幾千年以來，人們一直對銀河系延伸到遼闊天空的幾個螺旋條帶感到困惑，現代天文學之父伽利略·伽利雷通過自制的望遠鏡發現了銀河系佈滿難以計數的恆星，直到二十世紀，天文學家才成功地破譯銀河系形狀和真實屬性的奧秘。1610年，伽利略在一篇天象觀測的日記中寫到，“這是我第三次觀測銀河系，無論使用望遠鏡觀測銀河系的那一部分，我都能發現數量繁多的恆星，其中的一些恆星看起來非常大，十分令人震撼，另一些恆星看起來非常小，幾乎難以探測它們的光線。”第一個將自制的望遠鏡對準天空的伽利略將自己的名字刻進現代天文學的教科書，他將一系列觀測的結果彙編成天文學史的經典著作《星光使者》，這位意大利的數學家和天文學家在“彙編文件”中記錄了木星的衛星、地球的衛星——月球、浩瀚的銀河系。直到伽利略的觀測發現之前，這些天體的性質一直作為神話“想入非非”的主題，充滿了夢幻的故事色彩。公元前5世紀的古希臘哲學家德謨克利特已經注意到銀河系發出瀰漫光芒的螺旋條帶，當時的非洲占星術士將銀河系“一環套一環”的懸臂稱之為“黑夜的脊柱”，螺旋條帶內點綴了無數的星星。
在伽利略過世後的150年，銀河系的螺旋條帶再次成為科學探究的主題，民間科學家托馬斯·懷特相信銀河系的恆星被排布在一個十分扁平的區域，整個銀河系看起來像一個巨大的磨刀石，對於懷特來說，銀河系不是別的什麼奇異物體，而是一塊巨大的“磨刀石”在天空留下的投影。近代哲學之父康德巧妙地借用了懷特的解釋，非常靠近了銀河系的真實屬性，他在1755年發表的自然哲學著作《自然通史和天體理論》中提出了銀河系結構的基本觀點，它是一個在太空延伸的天體體系，其中含有非常稀薄分佈的恆星，太陽、地球和太陽系的其它行星屬於銀河系薄層結構的一部分，它們不在銀河系的中心，沿薄層結構平面的視線方向，或在垂直於薄層結構的平面上，我們將能看到不同數量分佈的恆星。然而，康德時代和之前的天文觀測並不可靠，比如：當時的觀測技術可能確定恆星的視線亮度，卻不可能確定恆星的絕對亮度，測量它們的距離是確定恆星絕對亮度的一個基本參數。銀河系充斥了各種星際物質，氣體和塵埃雲吸收和折射恆星發出的光線，星際物質阻礙光線傳播的結果造成銀河系中心區域十分模糊的視像，當時的天象觀測者不可能看清銀河系包羅萬象的複雜結構。
使用恆星統計學的方法可以確定太陽系大約1萬光年區域的結構特徵，卻不能確定銀河系大約10萬光年的結構特性，直到二十世紀中期，天文學家才實現觀測技術的突破，他們通過射電望遠鏡重新發現了銀河系的構造。氫原子是宇宙中最常見的物質類型，中性氫原子充斥在恆星之間的太空，它們是星際物質的主要元素，從銀河系內氫氣體雲的分佈可以追溯整個銀河系的形狀，就像我們從X—射線的圖片看到人體結構的骨骼，但是，我們怎樣才能看清構成宇宙的“骨骼”？答案就在科學家構思的“納米宇宙”，在氫原子結構中，一個質子構成的原子核和核外的一個電子呈相反的方向旋轉，如果兩個氫原子發生碰撞，那麼氫原子核和核外電子的旋轉方向可能發生翻轉，導致原子核和電子的旋轉方向相同，經過一段時間的調整，氫原子核和電子的旋轉方向又回到之前的相反方向，這種原子核和核外電子旋轉方向從相反到相同，再從相同到相反的循環過程伴隨了能量的釋放，被釋放的輻射以電磁波的形式向外傳播，電磁波的譜線在射電的範圍，天文學家通過射電望遠鏡得以接受它們的信號。儘管星際物質的密度極低，但是，其中的氫原子不斷地發生碰撞，反應氫原子譜線的光線、或氫線能夠不受阻礙地穿越太空塵埃的“幕牆”，最終到達地球上的射電觀測網。
宇宙沒有對人類孜孜以求的認知關上所有觀測的“天窗”，我們要感謝“宇宙大帝”為我們準備的射電窗口，天文學家將射電望遠鏡對準深邃的蒼穹，終於能夠“看清”銀河系的懸臂結構。在1970年代，天文學家發現僅將氫原子作為一種發現星系形態的指示器還不夠充分，比如：氫原子密度在銀河系的螺旋條帶較低，他們需要尋找另外的物質粒子作為星系結構的指示物，星系分子充當了標識星系結構最重要的指示器，星際分子能夠發射一種一氧化碳的光線輻射，天文學家通過分析這種信號重新確立了銀河系結構的特性。“銀河”取自於希臘語詞彙“牛奶”，銀河系的外形像一個彎形的車輪，直徑大約10萬光年，銀心的厚度只有5000光年，銀河邊緣的厚度大約為三千至四千光年。銀河系中心藏有一個超大質量的黑洞，一個含有密集恆星的凸起構造籠罩了這個超大黑洞，在銀河系中心的平面嵌入了一根“超級雪茄”，它看起來像一根橫亙在銀心平面的棒子，天文學家因此將銀河系定義為“棒旋結構”。中間厚，邊緣薄的銀河系有四條旋臂，主要由星際物質構成，它們分別是獵戶座旋臂、英仙座旋臂、人馬座旋臂和三千秒差距懸臂。 二十世紀七十年代，天文學家通過探測銀河系一氧化碳分子的分佈發現了第四條旋臂，它跨越了狐狸座和天鵝座，距離銀心為四千秒差距，被稱為三千秒差距懸臂，它正以約50千米/秒的速度向外膨脹。
銀河系和其內的太陽系都在旋轉，太陽系以250千米/秒的速度圍繞銀河系中心旋轉，旋轉一週約2.5億年，太陽距離銀河系中心大約26000光年，它位於獵戶座旋臂的內側。銀河系由旋臂的銀盤，中央突起的銀心和暈輪三個組成部分，銀暈是由銀盤外稀疏的恆星和星際物質組成的球狀體。銀河系包含2000多億顆恆星，所有的恆星繞銀河中心旋轉時形成了旋轉速度不同的“旋轉曲線”，靠近中心的恆星應當旋轉得更快，而遠離中心的恆星應當旋轉得更慢，然而，實際測量的旋轉曲線顯示了恆星旋轉速率的不規則性，天文學家以銀河系內的可見物質數量不能解釋這種不規則性，他們設想了一種看不見的“暗物質”形態，用至今未發現的暗物質解釋了不同距離上恆星繞銀心旋轉速度的不規則性。除了銀河系的“暗物質”謎題，天文學家面臨的另一個難題是銀河系懸臂的無纏繞性問題，它的四條螺旋條帶或懸臂在數十億年的旋轉中依然保持它們的形態，沒有發生“你連著我，我連著你，誰也走不開”的相互纏繞，天體物理學家相信一種“激波理論”的解釋，一種在整個銀河系傳播的物質波壓縮了懸臂內的星際物質，這種壓縮效應就像在高速公路上發生的交通阻塞，本來暢通的高速公路看起來就像一個條帶狀的大停車場。天體物理學家目前不能詳細地解釋激波、或物質密度波是如何產生的。
科普編譯：鄧如山
時間：2018-8-21
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