銀河系究竟長啥樣

郝超杰　劉德劍

“不識廬山真面目，只緣身在此山中”，這兩句詩用來解釋天文學家在探索銀河系結構時遇到的困惑再合適不過了。盡管天文學家可以清晰地看到幾十億光年外星系的形態，但是對我們的家園星系究竟有幾條旋臂，仍不清楚。

2023 年5 月，中國科學院紫金山天文臺徐燁研究員團隊與國家天文臺科研人員合作提出了對銀河系旋臂形態的新認識：銀河系可能由內部兩條對稱旋臂和外部多條不規則旋臂組成，而非之前人們廣泛接受的4 條旋臂均從內到外排布的特殊形態。該研究結果挑戰了人們對銀河系旋臂結構的傳統認知，使我們的星系不再特殊。

早期研究

銀河系是我們的家園，是宇宙中數萬億個星系的一員，也是當前人類已知的唯一存在智慧生命的星系。確定銀河系的旋渦結構一直是天文學中的一個難題。

銀河系是一個盤狀旋渦星系，我們地球恰好處于銀河系的盤中，沿觀測視線總是疊加著多種結構特征，使得準確分解這些結構和描繪實際的旋渦結構非常困難。

1610年，伽利略開辟了銀河系科學研究的先河，發現銀河系是由大量恒星組成的。在那之后，有關銀河系大小的爭論持續了數百年。直到20世紀20年代，在埃德溫·哈勃探索了仙女座大星云之后，天文學家才推測我們的銀河系可能是一個類似河外星系M51的旋渦星系。

星系中的螺旋形結構被稱為旋臂。旋臂是恒星形成的主要場所。因此，標示著恒星形成的彌漫或致密的星際氣體云、（大質量）恒星形成區、年輕天體（如大質量O-B 型星，年輕疏散星團）等，都可以作為旋臂的示蹤天體。

人類第一次發現銀河系存在旋臂結構的工作是威廉·摩根等人在20世紀50年代初完成的，他們利用年輕大質量O-B 型恒星，在太陽附近發現了3個短的旋臂段。這個結果也被研究人員通過太陽附近OB- 星集、OB- 星團、造父變星、電離氫區（即HII 區，大質量恒星形成區的標志）的分布所證實。不久之后，天文學家簡·奧爾特等人基于運動學方法確定的中性氫氣體的距離，繪制了幾乎延伸到整個銀盤的更大尺度的旋臂結構。

在那時，似乎構建銀河系旋渦結構的工作已經完成了。然而，20世紀70年代，天文學家發現天體具有非圓運動，這使得用運動學方法確定的距離有很大的不確定性。因此，這些早期研究中基于中性氫獲得的旋臂結構模型并不可靠。

運用光度學（研究光強弱的學科）確定天體距離的方法比運動學方法準確得多，但只能用于精確確定距離太陽0～2千秒差距（即kpc，1秒差距＝3.26光年）范圍內的天體，這遠小于銀河系數十秒差距的尺度。20世紀，受觀測手段和設備技術的限制，天文學家并沒有很好的方法來確定遙遠天體的距離。因此，運動學方法仍然被廣泛用于研究整個銀河系的結構。

1976年，伊馮·喬治林等人通過綜合使用光度學方法和改進的運動學方法確定了260多個電離氫區的距離，繪制了銀河系旋臂結構的“標準模型”。他們首先提出銀河系有4條主旋臂，而太陽附近不存在旋臂。一直到21世紀，研究人員仍在通過使用其他旋臂示蹤劑來更新該模型，如分子云、恒星形成區復合體、更大的電離氫區樣本、中性氫氣體等，不過其中大部分都依賴于運動學確定距離的方法。

盡管運動學確定距離的方法一直在改進，但有時會在旋臂示蹤劑的距離上產生很大的不確定性。因此，關于銀河系中旋臂的存在、旋臂的數量和銀河系的大小等基本事實的爭論一直在繼續。

21 世紀的突破

描繪銀河系旋臂結構的真實面貌，首先必須找到一種不依賴模型但能直接、精確地測定天體距離的技術和方法。

2003年，中國科學院紫金山天文臺徐燁研究員和合作者，向世界上最大的甚長基線干涉陣列（VLBA）提出了測量銀河系英仙臂上天體脈澤三角視差距離的科學建議書。在解決一系列挑戰性難題后，他們使用甚長基線干涉儀（VLBI）精確測定了英仙臂的距離，測量精度高達2%，是同時期依巴谷衛星測量精度的100倍（目前已提高到200倍）。

該結果是天文學中有史以來對如此遙遠天體精度最高的距離測量，徹底解決了天文界關于英仙臂距離的長期爭論，實現了天體測量技術的劃時代突破，標志著直接測量銀河系結構成為可能。該研究被《科學》雜志以封面形式發表，這是以中國天文學家為第一作者的研究成果首次出現在該雜志的封面上。同時，該結果也進一步推動美國國家射電天文臺史上最大的科學項目——貝塞爾巡天項目獲得了VLBA 空前的5200小時的觀測時間，旨在基于三角視差距離描繪銀河系旋臂結構。

VLBI 測量天體脈澤可以達到低至幾個微角秒的三角視差精度（注：10微角秒視差精度對應于10 kpc 的源的距離精度為10%），讓科學家能夠對整個銀河系中與大質量恒星形成區成協的天體脈澤進行精確的距離測量。

2019年，貝塞爾巡天項目接近尾聲。以項目組首席科學家、美國科學院院士馬克·里德教授為首的科學團隊在《天體物理學雜志》上呈現了銀河系旋臂結構新視野：銀河系是由四旋臂和其他的額外臂段構成的旋渦星系，四旋臂包括矩尺- 外臂、盾牌- 半人馬-OSC 臂、人馬- 船底臂、英仙臂，它們都是從銀河系內部延伸到外部的。

不過，就整體而言，這個新圖景是對1 9 7 6年伊馮·喬治林等人提出的銀河系旋臂結構的“標準模型”的改進。此外，需要特別指出的是，長期以來，研究人員一直認為太陽附近只有零星物質存在，不可能存在旋臂結構。而研究團隊基于脈澤的三角視差測量結果發現，太陽附近的本地臂是一條孤立的旋臂段，上面存在豐富的大質量恒星形成區。

近年來，歐洲空間局的蓋亞衛星提供的恒星的三角視差具有2 0～3 0微角秒量級的精度，這使我們能夠揭示太陽附近0～5 kpc內的旋臂結構。研究人員使用蓋亞衛星數據在銀河系旋臂結構方面取得了一定進展。例如，他們利用蓋亞衛星中的大質量O-B 型星，描繪出太陽附近0～5kpc 范圍內的旋臂結構，部分區域延伸至7 kpc，將天體脈澤示蹤的旋臂結構延伸到第四象限，并提出銀河系具有復雜旋臂結構和旋臂結構不均勻的觀點。此外，意大利都靈天體觀測臺的埃洛伊莎·波焦等人使用蓋亞衛星中的上主序星，也發現太陽附近存在明顯的旋臂段，本地臂從太陽位置不斷向第三象限延伸。

因此，直到2 0 2 3年，人們普遍認為銀河系有4條連續的旋臂，從銀河系內部延伸到遙遠的外部區域，還包括一些額外的旋臂段。然而，事實真的是這樣嗎？

河外星系的形態

隨著望遠鏡設備的發展和觀測技術的提升，人們能夠為宇宙中越來越多的星系拍攝圖像。因為銀河系是可觀測宇宙中數萬億個星系中的一員，所以我們可以把河外星系作為一面鏡子，更好地了解銀河系的形態。

河外旋渦星系基本上有3種不同的形態：宏象旋渦星系、多旋臂旋渦星系和絮狀旋渦星系，它們的區別在于其旋臂結構是否突出。宏象旋渦星系具有高度對稱的特征，具有長而對稱的清晰的旋臂；而絮狀旋渦星系是零散的，由許多短的、不規則的、成片的片段組成。位于這兩種類型之間的是多旋臂旋渦星系，其主要特征是內部有兩條對稱的旋臂，外部有幾條不規則的旋臂。

與絮狀旋渦星系不同，宏象旋渦星系和多旋臂旋渦星系的內部區域都有兩條顯著的對稱旋臂。更重要的是，幾乎沒有河外星系顯示出擁有從中心延伸到外部區域的4條旋臂。研究團隊更進一步發現：在類銀河系的多旋臂星系中，較為常見的是內部兩旋臂和外部多旋臂的形態（約占8 3%），4條旋臂均從內到外的形態是非常罕見的（約占2%）。這使得當前被廣泛認可的銀河系有4條從內到外的旋臂的結論有些令人驚訝。如果這個模型是真的，銀河系將是一個十分不同尋常的星系。

一個新的銀河系形態

基于目前所能獲得的高精度天體測量數據，包括通過VLBI技術得到的200多個天體脈澤、蓋亞衛星中的2萬多顆O-B 型恒星和近1000個年輕疏散星團，研究團隊重新審視了銀河系的旋臂形態。除了這些能夠定位旋臂的“燈塔”，研究人員還考慮通過星際氣體、恒星形成區、恒星、塵埃等識別的旋臂切點來對旋臂進行定位。最終的研究結果是，銀河系更像是一個多旋臂形態的旋渦星系，其內部由英仙臂和矩尺臂兩條旋臂對稱向外延伸，并在外部分叉形成包括半人馬臂、人馬臂、船底臂、本地臂和外臂等多條長而不規則的旋臂段。在這種情況下，銀河系的形態與宇宙中大多數多旋臂星系的形態相似，可能不像以前人們認為的那樣獨特。這為未來研究銀河系結構提供了一種新的見解。

本文轉自微信公眾號“中國科學院紫金山天文臺”