太阳系外漫游——银河系的星际地图① | 观天者说

　　大家好，我是中科院国家天文台的王汇娟，今天，让我们一起来漫游银河系！

　　飞出太阳系，便进入银河系的星际空间。旅行者1号探测器（Voyager1,见图1）是目前唯一飞出太阳系的人造天体。现在它离地球的距离约为149倍日地距离，大约222亿公里。它发出的信号以光速传到地球单程需要约17小时。

图1. 旅行者1号（图片来源：NASA/JPL）

　　星际旅行怎么能没有一份趁手的地图呢？下面让我们一起拼一份银河系的星际地图吧。

　　首先是银河系的平面星际地图。正加速膨胀的宇宙中有约千亿个星系，银河系是其中并不起眼的一个，外形像旋涡，有恒星分布的直径约为17-20万光年[1]，比3年前人们对银河系大小的认识增大了近1倍。银河系中心区域有类似木棒的结构，因此它属于棒旋星系。银河系从中心旋转出多条旋臂，太阳系就位于其中一条叫猎户座小旋臂的边缘地带。如果把银河系的中心（简称：银心）比作一个大型城市的中心，那我们生活的太阳系则大约位于城乡结合部，距离银心约2.7万光年[2][3]。银河系中有约1000-4000亿颗像太阳这样的恒星及可能数量相当的行星，他们主要位于银河系的旋臂和中心区域附近。银河系在直径为25.8万光年的区域内总质量约为1.5万亿倍太阳质量，且其中只有约10%是恒星和气体等，其余约90%为无法直接探测到的暗物质[4]。

图2. 银河系示意图（俯视，图片来源：https://www.nasa.gov/sites/default/files/images/620057main_milkyway_full.jpg，图片稍作修改，修图：邱鹏）

　　从北银极俯视银河系（见图2），它像一个旋转的圆盘。从侧面看去，这个“圆盘”中心区域比其他区域更亮且稍隆起，我们称之为核球，其余亮的区域比较薄，我们称之为银盘（见图3）。银盘的平均厚度只有2000光年左右[5]，约为直径的1%。最新研究表明，银盘并非一个平面，而是呈翘曲的结构[6]（见图4）。

图3. 从地球观测的银河系全景图 （由多幅实测图像拼接，图片来源：ESO/S.Brunier）

图4. 银河系的翘曲结构（图片来源：http://www.bao.ac.cn/xwzx/kydt/201901/W020190131561481401707.jpg）

　　这样，我们就得到一幅银河系的三维星际地图（见图5）。

图5：银河系三维模拟图（图片来源：ESO/NASA/JPL-Caltech/M. Kornmesser/R. Hurt / CC BY）

　　天文学家将银河系从内向外分为位于中心的银心、中部隆起的核球、包含旋臂的银盘、包裹着以上所有结构的外形近似球形的银晕（见图6）。银晕包括看不见的暗物质晕及散布着一些球状星团的恒星晕，两者在空间上有重合，而前者更大些。

图6. 银河系结构示意图（图片来源：RJHall，图片稍作修改，修图：邱鹏）

　　什么是球状星团呢？一般把十个以上且在物理性质上有联系的一群恒星称做星团。其中，数目由十几到几千颗恒星组成的，结构松散且形状不规则的星团称为“疏散星团”，一般比较年轻，主要分布在银盘上，比如昴星团等；数目由上万到几十万颗恒星组成，整体像雪球的星团称为球状星团，一般比较年老，主要分布在银晕中，比如北天最亮的球状星团M13等。M13位于武仙座，包含约100万颗恒星（见图7），人类曾于46年前用当时最大的射电望远镜向可能生活在那里的地外文明发送了一条消息，这条消息包含了人类的DNA、原子序数、地球位置等信息，将在约2.22万年后抵达这个星团。

图7. M13球状星团 （图片来源：Adam Block, Mt. Lemmon SkyCenter, U. Arizona）

　　在银河系所有结构中，包裹着银心的核球是最亮的部分。从地球看，银心在人马座方向，研究发现，位于银心的致密射电源人马座A*（SgrA*）是一个超大质量黑洞，质量约为415万倍太阳质量。核球部分位于南天，在南半球常年可见，因此南半球看到的银河更绚烂些（见图8）。北半球以北京附近为例，银心晚上升起最高的时候只有20度左右，适宜在夏季观赏。

图8. 位于智利的甚大望远镜（VLT）的导星激光正指向银心方向（图片来源：ESO/Y. Beletsky）

　　尽管人们很早就怀疑银心存在超大质量黑洞，但实测的证据却来自于近年对Sgr A*附近十几颗大质量恒星长达27年的高精度空间运动的监测。S2是其中最亮的恒星之一，它不仅有围绕Sgr A*黑洞的周期为16年的公转轨道，而且第二个周期的轨道与前一个周期形成玫瑰花结，而非重合的椭圆，这种现象也叫“史瓦西进动”。这一发现不仅为银心超大质量黑洞的存在提供了强有力的证据，而且也为爱因斯坦广义相对论提供了观测证据（见图9）。

图9. 把史瓦西进动轨道差异放大后的示意图。（图片来源：ESO/L. Calçada）

　　2019年4月，人们首次欣赏到利用“视界面望远镜”拍摄的位于M87星系中心的超大质量黑洞的照片，科学家在拍这个黑洞的同期，其实还拍了位于银心的人马座A*黑洞，只是照片目前尚未“洗”出来。不过，作为距离我们最近的超大质量黑洞的首张照片，还是很值得期待的（见图10）。

图10. 人马座A*黑洞的计算机仿真图像 （图片来源：视界面望远镜项目/ESO）

　　有银河系的四维地图么？第四维或许可以是时间，虽然不能像三维空间的各维那样可逆。银河系是如何形成和演化的？未来命运如何？天文学家正在基于实测和理论研究试图找出线索。比如去年4月，我国天文学家主导的一项研究发现：银河系在演化过程中曾“吞并”过一些质量更小的星系[7]。

　　我们乘着太阳系这叶扁舟，以约220公里/秒的速度围绕银河中心公转,公转一周约需2.4亿年[8]。上次太阳系运行到目前位置附近时，地球上正是恐龙开始崛起的三叠纪，再上一次是鹦鹉螺统治着海洋的奥陶纪（见图11）。下次再转回来时又会是怎样的光景呢？

图11. 恐龙化石

图12. 鹦鹉螺活体（图片来源：网络）

　　银河系中深藏无数宝藏，当然也包括恒星逝去的躯体所化作的霓裳，下一站我们一起去探访那些尚留有恒星体温的星云。更多精彩，请关注观天者说。

　　主创简介

　　王汇娟，中国科学院国家天文台星云计划研究员。主要从事恒星物理和高精度测光和光谱探测方法研究。

　　姜晓军，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学岗位教授。主要从事恒星物理和天文技术研究。