银河系到底有多大?旋臂和棒旋结构是什么时候认识的?

银河系有多大?这不是我们经常能看到的么?横跨北半球到南半球,我们称为银河与英文中的Milk Way意思都类似,都是白白的一条带子。但从古到今,一直以来都没有人想过银河里流淌的到底是什么?

伽利略的银河系

当伽利略将望远镜指向天空的那一刻开始,人类的世界就从天圆地方拓展到了无垠的宇宙,当然伽利略的望远镜还仅仅只能解析银河系中比较亮的恒星,但人类终于发现,天上那条乳白色亮带不是牛奶,更不是银色的河流,而是无数星星的组合!

当然伽利略最伟大的发现并不是发现银河是无数恒星的组合,而是建立起了一个系统实验来验证理论,具有严谨逻辑的近代科学体系,伽利略被称为“近代科学之父”,他的卓越工作是牛顿经典力学体系的基础。

赫歇尔的银河系

赫歇尔最擅长的事情就是亲自动手制造望远镜,可不像各位想象的那样买镜片自己组装,他是自己磨制反射镜,再磨平面镜,再整体组装成望远镜!发现天王星的望远镜就是他自己磨制的。实在佩服这样的动手型天文学家,当然发现天王星是他天文事业从业余转向专业的关键点,从此他获得了官方支持,也以更大的热情投入到了天文观测事业,他终身未嫁的亲妹妹卡罗琳·赫歇尔则是赫歇尔得力的观测助手!

下图是赫歇尔历经数年观测117600颗恒星的位置后绘制的银河系,当然还请各位不要笑话,这和现代银河系大相径庭,赫歇尔认为银河系大约有1亿颗恒星,银河系的尺度大约有7500光年,厚度约1300光年,并且他错误的认为地球在银河系中心。

我们不能否认赫歇尔天文观测成绩,因为在他以后100年内在没有比他更了解银河系,但他恒星测距方式有误,因为赫歇尔是观测恒星亮度的方式来判断距离,这个依据是恒星都是相同质量与发展阶段得出的比较结果,但事实上银河系中的恒星大小,质量与发展阶段都不一样,所以赫歇尔的记录几近废物?

当然不是,他准确记录了恒星的位置和当时恒星的亮度,现代观测中可以以此为依据,对比数百年来恒星发展是否有变化,是否有自行等等,所以即使就算这份资料无法参考银河系的大小与结构,但它依然是最为详尽的银河系恒星位置与亮度观测资料。

现代天文认识银河系的过程

在我们真正认识银河系之前,早已有哲学家提出过银河系是一个漩涡状的星系,但苦于没有证据,只能说是一个思想火花,尽管它可能是对的,但也仅具指导意义!

卡普坦的银河系

从1906年起,荷兰天文学家卡普坦用了约十几年时间测定了恒星的位置,建立了宇宙岛模型,他认为银河系是透镜状的,直径约为55000光年,厚度约为11000光年,太阳位于中心附近。由于他测定恒星光度时未考虑星际尘埃的消光影响,所以他取得的数据大约只有后来认识到的银河系一半大小,但这已经是有史以来最精确的银河系模型了。

沙普利的银河系

从1918年起,美国天文学家沙普利用威尔逊天文台2.5米口径的望远镜,观测了大约100个球状星团,根据这些星团的位置分布关系,沙普利认为银河系是一个透镜状星系,地球不在银河系中心,并且计算出地球距离银河系中心大约5万光年的位置(后改为3万光年)。

哈勃的仙女星系

我们说银河系,跟仙女星系有啥关系?因为哈勃在1923年测定出仙女星系至少距离地球约100万光年,因此这是第一个被正式认定的河外星系,这意义非凡,因为第一次有了“镜子”,我们可以清楚的看到仙女星系的漩涡结构,以此类推,银河系是不是也像仙女星系那样是一个旋涡星系呢?

射电望远镜发现银河系悬臂

由于光学望远镜的局限(银盘面上尘埃与恒星的遮挡),一直都认为银河系是个透镜状星系,但随着射电望远镜技术的发展,对于银河系的认识马上就改观了,1951年,天文学家就发现了银河系至少有3条旋臂,随后则发现了更多的旋臂,但根据“斯必泽”望远镜的观测,银河系有两条主要旋臂,分别为:盾牌-半人马臂和英仙臂,其他都是从主要旋臂上产生的支臂!

直到2004年才发现银河系是一个棒旋星系

LAMOST望远镜下的银河系

其实这就是我们熟悉的郭守敬望远镜,这是一台视场为5度的超广角反射式施密特望远镜,在焦平面上放置的不是CCD,而是4000根光纤,它的目的是取得恒星的光谱,所以它是全世界恒星光谱去得效率最高的望远镜。

LAMOST观测发现,银河系在它预计5万光年边缘,恒星数量并没有如意料中的突然减少,而是缓慢的减少,有支臂的边缘甚至都延伸到了6.2万光年的位置,而根据恒星稀疏规模比对,甚至银河系的半径将要扩大到10万光年,这比早先估计只有仙女星系(半径11万光年)一半直径扩大了不少,甚至和仙女星系不相上下!

另外伊巴谷卫星和盖亚卫星的银河系3D建模计划可不要遗漏了,两颗卫星的其中一个科学任务就是尽可能测定更多的银河系恒星位置,建立起一个银河系的3D结构模型,盖亚的最新一批数据将在2022年公布,到那时我们将会认识一个更精确的银河系。

最后别忘记了,银河系一直都在吞噬其周围的矮星系,所以银河系还在成长,早先有资料表明大小麦哲伦星系会被吞噬,但最新的模型表明它们将会限于仙女星系合并,然后再一起和银河系合并。

银河系的中心是什么?

我们现在知道,银河系中心是一个年老恒星组成的核球,大致呈棒状,两条主要旋臂从两端伸出,环绕整个银河系,而在核球中心则是一个质量高达太阳400万倍的黑洞,在我们地球上看来,它位于人马座,因此这个黑洞被称为Sgr A*黑洞!

我们是根据它吞噬物质发出的X射线才获知到这个黑洞的存在,而后续的环绕整个看不见的实体公转的恒星轨迹则准确的测出了它的质量。

当然仅凭400万倍太阳质量的黑洞是HOLD不住整个银河系的,整个核球以及银河系众多恒星都将与黑洞一起成为引力的提供者,不过各位可千万不要忘记了还有那看不见的暗物质也在骨架上起到银河系定心锚的作用!