▲點擊動圖了解活動詳情 掃描二維碼開始預約報名
作者：Matt Williams
編譯：Camelion
審校：yangfz
圖1： 我們的銀河系，包含獵戶座旋臂、人馬座旋臂、英仙座旋臂、矩尺座旋臂，在銀心有一個旋棒。我們的太陽在獵戶座旋臂的內側邊緣。
作為人類誕生之地，銀河系直徑大約12萬-18萬光年，我們的太陽系大約離銀心2.7光年，在一條被稱為獵戶旋臂的內邊緣。這些當然我們從小學都已經很熟悉了。但銀河系其實還有許多有趣的花邊信息，相信讀過這些必將給你留下深刻的印象。
這裡說的「彎」不是說它幾條旋臂的彎，而是銀盤的彎。我們知道銀河系是一個直徑12萬-18萬光年的「盤子」，它的中心隆起一個大約1.2萬光年的鼓包。這是我們通常的理解。但事實上，這個「盤子」並不是平的，而是和下面這張圖片很相似，是彎曲的。
圖2：彎曲的漩渦星系 ESO 510-13，和我們的銀河系很類似。
為什麼銀河系會彎曲呢？天文學家認為這主要是由我們銀河系的兩個鄰居——大、小麥哲倫星雲——導致的。
圖3: 大麥哲倫星雲（右上）、小麥哲倫星雲（左下）
這兩個矮星系，繞著銀河系旋轉，是我們「本星系群」（本星系群中還有一個和銀河系差不多大的仙女座大星雲M31（其實是一個星系）以及其它50多個矮星系）的一部分。
圖4：本地星系團。中間的一塊是以銀河係為中心的一群，左上則是以M31為中心的一群。
這兩個矮星系就像在進行拔河比賽似的拉扯著我們銀河系中的暗物質。這種拉扯會在銀河系中產生一種振蕩，帶動銀河系的物質使它們偏離銀河盤面。
圖5：大小麥哲倫星雲與銀河系的位置關係
科學家們認為我們銀河系90%的物質都是由暗物質所構成，這些暗物質構成了這個有點神秘的「光環」（halo，暈）。這也就是說，所有的「明物質」——即我們能夠用肉眼或望遠鏡看到的那些物質——只構成我們銀河系不到10%的成分。顯然這裡的「光環」並不是我們通常所想的漂浮在天使頭上的那種，或者觀測到彗星時看到的那種。
圖6：銀河系暈結構示意圖
銀河系的暈（接下來用這個詞，這在天文上更常用）是不可見的，但其存在卻是經過理論和數值模擬證明過的。科學家們通過數值模擬證明，如果沒有這些不可見的質量，那麼我們的銀河系可能就無法聚集成團，也無法解釋恆星為什麼繞銀河系旋轉得那麼快。
圖7：銀河系的星系旋轉曲線。縱軸是恆星繞銀心得旋轉速率，橫軸是到銀心的距離（1kpc=3.26光年）。黃點代表太陽，藍線是觀測的旋轉速率曲線，紅線是基於觀測到的恆星和星際氣體從理論預測的速率曲線。
星系包含的質量越大，恆星繞中心運行的速度就會越大。（這可以由萬有引力定律和牛頓第二定律推導出來）如果我們假設銀河系只是由我們現在所看到的物質組成，那麼恆星旋轉的速率將遠小於我們現在所測量到的結果。所以，必須額外加上這些無法看到的質量——又叫做：暗物質，它是一些與普通物質只有萬有引力作用而沒有電磁作用的物質。
從星系的角度來說，銀河系只能算是「中等個子」。我們已知最大的星系（IC 1101）有大約100萬億顆恆星，其他大星系也都在萬億的量級上。而像前面提到的大麥哲倫星雲這樣的矮星系只包含大約100億顆恆星。銀河系所包含的恆星則大約在1000-4000億顆。
圖8：最大的星系IC1101
圖9、最大的星系IC1101與別的星系對比。其中第二個仙女座大星雲（Andromeda）和銀河系的大小差不多。
但是，當你仰望夜空時，不管你是站在地球的哪個地方，你能看到的星星最多也不過是其中的2500顆左右。原因是：1）如果恆星太遠而又不太亮，你就看不到了；2）星際塵埃會吸收掉遙遠恆星發出的光線，我們通過可見光只能看到銀河系一小塊兒區域的恆星。
圖10、站在地球上，我們仰望星空
銀河系中恆星的數目並不是固定的，因為恆星——和人一樣，也是有生有死的。事實上，在星系時間尺度上「時時刻刻」都有恆星通過超新星爆發的形式死去，又有恆星在其遺蹟中誕生。
圖11、蟹狀星雲是1054超新星爆發後的遺蹟
圖12、哈勃望遠鏡拍攝的獵戶座大星雲
普通的觀測者可能意識不到這一點：銀河系中充滿著灰塵和氣體。在我們的星系中，有10%-15%的明物質（可見物質）是以灰塵和氣體的形式存在的，其餘的構成了恆星。銀河系有大約10萬光年那麼大，而我們在可見光波段能看到的（我們前面也提到了）只有不到0.6萬光年的範圍。
圖13、你在夜晚看到的所有星星，只是圖中黃色圓圈內的一部分。
甚至當夜晚在光汙染不是很嚴重的地方，我們能夠分辨出銀河系的塵埃。
圖14、由星系塵埃產生的黃道光
圖15、哈勃望遠鏡拍攝的馬頭星雲
「厚重」的塵埃雲會遮擋可見光，但紅外線卻能夠穿透它。這就使得我們能夠利用紅外望遠鏡（例如Spitzer空間望遠鏡）來研究並繪製銀河系。Spitzer能夠透過塵埃雲，直接觀測銀河系中心以及恆星形成區上演的壯觀景象。
圖16、NASA的Spitzer空間望遠鏡。藝術家的概念圖
圖17、Spitzer的開光照，IC 1396
圖18、螺旋星雲。藍色為3.6-4.5微米波，綠色為5.8-8微米波，紅色為24微米波。
圖19、MIPS通過24微米波拍攝的仙女座大星雲
銀河系並不是一直都像現在這樣——一個漂亮的、彎曲的漩渦，它以後也不會一直都是這樣。它能夠變成現在這個尺度和形狀，是靠著不斷地吞併其他星系，而且現在也仍然在不停地吞併。事實上，現在離銀河系最近的大犬座矮星系的恆星正不斷地被銀河系拉到自己的銀盤裡。
圖20：藝術家想像的麒麟座環。大犬座矮星系大約有10顆太陽質量，是離我們最近的星系，但由於銀河系塵埃和氣體的遮擋，我們最近才發現它。
而我們的銀河系在過去已經消化很多這樣的星系了，例如人馬座矮星系。
圖21：人馬座矮橢圓星系，我們銀河系的一個小的橢圓環形衛星星系，離太陽系只有7萬光年。
前面提到的大麥哲倫和小麥哲倫矮星系也都受著銀河系的「蠱惑」，向銀河系的胃中投來。
目前為止，我們還沒有能力飛出銀河系的盤面，到它上方去給它拍寫真。
我們是生活在銀河系盤面裡的，在一個離銀河系中心大約2.6萬光年的地方。我們不可能站在自家屋子裡給自己的房子拍一個全景照，同樣在我們有能力飛出銀河系之前，也不可能拍出一張銀河系的照片。這就意味著，你曾經看到的那些據說是銀河系的旋渦星系，要麼是別的星系，要麼就是出自哪位藝術家之手畫出來的。
圖22：常有人拿著這張圖說是銀河系，而實際上它是仙女座大星雲（M31）。蘋果IOS系統自帶桌面背景中的一張星系圖就是它，不過為了美觀他們做了處理。
圖23：這張也常被拿來當作銀河系，實際它是UGC 12158，和銀河系外形上很像。
圖24：藝術家的概念圖。
其實很多星系的中心都有一個超大質量的黑洞，銀河系也不例外。
圖25：探測到從人馬座A*發出的一個異常明亮的X射線閃耀，推斷在銀河系中心有一個巨型黑洞。
我們星系中心的這個黑洞被稱為人馬座A，據估計直徑大概有2250萬公裡（大約相當於水星軌道的直徑），但是我們要記著：這是黑洞。有大量的物質被吸向這個黑洞，在它的周圍形成一個盤面，稱為吸積盤。這個吸積盤上的物質的質量是太陽質量的460億倍，但卻被壓縮在地球軌道大小的範圍內。
圖26：巨型黑洞從鄰近恆星吸取物質。藝術家的概念圖。
有意思的是，儘管人馬座A像其他黑洞一樣，要把它附近的所有物質都吸到自己「肚子」裡，但卻發現在這地方竟然還有恆星不斷形成。
圖27：藝術家想像的恆星在巨型黑洞產生的風中誕生。
最近根據觀測數據計算出宇宙的年齡大約為137億年。而我們的銀河系也已經存在了大約136億年。
怎麼知道銀河系的年齡的呢？我們通過尋找星系中最古老的恆星來外推。這些恆星一般都存在於球狀星團當中，當我們發現了這些恆星，根據其質量推出其年齡；那麼我們就知道了銀河系的下限——銀河系總要比自己內部的恆星年齡大吧。
圖28：球狀星團M80。M 80離我們有3萬光年，包含成千上萬的恆星。
圖29：球狀星團 M5。據估計有10-50萬顆恆星，半徑卻只有200光年。其年齡約130億年。
不過儘管銀河系內部的成員年齡很大，但直到100億到120年之前，銀河系還沒有形成盤面和星系核。另外一點是，星系核比星系別的結構形成的時間要早一些，因為新的研究顯示星系盤中恆星的氧豐度與星系核中恆星的不一樣。
儘管銀河系很大，它也只是一個更大的星繫結構的一部分。
我們的近鄰包括大麥哲倫星雲、小麥哲倫星雲、以及仙女座大星雲（M31，離我們最近的漩渦星雲）。除此之外，還有大約50多個其他星系，它們共同環繞著一個中心運動，形成一團，我們稱之為「本星系群」。
圖30：本星系群中大約有50多個星系。兩個漩渦星系，其餘都是矮星系。他們共同圍繞一個中心旋轉。
但是，本星系群也仍然只是我們近鄰的一個小部分。往更遠處看，我們發現銀河系只是一個更大的星系群——室女座超星系團——的一部分。
圖31：室女座超星系團
所謂超星系團，顯然要比星系團更大，它包含更多的星系，尺度達到數億光年。而在超星系團之間巨大的空間裡，如果有勇敢無畏的冒險家去探險的話，遇到星系或者物質的可能性將微乎其微。
就室女座超星系團來說，它是由至少100個星系群和星系團組成，集聚在大概33百萬秒差距（1.1億光年）的範圍內。在2014年的一份研究中表明，室女座超星系團也只是一個更大的巨超星系團——拉尼亞凱亞（Laniakea）——的一個裂片，該巨超星系團以一個巨吸引子（Great Attractor）為中心。
圖32：拉尼亞凱亞模型圖
圖33：巨吸引子模擬圖
圖34：宇宙中部分星系圖，黃色部分為拉尼亞凱亞
銀河系像宇宙中所有的事物一樣，自身也在空間中運動。地球圍繞太陽，太陽圍繞銀河系，銀河系作為本星系群的一部分，也在相對於微波背景輻射（Cosmic Microwave Background，CMB，大爆炸之後剩下的輻射）運動。
微波背景輻射是我們用來測定宇宙中物體（例如星系）運動速度的一個方便的參考系。本星系群相對於微波背景輻射的運動速度達到600km/s，或者220萬km/h。如此大的速度，在我們這個渺小的地球框架中，難以想像。
總結：從地球到整個宇宙的結構框架。
圖35-42: 從地球到整個宇宙的結構框架。
附贈：銀河系吹出的大氣泡
圖43：費米泡（Fermi Bubbles）。在2010年九月，費米伽馬射線空間望遠鏡在銀河系發現兩個伽馬射線和X-射線波段的巨泡，命名為費米泡。費米泡在銀河系中心上方和下方分別延伸約2.5萬光年。
原文連結：
https://www.universetoday.com/22285/facts-about-the-milky-way/
編輯：yangfz
近期熱門文章Top10
↓ 點擊標題即可查看 ↓
1. 顛覆認知！看完這些圖，你的世界觀還好嗎？
2. 霍金：時間會倒流嗎？
3. 快來看看《人民的名義》裡有哪些知識點！ | 真·科學追劇
4. 震驚！磁鐵竟然可以用來… | 線上科學日
5. 世界科學史十大「最意外發明」
6. 平行宇宙真的存在嗎？
7. 這是一篇十分正經的物理所招生宣傳！內附夏令營、保研面試最新信息…
8. 他死磕6年終讓經典物理學崩塌，卻掉了顏值，丟了信仰，絕了子嗣…
9. 「微胖」是世界公認的最健康身材，看完我再也不用減肥了……
10. 溫度的本質是什麼？
點此查看以往全部熱門文章