爱读书 探索 从内部来确定银河系的结构是一项挑战,我们是如何做到的?

从内部来确定银河系的结构是一项挑战,我们是如何做到的?

从内部来确定银河系的结构是一项挑战,我们是如何做到的?

16世纪,一只叼着玉米的印第安犬,从北美原住民切罗基人营地窜了出来,奔向远方天际,洒下一路星星点点的玉米粒;

而新西兰的毛利人炮制出了一条驶向星海的巨大独木舟横贯天穹;

古希腊罗马神话中,赫拉哺育赫拉克勒斯时洒下的乳汁从西方流到了东方,成为了隔绝宇宙间永恒爱情的银色河流,只为让牛郎织女分隔两地。

然而这条银河,不过是我们身处的银河系在天幕上投下的一道缩影而已,虽给仰望星空的人类留下了众多璀璨的文化记忆,但却并不真实。

随着人类的认知觉醒,越来越多的人想去描绘其真实的模样,但仅凭想象力,我们无法描绘银河系的全貌,因为置身其中这一事实,本身就是一项艰巨的挑战。

不过,在如今的科学视野下,凭借数学思维的穿针引线,人类的想象力已逐渐为我们编制出了一幅银河锦绣。相较于玉米粒、独木舟、乳汁、银河……银河系的主体更像是一张超100000光年直径,约1000光年厚,星晕环绕,带着螺旋纹的太空碟片,在星核“黑洞电池”的驱动下,已单曲循环播放了130多亿年的时间。

从洪荒想象到科学视野,置身星辰大海中的我们,到底是如何一窥这浩瀚大海全貌的?

第一个基于观测,试图绘制银河系的人

18世纪下半叶,一位移居英国的德国古典音乐家似乎有感于银河系这张“太空碟片”的天籁之音,鬼使神差地对天文学产生了浓厚的兴趣,还以贵族式的闲情逸致,自制了一座46厘米口径、6米焦距,像大炮一样的巨型反射望远镜。

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赫歇尔的“大炮”

他把所能看见的天空分为了683个天区,通过1083次的观测,记录了117600颗恒星,并统计了各天区亮星与暗星的比例。在如此充实的业余生活下,这位音乐家摇身一变,成为了一名一流的天文学家。

他就是天王星的发现者、也是第一个开始研究银河系结构的人:威廉·赫歇尔(William Herschel)

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通过大量的恒星观测数据,赫歇尔勾画出了这些恒星组成的空间结构,大致成一个圆盘形状,其直径大约是其厚度的5倍,这就是人类对银河系最早的科学观测结论。

但事实上,由于望远镜的能力限制,以及星际尘埃的阻挡,赫歇尔实际上只能看见6000光年范围内的恒星,所以赫歇尔绘制的银河系比真实情况小得多。同时,由于观测的局限性,让赫歇尔误以为太阳就是银河系的中心。这一结论一直沿用了一个多世纪。

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赫歇尔的银河系图横截面

虽然从结果来看,除了圆盘形状的结论,赫歇尔的发现的银河系与真实情况大相径庭,但他用恒星计数来归纳恒星分布密度,进而研究银河系的空间结构,用统计恒星的自行来研究太阳的运动状态,以及对双星、星团、星云等天体所做的大量观测,却开创了后来的恒星天文学。因此,赫歇尔也被称为“恒星天文学之父”

作为一个探索者,赫歇尔对认识银河系的贡献,在于他让人们认识到全面测量恒星距离是建立银河系结构的有效方法,并给出了第一份关于银河系结构的科学观测记录,为了人类正式认识银河系,在星空中撕开了一个豁口。

而最终撑开这个豁口,让我们发现银河系真正大小和太阳实际所在位置的人,主要归功于一个世纪后的另一位自学成才的天文学家哈洛·沙普利(HarlowShapley)。

银河系星图的真正绘制者

1917年,哈洛·沙普利无意中通过统计一种特殊星团的距离,发现了银河系大小的秘密。

这种特殊星团就是我们今天熟悉的球状星团,它们并不局限于银河系的盘面,所以可以从天空的任何方向看到,而且大多没有星际尘埃阻挡,所以可以在很远的地方被看到。球状星团都是由超过10万颗的恒星组成的密集恒星群,有些甚至可达100多万颗恒星。

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而星团里每一颗恒星与我们的距离都近似相等。也就是说,能确定其内任何一颗恒星与我们的距离,就算知道这个星团与我们的距离了。

而测量恒星距离最可靠的方法是三角视差法,但问题是如果恒星的距离大于了100秒差距(1秒差距=3.26光年)时,视差仅为0.01角秒,而这就与测量的误差值大小差不多了,所以三角视差法无法用于100秒差距以外的恒星测距。

还好1912年,失聪女天文学家勒维特发现了造父变星的周光关系,即这些变星的视星等(看上去的亮度)与光变周期存在一种稳定的关系。也就是说,只要我们能确定一颗造父变星的距离、视星等和光变周期,就能得出造父变星的绝对星等(实际亮度)与光变周期的关系,这被称为周光关系的零点测定

然而,造父变星都太遥远,不可能用三角视差法来测其距离。于是,1915年沙普利利用11颗造父变星的自行和视向速度,推测出了它们的距离,并用统计法定出了周光关系的零点。

至此,造父变星的周光关系就成为了一把开光后的“量天尺”,因为只要我们知道任何一颗恒星的视星等与绝对星等,就可以遵循光线在传播中以平方反比衰减的原理,计算出它离我们的距离。

而通过造父变星的周光关系测定距离的方法,则被称为造父视差,指的是造父变星的绝对星等与视星等之间的光度视差。

通过威尔逊山天文台当时记录的93个球状星团中的造父变星与天琴座RR型变星(RR Lyrae type variable stars,另一种具有短周期且稳定周光关系的变星),沙普利得出了这些星团的距离与空间位置。在对它们的空间分布进行统计后,他发现其中1/3的球状星团位于仅占天空面积2%的人马座内,另外90%的球状星团都位于以人马座为球心,半径至少为1万秒差距的一个球体中。

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于是,沙普利认为所有的球状星团在银河系中呈均匀分布,因此这些球状星团形成的球体空间的中心才是银河系的中心位置,而太阳实际在距离中心8.5千秒差距的位置,而且银河系直径达30万光年。

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至此,沙普利的银河系模型正式取代了一个世纪前赫歇尔的银河系模型,也成为了如今我们认知银河系的基础。我们也继地心说、日心说后,再次被去中心化,成为了毫不起眼的银河系成员。

但是沙普利计算的距离忽略了星际消光现象,所以他算出的银河系尺度实际上偏大。

所谓的星际消光,指的是光的星际空间中传播的平均吸收量。1930年,利克天文台的特伦普勒(Robert J.Trumpler)才正式提出这个概念,并指出在银河系各方向上每5000光年星等将减弱1星等。因此,银河系的直径才减小到了如今普遍认知的10万光年。

现代科学仪器观测的银河系

如今,利用现代仪器,天文学家可以通过无线电和红外线穿透银河系的“烟雾”来研究银河系的外部边缘,这让我们像能从远处观察银河系一样,进而描绘银河系的全貌。

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上图描绘了如果我们可以看到银河的正面和边缘,我们会看到什么。

银河系最明亮的部分是一个薄的、圆形的、旋转的恒星盘,也称银盘,分布在一个直径约10万光年、厚度约1000光年的区域。除了恒星之外,这个区域还有形成恒星的星际尘埃和气体。这些星际物质的质量大约是这个区域中恒星质量的15%。

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中美德三国天文学家历经15年研究,绘制出的最精确银河系结构图,明确银河系是一个具有4条旋臂的棒旋星系

从正面来看,恒星、气体和尘埃并不是均匀地分布在整个恒星盘上,而是集中在一个中央棒状凸起区和一系列螺旋臂中。红外观测证实,中央棒状凸起区主要由古老的黄红恒星组成。有两条主要的螺旋臂似乎与棒的两端相连,孕育着许多年轻且炽热的蓝色恒星。

从侧面来看,由年轻恒星、气体和尘埃组成的薄圆盘嵌入在较厚但更分散的老恒星盘中。这个较厚的圆盘大约比薄圆盘宽1000光年,其质量仅为薄圆盘的5%左右,恒星离星系面很远,但并没有明显的边缘,厚盘中约有2/3的恒星在距中平面1000光年以内。

在银河系中心附近,大约1万光年内,恒星不再局限于圆盘,而是形成一个核凸起。当我们用可见光观察时,由于银河系尘埃的影响,只有从一些极特殊的方向上,我们才能看到恒星的凸起,所以下面这张显示整个核凸起的图片实际是用红外线拍摄的。

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事实上,核凸起几乎被尘埃遮住了,很难确定它的具体形状,所以很长一段时间里,天文学家一直认为它是球形的。然而,红外图像和其他数据表明,凸起的长度是其宽度的两倍,形状更像一颗花生。而其中潜藏着让整个银河系凝聚在一起的超大黑洞。

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银河系并不太好界定的银盘和核凸起,实际上被镶嵌在一个由非常古老而微弱的恒星组成的球状光晕中,而这个光晕距银河系中心至少15万光年。大多数球状星团都存在于这个光晕中。

另外,银河系外围恒星公转速度证明银河系中的质量可以延伸到距离中心至少20万光年外,这远远超出了发光恒星的边界。这些无形的物质就是暗物质,因为它们不发出光,所以无法被望远镜观测到,而只能因为其对我们所能看到的恒星产生的引力效应而被发现。

现在普遍认为,我们银河系从侧面看至少有一条外围的暗物质带。

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这条神秘的暗带大大增加了银河系的质量,并对其他与星系相关联的矮星系的轨道产生了影响。


从赫歇尔的圆盘概念,发展到如今的银河系结构全貌,是现代天文学的伟大成就之一,也是几代天文学家与越来越先进的望远镜一起努力工作的成果。

而天文学发展至今,有一个观点的形成对于我们非常有帮助,那就是我们并非独一无二。我们惊讶的发现,从前常以宇宙中心自居的我们,如今竟然会对任何使我们在宇宙中显得独特的理论感到不舒服。浩瀚的星空,在不知不觉中就教会了人类谦逊。

银河系在其特性上也并非独一无二。宇宙中还有许多由恒星、气体和尘埃组成的太空碟片,在百亿年的时间内,为宇宙演绎着不为人知的全新乐章。

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