银河是条天上的河流吗？不，银河是……
2019/11/22 7:00:00 科学大院
在第二届进博会国家展中，中国馆设置了许多互动体验环节，其中，参观者可以通过VR眼镜来看太空星系。大家都知道我们在银河系中，不过，人类正确认识银河系用了上千年的时间，而人类认识到银河系之外还有着上千亿个和银河系相近但又不完全相同的星系还不到百年。
那么银河系到底是什么样的？银河系外的星系又是什么样子？人类对于星系的认识经历了什么样的过程？
星系 (图片来源：veer)
银河是条天上的河流吗？不，银河是个大圆盘
数千年前，人们对银河就有了各种各样的猜想。古希腊神话中人们认为银河是由天后赫拉的乳汁铺就而成的；而在中国的神话传说里，银河便是天上的一条河流。
直到伽利略首次将望远镜的镜筒指向银河，才发现银河其实是由无数恒星构成的。然而，由于身处银河系之中，人类仍然不清楚银河的结构，银河和太阳是什么样的关系？
最先对银河系形状做出正确推论的是英国科学家赖特(Thomas Wright)和德国哲学家康德。赖特认为银河系是扁平的，太阳也身处其中，康德在赖特的基础上进一步猜想，银河是一个巨大的、扁平分布的、包含无数恒星的天体系统，这些恒星由万有引力束缚在一起，像太阳系一样围绕着某个中心旋转。
银河系结构(面向)的想象图
十八世纪后期，英国科学家赫歇尔第一次给出了银河系形状的定量估算，他利用自制望远镜对银河系中的恒星进行计数，首次利用观测数据证明了银河系是个扁平的形状。
赫歇尔对银河系形状的定量估算
今天，我们对银河系结构有了更为细致的认识。银河系大致为一个扁平圆盘，直径约为10万光年，厚度大约为1万光年，圆盘上分布了约3000亿颗恒星，其中，太阳距离银河系中心大概2.6万光年。此外，在银河系中心还有一个棒状结构，棒的两端有数条旋臂延伸出来。在银河系中心居住着一个大约430万倍太阳质量的黑洞。
“银盘”外有啥？短棒、透镜、橄榄球……
通过望远镜，天文学家们看到了银河中的恒星，同时，也观测到了许多云雾状天体——星云。1780年，法国天文学家梅西耶发表了包含110个天体的星云星团表。
模糊一团的星云，特别是旋涡星云，到底是处于银河系内还是处于银河系之外？就此问题，在1920年，美国科学院进行了一次历史上被记为“great debate”的学术辩论会。在这次辩论中，沙普利认为银河系巨大，旋涡星云在银河之内，银河系是宇宙的全部；而另一方柯蒂斯则认为银河系不是宇宙的全部，那些星云在银河之外。这次辩论会上，双方都没说服对方，但均指出了距离和尺度的测量，是解决这个问题的关键。1923年，哈勃用胡克望远镜观测仙女座星云(M31)，利用M31中造父变星的距离测量证明了M31的距离远远大于已知银河系的尺度。
沙普利的球状星团分布图 (图片来源：维基百科)
哈勃在发现和认证了河外星系之后，进一步对河外星系的形态做了系统研究。哈勃发现看上去形态各异的星系可以分为三大类，椭圆星系、旋涡星系、不规则星系，此外还存在一种过渡类型--透镜星系。这种分类方法可以用哈勃音叉图来概括。
哈勃音叉图 (图片来源：维基百科)
第一类椭圆星系，这类星系外形呈正圆形或椭圆形，亮度分布高度集中，没有明显的子结构，用英文字母E表示。
椭圆星系 (图片来源：维基百科)
第二类，旋涡星系，外形中带有明显的旋涡结构，英文记为S。这类星系中心有一个明亮的，没有明显结构的核球。此外还有一类旋涡星系，其中心有一个贯穿核球的短棒结构，记为棒旋星系(SB)。
旋涡星系 M31(仙女座大星系) (图片来源：维基百科)
第三类，不规则星系，是一种外形不规则，没有明显旋臂，核等结构的星系，称为不规则星系，记为Irr。
不规则星系 (图片来源：维基百科)
透镜星系，是一种介于椭圆星系和旋涡星系之间的星系，记为S0。这种星系有盘状结构，但没有明显的旋臂，整体上呈透镜状。如果中心带有棒状结构，则称为带棒透镜星系，记为SB0。
透镜星系ngc2787 (图片来源：维基百科)
河外星系的哈勃分类是根据二维图像进行的。这些星系在真实的三维空间中是什么样子的呢？
一般认为椭圆星系真实的形状像个橄榄球，如果我们从尖头看过去，橄榄球看起来像个正圆形，如果换个角度，则是椭圆形。而旋涡星系的真实形状则像一个盘子，同样根据我们视线方向的不同，旋涡星系在观测中呈现出各种完全不同的样子。
结语
自哈勃证明星系是宇宙中的“岛屿”之后，天文学家就在不断研究星系在宇宙中形成和演化的细节，并利用星系来揭晓宇宙的奥秘。伴随着星系形成和演化整体图像的建立，越来越多的谜团被揭开。星系的种种奥秘，正吸引着一代代天文学家进行更深入的研究。
“探索天文”系列课是什么？
营地扎在河谷里/瘦弱的河流在门口流入湖泊/留下一道扇形的泥黄色尾巴// 强劲的西北风裹挟沙尘/天幕被涂染，乾坤混沌/蔚蓝色的湖面，卷起雪白的浪花，扑向远方// 锅碗瓢盆里盛上，细细的尘土/ 帐篷拼命地摇晃，骨架嘎吱作响/顶棚合缝处开了一道口子，风沙灌进来// 山麓原上不见了羊群/我们是活着的化石，走动在21世纪的沉积层/如果还有一个人类世的标记，那就是科考!
拓展阅读：
《星云世界的水手: 哈勃传》
讲师简介：
沈世银，博士，研究员，博士生导师，上海天文台天体物理研究室副主任。获上海市自然科学二等奖(2007)，入选上海市科技启明星计划(2008)及中科院卢嘉锡青年人才奖(2010)。郭守敬望远镜(LAMOST)科学委员会委员，用户委员会副主任。
(未完待续)
下期预告：黑洞
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