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探识银河真面目Comments>>

发表于 2010-09-25 16:23 | Tags 标签:,

Liz Kruesi 文 Shea 编译

经过长达数个世纪的探索之后,现在天文学家们终于了解了我们银河系的旋臂。但还有更多的未知留待发现。

我们所在的银河系最显著的特征就是它的旋涡结构。虽然现在旋臂对于我们来说显然已经不陌生,但在以前却并非如此。因为我们就位于银河系之中,这使得探测它的结构变得极为困难。我们可以观测其他宏伟的旋涡星系,例如M51和MlOl,但这是从正向看过去的。当你身陷迷宫的时候,要想搞清楚它的结构就会难得多。

[图片说明]:红外波段下拍摄的银河系中心。尘埃和其他吸光物质会挡住可见光,因此天文学家必须利用红外线来穿透尘埃,探究银河系的秘密。版权:NASA/JPL-Caltech/S. Stolovy (SSC/Caltech)。

那么,天文学家们是如何解开银河系的结构的呢?他们又是如何探测银河系的旋臂和中央的棒的呢?天文学家的坚韧品格和探测手段的不断完善是取得突破的关键。通过观测不同类型的辐射——光学、射电和红外,天文学家能够辨认出旋臂的不同特征并最终拼接出它的全貌。

旋转银盘

对银河系的观测始于我们最熟悉的辐射形式——可见光。在18世纪80年代,威廉·赫歇尔(William Herschel)统计了夜空中不同区域中的恒星数量以此来估计银河系的形状和大小。在这一过程中,他为银河系是一个形似薄盘的恒星系统提供了首个证据。他注意到,在夜空中的银河里聚集了远比垂直于此方向多得多的恒星。因此,他认为这就是银河系的盘(银盘)。他还注意到“星云”(天空中的模糊光斑)在各个方向上的分布也是不均匀的——随着视线逐渐远离银盘平面(银道面),它们的数量会上升。他当时并不知道这是由于银盘中含有更多的尘埃、恒星和气体阻挡我们的视线所造成的。

[图片说明]:威廉·赫歇尔(William Herschel)统计选定区域中恒星的数量,绘制出了他的银河系图。他把太阳放在了靠近中心的地方(用较大的星形表示),因为当时的天文学家不知道银盘中还存在有尘埃和其他物质。版权:Unda Hall Library of Science. Engineering, and Technology。

前进的另一大步出现在一个多世纪后,当时天文学家们发现银盘在围绕一个中心旋转。而事实上,银河系有一个扁平的盘本身就预示了它正在旋转。这就像被甩到空中的面团。由于旋转,尽管开始时呈一个团块,但最终会变薄成盘状。相反地,被称为球状星团的大型恒星系统在银河系中则是球形分布的,这说明做为一个整体它们不绕银河系中心旋转。虽然单个球状星团具有随机运动,但把所有的球状星团看成一个整体,它是不转动的。

直到1927年天文学家发现了银河系旋转的证据。根据瑞典天文学家伯蒂尔·林德布拉德(Bertil Lindblad)的理论,荷兰天文学家扬·奥尔特(Jan Oort)将近距恒星的相对运动解释为银河系的旋转效应。

既然银盘在转动,那么它的中心在哪儿?在可见光下观测,人马座中的银盘明显要亮于其他部分。这意味着银心就在人马座方向。1918年美国天文学家哈洛·沙普利(Harlow Shapley)给出了其他的证据。他确定了69个球状星团的位置和距离。通过假设它们呈一个大致的球形分布,他发现它们运动的平均中心就在银道面的南侧。而且,由于球状星团在人马座方向上聚集度最高,他(正确地)假设这一中心就位于那里。在随后几十年里许多研究证实了这一发现,并为它补充了一点:我们的太阳距离银河系中心大约2.6万光年。

追踪旋臂

在恒星测量技术出现前,天文学家就怀疑银河系是一个旋涡星系,原因有二:银河系是一个扁平的系统;其中存在年轻的高温蓝色恒星。根据对其他旋涡星系的观测, 天文学家发现正是这些恒星形成区中的蓝色恒星构成了旋臂。

天文学家相信,旋臂是由穿行于星系盘中的“密度波”所造成的。相对于银道面中的物质,密度波的运动速度与之不同。因此就像高速公路上的堵车,当恒星、气体和尘埃进入密度波的高密度区(旋臂)时就会被挤压。正由于此,触发了恒星形成过程。当物质穿过这一区域之后,密度就会下降。

20世纪40年代后期,出生于德国的美籍天文学家沃尔特·巴德(Walter Baade)和美国天文学家尼古拉斯·梅奥尔(Nicholas Mayall)研究了仙女星系(M31)的旋臂结构,发现年轻的蓝色恒星及其周围的气体云(发射星云)可以用来追踪旋臂。于是,天文学家就此开始寻找这些旋臂的示踪天体。

[图片说明]:和银河系一样,M83也是一个棒旋星系。天文学家认为,如果我们从上往下看银河系,它可能会和M83类似。版权:ESO。

氢气体云中年轻高温蓝色恒星所发出的紫外辐射会电离周围的氢。电离氢会发出特定颜色(或波长)的辐射。天文学家会专门在这些波段上寻找电离氢。

1951年,天文学家们发现了银河系旋臂的直接证据。美国天文学家威廉·摩根(William W. Morgan)、斯图尔特·沙普莱斯(Stewart Sharpless)和唐纳德·奥斯特布罗克(Donald Osterbrock)观测到了两条平行的电离氢带,它们对应的正是银河系的不同旋臂。

对于探测近距离的银河系结构,在可见光波段观测发射星云和蓝色恒星行之有效。不过正如天文学家所知道的,银道面中的气体和尘埃会阻碍光线。所以他们不得不寻找另一条途径来观测银河系中其他更遥远的部分。

就在那里

1930年,出生于瑞士的美籍天文学家罗伯特·特朗普勒(Robert Trumpler)证明,尘埃和气体会影响光线。他观测了100多个由年轻恒星组成的疏散星团,并用两种方法计算了它们的距离。首先,他假设这些星团具有相同的直径,这就意味着看上去越小星团它的距离就越远。其次,他比较了观测到的特定恒星的亮度和由它们的光谱型估计出的本征光度。他发现,亮度越暗的星团距离越远。如果银河系中不包含任何吸光的物质,那么这两种方法得出的结论相互吻合。但是事实并非如此,这意味着气体和尘埃会阻挡在银道面中传播的光线。

被称为星际介质的气体和尘埃会通过吸收和散射来使得星光变暗和变红(红化)。这是如何发生的呢?可见光的波长和尘埃粒子以及气体分子的尺度相当。因此,星际介质会散射可见光。另一方面,波长更长的辐射(例如,红外和射电辐射)则可以畅通地穿行于星际介质中。于是很自然地,下一步就是要进入其他的波段。

射电革命

1944年,荷兰天文学家亨德里克·范德赫尔斯特(Hendrik van de Hulst)预言,银河系气体云中的中性氢原子会在一个特定的波长上发射出辐射。这一锐利的发射线位于波长21厘米处。假设氢能勾勒出银河系的旋臂,天文学家通过寻找“21厘米谱线”就能测量银盘中的氢。

[图片说明]:中性氢辐射。中性氢原子由一个质子和一个电子组成,它们都具有自旋。电子的自旋既可以和质子自旋平行(左上)也可以反平行(右下)。当电子的自旋从平行状态翻转为反平行时就会发出波长为21厘米的辐射。版权:Pearson Prentice Hall, Inc.。

为了在射电波段进行测量,天文学家在天空中选定了一块20°×20°的观测区域。接着他们会从中选出一些特定的地点,然后(在这一波长上)沿着视线方向进行测量——收集和视线相交的所有天体的信息。

请记住,银盘是转动的。因此观测到的每片氢云也在运动,于是它们的发射线在电磁波谱上也会移动。对于朝向观测者运动的氢云,电磁波会被“挤压”,进而观测到的波长会变短。如果它正在远离观测者,电磁波由于被“拉伸”,因此观测到的波长会变长。这就是多普勒效应。这和高速公路上呼啸而过的汽车类似。当汽车朝向你驶来的时候,你听到的音调会变高(波长变短);当它离你而去的时候,你听到的音调会变低(波长变长)。

通过把测量到的发射线和标准的21厘米谱线进行比较,天文学家就能够确定出氢云的运动速度。但21厘米谱线并不能提供实际距离的信息。这要由测量到的速度进一步计算得出。就像任何旋转的扁平天体,在银河系中天体的速度取决于它到银河系中心的距离。

天文学家测量了其他星系中恒星的速度,并且将它们和这些恒星到星系中心的距离进行比较,得出了“旋转曲线”。天文学家也测量了银河系的旋转曲线,只不过这次他们自己就在银河系中,因此难度要大得多。

除了要知道速度是如何随着到银心的距离不同而变化的,天文学家还必须要知道太阳到银河系中心的距离,这个数字大约是2.6万光年。

因此,视线方向上的每一片氢云到银心的距离各不相同,由此它们的运动速度也各不一样。天文学家们在21厘米发射线附近能看到多条锐利的发射线,但都发生了些许的多普勒频移。

有了氢云的速度,通过和旋转曲线进行比较,天文学家就能确定出它到银心的距离。进一步就可以绘制出它们的位置。他们发现中性氢确实组成了银河系的旋臂。1953年,奥尔特和范德赫尔斯特首次公布了21厘米射电巡天的结果。

就如同其他的巡天观测,天文学家也必须谨慎地对待21厘米的观测结果。银河系中的某些部分会偏离圆轨道运动,有的甚至是随机运动。通过综合不同的方法,天文学家才能拼接出一幅更准确的银河系结构图。

到20世纪50年代末,天文学家已经知道银河系有若干条旋臂,它们都尾随于银河系的自转。他们还知道,我们银河系的旋臂可能并不具有类似M51这样紧密的宏象结构,但比起MlOl则要收得更紧一些。

[图片说明]:相对于银河系,星系M51(上图)具有更紧密的宏象旋臂,星系M101(下图)的旋臂则更为松散。天文学家们使用了许多测量技术来确定我们银河系的结构。版权:M51:Robert Gendler;M101:Dick Locke。

星际介质中有大约一半的氢并非处于氢原子状态(单个的氢原子),而是以氢分子(由两个氢原子组成)的形式出现。氢分子只能发出微弱的射电辐射。不过没关系,一氧化碳会发出很强的射电辐射,它可以告诉天文学家氢分子的位置。因为这些分子会以相对稳定的比例出现。因此,天文学家通过观测一氧化碳的发射线就能探测出氢分子。

20世纪70年代,天文学家开始由观测一氧化碳来测量氢分子区。他们使用不同的射电技术拼接出了一幅银河系的旋臂结构图。

然而,即使有了这些方法,天文学家要想了解银河系的内部结构仍然很难。20世纪50年代末,天文学家观测到了非常靠近银心处旋臂的奇特运动。他们发现,气体并不单单地围绕银心旋转(就像银河系中的其他部分),它们还会远离银心。他们把它称为“3千秒差距膨胀旋臂”。但这条旋臂是如何形成的呢?

有人提出,银河系的中心有一个棒状结构,从中心向两侧延伸出大约10,000光年(3千秒差距)。在棒的端点上联有一个环状结构或者是旋臂。而确定银河系中心的结构则要等到20世纪90年代红外卫星上天之后。

完成拼图

此后天文学家们继续在多波段上对银河系进行着探测。他们很快就转向了红外波段——比射电波段能量要高(波长较短),但比可见光能量较低(波长较长)。由于红外辐射可以畅通地穿行于银河系的尘埃之中,天文学家由此就可以观测到银河系的核心。虽然早在20世纪50年代初天文学家就已经开始对银河系进行红外观测,但地球大气对绝大部分红外辐射的阻挡使得他们收效甚微。

美国宇航局的宇宙背景探测器通过把红外探测器——弥漫红外背景实验——送入太空解决了这个问题。1990年,弥漫红外背景实验拍摄了第一张银河系中央核球的近红外照片。这一图像令人印象非常深刻,就像从侧向观测其他旋涡星系一样。

[图片说明]:1990年天文学家获得了银河系中心区域的首幅红外图像。弥漫红外背景实验在三个不同红外波段上的观测合成了这幅照片。版权:COBE/DIRBE/NASA。

其他的红外巡天则拍摄了银道面和核球的更锐利的图像。但更重要的是,天文学家们现在可以看“穿”尘埃来研究银心附近恒星的运动。

那么,既然20世纪50年代一些天文学家发现了在银心半径10,000光年(3秒差距)内气体的反常运动,那么红外观测可以揭示出是什么造成了这些运动吗?

到20世纪90年代,天文学家们分析了来自气球和弥漫红外背景实验对银心的红外观测结果。他们发现核球在某一个方向上被拉长了——这因此也暗示了银河系中心的棒状结构(在绕银心转动的过程中)和我们之间存在一定的夹角。

最近的另一项研究进一步确认了棒的存在。2005年,斯皮策空间望远镜的红外中银道面非常巡天在中红外波段进行了观测,记录下了大约3,000万个源,精确地测量了银河系的中心。由此天文学家发现银心在某个方向上恒星的数量明显要比其他的多,这预示了棒的存在。他们还发现棒的长度大约为2.8万光年,与太阳到银心的距离(2.6万光年)相当。

那么,银河系中央的棒到底是什么?它是一大群在长椭圆轨道上绕银心运动的恒星。在棒的两端有两条旋臂与之相连——盾牌-半人马臂和英仙臂。另外两条旋臂似乎也始于棒较长的两侧。

[图片说明]:经过数百年的研究,天文学家对银河系结构有了较好的了解。银河系有一个中央棒和四条旋臂,其中两条似乎是大旋臂。银盘从侧向看也可能存在一定的翘曲。版权:NASA/JPL-Caltech。

于是事情出现了转机。几十年来,天文学家一直认为银河系中有四条主要旋臂——英仙臂、人马臂、盾牌-半人马臂和矩尺臂,以及一些旋臂的分支,例如我们所在的猎户分支。但2008年,红外中银道面非常巡天又做出了一大重要发现:我们的银河系可能只包含有两条主要的旋臂,另外两条则是小旋臂。盾牌-半人马臂和英仙臂富含气体和不同年龄的恒星。而人马臂和矩尺臂则绝大部分是气体,只有少量恒星点缀其中。

天文学家利用射电、红外和可见光拼出了一幅银河系的详图。银盘的直径大约12万光年,中心棒状结构长2.8万光年。我们到银心的距离为2.6万光年,运动速度为每秒220千米。但银河系中仍然有很多的未解之谜——银河系中的暗物质是由什么组成的?银河系一共有多少旋臂?等等。天文学家任何时候都不会缺乏研究的课题。

(本文已刊载于《天文爱好者》2010年第4期)

[Astronomy 2009年10月]
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21 Responses to “探识银河真面目”

  1. 孤竹牧狼人说道:

    沙发~
    要做一个有质量的沙发就要提出有价值的问题~
    可惜现在没空细看......

  2. sheldon说道:

    有意思,原来是这样一步一步认识银河系的

  3. 奚隹说道:

    您好,我覺得這篇文章很棒。

    不過沒有基礎的人似乎很難看懂,專有名詞好多啊。

    可不可以請您再簡化一點呢?如果有機會的話。

    謝謝分享。

  4. xidianwangyu说道:

    现在才知道银河系的的形状是怎么画出来的。

  5. 朱毅德说道:

    睡前一读。梦中再见。

  6. Metaverse说道:

    棒旋星系的中心为什么会成棒状,是不是“双核”的结构……?

  7. 阿塔说道:

    每次看见星系的图,都有一种想要跳进中心的冲动。

  8. 建一说道:

    “黑洞”就是宇宙大尺度空间结构中,物质运动产生的“磁场旋涡”现象,如大型的磁场旋涡——星系中心的“黑洞”(银河系中心等)和小的磁场旋涡——恒星级“黑洞”(天鹅座X—1等)。 恒星级“黑洞”的“黑”特征是因为磁场旋涡中心的物质密度非常稀薄,达不到反射可见光射线的效果。它的极高能量、强烈射线辐射主要都是由磁场力作用产生的。按其形态和性质来说,它倒真是一个名副其实的“黑暗磁场旋涡洞”。

  9. 空间端点说道:

    “在银心半径10,000光年(3秒差距)内气体的反常运动”是否有错?1秒差距=3.26光年,10000光年约等于3000秒差距。

  10. newcswy14说道:

    这段历史很有趣啊,看人类一步步认识外部世界

  11. Ariel说道:

    图文并茂,是篇好文章。

  12. lin说道:

    银河系是不是有不数的钻石?

  13. mark说道:

    好长好长好长,看得我累死了,不过涨了不少知识,值了

  14. 西西说道:

    不长不长 知识长了就好

  15. 西西说道:

    不长不长 知识长了就好

  16. niko说道:

    长知识了,学习一下。

  17. merry_gt说道:

    我就是来欣赏图片的~总觉得星系和他们的悬臂很漂亮~

  18. uuu说道:

  19. 尽吹散说道:

    心和银河他俩谁大

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