制圖：羅恩·米勒（Ron Miller）

長(zhǎng)期以來(lái)，我們對(duì)銀河系知之甚少，我們甚至不知道太陽(yáng)在銀河系中的具體位置。不過(guò)，天文學(xué)家最近利用一些觀測(cè)數(shù)據(jù)，繪制了全新的“銀河系圖”，這幅圖將刷新我們對(duì)銀河系、星系形成的認(rèn)識(shí)。而且通過(guò)這幅地圖，我們還知道，太陽(yáng)幾乎正好位于銀河系盤的中心平面上。

幾百年前，探險(xiǎn)家們遠(yuǎn)渡重洋，橫貫未知大陸，繪制了詳細(xì)的地圖。在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中，人類發(fā)射的太空探測(cè)器已經(jīng)拍攝了太陽(yáng)系的大部分區(qū)域。然而，盡管我們已經(jīng)了解太陽(yáng)系這個(gè)天文后院，但對(duì)自己所處的宇宙大社區(qū)——銀河系——的了解卻不夠。原因很明顯，恰如“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中”，我們無(wú)法離開(kāi)銀河系而回眸銀河系的全景。

也許，你可以夢(mèng)想我們發(fā)射一艘航天器，讓它駛離我們的銀河系后，再回頭拍張銀河系的全景照片，但是航天器只有經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的旅程后，才能做到這一點(diǎn)，這顯然是不切實(shí)際的。我們還有很多關(guān)于銀河系的懸而未決的問(wèn)題，例如銀河系有多少條旋臂，最接近太陽(yáng)的一種大型結(jié)構(gòu)是否可以算作一條獨(dú)立旋臂，以及我們太陽(yáng)系在銀河系中處于什么位置。

然而，科學(xué)家最近正努力從內(nèi)到外測(cè)繪銀河系，從而能首次繪制準(zhǔn)確的銀河系結(jié)構(gòu)圖。這個(gè)美好的前景是數(shù)個(gè)高級(jí)射電和光學(xué)大型望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目共同努力得到的結(jié)果，其中包括我們主導(dǎo)的銀河系“棒和旋臂結(jié)構(gòu)遺產(chǎn)性巡天計(jì)劃”（Bar and Spiral Structure Legacy Survey，簡(jiǎn)稱BeSSeL計(jì)劃）。我們獲得了甚長(zhǎng)基線陣（Very Long Baseline Array）前所未有長(zhǎng)達(dá)5000小時(shí)的觀測(cè)時(shí)間。

我們的項(xiàng)目的初步結(jié)果為人們提供了一幅全新的銀河圖。除了更好地了解銀河系的整體圖像外，我們還開(kāi)始澄清為什么銀河系這樣的星系會(huì)呈現(xiàn)出旋渦結(jié)構(gòu)，以及我們的銀河家園是如何與整個(gè)宇宙融為一體的。

宇宙鄰里

十九世紀(jì)初期，第三任羅塞伯爵威廉·帕森斯（William Parsons）建造了一臺(tái)口徑為72英寸的望遠(yuǎn)鏡——按當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，這是一臺(tái)“巨大的”望遠(yuǎn)鏡。他觀測(cè)并畫出了明顯有旋渦型旋臂圖案的M51星云（我們現(xiàn)在稱之為渦狀星系，Whirlpool Galaxy）。然而，在不知道M51有多遠(yuǎn)或銀河系尺度的情況下，我們不清楚渦狀星系是我們所處的銀河系中的一個(gè)小結(jié)構(gòu)，還是一個(gè)與銀河系類似的星系。

關(guān)于這些問(wèn)題的辯論一直持續(xù)到二十世紀(jì)初。直到美國(guó)科學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）使用亨利埃塔·利維特（Henrietta Leavitt）發(fā)展的技術(shù)測(cè)量出我們到一些明亮恒星的距離后，我們才了解到，渦狀星系和其他旋渦星云都處于銀河系之外，而且與銀河系相似。這個(gè)發(fā)現(xiàn)顛覆了銀河系即是整個(gè)宇宙的觀念。

銀盤是構(gòu)成銀河系主體的薄餅狀區(qū)域，通過(guò)測(cè)量整個(gè)銀盤中氣體的運(yùn)動(dòng)，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)我們其實(shí)生活在一個(gè)旋渦星系中。星系的主要常見(jiàn)類型包括旋渦星系和橢圓星系兩種。從遠(yuǎn)處看到的銀河系的模樣可能很像近鄰旋渦星系NGC 1300和風(fēng)車星系（M101）。NGC 1300的中心具有一個(gè)明亮的長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)，天文學(xué)家稱其為星系的棒結(jié)構(gòu)。兩條藍(lán)色的旋臂從棒結(jié)構(gòu)的兩個(gè)末端伸出，并圍繞中心棒逐漸向外延伸。

大多數(shù)旋渦星系中都具有棒結(jié)構(gòu)，一般認(rèn)為這種結(jié)構(gòu)是因星系致密盤的引力不穩(wěn)定性而形成的。然后，中心的棒結(jié)構(gòu)會(huì)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生攪拌作用，進(jìn)而可能促進(jìn)旋臂的形成（其他過(guò)程，例如盤內(nèi)大質(zhì)量團(tuán)塊引起的引力不穩(wěn)定性或臨近星系的引力擾動(dòng)，也可能導(dǎo)致旋臂的形成）。在藍(lán)光波段更容易看到旋臂，這是因?yàn)樾凼钦谛纬珊阈堑木薮蠛阈钱a(chǎn)房，更容易發(fā)出藍(lán)光。風(fēng)車星系M101是另一個(gè)可能類似銀河系的星系。盡管風(fēng)車星系沒(méi)有NGC 1300的中心棒，但它有更多的旋臂。

我們可能生活在一個(gè)四旋臂的旋渦星系（銀河系）中，它具有一個(gè)明亮且對(duì)稱的中心棒。| 圖片來(lái)源：XING-WU ZHENG AND MARK REID Bar and Spiral Structure Legacy Survey/Nanjing University/? Center for Astrophysics, Harvard and Smithsonian (Milky Way chart and illustration)?

天文學(xué)家一直認(rèn)為，銀河系可能具有NGC 1300和M101這兩個(gè)星系的特征：可能有類似NGC 1300那樣的明顯的長(zhǎng)棒結(jié)構(gòu)，也像M101一樣具有多條旋臂。但是，除了這些基本結(jié)論外，仍有很多爭(zhēng)議之處。例如，斯皮策（Spitzer）太空望遠(yuǎn)鏡在十多年前的紅外觀測(cè)結(jié)果表明，銀河系可能只有兩條主旋臂。而對(duì)原子氫和一氧化碳的射電波段觀測(cè)表明，銀河系具有四條旋臂。在河外星系里，這些氣體是集中在旋臂上的。除旋臂特征之外，天文學(xué)家還在爭(zhēng)論太陽(yáng)離銀河系中心有多遠(yuǎn)，以及太陽(yáng)相對(duì)于銀河系中平面（即盤中心平面）的垂向高度是多少。

大約70年前，科學(xué)家計(jì)算了附近一些很亮的藍(lán)色恒星離我們的距離。如果把這些恒星標(biāo)識(shí)在銀河系結(jié)構(gòu)圖上就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們是三條相鄰的旋臂的一部分。我們將這三條旋臂稱為人馬臂、本地臂和英仙臂。大約在同一時(shí)間，從1950年代開(kāi)始，射電天文學(xué)家觀測(cè)到了原子氫氣體，這種氣體會(huì)發(fā)射波長(zhǎng)為21厘米的特征射電信號(hào)。當(dāng)這種原子氫氣體相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的特征射電頻率會(huì)因多普勒效應(yīng)而發(fā)生偏移，從而使天文學(xué)家能夠利用頻率偏移來(lái)測(cè)量這種氣體的運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而繪制出它們?cè)阢y河系中的位置分布。

利用這種測(cè)量方法，天文學(xué)家采用了一個(gè)以太陽(yáng)為中心的坐標(biāo)系：類似于地球儀的經(jīng)度和緯度，銀經(jīng)（l）以對(duì)著銀河系中心的方向?yàn)榱?，并在銀河系的“赤道”平面內(nèi)順時(shí)針?lè)较蛟黾樱◤谋碧烨蚩淬y河系）；銀緯（b）表示垂直于銀盤平面的角度。氫原子氣體的21厘米特征射電信號(hào)在銀經(jīng)-速度圖中顯示出連續(xù)的結(jié)構(gòu)，其很可能示蹤了銀河系的多條旋臂結(jié)構(gòu)。后來(lái)繪制的一氧化碳分子氣體的銀經(jīng)-速度圖也展現(xiàn)了類似的特征。但是，這種間接映射方法可能存在歧義，也不夠準(zhǔn)確，難以清晰地展示銀河系的旋臂結(jié)構(gòu)。

一個(gè)新視野

我們對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)知之甚少的一個(gè)原因是，銀河系中有大量的塵埃。塵?？梢杂行У匚湛梢?jiàn)光，因此在大多數(shù)視線方向上，塵埃都遮擋了我們的視線，讓我們看不到很遠(yuǎn)的地方。另一個(gè)原因是，銀河系尺度之大令人咋舌：銀河另一側(cè)的恒星發(fā)出的光要經(jīng)過(guò)5萬(wàn)年以上的時(shí)間才能到達(dá)地球。如此遙遠(yuǎn)的距離甚至使我們很難分辨出哪些恒星離我們近，哪些恒星離我們遠(yuǎn)。

現(xiàn)在，在太空中運(yùn)行的新型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，以及分布在全球的新型射電望遠(yuǎn)鏡可以讓我們更好地回答有關(guān)銀河系的種種問(wèn)題。蓋亞空間天體測(cè)量衛(wèi)星項(xiàng)目（Gaia mission）于2013年啟動(dòng)，旨在測(cè)量銀河系中近十億顆恒星的精確距離，這無(wú)疑將革命性地改變我們對(duì)銀河系形成過(guò)程中不同星族的認(rèn)識(shí)。但是，由于蓋亞衛(wèi)星是在可見(jiàn)光波段進(jìn)行觀測(cè)，而可見(jiàn)光易被星際塵埃顆粒吸收散射，所以蓋亞在觀測(cè)離我們非常遙遠(yuǎn)的旋臂時(shí)，可能會(huì)受到星際塵埃的影響。相反，由于射電波很容易穿過(guò)塵埃，因此射電望遠(yuǎn)鏡可以探測(cè)整個(gè)銀盤，我們就可以利用這類望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果來(lái)繪制銀盤的整體結(jié)構(gòu)圖。

目前，繪制銀河系結(jié)構(gòu)圖的兩個(gè)主要觀測(cè)項(xiàng)目都是使用射電天文學(xué)中的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量技術(shù)（very long baseline interferometry，VLBI）。日本的 VERA（VLBI Exploration of Radio Astrometry）項(xiàng)目使用了4臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，分布范圍從日本北部（巖手縣水澤市）到日本最南端的沖繩石垣島和最東端的小笠原群島，橫跨整個(gè)日本。而我們的BeSSeL巡天計(jì)劃使用的甚長(zhǎng)基線陣列（Very Long Baseline Array）包括10臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，分布范圍從美國(guó)夏威夷到新英格蘭再到美屬維爾京群島的圣克羅伊島，橫跨西半球的大部分地區(qū)。

由于構(gòu)成甚長(zhǎng)基線陣列的望遠(yuǎn)鏡之間的距離幾乎和地球直徑相當(dāng)，因此該陣列可以獲得的角分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他任何望遠(yuǎn)鏡在任何波長(zhǎng)下的分辨率。研究人員必須用該陣列的所有望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀察，并用世界上最好的原子鐘，讓每個(gè)站點(diǎn)的計(jì)算機(jī)同步記錄數(shù)據(jù)。然后，他們將記錄的數(shù)據(jù)運(yùn)送到一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)，由該計(jì)算機(jī)對(duì)各望遠(yuǎn)鏡收集的信號(hào)進(jìn)行處理。如果我們的眼睛對(duì)射電波敏感，那么經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的圖像即是我們?cè)谏潆姴ǘ慰煽吹降囊粡垘缀醣徽麄€(gè)地球的寬度所解析的超高清數(shù)字圖像。

銀河系結(jié)構(gòu)圖：利用多臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡，天文學(xué)家對(duì)銀河系進(jìn)行了數(shù)千小時(shí)的觀測(cè)，測(cè)量了一些天體結(jié)構(gòu)之間的距離。下圖是有史以來(lái)最好的銀河系結(jié)構(gòu)鳥(niǎo)瞰圖。數(shù)據(jù)展示了圍繞銀河系中心的四個(gè)主要的旋臂結(jié)構(gòu)。我們的太陽(yáng)（天文學(xué)家將其視為四象限測(cè)繪坐標(biāo)的中心）會(huì)圍繞銀河系運(yùn)轉(zhuǎn)，環(huán)繞一周大概需要2.12億年?？拷?yáng)軌道的地方，有一條較小的旋臂（藍(lán)色）。未來(lái)，使用南半球上的射電望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展的研究可能會(huì)揭示出第四象限中大部分目前未直接觀測(cè)到的其他結(jié)構(gòu)。|?制圖：埃琳娜·哈特利（Elena Hartley）?

這樣的圖像具有令人難以置信的角分辨率（優(yōu)于0.001角秒：如果把整個(gè)天球均分為360度，那么1角秒為1/3600度）。相比之下，人眼最多只能分辨約40角秒的結(jié)構(gòu)，即使哈勃太空望遠(yuǎn)鏡也只能實(shí)現(xiàn)約0.04角秒的分辨率。

利用VLBI，我們可以測(cè)量出一顆在射電波段很明亮的恒星相對(duì)于背景類星體的位置（類星體其實(shí)是位于遙遠(yuǎn)星系中心的、明亮的活躍黑洞），其精度接近0.00001角秒。這樣，我們可以通過(guò)測(cè)量三角視差效應(yīng)來(lái)測(cè)量非常遠(yuǎn)的距離。三角視差效應(yīng)是指從不同的位置觀測(cè)時(shí)，附近天體也相應(yīng)地出現(xiàn)在背景星空中的不同位置。你可以將手臂向前伸開(kāi)，舉起大拇指，并通過(guò)交替閉合左右眼觀察大拇指來(lái)模擬這種效果。因?yàn)槲覀儍裳坶g距為幾厘米，因此用左右兩眼交替觀測(cè)離我們一臂距離的大拇指時(shí)，拇指相對(duì)遙遠(yuǎn)的背景物體來(lái)說(shuō)，會(huì)出現(xiàn)大約6度的偏移。如果我們知道兩次觀測(cè)位置的間距，以及觀察到的角位移，就很容易計(jì)算出我們與觀測(cè)目標(biāo)的距離。這與測(cè)繪人員繪制城市地圖的原理相同。

三角視差測(cè)距法：天文學(xué)家從地球公轉(zhuǎn)軌道的兩端分別觀測(cè)時(shí)，恒星在背景天空中的位置會(huì)發(fā)生偏移，這個(gè)偏移被稱為視差角，可以用來(lái)測(cè)量恒星與我們的距離。一顆恒星離地球越近，其視差角就越大。與已知的日地距離相結(jié)合，恒星的三角視差使天文學(xué)家可以使用基本的三角函數(shù)來(lái)計(jì)算該恒星與地球的距離。|?制圖：埃琳娜·哈特利（Elena Hartley）?

在理想情況下，天文學(xué)家要繪制旋臂結(jié)構(gòu)圖應(yīng)該觀測(cè)年輕的大質(zhì)量恒星。這些短壽命的恒星通常與旋臂內(nèi)劇烈的恒星形成過(guò)程有關(guān)，并且此類恒星溫度很高，它們可以電離周圍的氣體，使其發(fā)出藍(lán)光，因此在理論上，這些恒星在可見(jiàn)光波段可以作為觀測(cè)星系旋臂的燈塔。

但是，由于這些恒星被銀河系的塵埃盤所包圍，我們無(wú)法輕易地在整個(gè)銀河系中觀測(cè)到此類恒星。幸運(yùn)的是，這些熾熱恒星電離區(qū)域外的水分子和甲醇分子可以作為非常明亮的射電源，因?yàn)樗鼈儠?huì)發(fā)射出大量的幾乎沒(méi)有被銀河塵埃衰減的天然“脈澤”（maser）。脈澤一詞為“受激輻射的微波放大”（microwave amplification by stimulated emission of radiation）的首字母縮寫，也就是說(shuō)，脈澤其實(shí)就是處于射電波段的激光。在天體物理環(huán)境中，脈澤輻射來(lái)自質(zhì)量與木星相當(dāng)?shù)奶?yáng)系尺度的氣體云。脈澤源在射電圖像中表現(xiàn)為非常明亮的點(diǎn)源。因此，脈澤源是三角視差測(cè)量的理想目標(biāo)。

銀河系新圖景

通過(guò)BeSSeL項(xiàng)目和VERA項(xiàng)目，天文學(xué)家已經(jīng)使用三角視差法測(cè)量了約200個(gè)年輕熾熱恒星的距離。這些數(shù)據(jù)橫跨銀河系，大約覆蓋了銀河系三分之一的區(qū)域，并揭示了四條很長(zhǎng)的旋臂。

由此繪制而成的“銀河系圖”還顯示，太陽(yáng)非常接近銀河系的第五條旋臂，這似乎是一段孤立的旋臂，被稱為“本地臂”。此前，該段旋臂被稱為“獵戶臂刺”或“本地臂刺”，也就是說(shuō)，這條旋臂類似于從其他星系的主旋臂伸出的小型附屬結(jié)構(gòu)。但是，對(duì)這種“臂刺”的解釋可能是錯(cuò)誤的。在我們BeSSeL的數(shù)據(jù)中，這條旋臂是孤立的，繞著銀河系旋轉(zhuǎn)了不到四分之一圈。雖然本地臂的長(zhǎng)度較短，但在這條臂中，恒星形成率可與同樣長(zhǎng)度的英仙臂段相當(dāng)。有趣的是，天文學(xué)家曾認(rèn)為英仙臂是銀河系的兩條主旋臂之一（另一條是盾牌-半人馬臂）。但是，我們發(fā)現(xiàn)隨著英仙臂遠(yuǎn)離太陽(yáng)，朝著銀河系內(nèi)延伸時(shí)，恒星的形成率顯著減少。這表明對(duì)于外部觀測(cè)者而言，英仙臂似乎并不是一條非常明顯的旋臂。

通過(guò)繪制大量年輕恒星的三維位置，并對(duì)它們的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量建模，我們可以推算出銀河系的基本參數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)到銀河系中心的距離為8150±150秒差距（即26600光年）。這比幾十年前國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)建議的8500秒差距的值要小。此外，我們發(fā)現(xiàn)銀河系在太陽(yáng)位置處以236千米/秒的速度旋轉(zhuǎn)，這大約是地球繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)速度的8倍。根據(jù)這些參數(shù)值，我們發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)繞銀河系旋轉(zhuǎn)一圈需要大約2.12億年。這也意味著，上一次我們的太陽(yáng)系處在銀河系現(xiàn)在的位置時(shí)，恐龍仍在地球上漫步。

處于太陽(yáng)位置之內(nèi)的銀河系內(nèi)盤非常薄，幾乎是一個(gè)平坦的平面。但太陽(yáng)相對(duì)于該平面的垂向高度一直存在爭(zhēng)議。最近，一些天文學(xué)家測(cè)得太陽(yáng)比內(nèi)盤面高25秒差距（82光年），但我們的測(cè)量值與這一估值有較大的不同。通過(guò)擬合具有精確距離和位置的大質(zhì)量恒星所處的平面，我們可確定太陽(yáng)僅比該平面高約6秒差距（20光年）。這一高度僅為太陽(yáng)到銀河系中心距離的0.07%，這意味著太陽(yáng)非常靠近銀盤的中平面。我們還證實(shí)了前人觀測(cè)到的銀河系翹曲，即銀河系外盤面逐漸偏離內(nèi)盤面，在北側(cè)開(kāi)始向上彎曲，而在南側(cè)向下彎曲，有點(diǎn)像彎曲的土豆片。

為了便于描述觀測(cè)結(jié)果，天文學(xué)家通常將銀河系劃分為以太陽(yáng)為中心的四個(gè)象限。使用這種坐標(biāo)，我們?cè)谇叭齻€(gè)象限中都找到了旋臂。為了繪制第四象限的圖，則需要處于南半球的觀測(cè)設(shè)備。我們正在開(kāi)展南半球的觀測(cè)項(xiàng)目，計(jì)劃使用澳大利亞和新西蘭的望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測(cè)。

天空上的鷹眼：測(cè)量銀河系另一側(cè)恒星形成區(qū)的微小視差角需要極高的角分辨率，目前只有通過(guò)精確合并來(lái)自全球多個(gè)射電望遠(yuǎn)鏡的同時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)才能獲得極高的角分辨率。該圖顯示了甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量法這項(xiàng)技術(shù)的強(qiáng)大功能，其分辨率比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡最清晰的圖像還要高約40倍。|?制圖：埃琳娜·哈特利（Elena Hartley）?

在等待這些觀測(cè)結(jié)果的同時(shí)，我們可以先用來(lái)自原子氫和一氧化碳的觀測(cè)信息，將已知旋臂外推到第四象限。這些觀測(cè)揭示的旋臂結(jié)構(gòu)與先前理論上猜想的矩尺-外臂（Norma-Outer）、盾牌-半人馬臂（Scutum-Centaurus-Outer-Scutum-Centaurus）、人馬-船底臂（Sagittarius-Carina）、英仙臂（Perseus）的結(jié)構(gòu)相吻合。不過(guò)需要注意的是，我們對(duì)遠(yuǎn)離銀河系中心的恒星形成區(qū)域只做過(guò)一次觀測(cè)。我們觀測(cè)到的這個(gè)區(qū)域的距離，再結(jié)合它在一氧化碳的銀經(jīng)-速度圖中的位置，讓我們對(duì)如何在“地圖”上連接銀河系另一端的旋臂有了一定的信心。

但是，我們需要更多的觀測(cè)來(lái)驗(yàn)證我們的模型?，F(xiàn)在，我們對(duì)自己的銀河家園有了更清晰的了解。我們可能生活在一個(gè)四旋臂的旋渦星系中，它具有一個(gè)明亮且對(duì)稱的中心棒。我們的太陽(yáng)幾乎完全位于銀盤中平面上，但太陽(yáng)遠(yuǎn)離銀河系中心，大約在銀河半徑的三分之二處。除了幾乎可以環(huán)繞銀河系一周的旋臂之外，銀河系還有至少一個(gè)額外的旋臂段（本地臂），并且各主要旋臂都可能有許多分叉。這些旋臂特征使我們的銀河系顯得相當(dāng)正常，但肯定不是典型的。大約三分之二的旋渦星系都有中心棒結(jié)構(gòu)，因此銀河系屬于占旋渦星系絕大多數(shù)的棒旋星系。然而，銀河系擁有四條清晰、明確且相當(dāng)對(duì)稱的旋臂，這使得銀河系顯得比較獨(dú)特，因?yàn)榇蠖鄶?shù)旋渦星系的旋臂都少得多，并且旋臂也比較凌亂。

更多謎團(tuán)

盡管我們得到了一些新的答案，但仍有很多懸而未決的重要問(wèn)題。天文學(xué)家仍在爭(zhēng)辯旋臂是如何產(chǎn)生的。關(guān)于這個(gè)問(wèn)題有兩種相互競(jìng)爭(zhēng)的理論，一種理論認(rèn)為，整個(gè)銀河系尺度上的引力不穩(wěn)定性會(huì)形成持久的螺旋形旋臂圖案的密度波；另一種理論則認(rèn)為，一些旋臂片段會(huì)隨著時(shí)間的流逝，因?yàn)樾〕叨壬系牟环€(wěn)定性而被拉伸、放大，進(jìn)而連接起來(lái)，形成更長(zhǎng)的旋臂。在前一種理論中，旋臂可以持續(xù)數(shù)十億年，而在后一種理論中，雖然旋臂的壽命較短，但新的旋臂在銀河系的整個(gè)演化歷史中會(huì)出現(xiàn)多次。

由于銀河系沒(méi)有明確的出生日期，因此很難弄清楚它的準(zhǔn)確年齡。目前流行的觀點(diǎn)是，隨著宇宙歷史上先形成的許多較小的原星系發(fā)生碰撞和并合，它們逐漸融合在一起，形成了現(xiàn)在的銀河系。

銀河系大概在50億年前就已經(jīng)是一個(gè)大型星系，但在那時(shí)，它看起來(lái)可能與現(xiàn)在大不相同，因?yàn)樾窍挡⒑线^(guò)程很可能會(huì)打散任何已有的旋臂結(jié)構(gòu)。

我們需要更多的觀測(cè)結(jié)果來(lái)改進(jìn)我們現(xiàn)有的銀河系結(jié)構(gòu)圖景，而下一代支持VLBI的射電望遠(yuǎn)鏡陣列將為此提供便利。這種正在規(guī)劃中的射電陣列包括非洲的平方公里陣列（Square Kilometer Array）和北美的下一代超大型陣列（Next Generation Very Large Array）。兩者都是跨越整個(gè)大陸的巨大射電望遠(yuǎn)鏡陣列，預(yù)計(jì)21世紀(jì)20年代末它們可以全面投入使用。與現(xiàn)有陣列相比，它們的信號(hào)收集面積將大大增加，因此能夠探測(cè)到來(lái)自恒星的微弱射電輻射，使我們?cè)阢y河系中的視線可以達(dá)到更遠(yuǎn)。最終我們希望明確繪制出銀河家園的建筑結(jié)構(gòu)圖，以證實(shí)或證偽銀河系宏偉旋臂結(jié)構(gòu)的形成理論。

本文作者：馬克·J·里德是哈佛&史密森尼天體物理學(xué)中心史密森尼天體物理學(xué)天文臺(tái)的資深射電天文學(xué)家，最近他被選為美國(guó)科學(xué)院院士。鄭興武是南京大學(xué)天文學(xué)教授，過(guò)去幾十年來(lái)，他主要研究宇宙中的“脈澤”現(xiàn)象和恒星形成。

本文譯者：沈俊太是上海交通大學(xué)天文系長(zhǎng)聘教授，他的主要研究方向?yàn)樾窍祫?dòng)力學(xué)、銀河系結(jié)構(gòu)、天文學(xué)數(shù)值模擬。他的團(tuán)隊(duì)已根據(jù) BeSSel 巡天得到的旋臂位置，使用氣體動(dòng)力學(xué)方法估算了銀河系棒和旋臂的圖案轉(zhuǎn)動(dòng)速度，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《天體物理學(xué)雜志》(Astrophysical Journal)上。

撰文 | 馬克·J·里德（Mark J. Reid）、鄭興武

翻譯 | 沈俊太

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