作者：SHAO科學傳播團隊（中國科學院上海天文臺）
在第二屆進博會國家展中，中國館設置了許多互動體驗環節，其中，參觀者可以通過VR眼鏡來看太空星系。大家都知道我們在銀河系中，不過，人類正確認識銀河系用了上千年的時間，而人類認識到銀河系之外還有著上千億個和銀河系相近但又不完全相同的星系還不到百年。
那麼銀河繫到底是什麼樣的？銀河系外的星系又是什麼樣子？人類對於星系的認識經歷了什麼樣的過程？
星系 （圖片來源：veer）
銀河是條天上的河流嗎？不，銀河是個大圓盤
數千年前，人們對銀河就有了各種各樣的猜想。古希臘神話中人們認為銀河是由天后赫拉的乳汁鋪就而成的；而在中國的神話傳說裡，銀河便是天上的一條河流。
直到伽利略首次將望遠鏡的鏡筒指向銀河，才發現銀河其實是由無數恆星構成的。然而，由於身處銀河系之中，人類仍然不清楚銀河的結構，銀河和太陽是什麼樣的關係？
最先對銀河系形狀做出正確推論的是英國科學家賴特（Thomas Wright）和德國哲學家康德。賴特認為銀河系是扁平的，太陽也身處其中，康德在賴特的基礎上進一步猜想，銀河是一個巨大的、扁平分布的、包含無數恆星的天體系統，這些恆星由萬有引力束縛在一起，像太陽系一樣圍繞著某個中心旋轉。
銀河繫結構（面向）的想像圖
十八世紀後期，英國科學家赫歇爾第一次給出了銀河系形狀的定量估算，他利用自製望遠鏡對銀河系中的恆星進行計數，首次利用觀測數據證明了銀河系是個扁平的形狀。
赫歇爾對銀河系形狀的定量估算
今天，我們對銀河繫結構有了更為細緻的認識。銀河系大致為一個扁平圓盤，直徑約為10萬光年，厚度大約為1萬光年，圓盤上分布了約3000億顆恆星，其中，太陽距離銀河系中心大概2.6萬光年。此外，在銀河系中心還有一個棒狀結構，棒的兩端有數條旋臂延伸出來。在銀河系中心居住著一個大約430萬倍太陽質量的黑洞。
「銀盤」外有啥？短棒、透鏡、橄欖球……
通過望遠鏡，天文學家們看到了銀河中的恆星，同時，也觀測到了許多雲霧狀天體——星雲。1780年，法國天文學家梅西耶發表了包含110個天體的星雲星團表。
模糊一團的星雲，特別是旋渦星雲，到底是處於銀河系內還是處於銀河系之外？就此問題，在1920年，美國科學院進行了一次歷史上被記為「great debate」的學術辯論會。在這次辯論中，沙普利認為銀河系巨大，旋渦星雲在銀河之內，銀河系是宇宙的全部；而另一方柯蒂斯則認為銀河系不是宇宙的全部，那些星雲在銀河之外。這次辯論會上，雙方都沒說服對方，但均指出了距離和尺度的測量，是解決這個問題的關鍵。1923年，哈勃用胡克望遠鏡觀測仙女座星雲（M31），利用M31中造父變星的距離測量證明了M31的距離遠遠大於已知銀河系的尺度。
沙普利的球狀星團分布圖 （圖片來源：維基百科）
哈勃在發現和認證了河外星系之後，進一步對河外星系的形態做了系統研究。哈勃發現看上去形態各異的星系可以分為三大類，橢圓星系、旋渦星系、不規則星系，此外還存在一種過渡類型--透鏡星系。這種分類方法可以用哈勃音叉圖來概括。
哈勃音叉圖 （圖片來源：維基百科）
第一類橢圓星系，這類星系外形呈正圓形或橢圓形，亮度分布高度集中，沒有明顯的子結構，用英文字母E表示。
橢圓星系 （圖片來源：維基百科）
第二類，旋渦星系，外形中帶有明顯的旋渦結構，英文記為S。這類星系中心有一個明亮的，沒有明顯結構的核球。此外還有一類旋渦星系，其中心有一個貫穿核球的短棒結構，記為棒旋星系（SB）。
旋渦星系 M31（仙女座大星系） （圖片來源：維基百科）
第三類，不規則星系，是一種外形不規則，沒有明顯旋臂，核等結構的星系，稱為不規則星系，記為Irr。
不規則星系 （圖片來源：維基百科）
透鏡星系，是一種介於橢圓星系和旋渦星系之間的星系，記為S0。這種星系有盤狀結構，但沒有明顯的旋臂，整體上呈透鏡狀。如果中心帶有棒狀結構，則稱為帶棒透鏡星系，記為SB0。
透鏡星系ngc2787 （圖片來源：維基百科）
河外星系的哈勃分類是根據二維圖像進行的。這些星系在真實的三維空間中是什麼樣子的呢？
一般認為橢圓星系真實的形狀像個橄欖球，如果我們從尖頭看過去，橄欖球看起來像個正圓形，如果換個角度，則是橢圓形。而旋渦星系的真實形狀則像一個盤子，同樣根據我們視線方向的不同，旋渦星系在觀測中呈現出各種完全不同的樣子。
結語
自哈勃證明星系是宇宙中的「島嶼」之後，天文學家就在不斷研究星系在宇宙中形成和演化的細節，並利用星系來揭曉宇宙的奧秘。伴隨著星系形成和演化整體圖像的建立，越來越多的謎團被揭開。星系的種種奧秘，正吸引著一代代天文學家進行更深入的研究。
「探索天文」系列課是什麼？
營地扎在河谷裡/瘦弱的河流在門口流入湖泊/留下一道扇形的泥黃色尾巴// 強勁的西北風裹挾沙塵/天幕被塗染，乾坤混沌/蔚藍色的湖面，捲起雪白的浪花，撲向遠方// 鍋碗瓢盆裡盛上，細細的塵土/ 帳篷拼命地搖晃，骨架嘎吱作響/頂棚合縫處開了一道口子，風沙灌進來// 山麓原上不見了羊群/我們是活著的化石，走動在21世紀的沉積層/如果還有一個人類世的標記，那就是科考！
拓展閱讀：
《星雲世界的水手: 哈勃傳》
講師簡介：
沈世銀，博士，研究員，博士生導師，上海天文臺天體物理研究室副主任。獲上海市自然科學二等獎(2007)，入選上海市科技啟明星計劃(2008)及中科院盧嘉錫青年人才獎(2010)。郭守敬望遠鏡（LAMOST）科學委員會委員，用戶委員會副主任。
（未完待續）
下期預告：黑洞