中美合作成果：最精確的銀河繫結構圖，出爐

製圖：羅恩·米勒（Ron Miller）

長期以來，我們對銀河系知之甚少，我們甚至不知道太陽在銀河系中的具體位置。不過，天文學家最近利用一些觀測數據，繪製了全新的「銀河系圖」，這幅圖將刷新我們對銀河系、星系形成的認識。而且通過這幅地圖，我們還知道，太陽幾乎正好位於銀河系盤的中心平面上。

撰文 | 馬克·J·裡德（Mark J. Reid）、鄭興武

翻譯 | 沈俊太

幾百年前，探險家們遠渡重洋，橫貫未知大陸，繪製了詳細的地圖。在過去的半個世紀中，人類發射的太空探測器已經拍攝了太陽系的大部分區域。然而，儘管我們已經了解太陽系這個天文後院，但對自己所處的宇宙大社區——銀河系——的了解卻不夠。原因很明顯，恰如「不識廬山真面目，只緣身在此山中」，我們無法離開銀河系而回眸銀河系的全景。

也許，你可以夢想我們發射一艘太空飛行器，讓它駛離我們的銀河系後，再回頭拍張銀河系的全景照片，但是太空飛行器只有經過數百萬年的旅程後，才能做到這一點，這顯然是不切實際的。我們還有很多關於銀河系的懸而未決的問題，例如銀河系有多少條旋臂，最接近太陽的一種大型結構是否可以算作一條獨立旋臂，以及我們太陽系在銀河系中處於什麼位置。

然而，科學家最近正努力從內到外測繪銀河系，從而能首次繪製準確的銀河繫結構圖。這個美好的前景是數個高級射電和光學大型望遠鏡項目共同努力得到的結果，其中包括我們主導的銀河系「棒和旋臂結構遺產性巡天計劃」（Bar and Spiral Structure Legacy Survey，簡稱BeSSeL計劃）。我們獲得了甚長基線陣（Very Long Baseline Array）前所未有長達5000小時的觀測時間。

我們的項目的初步結果為人們提供了一幅全新的銀河圖。除了更好地了解銀河系的整體圖像外，我們還開始澄清為什麼銀河系這樣的星系會呈現出旋渦結構，以及我們的銀河家園是如何與整個宇宙融為一體的。

宇宙鄰裡

十九世紀初期，第三任羅塞伯爵威廉·帕森斯（William Parsons）建造了一臺口徑為72英寸的望遠鏡——按當時的標準，這是一臺「巨大的」望遠鏡。他觀測並畫出了明顯有旋渦型旋臂圖案的M51星雲（我們現在稱之為渦狀星系，Whirlpool Galaxy）。然而，在不知道M51有多遠或銀河系尺度的情況下，我們不清楚渦狀星系是我們所處的銀河系中的一個小結構，還是一個與銀河系類似的星系。

關於這些問題的辯論一直持續到二十世紀初。直到美國科學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）使用亨利埃塔·利維特（Henrietta Leavitt）發展的技術測量出我們到一些明亮恆星的距離後，我們才了解到，渦狀星系和其他旋渦星雲都處於銀河系之外，而且與銀河系相似。這個發現顛覆了銀河系即是整個宇宙的觀念。

銀盤是構成銀河系主體的薄餅狀區域，通過測量整個銀盤中氣體的運動，天文學家發現我們其實生活在一個旋渦星系中。星系的主要常見類型包括旋渦星系和橢圓星系兩種。從遠處看到的銀河系的模樣可能很像近鄰旋渦星系NGC 1300和風車星系（M101）。NGC 1300的中心具有一個明亮的長條形結構，天文學家稱其為星系的棒結構。兩條藍色的旋臂從棒結構的兩個末端伸出，並圍繞中心棒逐漸向外延伸。

大多數旋渦星系中都具有棒結構，一般認為這種結構是因星系緻密盤的引力不穩定性而形成的。然後，中心的棒結構會旋轉，產生攪拌作用，進而可能促進旋臂的形成（其他過程，例如盤內大質量團塊引起的引力不穩定性或臨近星系的引力擾動，也可能導致旋臂的形成）。在藍光波段更容易看到旋臂，這是因為旋臂是正在形成恆星的巨大恆星產房，更容易發出藍光。風車星系M101是另一個可能類似銀河系的星系。儘管風車星系沒有NGC 1300的中心棒，但它有更多的旋臂。

我們可能生活在一個四旋臂的旋渦星系（銀河系）中，它具有一個明亮且對稱的中心棒。| 圖片來源：XING-WU ZHENG AND MARK REID Bar and Spiral Structure Legacy Survey/Nanjing University/ Center for Astrophysics, Harvard and Smithsonian (Milky Way chart and illustration)

天文學家一直認為，銀河系可能具有NGC 1300和M101這兩個星系的特徵：可能有類似NGC 1300那樣的明顯的長棒結構，也像M101一樣具有多條旋臂。但是，除了這些基本結論外，仍有很多爭議之處。例如，斯皮策（Spitzer）太空望遠鏡在十多年前的紅外觀測結果表明，銀河系可能只有兩條主旋臂。而對原子氫和一氧化碳的射電波段觀測表明，銀河系具有四條旋臂。在河外星系裡，這些氣體是集中在旋臂上的。除旋臂特徵之外，天文學家還在爭論太陽離銀河系中心有多遠，以及太陽相對於銀河系中平面（即盤中心平面）的垂向高度是多少。

大約70年前，科學家計算了附近一些很亮的藍色恆星離我們的距離。如果把這些恆星標識在銀河繫結構圖上就會發現，它們是三條相鄰的旋臂的一部分。我們將這三條旋臂稱為人馬臂、本地臂和英仙臂。大約在同一時間，從1950年代開始，射電天文學家觀測到了原子氫氣體，這種氣體會發射波長為21釐米的特徵射電信號。當這種原子氫氣體相對於地球運動時，它的特徵射電頻率會因都卜勒效應而發生偏移，從而使天文學家能夠利用頻率偏移來測量這種氣體的運動速度，進而繪製出它們在銀河系中的位置分布。

利用這種測量方法，天文學家採用了一個以太陽為中心的坐標系：類似於地球儀的經度和緯度，銀經（l）以對著銀河系中心的方向為零，並在銀河系的「赤道」平面內順時針方向增加（從北天球看銀河系）；銀緯（b）表示垂直於銀盤平面的角度。氫原子氣體的21釐米特徵射電信號在銀經-速度圖中顯示出連續的結構，其很可能示蹤了銀河系的多條旋臂結構。後來繪製的一氧化碳分子氣體的銀經-速度圖也展現了類似的特徵。但是，這種間接映射方法可能存在歧義，也不夠準確，難以清晰地展示銀河系的旋臂結構。

一個新視野

我們對銀河繫結構知之甚少的一個原因是，銀河系中有大量的塵埃。塵埃可以有效地吸收可見光，因此在大多數視線方向上，塵埃都遮擋了我們的視線，讓我們看不到很遠的地方。另一個原因是，銀河系尺度之大令人咋舌：銀河另一側的恆星發出的光要經過5萬年以上的時間才能到達地球。如此遙遠的距離甚至使我們很難分辨出哪些恆星離我們近，哪些恆星離我們遠。

現在，在太空中運行的新型光學望遠鏡，以及分布在全球的新型射電望遠鏡可以讓我們更好地回答有關銀河系的種種問題。蓋亞空間天體測量衛星項目（Gaia mission）於2013年啟動，旨在測量銀河系中近十億顆恆星的精確距離，這無疑將革命性地改變我們對銀河系形成過程中不同星族的認識。但是，由於蓋亞衛星是在可見光波段進行觀測，而可見光易被星際塵埃顆粒吸收散射，所以蓋亞在觀測離我們非常遙遠的旋臂時，可能會受到星際塵埃的影響。相反，由於射電波很容易穿過塵埃，因此射電望遠鏡可以探測整個銀盤，我們就可以利用這類望遠鏡的觀測結果來繪製銀盤的整體結構圖。

目前，繪製銀河繫結構圖的兩個主要觀測項目都是使用射電天文學中的甚長基線幹涉測量技術（very long baseline interferometry，VLBI）。日本的 VERA（VLBI Exploration of Radio Astrometry）項目使用了4臺射電望遠鏡，分布範圍從日本北部（巖手縣水澤市）到日本最南端的衝繩石垣島和最東端的小笠原群島，橫跨整個日本。而我們的BeSSeL巡天計劃使用的甚長基線陣列（Very Long Baseline Array）包括10臺望遠鏡，分布範圍從美國夏威夷到新英格蘭再到美屬維京群島的聖克羅伊島，橫跨西半球的大部分地區。

由於構成甚長基線陣列的望遠鏡之間的距離幾乎和地球直徑相當，因此該陣列可以獲得的角解析度遠遠超過其他任何望遠鏡在任何波長下的解析度。研究人員必須用該陣列的所有望遠鏡同時觀察，並用世界上最好的原子鐘，讓每個站點的計算機同步記錄數據。然後，他們將記錄的數據運送到一臺專用計算機，由該計算機對各望遠鏡收集的信號進行處理。如果我們的眼睛對射電波敏感，那麼經過校準的圖像即是我們在射電波段可看到的一張幾乎被整個地球的寬度所解析的超高清數字圖像。

銀河繫結構圖：利用多臺射電望遠鏡，天文學家對銀河系進行了數千小時的觀測，測量了一些天體結構之間的距離。下圖是有史以來最好的銀河繫結構鳥瞰圖。數據展示了圍繞銀河系中心的四個主要的旋臂結構。我們的太陽（天文學家將其視為四象限測繪坐標的中心）會圍繞銀河系運轉，環繞一周大概需要2.12億年。靠近太陽軌道的地方，有一條較小的旋臂（藍色）。未來，使用南半球上的射電望遠鏡開展的研究可能會揭示出第四象限中大部分目前未直接觀測到的其他結構。| 製圖：埃琳娜·哈特利（Elena Hartley）

這樣的圖像具有令人難以置信的角解析度（優於0.001角秒：如果把整個天球均分為360度，那麼1角秒為1/3600度）。相比之下，人眼最多只能分辨約40角秒的結構，即使哈勃太空望遠鏡也只能實現約0.04角秒的解析度。

利用VLBI，我們可以測量出一顆在射電波段很明亮的恆星相對於背景類星體的位置（類星體其實是位於遙遠星系中心的、明亮的活躍黑洞），其精度接近0.00001角秒。這樣，我們可以通過測量三角視差效應來測量非常遠的距離。三角視差效應是指從不同的位置觀測時，附近天體也相應地出現在背景星空中的不同位置。你可以將手臂向前伸開，舉起大拇指，並通過交替閉合左右眼觀察大拇指來模擬這種效果。因為我們兩眼間距為幾釐米，因此用左右兩眼交替觀測離我們一臂距離的大拇指時，拇指相對遙遠的背景物體來說，會出現大約6度的偏移。如果我們知道兩次觀測位置的間距，以及觀察到的角位移，就很容易計算出我們與觀測目標的距離。這與測繪人員繪製城市地圖的原理相同。

三角視差測距法：天文學家從地球公轉軌道的兩端分別觀測時，恆星在背景天空中的位置會發生偏移，這個偏移被稱為視差角，可以用來測量恆星與我們的距離。一顆恆星離地球越近，其視差角就越大。與已知的日地距離相結合，恆星的三角視差使天文學家可以使用基本的三角函數來計算該恆星與地球的距離。| 製圖：埃琳娜·哈特利（Elena Hartley）

在理想情況下，天文學家要繪製旋臂結構圖應該觀測年輕的大質量恆星。這些短壽命的恆星通常與旋臂內劇烈的恆星形成過程有關，並且此類恆星溫度很高，它們可以電離周圍的氣體，使其發出藍光，因此在理論上，這些恆星在可見光波段可以作為觀測星系旋臂的燈塔。

但是，由於這些恆星被銀河系的塵埃盤所包圍，我們無法輕易地在整個銀河系中觀測到此類恆星。幸運的是，這些熾熱恆星電離區域外的水分子和甲醇分子可以作為非常明亮的射電源，因為它們會發射出大量的幾乎沒有被銀河塵埃衰減的天然「脈澤」（maser）。脈澤一詞為「受激輻射的微波放大」（microwave amplification by stimulated emission of radiation）的首字母縮寫，也就是說，脈澤其實就是處於射電波段的雷射。在天體物理環境中，脈澤輻射來自質量與木星相當的太陽系尺度的氣體雲。脈澤源在射電圖像中表現為非常明亮的點源。因此，脈澤源是三角視差測量的理想目標。

銀河系新圖景

通過BeSSeL項目和VERA項目，天文學家已經使用三角視差法測量了約200個年輕熾熱恆星的距離。這些數據橫跨銀河系，大約覆蓋了銀河系三分之一的區域，並揭示了四條很長的旋臂。

由此繪製而成的「銀河系圖」還顯示，太陽非常接近銀河系的第五條旋臂，這似乎是一段孤立的旋臂，被稱為「本地臂」。此前，該段旋臂被稱為「獵戶臂刺」或「本地臂刺」，也就是說，這條旋臂類似於從其他星系的主旋臂伸出的小型附屬結構。但是，對這種「臂刺」的解釋可能是錯誤的。在我們BeSSeL的數據中，這條旋臂是孤立的，繞著銀河系旋轉了不到四分之一圈。雖然本地臂的長度較短，但在這條臂中，恆星形成率可與同樣長度的英仙臂段相當。有趣的是，天文學家曾認為英仙臂是銀河系的兩條主旋臂之一（另一條是盾牌-半人馬臂）。但是，我們發現隨著英仙臂遠離太陽，朝著銀河系內延伸時，恆星的形成率顯著減少。這表明對於外部觀測者而言，英仙臂似乎並不是一條非常明顯的旋臂。

通過繪製大量年輕恆星的三維位置，並對它們的運動速度進行測量建模，我們可以推算出銀河系的基本參數。我們發現，太陽到銀河系中心的距離為8150±150秒差距（即26600光年）。這比幾十年前國際天文聯合會建議的8500秒差距的值要小。此外，我們發現銀河系在太陽位置處以236千米/秒的速度旋轉，這大約是地球繞太陽旋轉速度的8倍。根據這些參數值，我們發現太陽繞銀河系旋轉一圈需要大約2.12億年。這也意味著，上一次我們的太陽系處在銀河系現在的位置時，恐龍仍在地球上漫步。

處於太陽位置之內的銀河系內盤非常薄，幾乎是一個平坦的平面。但太陽相對於該平面的垂向高度一直存在爭議。最近，一些天文學家測得太陽比內盤面高25秒差距（82光年），但我們的測量值與這一估值有較大的不同。通過擬合具有精確距離和位置的大質量恆星所處的平面，我們可確定太陽僅比該平面高約6秒差距（20光年）。這一高度僅為太陽到銀河系中心距離的0.07%，這意味著太陽非常靠近銀盤的中平面。我們還證實了前人觀測到的銀河系翹曲，即銀河系外盤面逐漸偏離內盤面，在北側開始向上彎曲，而在南側向下彎曲，有點像彎曲的土豆片。

為了便於描述觀測結果，天文學家通常將銀河系劃分為以太陽為中心的四個象限。使用這種坐標，我們在前三個象限中都找到了旋臂。為了繪製第四象限的圖，則需要處於南半球的觀測設備。我們正在開展南半球的觀測項目，計劃使用澳大利亞和紐西蘭的望遠鏡進行觀測。

天空上的鷹眼：測量銀河系另一側恆星形成區的微小視差角需要極高的角解析度，目前只有通過精確合併來自全球多個射電望遠鏡的同時觀測數據才能獲得極高的角解析度。該圖顯示了甚長基線幹涉測量法這項技術的強大功能，其解析度比哈勃太空望遠鏡最清晰的圖像還要高約40倍。| 製圖：埃琳娜·哈特利（Elena Hartley）

在等待這些觀測結果的同時，我們可以先用來自原子氫和一氧化碳的觀測信息，將已知旋臂外推到第四象限。這些觀測揭示的旋臂結構與先前理論上猜想的矩尺-外臂（Norma-Outer）、盾牌-半人馬臂（Scutum-Centaurus-Outer-Scutum-Centaurus）、人馬-船底臂（Sagittarius-Carina）、英仙臂（Perseus）的結構相吻合。不過需要注意的是，我們對遠離銀河系中心的恆星形成區域只做過一次觀測。我們觀測到的這個區域的距離，再結合它在一氧化碳的銀經-速度圖中的位置，讓我們對如何在「地圖」上連接銀河系另一端的旋臂有了一定的信心。

但是，我們需要更多的觀測來驗證我們的模型。現在，我們對自己的銀河家園有了更清晰的了解。我們可能生活在一個四旋臂的旋渦星系中，它具有一個明亮且對稱的中心棒。我們的太陽幾乎完全位於銀盤中平面上，但太陽遠離銀河系中心，大約在銀河半徑的三分之二處。除了幾乎可以環繞銀河系一周的旋臂之外，銀河系還有至少一個額外的旋臂段（本地臂），並且各主要旋臂都可能有許多分叉。這些旋臂特徵使我們的銀河系顯得相當正常，但肯定不是典型的。大約三分之二的旋渦星系都有中心棒結構，因此銀河系屬於佔旋渦星系絕大多數的棒旋星系。然而，銀河系擁有四條清晰、明確且相當對稱的旋臂，這使得銀河系顯得比較獨特，因為大多數旋渦星系的旋臂都少得多，並且旋臂也比較凌亂。

更多謎團

儘管我們得到了一些新的答案，但仍有很多懸而未決的重要問題。天文學家仍在爭辯旋臂是如何產生的。關於這個問題有兩種相互競爭的理論，一種理論認為，整個銀河系尺度上的引力不穩定性會形成持久的螺旋形旋臂圖案的密度波；另一種理論則認為，一些旋臂片段會隨著時間的流逝，因為小尺度上的不穩定性而被拉伸、放大，進而連接起來，形成更長的旋臂。在前一種理論中，旋臂可以持續數十億年，而在後一種理論中，雖然旋臂的壽命較短，但新的旋臂在銀河系的整個演化歷史中會出現多次。

由於銀河系沒有明確的出生日期，因此很難弄清楚它的準確年齡。目前流行的觀點是，隨著宇宙歷史上先形成的許多較小的原星系發生碰撞和併合，它們逐漸融合在一起，形成了現在的銀河系。

銀河系大概在50億年前就已經是一個大型星系，但在那時，它看起來可能與現在大不相同，因為星系併合過程很可能會打散任何已有的旋臂結構。

我們需要更多的觀測結果來改進我們現有的銀河繫結構圖景，而下一代支持VLBI的射電望遠鏡陣列將為此提供便利。這種正在規劃中的射電陣列包括非洲的平方公裡陣列（Square Kilometer Array）和北美的下一代超大型陣列（Next Generation Very Large Array）。兩者都是跨越整個大陸的巨大射電望遠鏡陣列，預計21世紀20年代末它們可以全面投入使用。與現有陣列相比，它們的信號收集面積將大大增加，因此能夠探測到來自恆星的微弱射電輻射，使我們在銀河系中的視線可以達到更遠。最終我們希望明確繪製出銀河家園的建築結構圖，以證實或證偽銀河系宏偉旋臂結構的形成理論。

本文作者：

馬克·J·裡德是哈佛&史密森尼天體物理學中心史密森尼天體物理學天文臺的資深射電天文學家，最近他被選為美國科學院院士。

鄭興武是南京大學天文學教授，過去幾十年來，他主要研究宇宙中的「脈澤」現象和恆星形成。

本文譯者：沈俊太是上海交通大學天文系長聘教授，他的主要研究方向為星系動力學、銀河繫結構、天文學數值模擬。他的團隊已根據 BeSSel 巡天得到的旋臂位置，使用氣體動力學方法估算了銀河系棒和旋臂的圖案轉動速度，相關結果發表在國際權威期刊《天體物理學雜誌》(Astrophysical Journal)上。

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來源 | 環球科學