利用中性氫原子發出的21釐米線！其實都是些不直觀的方法，除非能夠跑到銀河系外拍攝到整個銀河的全貌，就像從地球上可以拍攝到整個仙女座星系全貌一樣。但人類的探測器才剛剛跑出太陽系而已，所以還差很遠。本文將為您講解觀測銀河系樣子的歷史發展。
古代歷史發展
希臘哲學家德謨克利特（公元前450-370年）提出，夜空中被稱為銀河的亮帶可能是由遙遠的恆星組成的。然而，亞里斯多德（公元前384-322年）認為銀河系是由「一些大而眾多且緊密相連的恆星的熾熱氣體燃燒」
、引起的，並且「燃燒發生在大氣的上部，在我們的世界與天體運動相連的地區。」 新柏拉圖哲學家奧林匹奧多羅斯·小奧林匹亞（公元495-570CE）對這一觀點持批評態度，他認為如果銀河系位於月球之下（也就是位於地球和月球之間），那麼它在地球上的不同時間和地點就會出現不同，並且它應該具有視差，而這種視差是不存在的。在他看來，銀河系是一種天體。
根據莫哈尼·穆罕默德（Mohani Mohamed）的說法，阿拉伯天文學家阿爾哈森（965-1037）首次嘗試觀察和測量銀河系的視差。他的結論是，因為銀河系沒有視差，它必須遠離地球，所以它不屬於大氣層。安達盧西亞天文學家伊本·巴哲（「Avempace」，d.1138）提出銀河系是由許多恆星組成的，並且這些恆星幾乎相互靠得很近，由於來自次級物質的折射效應，所以它們看起來像是一幅連續的圖像。在14世紀，敘利亞出生的伊本·凱伊姆（Ibn Qayyim）提出銀河系是「在固定恆星球體中聚集在一起的無數小恆星」。
近現代歷史的發展
1610年，義大利天文學家伽利略·伽利萊（Galileo Galilei）使用望遠鏡研究銀河系並發現它由大量微弱的恆星組成，因此銀河系由許多恆星組成的實際證據出現在1610年，這是人類第一次用光學望遠鏡近距離的觀測銀河。1750年，英國天文學家託馬斯·賴特（Thomas Wright）在他的《宇宙原始理論或新假設》中（正確地）推測，銀河系可能是一個由大量恆星組成的旋轉體，這些恆星通過引力聚集在一起，類似於我們的太陽系，但規模要大得多。由此產生的恆星圓盤從圓盤內部的角度可以看作是天空中的一條帶。在1755年的一篇論文中，伊曼努爾·康德詳細闡述了賴特關於銀河繫結構的想法。我們在銀河圓盤內部的視角看，由此產生的恆星盤可以看作是天空中的一個帶。
第一個描述銀河系形狀和太陽位置的是弗裡德裡希·威廉·赫歇爾爵士（Frederick William Herschel），這一任務是由威廉·赫歇爾在1785年通過計算天空不同區域的恆星數量來完成的，也就是我們熟知的「數恆星」計數法。他製作了一個太陽系接近中心的星系形狀圖。1920年，雅各布斯·卡普坦（Jacobus Cornelius Kapteyn）用一種精細的方法得到了一個(直徑約15秒差距)小的橢球星系的繪製圖，其中太陽靠近中心。哈洛·沙普利（Harlow Shapley）基於球狀星團編目的不同方法繪製了一種完全不同的圖像：一種直徑大約70秒差距且中心遠離太陽的扁平圓盤形狀。不過這兩個分析都沒有考慮到星系平面中存在的星際塵埃對光的吸收，但是羅伯特·朱利葉斯·特魯普爾（Robert Julius Trumpler）在1930年通過研究疏散星團來量化這種效應之後，我們的主星系銀河系的形狀開始有了新的改變。
威廉·赫歇爾繪製的第一幅銀河系形狀圖，我們的太陽位於其中心。圖片來自知乎
現代歷史的發展
1944年，亨德裡克·C·范德胡斯特（Hendrik C. van de Hulst）預言：我們可以從星際原子氫氣中探測到波長為21釐米的微波輻射（21釐米線）; 結果在1951年便發現來自星際氫原子的輻射線。這種輻射不會被銀河系內星際塵埃所吸收掉，因此它的都卜勒頻移可以用來繪製我們銀河系中氣體的運動。這些觀察結果導致了我們假設星系中心是一種旋轉棒結構。利用改進的射電望遠鏡，也可以在其他星系中追蹤到氫原子。在20世紀70年代，薇拉·魯賓（Vera Rubin）發現，我們觀測到的銀河轉速與可見的恆星和氣體質量預測之間存在差異。今天，人們認為星系旋轉問題可以解釋為存在大量看不見的暗物質。
1951年，揚·奧爾特（Jan Hendrik Oort）與他的同事探測到了中性氫21釐米波，這個發現在射電天文學上具有裡程碑式的意義，奧爾特很快認識到它在研究銀河繫結構方面的潛力。1952年，他們初步完成了觀測，由奧爾特在羅馬舉行的國際天文學聯合會（IAU）大會上公布了他們探測到的銀河系旋臂結構。1958年-1959年，奧爾特等人又繪製出人類第一幅銀河系的中性氫21釐米波分布圖，證實了銀河系的漩渦結構，還發現了正在膨脹的3千秒差距旋臂。
奧爾特等人繪製的第一幅銀河系的中性氫21釐米波分布圖，太陽位於圖的上方，空白之處是被銀河中心擋住的區域。圖片來自：The galactic system as a spiral nebula (Council Note)
在20世紀90年代，天文學家們開始懷疑銀河系是棒旋星系而不是一個普通的旋渦星系。他們的懷疑在2005年被斯皮策空間望遠鏡的觀測證實，這表明銀河系中心的棒比之前預想的還要大。棒旋星系指的是中間具有由恆星聚集組成短棒形狀的螺旋星系。短棒通常會影響在棒旋星系裡的恆星與星際氣體的運動，它也會影響旋臂。棒旋星系的旋臂則由短棒的末端湧現。而在普通的螺旋星系中，恆星都是由核心直接湧出的；在星系分類法以符號SB表示。銀河系，我們的太陽系所在地，被歸類為棒旋星系。
歐洲南方天文臺可見光和紅外巡天望遠鏡（VISTA）的數據生成的銀河系旋臂示意圖，其中圖下方圓圈是太陽的位置。數據日期：2013年9月12日，圖片來自：NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt
參考資料
1.WJ百科-英文版（Galaxy/Milky Way）
2.知乎
文章作者：零度星系（天文在線）
審核人員：小抽
最終審核：零度星系（天文在線）
編輯用時：2018年09月25日-2018年09月26日
審核用時：1小時
最後更新：2018年11月9日星期五
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