银河系

我们是如何了解银河系形状的？

我们没有从上方拍摄银河系的照片。太阳系位于银盘之中，所以望远镜始终是从银河系内部向外观测。天文学家因此不仅测量恒星和气体所在的方向，还测量它们的距离和运动。把这些数据放到同一张地图上，中心的长棒状结构以及环绕它的旋臂就会显现出来。

夜空中的银河，是我们从内部看到的银河系银盘。它的英语名称Milky Way也来自这条乳白色光带，看上去仿佛一条横贯天空的“乳之路”。沿着恒星密集的银盘横向望去，无数星光重叠成这条亮带。但只看这条亮带，无法知道哪颗恒星在近处，哪颗又在数万光年之外。星际尘埃还会让远处恒星变暗、变红，使银河系中心和银盘另一侧在可见光下尤其难以观测。

• 约2.66万光年 2019年研究计算出的太阳到银河系中心的距离
• 约200处 在大质量恒星形成区中，用射电观测直接测得距离的区域
• 超过3300万颗 Gaia DR3中可以同时研究位置和三维速度的恒星
• 两条旋臂与四条旋臂 老年恒星分布中两条最突出，气体和年轻恒星分布中则有四条最清楚

如何测量附近恒星的距离？

知道某颗恒星出现在人马座方向，并不会直接给出地图上的一个点，而只会得到一条从太阳向该方向延伸的线。必须知道恒星位于这条线上的什么位置，才能把观测结果换算成从上方俯视银河系的坐标。对于较近的恒星，天文学家使用周年视差：地球绕太阳运行时，恒星相对于背景会显得轻微摆动。摆动越小，恒星越远。

Gaia反复观测同一天体，测量这种极小的角度和天体在天空中的移动方向。已经发布的DR3中，有超过3300万颗恒星可以同时研究位置与三维运动。研究人员从中选出约58万颗高温年轻恒星，以及988个年龄不到1亿年的星团，描绘太阳周围约1.3万至1.6万光年范围内的恒星形成区。这并不是把所有恒星原样标出的地图，而是挑选年轻恒星来显示旋臂位置的地图。

Gaia观测了约20亿个天体，并不意味着这20亿个天体的距离和运动都具有同样精度。能够获得哪些信息、误差有多大，会受到天体亮度和距离、周围是否拥挤，以及尘埃遮挡程度的影响。航天器的观测已于2025年结束，但整理和发布已收集数据的工作仍在继续。

如何追踪尘埃背后的气体？

冷氢发出的21厘米射电波，以及一氧化碳分子发出的射电波，比可见光更容易穿过尘埃。测量波长相对原始波长变长或变短了多少，就能知道气体是在靠近还是远离我们。再套用银河系旋转模型，可以粗略估算气体的距离，并把气体长条状聚集的区域画成旋臂候选位置。

不过，同一种速度有时会对应两个不同的距离。气体也不总是沿完美的圆轨道运行，中心棒状结构和旋臂的引力可能让它横向流动。射电观测能看到银河系另一侧的气体，但根据旋转速度算出的距离并不总是唯一。因此，还需要其他方法直接测得的距离作为基准点。

射电波显示尘埃之后气体的方向和速度。三角视差则直接测量与这些气体一同形成的恒星有多远。只有把两种测量结合起来，才能把旋臂的位置标在地图上。

能否测量遥远恒星形成区的距离？

在大质量恒星形成的云中，某些分子有时会发出极强、且集中在单一波长附近的射电波。发出这种射电波的小区域称为微波激射源。用相距很远的多台射电望远镜同时观测，可以测出它极其微小的位置变化。比较地球位于太阳两侧时看到的位置差，求得三角视差，就能在不依赖银河系旋转模型的情况下计算距离。

到2019年，BeSSeL与VERA团队已经收集了约200处大质量恒星形成区的视差和自行数据。把这些测量点连接起来，可以看到对应人马–船底臂、英仙臂、盾牌–半人马臂和外臂的多条长带；包含四条主要气体与恒星形成旋臂的模型能很好地解释数据。同一项分析还得出太阳到银河系中心的距离为8.15±0.15千秒差距，约2.66万光年。

这并不表示每条旋臂的距离都已连续测量、毫无空缺。微波激射源只在特定的恒星形成区足够明亮，南天方向和银河系另一侧的测量点仍然较少。研究人员用数学螺旋模型连接彼此分离的测量点。因此，地图上平滑绘出的旋臂既包含直接测量的区段，也包含根据测量点计算连接的区段。

1. 测量方向 记录星光或射电波来自天空的哪个方向。
2. 测量距离 利用Gaia恒星视差和微波激射源视差，确定天体位于该方向上的什么位置。
3. 测量运动 把天体在天空中的移动与靠近或远离我们的速度结合起来。
4. 比较不同示踪物 分别绘制老年恒星、年轻恒星、星团、氢和分子云的位置。
5. 计算测量点之间的区段 在标明未直接观测区段和误差的同时，求出棒状结构、旋臂和银盘的形状。

银河系中心的棒状结构是如何发现的？

在可见光下，银河系中心前方的尘埃会遮挡光线；红外观测则能看到更多中心区域的恒星。天文学家挑选真实亮度彼此相近的红团簇星，再根据它们看起来有多亮来估算距离。把这些恒星标在地图上，就会发现中心恒星并非只形成圆形聚集，而是构成了向一侧倾斜的长结构。恒星和气体的运动也无法仅用各个方向都相同的圆盘来解释。

同时解释恒星位置和运动的现有模型显示，中心棒状结构相对于太阳与银河系中心连线倾斜约25至30度，并从中心向外延伸约1.6万光年。像S2这样在中心附近运行的恒星，其轨道还会用另一种方法核对银河系中心的位置和距离。我们把银河系称为棒旋星系，是因为对中心恒星、银盘气体和旋臂的独立观测能够拼成同一个整体结构。

银河系究竟有两条旋臂，还是四条？

用Spitzer红外观测统计银盘中的老年恒星时，盾牌–半人马臂与英仙臂尤其醒目。相比之下，氢、分子云、年轻恒星和微波激射源所标出的恒星形成结构中，则会出现四条长旋臂。即使在同一星系里，老年恒星密度最高的区域，也不必与气体受压缩、恒星刚开始形成的区域沿着完全相同的线分布。

太阳所在的区域过去主要被画成较短的“猎户支臂”。利用微波激射源和Gaia绘制年轻恒星后，本地臂显示为至少延伸约2.6万光年的长区段。“旋臂”与“支臂”之间没有正式界线。研究人员会根据长度、恒星形成活跃程度以及它与其他旋臂的连接方式命名，因此不同研究画出的旋臂数量和边界可能略有不同。

银河系地图中哪些部分经过了直接测量？

即使不离开银河系，我们也能了解它的棒状结构、银盘和旋臂。但这些知识并非来自一种望远镜或一张图像。恒星视差密集填充附近银盘，射电波寻找尘埃之后的气体，微波激射源视差为远处旋臂放置距离基准点，红外观测与恒星运动则揭示中心棒状结构。

随着新数据增加，旋臂如何相连、棒状结构有多长，或本地臂应称为旋臂还是支臂，都可能改变。这并不意味着以前的地图没有证据。只要说明使用了哪些恒星和气体，以及哪些区段的距离是直接测得的，就能分辨银河系地图中哪些部分已经得到确认，哪些部分是根据测量结果计算连接的。

来源

• The Astrophysical Journal — Trigonometric Parallaxes of High-Mass Star-Forming Regions
• Astronomy & Astrophysics — Gaia DR3: Mapping the Asymmetric Disc of the Milky Way
• Astronomy & Astrophysics — Gaia DR3: Chemical Cartography of the Milky Way
• ESA — Gaia Mission and Data-Release Status
• Research in Astronomy and Astrophysics — The Bar and Spiral Arms in the Milky Way
• Science Advances — The Local Spiral Structure of the Milky Way
• NASA Science — Why the Milky Way Has Its Name