身在银河系中的我们，到底是怎么知道整个银河系全貌的？| 沈俊太
科技
社会
2024-11-21 17:45
北京
![]()
大家好，我是沈俊太。今天我想给大家讲一讲关于银河系的一些事情。这是一张星空的照片。我想请问在座的各位，有谁真的看到过银河？好像非常少，这也很正常，因为上海的天光有点儿太亮了，而且有雾霾，所以我们看不清楚星空。如果我们到附近的高山上去看，会看到星空是非常漂亮的。银河就是图片里这条明暗交错的暗带。银河系就是太阳所在的星系。太阳和其他的恒星，并不是均匀分布在整个宇宙中，而是成为一个一个的集体，再分布在整个宇宙中。这就像人类并不是均匀地分布在地球的表面上的，我们集中居住在城市里，城市之间的地带人非常少。我们刚才说银河系就是图片中的这条暗带，这些不在这条暗带里边的恒星，属不属于银河系？如果我们把银河系想象成一个盘子，所有我们肉眼能看到的星星都在图中这个小红圈里边。有时我们会觉得这些银河系内的恒星好像是分布在四面八方，但其实它们都在银河系里边。
这是另外一张非常漂亮的星空，是在智利5000米的高山上拍摄的，那是世界上最好的观测台址之一。可以看到照片中除了繁星点点，还有一些其他的天体。在人类学会使用望远镜之后，我们对这些天体有了更深入的了解。比如仙女座大星云、M33星云。还有其他的一些天体，比如说球状星团，非常漂亮，它是1万颗恒星聚集在一个非常小的空间形成的。那么这些天体（星云和星团）在银河系之内吗？我把这个问题的答案留在后边。我们生活在银河系里，很自然地，我们想知道银河系的全貌是什么样子。我们都知道苏东坡的这句诗，“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。正因为我们生活在银河系里，我们反而很难看到银河系的全貌。有人就想，我们造一艘宇宙飞船，飞出整个银河系，我们不就能看到它的全貌了吗？现在人类造出的距离地球最远的飞行器叫做旅行者一号，它现在的运行速度是6万公里每小时。中国高铁最高速度是300-350公里/小时，这种宇宙飞船比我们的高铁快200倍。如果我们乘坐这艘宇宙飞船，从北京到上海只需要一分钟。那如果我们乘坐旅行者一号飞出银河系，大家猜猜要多长时间？我们人类只有五千年的文字历史，显然这是天方夜谭，我们不可能飞出银河系去看银河系的全貌。但我们依然可以问这些问题，银河系真实的模样是什么样子？银河系是不是独一无二的？为什么银河系会演化成现在的样子？大约250年前，英国的天文学家赫歇尔首次勾勒出了银河系的大小。在这个图中我们可以看到，他认为太阳在银河系的中心附近，银河系是一个扁平状的结构，它的直径是6400光年，厚度是1300光年。又过了一百多年，美国的著名科学家夏普利通过研究球状星团的空间分布，发现太阳其实并不在银河系中心，推翻了有500年历史的日心说，这是我们人类认知宇宙历史上的一个巨大的飞跃。这个图里有很多小圆圈，每个小圆圈代表1个球状星团，每个球状星团内包含了1万到10万颗恒星，它很亮，所以我们能在很远的地方看到它。图中黄色的小星星代表太阳。当时夏普利做了一个非常大胆的假设，他假设球状星团就是银河系的一个子系统，那么球状星团的中心就应该是银河系的中心。但是通过测量，他发现太阳并不在这些球状星团的中心，所以他就大胆地推测，太阳并不在银河系的中心。而且他认为银河系就是整个宇宙，我们刚才看到的那些漂亮的旋涡星云，都在银河系之内。当然，并不是每一个科学家都赞同夏普利的观点。1920年，美国科学院就爆发了一场关于宇宙尺度的大辩论，一派以夏普利为代表，一派以柯蒂斯为代表。夏普利这一派认为银河系非常之大，它就是整个宇宙，旋涡星云就是处于银河系内的气体云。另一派的观点则认为，旋涡星云在银河系之外，它们是恒星系统，不是气体云，而且每一个星云就像银河系一样，是一个岛宇宙，整个宇宙是由很多银河系这样的岛宇宙构成。如果说宇宙是一个大洋，那么每一个星云都像银河系一样，是一个漂浮在大洋上的岛屿。当时这场论战并没有胜利方，主要是因为当时没有很好的观测设备，我们的科学知识也很欠缺。假如我们有一把量天尺，就可以精确地测量离我们最近的星云的距离。如果这个距离大于当时已知的银河系尺度，它们就在银河系之外，反之就应该在银河系之内。那个时候，大家已经开始意识到，有一种非常有意思的变星，可以作为一个很好的量天尺。这种变星叫做造父变星，变星就是这个星星的亮度在天空中发生周期性的明暗变化。通过测量造父变星的光变周期，我们就可以推出它本身的光度，知道它本身的光度以后，通过和视亮度比较，我们就可以测出距离来。就好比我们知道一根蜡烛本来是多亮，如果我们看到它很亮，说明它离我们很近，如果看到它很暗，说明它离我们的距离非常远。四年之后，哈勃果然在仙女座大星云发现了这一类造父变星。哈勃是非常著名的天文学家，现在在地球之外飞行的一个太空望远镜，就是以他的名字命名的，哈勃太空望远镜。
左边这个图就是哈勃正在用望远镜进行观测，他用的是当时刚刚落成的世界上最大的望远镜虎克2.5米望远镜。有了这个观天利器，哈勃就非常详细地研究了仙女座大星云，他发现其中有很多造父变星。他假设这些造父变星都属于仙女座大星云，就可以通过造父变星的距离推出仙女座大星云离我们的距离。他推出，这个距离大概是100万光年，远远大于当时已知的银河系的尺度30万光年。所以他就证明了仙女座大星云在银河系之外，银河系并不是整个宇宙。在哈勃之后，我们逐渐意识到星系是宇宙的基本组元，宇宙中有无数像银河系一样的岛宇宙星系。星系还可以被细分为几类，左边这张图是椭圆星系，右边是旋涡星系，旋涡星系像一个盘子一样，这是从正面看过去的样子，它有很漂亮的旋臂结构。旋涡星系又可以被细分为两类，一类叫做正常的旋涡星系，另一类叫做棒状旋涡星系。那我们的银河系属于哪一类星系？为了回答这个问题，我们再重新检视一下在可见光波段我们看到的银河系。我们可以看到银河系上有很多暗带，这些暗带为什么是暗的？因为银河系中有很多尘埃，尘埃会遮挡我们的视线，就像雾霾一样，尘埃背后的这些东西被尘埃挡住，在天空上显现出来是暗区。为了解决这个问题，我们可以去红外波段看一看，这是在红外波段看到的银河系。红外波段的光的波长比可见光要长，所以这些光可以穿透尘埃，让我们看到背后的恒星，于是这些暗带都消失了。我们看到的是一个扁的盘状结构，所以银河系是一个旋涡星系。另外我们会注意到银河系的中心有一个很亮的东西，这个物体叫做核球，大约有1/3的恒星都位于这个核球，所以它非常重要。这是我们从侧面看到的银河系，那么银河系的正面图是什么样子？我们前面提到，我们在银河系之内，很难看到它的全貌，那我们该怎么办？有一个办法，我给大家做一个类比。假如世界上没有镜子，你不知道自己长什么样子，但你可以去看一看你的兄弟姐妹、亲戚朋友的样子，推算你自己长什么样子。假如他们有一个鼻子两只眼睛，那你可能也是一个鼻子两只眼睛。所以我们可以到银河系之外去寻找灵感。这是银河系的一个兄弟姐妹，叫做UGC 6093。它是一个旋涡星系，有很漂亮的旋臂，而且中心有一个长条形的棒。除此之外，它还有一个非常亮的中心，叫中心核球。这个星系的核球和我们银河系的核球是不是一回事儿呢？关于核球，天文学界有个经典理论，他们认为旋涡星系的核球都是在星系并合的过程中产生的。如果有一大一小两个星系，大的会把小的吃掉，形成一个更大的旋涡星系，中心形成一个核球。我现在想提醒大家关注这两点。第一，银河系中心核球的左边看起来要比右边要大一些；第二，这个核球看上去不是我们从侧面看到的椭球形结构。所以我在美国做博士后的时候，就对这个问题产生了兴趣。回国以后，我就开展了这个课题的研究。我们提出了一个假设，也许银河系的核球并不是星系并合产生的，而是银盘自发产生的。为了证实这个假设，我们首先需要做一些公式的推导，然后把我们的理论放到计算机里，让计算机模拟每一颗恒星的运动。最后我们可以构建一个关于银河系的模型，然后把这个模型和我们现有的观测相比较，看二者是否符合。这是我们的一个模型，最开始银河系是没有棒的，它是一个圆盘。逐渐地，它会获得一个旋转的棒。这个棒形成之后，大家看侧面，银河系好像有一个波浪形的不稳定性。这种不稳定性饱和以后，中心就变得非常厚。所以我们认为核球就是侧面看到的银河系的棒。我们的模型和当时的观测结果吻合得非常好，左边的图是关于核球形态的比较，大家会看到左边的核球要大一点，右边的核球要小一点。因为棒的朝向和我们视线方向有个角度，我们在左边看到的是棒的近端，在右边看到的是远端，所以近端就显得比远端大一些。更重要的是，我们的模型和银河系的运动学的数据吻合得非常好，我们的模型可以很好地解释这些观测的数据点。我们的工作也促进了科学界对银河系的深入理解，这是艺术家根据科学数据绘制的一张银河系的正面俯视图，在这幅图中，下面那个点就是太阳系。如果把银河系比作上海市，银河系的中心就是上海的人民广场，但太阳并不在银河系的中心，太阳在郊外，大概是虹桥机场的位置。在银河系中心有一个长条形的棒，英文是Bar。Bar还有一个意思，酒吧，在城市的什么地方最容易找到酒吧？城市的中心。我们的观点就是我们看到的银河系的核球，其实就是从侧面看到的银河系的棒。什么东西和酒最搭配？花生米。我们竟然真的在银河系的中心发现了一颗花生米。我们认为银河系本来的形状就是一个类似于花生状的结构。左边这个图，其实并不是核球在转，而是我们的视角在转，给人一种三维的感觉。而且银河系中的核球在其他的星系里也可以看到。最右边这个图的左下方，就有一个包含了花生状核球的星系，它长得非常像花生。在这个酒吧里，我们还发现了其他非常有意思的吃的东西。
花生核球里面，恒星有非常独特的运行轨道，左边的图是恒星的运行轨道，上面是俯视图，下面是侧视图，从侧面看过去，这个恒星的运行轨迹非常像一个香蕉。我们的研究正式发表以后，得到了科学界的很多关注。出人意料的是，我们的工作竟然也引起了神学界的关注。这是美国一个基督教网站头条的截图，标题是“银河系不是一个平常的星系”，所以银河系必须是神创造的。这个人是多伦多大学的天体物理博士，但后来他致力于从科学发现里寻找神创论的迹象，这是他们对我们的论文的一个引用。但其实他们只看到了我们论文的摘要，就特别激动地写下了那个头条，其实我们在论文的正文里明确地写道，我们的银河系其实并不是一个独特的星系。银河系从侧面看上去，就很像上图的NGC 4565。 在科学界一般来说，如果我们的工作得到其他人的引用或评价，我们都会感到非常开心、骄傲，但我们的工作竟然得到了神学界的引用，是一种很奇妙的感觉。相信大家通过我讲的内容，对科学研究的方法有了大概的了解。科学研究总是先从观测或实验事实出发，然后提出假设和模型。首先，你的理论必须能够解释现有的观测结果，但最重要的是，你的理论还要给出一些我们没有观测过的预言，观测学家再沿着这个方向去观测、去做实验。如果你的预言得到了证实，那么恭喜你，你的理论通过了新一轮的考验。但如果这些预言没有得到证实，就表明你的模型需要修改，甚至是错误的，需要提出一套新的模型。就像夏普利推翻了日心说，但他也被哈勃证明他的很多观点是错误的。我们关于银河系模型做的这些工作，也许过几年会被其他人证明是错的，我们的科学研究总是这样一个螺旋式上升的过程。在研究星系和宇宙的过程中，我总是被一句话打动，“宇宙最不可理解之处，就在于它竟然是可以被理解的”。我们渺小的人类，只有几千年有文字的历史，科学萌芽也仅仅只有几百年的时间，我们竟然可以了解到这么多关于宇宙的奥秘，这本身就是一件非常令人吃惊的事情。文章和演讲仅代表作者观点，不代表格致论道讲坛立场。推荐资源
![]()
关注使用“科学与中国”小程序，可观看以院士科普视频为代表的优秀科普视频，第一时间获取中国科学院公众科学日、科学节、格致论道演讲活动等科普活动报名信息。“格致论道”，原称“SELF格致论道”，致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院网络安全与信息化办公室主办，中国科普博览(中国科学院科普云平台)提供技术支持。欢迎关注格致论道官网: self.org.cn，微信公众号: SELFtalks，微博: 格致论道。
