25.1: 银河系的架构

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学习目标

在本节结束时，您将能够：

解释为什么 William 和 Caroline Herschel 得出结论，银河系有一个以太阳和太阳系为中心的扁平结构
描述从银河系内部的角度确定银河结构所面临的挑战
确定银河系的主要组成部分

银河系环绕着我们，你可能会认为它很容易学习，因为它离得太近了。但是，我们融入其中的事实本身就构成了艰巨的挑战。假设你被赋予了绘制纽约市地图的任务。与站在时代广场相比，乘坐直升机飞越城市可以做得更好。同样，如果我们只能稍微走出银河系，绘制银河系地图会更容易，但相反，我们却被困在银河系的郊区，与时代广场的银河系等效物相去甚远。

赫歇尔测量银河系

1785 年，威廉·赫歇尔（图\(\PageIndex{1}\)）首次发现银河系的架构。威廉和他的妹妹卡罗琳用他建造的大型反射望远镜计算了天空不同方向的恒星。他们发现，他们能看到的大多数恒星都位于环绕天空的扁平结构中，而且围绕这个结构的任何方向上的恒星数量都大致相同。因此，赫歇尔得出结论，太阳所属的恒星系统具有圆盘或轮子的形状（除了飞盘尚未发明，他可能称之为飞盘），而且太阳必须靠近轮毂（图\(\PageIndex{2}\)）。

alt — 人物\(\PageIndex{1}\)威廉·赫歇尔（1738—1822 年）和卡罗琳·赫歇尔（1750—1848 年）。威廉·赫歇尔是一位德国音乐家，他移民到英国并在业余时间学习天文学。他发现了天王星行星，建造了几台大型望远镜，并测量了太阳在银河系中的位置、太阳在太空中的运动以及恒星的相对亮度。这幅画描绘了威廉和他的妹妹卡罗琳正在抛光望远镜镜头。

要理解赫歇尔为什么得出这个结论，想象一下，你是一支在足球比赛中场休息时正在编队的乐队的成员。如果你计算在不同方向上看到的波段成员，每次得到的数字大致相同，你可以得出结论，波段以圆形模式排列，你位于中心。既然你在你上方或地下看不到乐队成员，你就知道乐队制作的圈子比宽的圈子要平坦得多。

alt — 图\(\PageIndex{2}\) *Herschel 的银河系图... 赫歇尔通过计算各个方向的恒星来构造银河系的这个横截面。*

我们现在知道赫歇尔对我们系统的形状是正确的，但对太阳在磁盘中的位置的看法是错误的。正如我们在《星际之间：太空中的气体和尘埃》中所看到的那样，我们生活在一个尘土飞扬的星系中。因为星际尘埃吸收了来自恒星的光，所以赫歇尔只能看到距离太阳大约 6000 光年的那些恒星。今天我们知道，这只是构成银河系的整个直径为10万光年的恒星盘中的一小部分。

HARLOW SHAPLEY：星空地图制作者

直到20世纪初，天文学家普遍接受赫歇尔的结论，即太阳在银河系中心附近。银河系的真实大小和我们的实际位置的发现主要是哈洛·沙普利的努力的结果。 1917 年，他正在研究球状星团中的 RR Lyrae 变星。通过将这些恒星的已知固有亮度与它们出现的亮度进行比较，沙普利可以计算出它们有多远。（回想一下，正是距离使恒星看起来比 “近距离” 更暗，而且亮度会随着距离的平方而逐渐消失。）知道与星团中任何一颗恒星的距离就会告诉我们到星团本身的距离。

球状星团可以在没有星际尘埃的区域找到，因此可以在很远的距离内看到。当沙普利使用 93 个球状星团的距离和方向绘制它们在太空中的位置时，他发现这些星团以球形体积分布，其中心不是在太阳，而是位于银河系沿射手座方向的遥远点。然后，沙普利做出了一个大胆的假设，即球状星团系统的中心点也是整个银河系的中心，自那时以来的许多其他观察结果都证实了这一点（图\(\PageIndex{3}\)）。

alt — 图\(\PageIndex{3}\) Harlow Shapley 和他的银河系图。 (a) Shapley 摆姿势拍一张正式肖像。 (b) 他的图表显示了球状星团的位置，还标出了太阳的位置。黑色区域显示了赫歇尔的旧图，以太阳为中心，大致按比例绘制。

沙普利的作品一劳永逸地表明，我们的恒星在银河系中没有特别的位置。我们处在银河系一个不起眼的区域，环绕银河系遥远中心的2000亿至4000亿颗恒星中只有一颗。

Harlow Shapley 于 1885 年出生在密苏里州的一个农场，起初辍学，只受过五年级的教育。他在家学习，16岁时找到了一份报道犯罪报道的报纸记者的工作。夏普利对没有读完高中的人缺乏机会感到沮丧，他回去了，在短短两年内完成了六年的高中课程，并以班级演说家的身份毕业。

1907年，22岁时，他去了密苏里大学，打算学习新闻学，但发现新闻学院将在一年内不会开学。翻阅大学目录（或者他稍后讲了这个故事），他有机会在以 “A” 开头的科目中看到 “天文学” 回想起他童年时代对恒星的兴趣，他决定明年学习天文学（俗话说，剩下的就是历史了）。

毕业后，夏普利获得了普林斯顿大学的研究生奖学金，并开始与杰出的亨利·诺里斯·罗素合作（参见第18.4节中的亨利·诺里斯·罗素专题框）。在他的博士论文中，沙普利为分析使双星黯然失色的行为的方法做出了重大贡献。他还能够证明 cepheid 变星不是像某些人当时想象的那样是二进制系统，而是以惊人的规律脉动的单颗恒星。

乔治·埃勒里·黑尔对沙普利的工作印象深刻，他为他提供了威尔逊山天文台的职位，这位年轻人利用清澈的山间空气和60英寸的反射镜对球状星团中的变星进行了开创性的研究。

沙普利随后接受了哈佛大学天文台的主任，在接下来的30年中，他和他的合作者为许多天文学领域做出了贡献，包括研究邻近星系、发现矮星系、调查星系在天文学中的分布情况宇宙等等。他撰写了一系列非技术性书籍和文章，并被誉为天文学最有效的普及者之一。沙普利喜欢在全国各地讲课，包括在许多规模较小的大学里讲课，那里的学生和教职员工很少与他这样的科学家互动。

第二次世界大战期间，沙普利帮助从东欧救出了许多科学家及其家属；后来，他帮助创立了联合国教科文组织，即联合国教育、科学和文化组织。他为武装部队中不得不在前往欧洲的运输船上待了好几个星期的男女写了一本名为《船上科学》的小册子。在20世纪50年代的困难时期，当国会各委员会开始对共产党同情者（包括沙普利这样的自由派领袖）进行 “猎巫” 时，他大声疾呼捍卫思想和言论自由。作为一个兴趣爱好的人，他对蚂蚁的行为着迷，并撰写了关于蚂蚁和星系的科学论文。

1972 年夏普利去世时，他被公认为现代天文学的关键人物之一，他是 “二十世纪的哥白尼”，他绘制了银河系地图，向我们展示了我们在银河系中的位置。

要了解有关沙普利生活和工作的更多信息，请在布鲁斯奖牌得主网站上查看他的参赛作品。（该网站收录了太平洋天文学会布鲁斯奖章的获得者，这是天文学界的最高荣誉之一；该名单是过去十二年来一些最伟大的天文学家名人录。）

圆盘和光环

有了现代仪器，天文学家现在可以通过研究银河系遥远部分的无线电和红外发射来穿透银河系的 “烟雾”。在这些波长下进行的测量（以及对像我们这样的其他星系的观测）使我们很好地了解了如果我们能从远处观测银河系会是什么样子。

人物\(\PageIndex{4}\)描绘了如果我们能够面对面和边缘观看 Galaxy 会看到什么。银河系中最亮的部分由一个薄的、圆形的、旋转的恒星盘组成，分布在直径约100,000光年、厚约1000光年的区域。（考虑到磁盘有多薄，或许 CD 比轮子更合适。）除恒星外，恒星形成的尘埃和气体也主要存在于银河系的薄盘中。星际物质的质量约为该圆盘中恒星质量的15％。

alt — \(\PageIndex{4}\)图 Galaxy 的示意图。左图显示了螺旋盘的正面视图；右图显示了沿磁盘边缘看的视图。主要的螺旋臂都贴有标签。太阳位于猎户座短刺的内边缘。

如图所示\(\PageIndex{4}\)，星星、气体和尘埃在整个圆盘中分布不均匀，而是集中在中心杆和一系列螺旋臂中。最近的红外观测证实，中心柱主要由旧的黄红色恒星组成。两个主螺旋臂似乎与杆的末端相连。年轻的火星发出的蓝光突出显示了它们。我们知道许多其他螺旋星系的中心区域也有条形的恒星集中；因此，它们被称为封闭螺旋。 \(\PageIndex{5}\)该图显示了另外两个星系——一个没有柱形星系，另一个有强条形——这为你提供了与我们自己的星系进行比较的基础。稍后我们将更详细地描述我们的螺旋结构。太阳位于银河系中心和圆盘边缘之间，距离其中心平面仅约70光年。

alt — 图\(\PageIndex{5}\) Unbarred 和 Barred Spiral 星系。 (a) 这张照片显示了无限制的螺旋星系 M74。它包含一个主要由古老的黄红色恒星组成的小型中央凸起，以及用年轻热星发出的蓝光突出显示的螺旋臂。 (b) 这张照片显示了严禁的螺旋星系 NGC 1365。凸起和微弱的条形都显得淡黄色，因为其中最亮的恒星大多是古老的黄色和红色巨星。两个主螺旋臂从杆的末端伸出。与M74一样，这些螺旋臂充满了蓝星和红色的发光气体，这是最近恒星形成的标志。银河系被认为具有封闭的螺旋结构，介于这两个例子之间。

我们由年轻恒星、气体和尘埃组成的薄盘嵌入在较厚但更具漫射性的较旧恒星盘中；这个较厚的圆盘在薄盘的中板上方延伸约1000光年，在薄盘的中板下方延伸约1000光年，所含质量仅为精盘的5％左右。恒星随着距离银河飞机的距离而变薄，没有锋利的边缘。厚盘中大约有2/3的恒星距离中板不到1000光年。

在银河中心附近（大约10,000光年以内），恒星不再局限于圆盘，而是形成中心凸起（或核凸起）。当我们在可见光下观察时，我们只能在星际尘埃相对较少的罕见方向上瞥见凸起处的恒星。第一张真正成功显示整个凸起的照片是在红外波长下拍摄的（图\(\PageIndex{6}\)）。

alt — 图\(\PageIndex{6}\)：银河系的内部。这张漂亮的红外地图显示了五亿颗恒星，是作为 Two Micron All Sky Sky Sky Survey（2MASS）的一部分获得的。由于星际尘埃吸收红外线的强度不如可见光那么强，因此该视图揭示了以前隐藏的围绕银河系中心的旧恒星凸起，以及银河系的薄盘组件。

大部分凸起都被灰尘遮住这一事实使其形状难以确定。很长一段时间以来，天文学家一直认为它是球形的。但是，红外图像和其他数据表明，凸起的长度大约是其宽度的两倍，而且形状很像花生。这种细长的内部凸起与较大的恒星条之间的关系仍不确定。核膨胀的核心是物质的巨大集中，我们将在本章后面讨论这个问题。

在我们的银河系中，薄而厚的圆盘和核凸起被嵌入由非常古老的微弱恒星组成的球形光环中，该光环延伸到距离银河中心至少15万光年的距离。大多数球状星团也存在于这个光环中。

银河系中的质量向外延伸得更远，远远超出了发光恒星的边界，距离银河中心至少有200,000光年的距离。这种看不见的物质之所以被命名为暗物质，是因为它不发光，任何望远镜都看不见。它的成分是未知的，它之所以能够被发现，是因为它对我们可以看到的发光物质的运动产生引力影响。我们知道，这种广泛的暗物质光环之所以存在，是因为它会影响遥远的星团和其他与银河系相关的矮星系的轨道。这个神秘的光环将成为《银河质量》一节的主题，暗物质的属性将在《宇宙大爆炸》一章中详细讨论。

表中给出了薄盘和厚盘以及恒星光环的一些重要统计数据\(\PageIndex{1}\)，并在图中进行了插图\(\PageIndex{7}\)。特别注意恒星的年龄与它们的发现地点有何关系。正如我们将看到的，这些信息为银河系如何形成提供了重要线索。

表\(\PageIndex{1}\)：银河系的特征
财产	精简磁盘	厚盘	恒星光环（不包括暗物质）
恒星质量	4×10 ¹⁰\(M_{\text{Sun}}\)	精简磁盘容量的百分之几	10 ¹⁰\(M_{\text{Sun}}\)
亮度	3×10 ¹⁰\(L_{\text{Sun}}\)	精简磁盘亮度的百分之几	8×10 ⁸\(L_{\text{Sun}}\)
恒星的典型年龄	1 百万到 100 亿年	110 亿年	130 亿年
较重的元素丰度	高	中级	非常低
旋转	高	中级	非常低

alt — 图*银河系\(\PageIndex{7}\)的主要部分。此示意图显示了我们银河系的主要组件。*

从我们尘土笼罩的视角在薄盘中描绘出这幅银河系的整体画面是现代天文学的伟大成就之一（也是天文学家使用各种望远镜花了数十年的努力）。有很大帮助的一件事是发现我们的 Glaxy 在特性上并不是独一无二的。宇宙中还有许多其他平坦的螺旋形恒星、气体和尘埃岛。例如，银河系有点像仙女座星系，仙女座星系距离约为230万光年，是我们最近的邻近巨型螺旋星系。正如别人远距离拍照可以更好地了解自己一样，对附近星系的照片和其他诊断观测结果与我们的相似星系的照片和其他诊断观测对于我们理解银河系的特性至关重要。

神话与传说中的银河系

对于生活在二十一世纪的我们大多数人来说，银河系是一个难以捉摸的景象。我们必须努力离开光线充足的房屋和街道，冒险走出城市和郊区，进入人口稀少的环境。一旦光污染消退到可以忽略不计的水平，在晴朗、没有月亮的夜晚，很容易发现银河系在天空上拱起。在北半球，银河系在夏末和初秋特别明亮。观赏银河系的最佳地点是我们的国家公园和州立公园，那里的住宅和工业开发已保持在最低限度。其中一些公园举办特别的观空活动，绝对值得一试，尤其是在新月前后的两周内，那时微弱的恒星和银河系不必与月球的光彩竞争。

回到几个世纪以前，这些星光照耀的景象本来是常态，而不是例外。在电力甚至煤气照明出现之前，人们依靠短暂的火灾来照亮房屋和小路。因此，他们的夜空通常要暗得多。面对无数的恒星图案和银河系的薄纱漫射光带，所有文化的人都形成了神话来理解这一切。

与银河系有关的一些最古老的神话是由澳大利亚原住民通过他们的岩画和讲故事来保存的。人们认为这些遗产可以追溯到数万年前，当时原住民与宇宙的其余部分一起被 “梦想”。银河系作为创造物的仲裁者发挥了核心作用。它以大蛇的形式，与地蛇结合在一起做梦，从而创造出地球上的所有生物。

古希腊人将银河系视为从赫拉女神胸中溢出的牛奶喷雾。在这个传说中，宙斯在赫拉睡觉时秘密地将他的小儿子赫拉克勒斯放在她的胸前，以便赋予他半人儿子不朽的力量。当赫拉醒来发现赫拉克勒斯在哺乳时，她把他推开，使她的牛奶喷入宇宙（图\(\PageIndex{8}\)）。

王朝的中国人将银河系视为一条 “银河”，旨在将两个满天星斗的恋人分开。在银河系以东，编织少女 Zhi Nu 被认定为竖琴天琴座中的明星 Vega。在银河系以西，她的爱人牛郎，牛郎，与鹰天鹰星座中的Altair星有关系。他们被智怒的母亲天后放逐到银河系的对面，因为她听说了他们的秘密婚姻和两个孩子的出生。但是，他们每年被允许团聚一次。在农历七月的第七天（通常发生在我们的八月），他们将在成千上万的喜 pies 建造的银河系桥上相遇（图\(\PageIndex{8}\)）。今天，人们继续以齐喜的名义庆祝这个浪漫的时刻，意思是 “双七”，情侣们重现了智怒和牛郎的宇宙重聚。

alt — 想\(\PageIndex{8}\)像神话中的银河系。 (a) 雅各布·丁托列托（Jacopo Tintoretto）的《银河系起源》（大约在1575年）说明了解释银河系形成的希腊神话。 (b) 日本画家 Tsukioka Yoshitoshi 创作的《银河系的月亮》描绘了中国传说 Zhi Nu 和 Niu Lang。

对于秘鲁安第斯山脉的盖丘亚印第安人来说，银河系被视为各种宇宙生物的天体住所。银河系上排列着无数的深色斑块，它们识别出这些斑块上有鹧鸪、美洲驼、蟾蜍、蛇、狐狸和其他动物。在所有神话制造者中，盖丘亚人朝向黑暗区域而不是发光的星光带的方向似乎是独一无二的。他们进入结构丰富的南部银河系可能与之有关。

在芬兰人、爱沙尼亚人和相关的北欧文化中，银河系被视为穿越夜空的 “鸟类之路”。他们注意到鸟类季节性地沿着南北路线迁移，因此将这条小路认定为银河系。最近的科学研究表明，这个神话植根于事实：该地区的鸟类使用银河系作为其年度迁徙的指南。

今天，我们将银河系视为我们的银河系住所，恒星诞生和恒星死亡的煽动在宏伟的舞台上播放，人们发现各种行星正在绕各种恒星运行。尽管我们对银河系的看法是基于科学研究，但我们与前辈一样喜欢讲述起源和转变的故事。在这些方面，银河系继续吸引着我们并激励着我们。

关键概念和摘要

银河系由一个包含尘埃、气体以及年轻和老恒星的薄盘组成；一个包含非常古老的恒星群体的球形光环，包括 RR Lyrae 变星和球状星团；一个厚实、更分散的圆盘，其特性介于薄星中的恒星之间圆盘和光环；中心周围有花生形的核凸起，主要由老恒星组成；正中心有一个超大质量黑洞。太阳位于银河系的一半处，距离中心约26,000光年。

词汇表

暗物质光环: 银河系中的质量远远超出了发光恒星的边界，距离银河系中心至少 20 万光年的距离；尽管我们根据其重力推断出它的存在，但这个物质的组成仍然是个谜

光环: 银河系（或其他星系）的最外层，包含稀疏分布的恒星和球状星团，或多或少呈球形分布

银河系银河: 环绕天空的光带，这是由于银河系飞机附近有许多恒星和漫射星云造成的

中央凸起: （或核凸起）银河系或类似星系的中央（圆形）部分