我們竟然在銀河系中心,發現一顆花生米?

2020-11-22 澎湃新聞

以下文章來源于格致論道講壇，作者SELF格致論道講壇

格致論道講壇

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「我們都知道蘇東坡的這首詩『不識廬山真面目，只緣身在此山中』。正因為我們生活在銀河系裡，我們反而很難看到銀河系的全貌。」

沈俊太，中國科學院上海天文臺星系動力學團組首席研究員

今天想給大家講一講關於銀河系的一些事情。

這是一張星空的照片。

我想請問各位，有誰真的看到過銀河？

好像非常少，這也很正常，但如果我們到附近的高山上去看，星空是非常漂亮的。

銀河就是圖片裡這條明暗交錯的暗帶，銀河系就是太陽所在的星系。

太陽和其他的恆星，並不是均勻分布在整個宇宙中，而是成為一個一個的集體，再分布在整個宇宙中。

就像人類並不是均勻地分布在地球的表面上，我們集中居住在城市裡，城市之間的地帶人非常少。

我們剛才說銀河系就是圖片中的這條暗帶，這些不在這條暗帶裡邊的恆星，屬不屬於銀河系？

其實這些星星離我們都非常近，都屬於銀河系。

如果我們把銀河系想像成一個盤子，所有我們肉眼能看到的星星都在圖中這個小紅圈裡邊。

所以我們就會覺得這些銀河系內的恆星好像是分布在四面八方，但其實它們都在銀河系裡邊。

這是另外一張非常漂亮的星空，是在智利5000米的高山上拍攝的，那是世界上最好的觀測臺址之一。

我們可以看到照片中除了繁星點點，還有一些其他的天體。

在人類學會使用望遠鏡之後，我們對這些天體有了更深入的了解。

比如仙女座大星雲、M33星雲。還有其他的一些天體，比如說球狀星團，非常漂亮，它是1萬顆恆星聚集在一個非常小的空間形成的。

那麼這些天體（星雲和星團）在銀河系之內嗎？

我把這個問題的答案留在後邊。

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銀河系是什麼樣子

我們生活在銀河系裡，很自然地，我們想知道銀河系的全貌是什麼樣子。

我們都知道蘇東坡的這首詩「不識廬山真面目，只緣身在此山中」。正因為我們生活在銀河系裡，我們反而很難看到銀河系的全貌。

也許有人就想，我們造一艘宇宙飛船，飛出整個銀河系，我們不就能看到它的全貌了嗎？

現在人類造出的距離地球最遠的飛行器叫做旅行者一號，它現在的運行速度是6萬公裡每小時。

我們知道中國的高鐵最高速度是300-350公裡/小時，這種宇宙飛船比我們的高鐵快200倍。

如果我們乘坐旅行者一號飛出銀河系，大家猜猜要多長時間？

5000萬年！

我們人類只有五千年有文字的歷史，顯然這是天方夜譚，我們不可能飛出銀河系去看銀河系的全貌。

但我們依然可以問這些問題，銀河系真實的模樣是什麼樣子？銀河系是不是獨一無二的？為什麼銀河系會演化成現在的樣子？

天文學家一直也在追問這些問題的答案。

大約250年前，英國的天文學家赫歇爾首次勾勒出了銀河系的大小。

在這個圖中我們可以看到，他認為太陽在銀河系的中心附近，銀河系是一個扁平狀的結構，它的直徑是6400光年，厚度是1300光年。

又過了一百多年，美國的著名科學家夏普利通過研究球狀星團的空間分布，發現太陽其實並不在銀河系中心，推翻了有500年歷史的日心說，這是我們人類認知宇宙歷史上的一個巨大的飛躍。

這個圖裡有很多小圓圈，每個小圓圈代表1個球狀星團，每個球狀星團內包含了1萬到10萬顆恆星，它很亮，所以我們能在很遠的地方看到它。

圖中黃色的小星星代表太陽，當時夏普利做了一個非常大膽的假設，他假設球狀星團就是銀河系的一個子系統，那麼球狀星團的中心就應該是銀河系的中心。

但是通過測量，他發現太陽並不在這些球狀星團的中心，所以他就大膽地推測，太陽並不在銀河系的中心。

而且他認為銀河系就是整個宇宙，我們剛才看到的那些漂亮的旋渦星雲，都在銀河系之內。

當然，並不是每一個科學家都贊同夏普利的觀點。

1920年，美國科學院就爆發了一場關於宇宙尺度的大辯論，一派以夏普利為代表，一派以柯蒂斯為代表。

夏普利這一派認為銀河系非常之大，它就是整個宇宙，旋渦星雲就是處於銀河系內的氣體雲。

另一派的觀點則認為，旋渦星雲在銀河系之外，它們是恆星系統，不是氣體雲，而且每一個星雲就像銀河系一樣，是一個島宇宙，整個宇宙是由很多銀河系這樣的島宇宙構成。

如果說宇宙是一個大洋，那麼每一個星雲都像銀河系一樣，是一個漂浮在大洋上的島嶼。

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測量星雲的距離

當時這場論戰並沒有勝利方，主要是因為當時沒有很好的觀測設備，我們的科學知識也很欠缺。

那麼請大家想一想，怎麼才能最好地回答這個問題？

假如我們有一把量天尺，可以精確地測量離我們最近的星雲的距離。如果這個距離大於當時已知的銀河系尺度，它們就在銀河系之外，反之就應該在銀河系之內。

那個時候，大家已經開始意識到，有一種非常有意思的變星，可以作為一個很好的量天尺。

這種變星叫做造父變星，變星就是這個星星的亮度在天空中發生周期性的明暗變化。

通過測量造父變星的光變周期，我們就可以推出它本身的光度，知道它本身的光度以後，通過和視亮度比較，我們就可以測出距離來。

就好比我們知道一根蠟燭本來是多亮，如果我們看到它很亮，說明它離我們很近，如果看到它很暗，說明它離我們的距離非常遠。

四年之後，哈勃果然在仙女座大星雲發現了這一類造父變星。

哈勃是非常著名的天文學家，現在在地球之外飛行的一個太空望遠鏡，就是以他的名字命名的，哈勃太空望遠鏡。

左邊這個圖就是哈勃正在用望遠鏡進行觀測，他用的是當時剛剛落成的世界上最大的望遠鏡虎克2.5米望遠鏡。

有了這個觀天利器，哈勃就非常詳細地研究了仙女座大星雲，他發現其中有很多造父變星。

他假設這些造父變星都屬於仙女座大星雲，就可以通過造父變星的距離推出仙女座大星雲離我們的距離。

他推出這個距離大概是100萬光年，遠遠大於當時已知的銀河系的尺度30萬光年。

所以他就證明了仙女座大星雲在銀河系之外，銀河系並不是整個宇宙。

在哈勃之後，我們逐漸意識到星系是宇宙的基本組元，宇宙中有無數像銀河系一樣的島宇宙星系。

星系還可以被細分為幾類，左邊這張圖是橢圓星系，右邊是旋渦星系，旋渦星系像一個盤子一樣，這是從正面看過去的樣子，它有很漂亮的旋臂結構。

旋渦星系又可以被細分為兩類，一類叫做正常的旋渦星系，另一類叫做棒狀旋渦星系。

那我們的銀河系屬於哪一類星系？

為了回答這個問題，我們再重新檢視一下在可見光波段我們看到的銀河系。

我們可以看到銀河系上有很多暗帶，這些暗帶為什麼是暗的？

因為銀河系中有很多塵埃，塵埃會遮擋我們的視線，就像霧霾一樣，塵埃背後的這些東西被塵埃擋住，在天空上顯現出來是暗區。

為了解決這個問題，我們可以去紅外波段看一看，這是在紅外波段看到的銀河系。

紅外波段的光的波長比可見光要長，所以這些光可以穿透塵埃，讓我們看到背後的恆星，於是這些暗帶都消失了。

我們看到的是一個扁的盤狀結構，所以銀河系是一個旋渦星系。

另外我們會注意到銀河系的中心有一個很亮的東西，這個物體叫做核球，大約有1/3的恆星都位於這個核球，所以它非常重要。

這是我們從側面看到的銀河系，那麼銀河系的正面圖是什麼樣子？

我們前面提到，我們在銀河系之內，很難看到它的全貌，那我們該怎麼辦？

有一個辦法，我給大家做一個類比，假如世界上沒有鏡子，你不知道自己長什麼樣子，但你可以去看一看你的兄弟姐妹、親戚朋友的樣子，推算你自己長什麼樣子。

假如他們有一個鼻子兩隻眼睛，那你可能也是一個鼻子兩隻眼睛。

所以我們可以到銀河系之外去尋找靈感。

這是銀河系的一個兄弟姐妹，叫做UGC 6093。

它是一個旋渦星系，有很漂亮的旋臂，而且中心有一個長條形的棒。除此之外，它還有一個非常亮的中心，叫中心核球。

這個星系的核球和我們銀河系的核球是不是一回事兒？

關於核球，天文學界有個經典理論，他們認為旋渦星系的核球都是在星系併合的過程中產生的。

如果有一大一小兩個星系，大的會把小的吃掉，形成一個更大的旋渦星系，中心形成一個核球。

那麼經典理論也適用於我們的銀河系嗎？

我現在想提醒大家關注這兩點。第一，銀河系中心核球的左邊看起來要比右邊要大一些；第二，這個核球看上去不是我們從側面看到的橢球形結構。

所以我在美國做博士後的時候，就對這個問題產生了興趣，回國以後，我就開展了這個課題的研究。

我們提出了一個假設，也許銀河系的核球並不是星系併合產生的，而是銀盤自發產生的。

為了證實這個假設，我們首先需要做一些公式的推導，然後把我們的理論放到計算機裡，讓計算機模擬每一顆恆星的運動。

最後我們可以構建一個關於銀河系的模型，然後把這個模型和我們現有的觀測相比較，看二者是否符合。

這是我們的一個模型，最開始銀河系是沒有棒的，它是一個圓盤，逐漸地，它會獲得一個旋轉的棒。

這個棒形成之後，大家看側面，銀河系好像有一個波浪形的不穩定性。這種不穩定性飽和以後，中心就變得非常厚。

所以我們認為核球就是側面看到的銀河系的棒。

我們的模型和當時的觀測結果吻合得非常好，左邊的圖是關於核球形態的比較，大家會看到左邊的核球要大一點，右邊的核球要小一點。

因為棒的朝向和我們視線方向有個角度，我們在左邊看到的是棒的近端，在右邊看到的是遠端，所以近端就顯得比遠端大一些。

更重要的是，我們的模型和銀河系的運動學的數據吻合得非常好，我們的模型可以很好地解釋這些觀測的數據點。

我們的工作也促進了科學界對銀河系的深入理解，這是藝術家根據科學數據繪製的一張銀河系的正面俯視圖，在這幅圖中，下面那個點就是太陽系。

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銀河系裡的Bar

如果把銀河系比作上海市，銀河系的中心就是上海的人民廣場，但太陽並不在銀河系的中心，太陽在郊外，大概是虹橋機場的位置。在銀河系中心有一個長條形的棒，英文是Bar。

Bar還有一個意思，酒吧，在城市的什麼地方最容易找到酒吧？

城市的中心。

我們的觀點就是我們看到的銀河系的核球，其實就是從側面看到的銀河系的棒。

上圖就是一個典型的銀河酒吧，有很多外星人在喝酒。

什麼東西和酒最搭配？

花生米。

我們竟然真的在銀河系的中心發現了一顆花生米。

我們認為銀河系本來的形狀就是一個類似於花生狀的結構。

左邊這個圖，其實並不是核球在轉，而是我們的視角在轉，給人一種三維的感覺。

而且銀河系中的核球在其他的星系裡也可以看到，最右邊這個圖的左下方，就有一個包含了花生狀核球的星系，它長得非常像花生。

在這個酒吧裡，我們還發現了其他非常有意思的吃的東西。

花生核球裡面，恆星有非常獨特的運行軌道，左邊的圖是恆星的運行軌道，上面是俯視圖，下面是側視圖，從側面看過去，這個恆星的運行軌跡非常像一個香蕉。

我們還發現了一些像椒鹽卷餅一樣的恆星軌道。

我們的研究正式發表以後，得到了科學界的很多關注。

出人意料的是，我們的工作竟然也引起了神學界的關注。

一個多倫多大學的天體物理博士，後來致力於從科學發現裡尋找所謂「神創論」的跡象，引用了我們的論文。

但其實他們只看到了我們論文的摘要，其實我們在論文的正文裡明確地寫道，我們的銀河系其實並不是一個獨特的星系。

銀河系從側面看上去，就很像上圖的NGC 4565。

在科學界一般來說，如果我們的工作得到其他人的引用或評價，我們都會感到非常開心、驕傲，但我們的工作竟然得到了神學界的引用，是一種很尷尬的感覺。

相信大家通過我講的內容，對科學研究的方法有了大概的了解。

科學研究總是先從觀測或實驗事實出發，然後提出假設和模型。

首先，你的理論必須能夠解釋現有的觀測結果，但最重要的是，你的理論還要給出一些我們沒有觀測過的預言，觀測學家再沿著這個方向去觀測、去做實驗。

如果你的預言得到了證實，那麼恭喜你，你的理論通過了新一輪的考驗。

但如果這些預言沒有得到證實，就表明你的模型需要修改，甚至是錯誤的，需要提出一套新的模型。

就像夏普利推翻了日心說，但他也被哈勃證明他的很多觀點是錯誤的。