银河系新地图

几百年前，探险家们航行于海洋，穿越未知的陆地来绘制地球地图；在过去的半个世纪里，太空探测器拍摄了我们太阳系的大部分区域。然而，尽管我们已经非常了解我们的天文后院，但我们对更大范围的邻域——我们的银河系——的印象仍然模糊不清。原因显而易见：我们无法到银河系之外去一探究竟。想象一下，派遣一艘宇宙飞船进行数百万年的旅程，飞出银河系，回望并拍摄一张照片：这显然是不切实际的。关于我们宇宙家园，我们仍然有很多悬而未决的问题，例如银河系有多少条旋臂，离太阳最近的大型结构是否算作一条旋臂，以及我们的太阳系在银河系中的哪个位置。

然而，最近的努力已经开始从内向外绘制银河系地图，使我们首次能够拼凑出其结构的精确快照。这一正在形成的景象是几个大型项目的结果，这些项目使用了先进的射电和光学望远镜，包括我们的项目——棒状结构和旋臂结构遗产（BeSSeL）巡天。为了这项工作，我们获得了前所未有的观测时间——5000小时——在使用甚长基线阵列（VLBA）上，该系统由国家射电天文台运营，并由国家科学基金会资助。

我们的初步结果为银河系提供了一个新的、改进的视图。除了更好地了解银河系的外观之外，我们还开始阐明为什么像我们这样的星系会呈现旋臂结构，以及我们的天文家园如何融入整个宇宙。

支持科学新闻报道

如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。

宇宙邻域

19世纪早期，威廉·帕森思，即罗斯伯爵三世，建造了一台72英寸的望远镜——在当时是巨大的。他观察并绘制了我们现在称之为漩涡星系的星系，该星系显然具有螺旋状图案。然而，在不了解它离我们有多远或银河系规模的情况下，尚不清楚漩涡星系是银河系内部的一个小型结构，还是类似于银河系的大型星云。关于这些观点的争论一直持续到20世纪早期，直到埃德温·哈勃利用亨丽埃塔·勒维特开发的一种测量明亮恒星距离的技术，证明了漩涡星系和类似的螺旋星系远在银河系之外。这一发现颠覆了银河系可能包含整个宇宙的观念。

天文学家通过测量整个星盘（构成银河系主体的巨大煎饼状区域）中气体的运动，弄清楚了我们居住在一个螺旋星系中。螺旋星系和圆形椭圆星系是常见的星系类型。附近的螺旋星系NGC 1300和梅西耶101（M101）为我们提供了银河系从远处可能看起来的样子的一些很好的例子。NGC 1300在其中心有一个明亮的线性结构，天文学家称之为棒状结构，以及两条蓝色的旋臂，旋臂从棒状结构的末端开始，缓慢地向外延伸，环绕着它。棒状结构在大多数螺旋星系中都能看到，据信是由星系稠密星盘中的引力不稳定性形成的。反过来，旋转的中心棒状结构的搅动作用可能会产生旋臂。（其他过程——例如与星盘内部的大质量集中相关的或来自附近星系的引力扰动——也可能导致旋臂的形成。）旋臂倾向于发出蓝色光，蓝色光来自巨大的恒星育儿所，那里正在形成大质量恒星。M101，另一个潜在的银河系匹配者，被称为风车星系；虽然它缺乏NGC 1300的明亮棒状结构，但它拥有更多的旋臂。

天文学家长期以来一直认为银河系兼具这两个星系的特征。它可能像NGC 1300那样有一个明显的棒状结构，并且像M101那样有多条旋臂。除了这些基本结论之外，还存在相当大的争议。十多年前，斯皮策太空望远镜进行的红外观测表明，银河系可能只有两条旋臂。但是，对原子氢和一氧化碳的射电波长观测表明，银河系有四条旋臂，原子氢和一氧化碳集中在其他星系的旋臂中。此外，天文学家一直在争论太阳离银河系中心的距离以及它在银河系中平面（星盘的中心平面）之上多高。

大约70年前，科学家计算出了一些附近明亮的蓝色恒星的距离。将这些点绘制在地图上，揭示了三个附近旋臂的片段，我们称之为人马臂、本臂和英仙臂。大约在同一时间，从20世纪50年代开始，射电天文学家观测到原子氢气体，这种气体在21厘米的波长处释放出明显的特征光。当这种气体相对于地球运动时，由于多普勒现象，这种原子氢特征光的频率会发生偏移，从而使天文学家能够测量气体的速度，以提供其在银河系中位置的线索。利用这些测量结果，银河系制图师为我们从太阳系观察到的银河系采用了方便的坐标系：通过类比地球的经度和纬度，银河经度 (l) 在银河系中心为零，并沿着从北半球观察到的银河系“赤道”平面增加；银河纬度 (b) 表示垂直于该平面的角度。来自氢气（以及后来来自一氧化碳）的21厘米光特征的所谓经度-速度图揭示了连续的发射弧，这些发射弧很可能追踪着旋臂。然而，这种测绘方法受到歧义的困扰，并且缺乏清晰揭示银河系旋臂结构所需的精度。

新的视角

我们对银河系知之甚少的一个原因是银河系包含大量的尘埃。尘埃有效地吸收光学光，因此沿着穿过星盘的大多数视线，我们无法看得太远——尘埃阻挡了视线。另一个原因是银河系令人难以置信的浩瀚。来自银河系另一侧恒星的光到达地球需要5万多年的时间。如此遥远的距离使得我们很难区分哪些恒星是近的，哪些是远的。

在太空中以光学波长和在全球以射电波长运行的新望远镜，现在正在为回答我们关于银河系的问题取得巨大进展。盖亚任务于2013年发射，旨在测量银河系中超过十亿颗恒星的距离，无疑将彻底改变我们对参与银河系形成的不同恒星群体的理解。但是，由于它使用会被星际尘埃颗粒吸收的光学光，盖亚无法自由地探测遥远的旋臂。相比之下，无线电波很容易穿过尘埃，使我们能够探索整个星盘并绘制其结构。

目前绘制银河系地图的两个主要项目都使用了一种称为甚长基线干涉测量（VLBI）的射电天文学技术。VERA（甚长基线干涉射电天体测量探索）项目运行着四架射电望远镜，跨越日本领土，从该国北部（水泽）到最南部（石垣）和最东部（小笠原）的岛屿。BeSSeL巡天使用甚长基线阵列，其中包括10架望远镜，横跨西半球的大部分地区，从夏威夷到新英格兰再到美属维尔京群岛的圣克罗伊岛。由于它们的望远镜相隔近地球直径，这些阵列可以达到远超目前任何其他波长望远镜的角分辨率。研究人员必须使用所有望远镜同时进行观测，并将每个站点计算机磁盘上记录的数据与最佳原子钟同步。然后，他们将记录的数据运送到一台特殊的计算机，该计算机对望远镜之间的信号进行互相关。经过一些校准后，结果就是一张数字图像，显示了如果我们的眼睛对无线电波敏感并且相隔几乎整个地球宽度，我们将看到什么。这样的图像代表了优于0.001角秒的惊人角分辨率（1度中有3600角秒，整个天球是360度）。相比之下，人眼最多可以分辨出间隔约40角秒的结构，即使是哈勃太空望远镜也只能达到约0.04角秒的分辨率。

借助VLBI，我们可以测量一颗射电明亮恒星相对于背景类星体（遥远星系中心的明亮活动黑洞）的位置，精度接近0.00001角秒。通过进行这种比较，我们可以通过观察视差效应来探测非常遥远的距离，即当从不同的有利位置观察时，相对于遥远背景的附近物体将出现在不同的位置。您可以通过伸直手臂，看着您的大拇指，并交替闭上左眼和右眼来模拟这种效果。我们的眼睛相隔几厘米，因此当通过一只眼睛然后另一只眼睛观察时，伸直手臂的大拇指似乎会移动约六度的角度。如果知道有利位置的分离距离和观察到的角度位移，就很容易计算出距离。这与测量员用来绘制城市地图的原理相同。

理想情况下，为了绘制旋臂结构，天文学家应该观测年轻的大质量恒星。这些短寿命恒星通常与旋臂内强烈的恒星形成爆发有关，它们非常热，以至于电离了周围的气体，使其发出蓝色光，并形成一个在宇宙中可见的旋臂追踪信标。但是，被困在银河系尘埃星盘中，我们无法轻易地观测到我们银河系各处的此类恒星。幸运的是，在这些热恒星电离区域之外的水和甲醇分子可以是非常明亮的射电源，因为它们发出天然的“脉泽”辐射，这种辐射几乎不会被银河系尘埃衰减。“脉泽”一词是“受激辐射微波放大”的首字母缩写，这种辐射是光学激光的无线电模拟。在天体物理环境中，脉泽辐射来自太阳系大小的气体云，其质量与木星相当。我们在射电图像中看到的是极其明亮的“斑点”，这些斑点是视差测量的近乎理想的目标。

更新后的图景

在BeSSeL巡天和VERA项目之间，天文学家已经积累了大约200个基于视差的银河系大区域年轻热恒星的距离测量值。这些数据为我们提供了大约三分之一银河系的良好覆盖，揭示了四条在很大距离上连续的旋臂。

该地图还显示，太阳非常靠近第五个特征，称为本臂，它似乎是旋臂的一个孤立片段。此前，这个片段被称为猎户座或本星云支臂，暗示它是一个类似于在其他星系中看到的从旋臂分支出来的小型附属结构。然而，这种“支臂”的解释可能是错误的。在我们的数据中，这个片段似乎是一个孤立的旋臂段，它环绕银河系的范围不到四分之一。然而，在其短暂的长度上，它的大质量恒星形成量与我们在附近英仙臂的类似长度上看到的相当。有趣的是，一些天文学家认为英仙臂是银河系中两条主要旋臂之一（另一条是盾牌-半人马-外盾牌-半人马臂）。然而，我们发现，当旋臂向内远离太阳时，大质量恒星的形成显著减少，这表明对于外部观察者来说，它不会显得是一条非常突出的旋臂。

通过使用我们大质量年轻恒星的三维位置并对测量的运动进行建模，我们可以估计银河系基本参数的值。我们发现太阳到银河系中心的距离为8150 + 150秒差距（或26600光年）。这小于国际天文学联合会几十年前推荐的8500秒差距的值。此外，我们发现银河系的自转速度为每秒236公里，大约是地球绕太阳公转速度的八倍。基于这些参数值，我们发现太阳每2.12亿年绕银河系旋转一周。从这个角度来看，上次我们的太阳系位于银河系的这个区域时，恐龙还在地球上漫步。

我们太阳系内部的银河系部分具有非常薄且几乎扁平的平面形状。尽管这早已为人所知，但太阳相对于这个平面的位置一直存在争议。最近，天文学家确定了一个值，即在平面上方25秒差距（82光年），但我们的结果强烈反对这一估计。通过拟合一个穿过我们对其有精确距离的大质量恒星位置的平面，我们确定太阳仅在该平面上方约六秒差距（20光年）。这个距离仅为太阳到平面中心距离的0.07%，这意味着它非常靠近中平面。我们还证实了之前的观测结果，即在银河系更远处，该平面开始在其北侧向上翘曲，在其南侧向下翘曲，有点像薯片。

在描述他们的观测结果时，天文学家将银河系划分为象限，太阳在我们这个中心。使用该惯例，我们追踪了前三个象限中的旋臂。为了完成第四象限的地图，我们需要来自南半球的观测结果。这些观测正在计划中，将使用澳大利亚和新西兰的望远镜获得。在等待这些结果的同时，我们可以通过使用来自原子氢和分子一氧化碳观测的辅助信息，将已知的旋臂外推到第四象限。这些观测揭示的结构与先前理论化的结构相符，这些结构被命名为矩尺座-外臂、盾牌-半人马-外盾牌-半人马臂、人马座-船底座臂和英仙臂。不过，我们警告说，我们只有一个到银河系中心以外的恒星形成区域的距离测量值。这个区域的测量位置，加上它在一氧化碳发射的银河经度-速度图中的位置，使我们对如何在银河系中心远侧连接旋臂有了一些信心。但是，我们需要更多这样的测量值才能确定我们的模型。

我们现在对我们的宇宙邻域有了更清晰的认识。看来我们居住在一个有四条旋臂的螺旋星系中，它有一个明亮的中心棒状结构和相当程度的对称性。我们的太阳几乎正好位于它的中平面上，但远离它的中心，大约在三分之二的路程处。除了大约完全环绕的旋臂外，银河系至少有一个额外的旋臂段（本臂），并且可能还有许多支臂。这些特征使我们的星系看起来相当正常，但它肯定不是典型的。大约三分之二的螺旋星系呈现棒状结构，因此在这方面，银河系占多数。然而，它拥有四条清晰定义且相当对称的旋臂，这使其在大多数其他旋臂较少、结构较混乱的螺旋星系中脱颖而出。

更多谜团

尽管我们有了一些新的答案，但我们也留下了一些重要的问题。天文学家仍在积极争论旋臂最初是如何产生的。两种相互竞争的理论是，整个星系尺度的引力不稳定性形成持久的螺旋波模式，或者较小尺度的不稳定性随着时间的推移拉伸和放大成旋臂段，然后连接起来形成长旋臂。在前一种理论中，旋臂可以持续数十亿年，而在后一种理论中，旋臂寿命较短，新的旋臂在一个星系的生命周期中多次出现。

也很难确定银河系的年龄，因为它没有明确的诞生日期。目前的想法是，它是在数百万年的时间里逐渐合并而成的，因为宇宙早期形成的许多较小的原星系碰撞并合并。大约在50亿年前，银河系可能就已经可以被识别为一个大型星系，但那时它看起来可能与现在非常不同，因为主要的合并可能会扰乱任何现有的螺旋结构。

改进我们最新的银河系图像将需要更多的观测，并且下一代能够进行VLBI的射电望远镜阵列将为此提供便利。此类阵列目前正在规划中，包括非洲的平方公里阵列和北美的下一代甚大阵列。两者都是巨大的射电望远镜阵列，预计将跨越它们的大陆，并且可能在本十年末全面投入运行。通过大大增加望远镜的收集面积，与目前的阵列相比，它们将能够探测到来自恒星的更微弱的射电辐射，从而看得更远地穿过银河系。最终，我们希望明确地追踪我们星系的大尺度结构，以证实或否定关于其宏伟螺旋结构如何形成的相互竞争的理论。