銀河系究竟長啥樣

郝超杰　劉德劍

“不識廬山真面目，只緣身在此山中”，這兩句詩用來解釋天文學(xué)家在探索銀河系結(jié)構(gòu)時遇到的困惑再合適不過了。盡管天文學(xué)家可以清晰地看到幾十億光年外星系的形態(tài)，但是對我們的家園星系究竟有幾條旋臂，仍不清楚。

2023 年5 月，中國科學(xué)院紫金山天文臺徐燁研究員團(tuán)隊與國家天文臺科研人員合作提出了對銀河系旋臂形態(tài)的新認(rèn)識：銀河系可能由內(nèi)部兩條對稱旋臂和外部多條不規(guī)則旋臂組成，而非之前人們廣泛接受的4 條旋臂均從內(nèi)到外排布的特殊形態(tài)。該研究結(jié)果挑戰(zhàn)了人們對銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)認(rèn)知，使我們的星系不再特殊。

早期研究

銀河系是我們的家園，是宇宙中數(shù)萬億個星系的一員，也是當(dāng)前人類已知的唯一存在智慧生命的星系。確定銀河系的旋渦結(jié)構(gòu)一直是天文學(xué)中的一個難題。

銀河系是一個盤狀旋渦星系，我們地球恰好處于銀河系的盤中，沿觀測視線總是疊加著多種結(jié)構(gòu)特征，使得準(zhǔn)確分解這些結(jié)構(gòu)和描繪實際的旋渦結(jié)構(gòu)非常困難。

1610年，伽利略開辟了銀河系科學(xué)研究的先河，發(fā)現(xiàn)銀河系是由大量恒星組成的。在那之后，有關(guān)銀河系大小的爭論持續(xù)了數(shù)百年。直到20世紀(jì)20年代，在埃德溫·哈勃探索了仙女座大星云之后，天文學(xué)家才推測我們的銀河系可能是一個類似河外星系M51的旋渦星系。

星系中的螺旋形結(jié)構(gòu)被稱為旋臂。旋臂是恒星形成的主要場所。因此，標(biāo)示著恒星形成的彌漫或致密的星際氣體云、（大質(zhì)量）恒星形成區(qū)、年輕天體（如大質(zhì)量O-B 型星，年輕疏散星團(tuán)）等，都可以作為旋臂的示蹤天體。

人類第一次發(fā)現(xiàn)銀河系存在旋臂結(jié)構(gòu)的工作是威廉·摩根等人在20世紀(jì)50年代初完成的，他們利用年輕大質(zhì)量O-B 型恒星，在太陽附近發(fā)現(xiàn)了3個短的旋臂段。這個結(jié)果也被研究人員通過太陽附近OB- 星集、OB- 星團(tuán)、造父變星、電離氫區(qū)（即HII 區(qū)，大質(zhì)量恒星形成區(qū)的標(biāo)志）的分布所證實。不久之后，天文學(xué)家簡·奧爾特等人基于運(yùn)動學(xué)方法確定的中性氫氣體的距離，繪制了幾乎延伸到整個銀盤的更大尺度的旋臂結(jié)構(gòu)。

在那時，似乎構(gòu)建銀河系旋渦結(jié)構(gòu)的工作已經(jīng)完成了。然而，20世紀(jì)70年代，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)天體具有非圓運(yùn)動，這使得用運(yùn)動學(xué)方法確定的距離有很大的不確定性。因此，這些早期研究中基于中性氫獲得的旋臂結(jié)構(gòu)模型并不可靠。

運(yùn)用光度學(xué)（研究光強(qiáng)弱的學(xué)科）確定天體距離的方法比運(yùn)動學(xué)方法準(zhǔn)確得多，但只能用于精確確定距離太陽0～2千秒差距（即kpc，1秒差距＝3.26光年）范圍內(nèi)的天體，這遠(yuǎn)小于銀河系數(shù)十秒差距的尺度。20世紀(jì)，受觀測手段和設(shè)備技術(shù)的限制，天文學(xué)家并沒有很好的方法來確定遙遠(yuǎn)天體的距離。因此，運(yùn)動學(xué)方法仍然被廣泛用于研究整個銀河系的結(jié)構(gòu)。

1976年，伊馮·喬治林等人通過綜合使用光度學(xué)方法和改進(jìn)的運(yùn)動學(xué)方法確定了260多個電離氫區(qū)的距離，繪制了銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。他們首先提出銀河系有4條主旋臂，而太陽附近不存在旋臂。一直到21世紀(jì)，研究人員仍在通過使用其他旋臂示蹤劑來更新該模型，如分子云、恒星形成區(qū)復(fù)合體、更大的電離氫區(qū)樣本、中性氫氣體等，不過其中大部分都依賴于運(yùn)動學(xué)確定距離的方法。

盡管運(yùn)動學(xué)確定距離的方法一直在改進(jìn)，但有時會在旋臂示蹤劑的距離上產(chǎn)生很大的不確定性。因此，關(guān)于銀河系中旋臂的存在、旋臂的數(shù)量和銀河系的大小等基本事實的爭論一直在繼續(xù)。

21 世紀(jì)的突破

描繪銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的真實面貌，首先必須找到一種不依賴模型但能直接、精確地測定天體距離的技術(shù)和方法。

2003年，中國科學(xué)院紫金山天文臺徐燁研究員和合作者，向世界上最大的甚長基線干涉陣列（VLBA）提出了測量銀河系英仙臂上天體脈澤三角視差距離的科學(xué)建議書。在解決一系列挑戰(zhàn)性難題后，他們使用甚長基線干涉儀（VLBI）精確測定了英仙臂的距離，測量精度高達(dá)2%，是同時期依巴谷衛(wèi)星測量精度的100倍（目前已提高到200倍）。

該結(jié)果是天文學(xué)中有史以來對如此遙遠(yuǎn)天體精度最高的距離測量，徹底解決了天文界關(guān)于英仙臂距離的長期爭論，實現(xiàn)了天體測量技術(shù)的劃時代突破，標(biāo)志著直接測量銀河系結(jié)構(gòu)成為可能。該研究被《科學(xué)》雜志以封面形式發(fā)表，這是以中國天文學(xué)家為第一作者的研究成果首次出現(xiàn)在該雜志的封面上。同時，該結(jié)果也進(jìn)一步推動美國國家射電天文臺史上最大的科學(xué)項目——貝塞爾巡天項目獲得了VLBA 空前的5200小時的觀測時間，旨在基于三角視差距離描繪銀河系旋臂結(jié)構(gòu)。

VLBI 測量天體脈澤可以達(dá)到低至幾個微角秒的三角視差精度（注：10微角秒視差精度對應(yīng)于10 kpc 的源的距離精度為10%），讓科學(xué)家能夠?qū)φ麄€銀河系中與大質(zhì)量恒星形成區(qū)成協(xié)的天體脈澤進(jìn)行精確的距離測量。

2019年，貝塞爾巡天項目接近尾聲。以項目組首席科學(xué)家、美國科學(xué)院院士馬克·里德教授為首的科學(xué)團(tuán)隊在《天體物理學(xué)雜志》上呈現(xiàn)了銀河系旋臂結(jié)構(gòu)新視野：銀河系是由四旋臂和其他的額外臂段構(gòu)成的旋渦星系，四旋臂包括矩尺- 外臂、盾牌- 半人馬-OSC 臂、人馬- 船底臂、英仙臂，它們都是從銀河系內(nèi)部延伸到外部的。

不過，就整體而言，這個新圖景是對1 9 7 6年伊馮·喬治林等人提出的銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”的改進(jìn)。此外，需要特別指出的是，長期以來，研究人員一直認(rèn)為太陽附近只有零星物質(zhì)存在，不可能存在旋臂結(jié)構(gòu)。而研究團(tuán)隊基于脈澤的三角視差測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，太陽附近的本地臂是一條孤立的旋臂段，上面存在豐富的大質(zhì)量恒星形成區(qū)。

近年來，歐洲空間局的蓋亞衛(wèi)星提供的恒星的三角視差具有2 0～3 0微角秒量級的精度，這使我們能夠揭示太陽附近0～5 kpc內(nèi)的旋臂結(jié)構(gòu)。研究人員使用蓋亞衛(wèi)星數(shù)據(jù)在銀河系旋臂結(jié)構(gòu)方面取得了一定進(jìn)展。例如，他們利用蓋亞衛(wèi)星中的大質(zhì)量O-B 型星，描繪出太陽附近0～5kpc 范圍內(nèi)的旋臂結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域延伸至7 kpc，將天體脈澤示蹤的旋臂結(jié)構(gòu)延伸到第四象限，并提出銀河系具有復(fù)雜旋臂結(jié)構(gòu)和旋臂結(jié)構(gòu)不均勻的觀點。此外，意大利都靈天體觀測臺的埃洛伊莎·波焦等人使用蓋亞衛(wèi)星中的上主序星，也發(fā)現(xiàn)太陽附近存在明顯的旋臂段，本地臂從太陽位置不斷向第三象限延伸。

因此，直到2 0 2 3年，人們普遍認(rèn)為銀河系有4條連續(xù)的旋臂，從銀河系內(nèi)部延伸到遙遠(yuǎn)的外部區(qū)域，還包括一些額外的旋臂段。然而，事實真的是這樣嗎？

河外星系的形態(tài)

隨著望遠(yuǎn)鏡設(shè)備的發(fā)展和觀測技術(shù)的提升，人們能夠為宇宙中越來越多的星系拍攝圖像。因為銀河系是可觀測宇宙中數(shù)萬億個星系中的一員，所以我們可以把河外星系作為一面鏡子，更好地了解銀河系的形態(tài)。

河外旋渦星系基本上有3種不同的形態(tài)：宏象旋渦星系、多旋臂旋渦星系和絮狀旋渦星系，它們的區(qū)別在于其旋臂結(jié)構(gòu)是否突出。宏象旋渦星系具有高度對稱的特征，具有長而對稱的清晰的旋臂；而絮狀旋渦星系是零散的，由許多短的、不規(guī)則的、成片的片段組成。位于這兩種類型之間的是多旋臂旋渦星系，其主要特征是內(nèi)部有兩條對稱的旋臂，外部有幾條不規(guī)則的旋臂。

與絮狀旋渦星系不同，宏象旋渦星系和多旋臂旋渦星系的內(nèi)部區(qū)域都有兩條顯著的對稱旋臂。更重要的是，幾乎沒有河外星系顯示出擁有從中心延伸到外部區(qū)域的4條旋臂。研究團(tuán)隊更進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：在類銀河系的多旋臂星系中，較為常見的是內(nèi)部兩旋臂和外部多旋臂的形態(tài)（約占8 3%），4條旋臂均從內(nèi)到外的形態(tài)是非常罕見的（約占2%）。這使得當(dāng)前被廣泛認(rèn)可的銀河系有4條從內(nèi)到外的旋臂的結(jié)論有些令人驚訝。如果這個模型是真的，銀河系將是一個十分不同尋常的星系。

一個新的銀河系形態(tài)

基于目前所能獲得的高精度天體測量數(shù)據(jù)，包括通過VLBI技術(shù)得到的200多個天體脈澤、蓋亞衛(wèi)星中的2萬多顆O-B 型恒星和近1000個年輕疏散星團(tuán)，研究團(tuán)隊重新審視了銀河系的旋臂形態(tài)。除了這些能夠定位旋臂的“燈塔”，研究人員還考慮通過星際氣體、恒星形成區(qū)、恒星、塵埃等識別的旋臂切點來對旋臂進(jìn)行定位。最終的研究結(jié)果是，銀河系更像是一個多旋臂形態(tài)的旋渦星系，其內(nèi)部由英仙臂和矩尺臂兩條旋臂對稱向外延伸，并在外部分叉形成包括半人馬臂、人馬臂、船底臂、本地臂和外臂等多條長而不規(guī)則的旋臂段。在這種情況下，銀河系的形態(tài)與宇宙中大多數(shù)多旋臂星系的形態(tài)相似，可能不像以前人們認(rèn)為的那樣獨特。這為未來研究銀河系結(jié)構(gòu)提供了一種新的見解。

本文轉(zhuǎn)自微信公眾號“中國科學(xué)院紫金山天文臺”