天文學對於銀河系從「二環」擴建到「五環」

千年之前，宋代詞人秦觀夜觀星空，看到夜空中明亮的牛郎織女星，為淡淡的銀河相隔。觸景生情，寫下了後世廣為流傳的「纖雲弄巧，飛星傳恨，銀漢迢迢暗渡」。時光輾轉，秦觀之後千年，人已不同，但景依舊。夏末秋初的晴朗夜晚，每每舉頭仰望，銀河依舊高懸。

儘管銀河依舊，然而我們對於銀河的認識在這千百年間已經發生了巨大的變化。古有銀河為王母娘娘金簪化銀河的說法，而如今，銀河乃為眾多恆星聚集而成的認識早已深入人心。

後者的認識最早可以歸功於義大利的科學家伽利略。四百多年前，伽利略第一次將望遠鏡指向天空，將淡淡的銀河分解成眾多恆星的時候，才意識到銀河是一條由無數恆星組成的「無水河流」。

圖1 赫歇爾手繪的銀河繫結構

銀河在整個星空中呈現怎樣的結構呢？兩百年前，天王星之父赫歇爾通過天文望遠鏡將天上的星星數了一遍，有些地方星星多，有些地方星星少，而且絕大多數星星都集中在一個扁平的盤狀區域里，這就是我們的銀河系。

儘管我們身處在銀河系之內，但卻不能識其廬山真面目。我們的銀河繫到底有多大？我們的太陽繫到底處在銀河系的「二環」邊上還是「五環之外的郊區」？科學家們在探索這些問題的路上從未停止過腳步。

在過去的幾十年當中，天文學家普遍認為銀河系的半徑約為5萬光年，它的中心附近存在一個棒狀結構，外面呈現盤狀結構（銀盤）、四周被較稀疏的恆星包裹（銀暈），太陽距離銀河系中心約為2.5萬光年。

之前人們認為銀盤在距離銀河系中心約5萬光年處有一個清晰的邊界，在這個邊界處銀盤恆星的數目驟然下降，如同銀盤在此處被切割掉。

圖2 銀河系示意圖 （來源https://www.davidreneke.com/）

但是近年來，一些觀測在這個邊界之外陸續發現一些屬於銀盤的年輕恆星，這似乎暗示銀盤的邊界應該更大。

要證實這點還需要對更多、更遠的恆星進行統計。因此，直到LAMOST這樣能夠獲得數百萬條恆星光譜數據的項目出現，才真正意義上開啟了精確研究銀河繫結構和演化的新篇章。

LAMOST是大天區面積多目標光纖光譜望遠鏡的英文縮寫，位於國家天文台的興隆觀測站。它能夠對4000個天體同時進行觀測，是目前天體光譜觀測效率最高的望遠鏡之一。

到目前為止，LAMOST望遠鏡已經成功「捕獲」了900萬餘條恆星的光譜數據，建成了世界上最大的恆星光譜庫，這些數據正助力天文學家逐步揭開銀河系的神秘面紗。

利用這些大樣本恆星數據開展細緻地數據篩選和嚴謹地統計分析則是探索銀河系真面目的至關重要一環。

圖3 銀河下的郭守敬望遠鏡 陳穎為拍攝

2017年底，國家天文台劉超研究員等率先利用LAMOST數據向傳統認知發起挑戰，通過應用複雜統計手段精確清點銀河系外圍恆星的數目，他們成功繪製出銀盤外圍的空間結構剖面圖（見圖4）。

從圖中可以看出，銀盤的恆星數目雖然在隨著銀盤半徑減少，但並沒有在5萬光年處停下來，而是一直延伸到距離中心6.2萬光年處（圖中紅色和白色的區域是銀盤，藍色是銀暈）。這比教科書上一直以來引用的半徑大了約四分之一！

圖4 銀盤外圍的空間結構剖面圖

在此結果之後，由西班牙加那利天體物理研究所（IAC）馬丁·洛佩茲-科雷多伊拉博士和中國科學院國家天文台王海峰博士、劉超研究員等人組成的國際研究團隊又進一步利用LAMOST和SDSS獲取的海量恆星光譜，再次改寫了銀盤尺寸，發現包含了銀河系中大多數恆星所組成的盤狀結構可能比天文學家之前認為的大很多，半徑可能達到約10萬光年，這意味著我們所在的「家園」——銀河系的疆界比之前認識的又有了很大拓展。

圖5 人們認識的銀盤大小的變化（示意圖） 製圖：元博

天文學家如何能發現並確認銀河系有著如此遙遠的領地呢？在已獲取的LAMOST和SDSS恆星光譜數據中，越遙遠的地方能被採樣的恆星就會越少，很難再用統計的方法清點銀河系外圍的恆星數目。

可這難不倒我們聰明的天文學家，他們另闢蹊徑，對少數遙遠恆星進行分析，發現有相當比例距離銀河系中心約10萬光年處的恆星仍擁有銀盤恆星的「家族特徵」（金屬成分較高，天文學家通常把除了氫和氦以外的所有元素都叫「金屬」）。

這就確認了銀盤的邊界足足擴展到了10萬光年。

這項新研究提供了有關銀盤恆星構成的新認識，以及銀河系尺寸更為精確的數據測量。銀河系尺寸的不斷改寫促使天文學家重新審視星系形成及宇宙演化的一般規律。

英國詩人約翰·濟慈曾經沉醉於彩虹的炫目色彩， 在牛頓把彩虹還原成了三稜鏡下的光譜時，他非常失望惱火，認為牛頓完全破壞了彩虹的詩意。

他在長詩《拉米亞》中寫道：「天空中曾有一道令人敬畏的彩虹，我們知道了它的質地、它的紋理，它就被歸入單調無聊的平常俗物。」

其實那是因為濟慈沒有理解科學之美。

如今，銀河早已不是當初傳說的金簪，而是眾多恆星的集合。我們不僅感嘆銀河橫跨時空的宏大和廣漠，更是感嘆千億恆星在宇宙規律駕馭下所表現出的結構之美。它們背後還有很多秘密等待我們去發現、去探索…

作者:劉超，中國科學院國家天文台研究員。北京大學計算機科學系碩士，中國科學院國家天文台博士。曾在德國馬克斯普朗克天文研究所從事博士後研究，參與歐洲空間局Gaia項目研究。2012年回國後，主要使用LAMOST巡天數據開展星系動力學、銀河系、星際消光和恆星等方面的研究。

李雙 ，中國科學院國家天文台工程師，現任國家天文台LAMOST運行和發展中心宣傳主管。

稿源：科普中國

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！