飛出太陽系，便進入銀河系的星際空間。旅行者1號探測器（Voyager1,見圖1）是目前唯一飛出太陽系的人造天體?，F(xiàn)在它離地球的距離約為149倍日地距離，大約222億公里。它發(fā)出的信號以光速傳到地球單程需要約17小時。

圖1. 旅行者1號（圖片來源：NASA/JPL）

星際旅行怎么能沒有一份趁手的地圖呢？下面讓我們一起拼一份銀河系的星際地圖吧。

首先是銀河系的平面星際地圖。正加速膨脹的宇宙中有約千億個星系，銀河系是其中并不起眼的一個，外形像旋渦，有恒星分布的直徑約為17-20萬光年[1]，比3年前人們對銀河系大小的認識增大了近1倍。銀河系中心區(qū)域有類似木棒的結(jié)構(gòu)，因此它屬于棒旋星系。銀河系從中心旋轉(zhuǎn)出多條旋臂，太陽系就位于其中一條叫獵戶座小旋臂的邊緣地帶。如果把銀河系的中心（簡稱：銀心）比作一個大型城市的中心，那我們生活的太陽系則大約位于城鄉(xiāng)結(jié)合部，距離銀心約2.7萬光年[2][3]。銀河系中有約1000-4000億顆像太陽這樣的恒星及可能數(shù)量相當(dāng)?shù)男行?，他們主要位于銀河系的旋臂和中心區(qū)域附近。銀河系在直徑為25.8萬光年的區(qū)域內(nèi)總質(zhì)量約為1.5萬億倍太陽質(zhì)量，且其中只有約10%是恒星和氣體等，其余約90%為無法直接探測到的暗物質(zhì)[4]。

圖2. 銀河系示意圖（俯視，圖片來源：https://www.nasa.gov/sites/default/files/images/620057main_milkyway_full.jpg，圖片稍作修改，修圖：邱鵬）

從北銀極俯視銀河系（見圖2），它像一個旋轉(zhuǎn)的圓盤。從側(cè)面看去，這個“圓盤”中心區(qū)域比其他區(qū)域更亮且稍隆起，我們稱之為核球，其余亮的區(qū)域比較薄，我們稱之為銀盤（見圖3）。銀盤的平均厚度只有2000光年左右[5]，約為直徑的1%。最新研究表明，銀盤并非一個平面，而是呈翹曲的結(jié)構(gòu)[6]（見圖4）。

圖3. 從地球觀測的銀河系全景圖 ?（由多幅實測圖像拼接，圖片來源：ESO/S.Brunier, http://www.eso.org/public/images/eso0932a/）

圖4. 銀河系的翹曲結(jié)構(gòu)（圖片來源：http://www.bao.ac.cn/xwzx/kydt/201901/W020190131561481401707.jpg）

這樣，我們就得到一幅銀河系的三維星際地圖（見圖5）。

圖5：銀河系三維模擬圖（圖片來源：ESO/NASA/JPL-Caltech/M. Kornmesser/R. Hurt / CC BY）

天文學(xué)家將銀河系從內(nèi)向外分為位于中心的銀心、中部隆起的核球、包含旋臂的銀盤、包裹著以上所有結(jié)構(gòu)的外形近似球形的銀暈（見圖6）。銀暈包括看不見的暗物質(zhì)暈及散布著一些球狀星團的恒星暈，兩者在空間上有重合，而前者更大些。

圖6. 銀河系結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源：RJHall，https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c3/Milky_way_profile.svg，圖片稍作修改，修圖：邱鵬）

什么是球狀星團呢？一般把十個以上且在物理性質(zhì)上有聯(lián)系的一群恒星稱做星團。其中，數(shù)目由十幾到幾千顆恒星組成的，結(jié)構(gòu)松散且形狀不規(guī)則的星團稱為“疏散星團”，一般比較年輕，主要分布在銀盤上，比如昴星團等；數(shù)目由上萬到幾十萬顆恒星組成，整體像雪球的星團稱為球狀星團，一般比較年老，主要分布在銀暈中，比如北天最亮的球狀星團M13等。M13位于武仙座，包含約100萬顆恒星（見圖7），人類曾于46年前用當(dāng)時最大的射電望遠鏡向可能生活在那里的地外文明發(fā)送了一條消息，這條消息包含了人類的DNA、原子序數(shù)、地球位置等信息，將在約2.22萬年后抵達這個星團。

圖7. M13球狀星團 ?（圖片來源：Adam Block, Mt. Lemmon SkyCenter, U. Arizona）

在銀河系所有結(jié)構(gòu)中，包裹著銀心的核球是最亮的部分。從地球看，銀心在人馬座方向，研究發(fā)現(xiàn)，位于銀心的致密射電源人馬座A*（SgrA*）是一個超大質(zhì)量黑洞，質(zhì)量約為415萬倍太陽質(zhì)量。核球部分位于南天，在南半球常年可見，因此南半球看到的銀河更絢爛些（見圖8）。北半球以北京附近為例，銀心晚上升起最高的時候只有20度左右，適宜在夏季觀賞。

圖8. 位于智利的甚大望遠鏡（VLT）的導(dǎo)星激光正指向銀心方向（圖片來源：ESO/Y. Beletsky, https://web.archive.org/web/20081121184421/http://www.eso.org/gallery/v/ESOPIA/Paranal/phot-33a-07.tif.html）

盡管人們很早就懷疑銀心存在超大質(zhì)量黑洞，但實測的證據(jù)卻來自于近年對Sgr A*附近十幾顆大質(zhì)量恒星長達27年的高精度空間運動的監(jiān)測。S2是其中最亮的恒星之一，它不僅有圍繞Sgr A*黑洞的周期為16年的公轉(zhuǎn)軌道，而且第二個周期的軌道與前一個周期形成玫瑰花結(jié)，而非重合的橢圓，這種現(xiàn)象也叫“史瓦西進動”。這一發(fā)現(xiàn)不僅為銀心超大質(zhì)量黑洞的存在提供了強有力的證據(jù)，而且也為愛因斯坦廣義相對論提供了觀測證據(jù)（見圖9）。

圖9. （上圖）恒星S2繞銀心黑洞公轉(zhuǎn)的模擬圖，（下圖）把史瓦西進動軌道差異放大后的示意圖。（圖片來源：ESO/L. Cal?ada，https://www.eso.org/public/videos/eso1622a/）

2019年4月，人們首次欣賞到利用“視界面望遠鏡”拍攝的位于M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞的照片，科學(xué)家在拍這個黑洞的同期，其實還拍了位于銀心的人馬座A*黑洞，只是照片目前尚未“洗”出來。不過，作為距離我們最近的超大質(zhì)量黑洞的首張照片，還是很值得期待的（見圖10）。

圖10. 人馬座A*黑洞的計算機仿真圖像 ?（圖片來源：視界面望遠鏡項目/ESO）

有銀河系的四維地圖么？第四維或許可以是時間，雖然不能像三維空間的各維那樣可逆。銀河系是如何形成和演化的？未來命運如何？天文學(xué)家正在基于實測和理論研究試圖找出線索。比如去年4月，我國天文學(xué)家主導(dǎo)的一項研究發(fā)現(xiàn)：銀河系在演化過程中曾“吞并”過一些質(zhì)量更小的星系[7]。

我們乘著太陽系這葉扁舟，以約220公里/秒的速度圍繞銀河中心公轉(zhuǎn),公轉(zhuǎn)一周約需2.4億年[8]。上次太陽系運行到目前位置附近時，地球上正是恐龍開始崛起的三疊紀(jì)，再上一次是鸚鵡螺統(tǒng)治著海洋的奧陶紀(jì)（見圖11）。下次再轉(zhuǎn)回來時又會是怎樣的光景呢？

圖11. （左圖）恐龍化石，（右圖）鸚鵡螺活體（圖片來源：網(wǎng)絡(luò)）

銀河系中深藏?zé)o數(shù)寶藏，當(dāng)然也包括恒星逝去的軀體所化作的霓裳，下一站我們一起去探訪那些尚留有恒星體溫的星云。更多精彩，請關(guān)注觀天者說。

參考文獻：

[1] M. López-Corredoira et al.，Disk stars in the Milky Way detected beyond 25 kpc from itscenter, 2018, A&A, 612, L8;

[2] R. Abuter et al.，A geometric distance measurement to the Galactic centerblack hole with 0.3% uncertainty, 2019,A&A,625,L10；

[3] S. Gillessen,et al., An Update onMonitoring Stellar Orbits in the Galactic Center, 2017,ApJ, 837, 30G

[4]Laura L. Watkins, Evidence for anIntermediate-mass Milky Way from Gaia DR2 Halo Globular Cluster Motions, 2019,ApJ, 873, 118W

[5] Rix.Hans-Walter et al.,The Milky Way’s stellar disk：Mapping and modeling the Galactic disk，2013,A&Arv, 21, 61R

[6] X. D. Chen et al., An intuitive 3Dmap of the Galactic warp’s precession traced by classical Cepheids, 2019,NatAs, 3, 320C

[7] Q. F. Xing et al., Evidence for theaccretion origin of halo stars with an extreme r-process enhancement, 2019,NatAs, 3, 631X

[8] Linda S. Sparke et al., Galaxies inthe Universe: An Introduction, 2007, ISBN 9781139462389, p 90.

主創(chuàng)簡介

王匯娟，中國科學(xué)院國家天文臺星云計劃研究員。主要從事恒星物理和高精度測光和光譜探測方法研究。

姜曉軍，中國科學(xué)院國家天文臺研究員，中國科學(xué)院大學(xué)崗位教授。主要從事恒星物理和天文技術(shù)研究。

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