但是COBE繞著它的軸旋轉,它的軸指向遠離地球的方向,而它的軌道是一個接近極地的太陽同步軌道——它原則是是在飛行(或者曾經飛行過,我不知道自從它停止運行以來的幾十年裡發生了什麼),因此達到了終結線,並在每個軌道的早上6點和下午6點穿過赤道。它的軌道以地球繞太陽運行相同的平均速度進動。

最重要的是,DMR一直在為空間中的所有這些點生成不同亮度的測量條。它產生了很多的測量結果。更重要的是,與很多很多點相比,它對任何一個給定點都有不同的測量。這是它設計的關鍵。它通過極端的過採樣和許多不同的比較點的方法,基本上消除了誤差(也就是噪聲)。

如果沒有DIRBE,這也沒關係,因為除了月亮和太陽(COBE通過從不看它們來解決這個問題)之外,天空中最大的信號源是我們自己的星系。因此,DIRBE數據被用來減去銀河系的光。我們也可以看到。

作者: quora

FY: 句號獸

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