在晴朗、黑暗的夜晚，你總是能看到一條淡淡的光帶橫貫夜空。古代的先哲和科學家們早就注意到它了，但是，直至十分晚近的時候，他們才開始猜測它究竟為何物。有了望遠鏡之後，人們才弄清楚，這條光帶——銀河系——原來是由許許多多肉眼無法看見的黯淡恆星聚集在一起而形成的。又過了一百多年，英國天文學家托馬斯·賴特提出，我們之所以看到這條光帶是因為太陽處在一個恆星盤（銀盤）中。

時至今日，我們已經知道這條光帶是我們的宿主星系——銀河系的側影。經過兩百年的研究，科學家獲得了很多有關銀河系的細節信息，尤其是它的尺寸。直到今天，天文學家還在與矛盾的證據鬥智鬥勇，並從中不斷獲得新發現。銀盤中塵埃雲密佈，遮擋了星光。受自身位置所限，科學家們別無選擇，只能透過銀盤去解密銀河系的結構。這就好比身處一個被濃霧籠罩的城市，卻要從一個交叉路口去描繪城市的全貌一樣。

上世紀20年代，銀河系的真實大小——還有整個宇宙的大小——變得格外清晰。當時，新一代大型望遠鏡與攝影技術揭示出“旋渦星雲”其實與銀河系一樣，都是星系——“島宇宙”（當時的講法）。巡天觀測表明，絕大多數盤狀星系都有彎曲纏繞的旋臂——那裡聚集著恆星、氣體和塵埃。天文學家假設銀河系也是一個旋渦星系。到了50年代，射電望遠鏡通過跟蹤銀河系周圍的氣體雲的運動情況，首次粗略地描繪出旋臂的樣子。

在過去二十年裡，能夠穿透塵埃的紅外巡天觀測更加清晰地描繪出銀河系的整個面貌。這些觀測項目包括地面的兩微米全天巡天（Two Micron All-Sky Survey）與斯隆數字巡天（簡稱SDSS），還有美國宇航局的兩個空間探測器——大視場紅外巡天探索者（簡稱WISE）和斯必澤空間望遠鏡（Spitzer Space Telescope）。在它們的幫助下，天文學家能夠更好地定義銀河系的旋臂，統計星團的數目，研究銀盤中被塵埃遮擋的區域里正在發生的現象，揭示出銀河系中心（銀心）的核球結構實際上是一個形似橄欖球（球的尖部正對著我們）的巨大恆星雲。正是這個發現改變了銀河系的形態分類，把它從旋渦星系重新歸類為棒旋星系。

現在，有好幾個雄心勃勃且互為補充的觀測項目力圖描繪銀河系的三維圖像。歐洲空間局的蓋亞（Gaia）探測器已於2013年升空，將以前所未有的高精度測量大約十億顆恆星的位置和速度信息。

不過，“蓋亞”主要工作在光學波段。也就是說，它對銀盤的探測深度將會受到塵埃的限制。好在塵埃不影響射電觀測。一個名為甚長基線天線陣（Very Long Baseline Array，簡稱VLBA）的探測設備能夠以比“蓋亞”還高的精度測量一小部分天體的距離和速度。它把分佈在夏威夷和美屬聖克羅伊島上的十面射電望遠鏡聯合起來當作一面望遠鏡使用，因此獲得了迄今為止最高的分辨率。美國的貝塞爾（the Bar and Spiral Structure Legacy，簡稱BESSEL）巡天與日本的VERA（VLBI Exploration of Radio Astrometry，簡稱VERA）項目利用該技術優勢對恆星形成區進行定位和速度測量，以此追蹤銀河系的旋臂結構。

繼續向外

跨過奧托雲的外邊界——距離我們大約10萬個天文單位或者1.6光年遠，就是銀河系的地盤了。在這裡，太陽的引力已經衰弱到與鄰近恆星的引力相差無幾，途經此地的彗星可以徹底擺脫太陽的束縛。如今，距離我們最近的恆星是4.22光年遠處的比鄰星，但是，在過去或者未來，擔任這一角色的可能另有其“星”。

所有的恆星都圍繞銀心轉動。與太陽系行星的軌道相比，它們的軌道橢率更大、傾斜角也更大。目前，太陽距離銀心2萬7千2百光年（超過銀河系半徑的三分之一），距離銀盤盤面大約90光年。每次圍繞銀心轉動時（需2億4千萬年才能轉完一圈），太陽的位置會在銀盤面上下浮動。與太陽相鄰的恆星，其運動軌跡與太陽稍有不同，這意味著鄰近恆星的分佈和構成在逐漸地變化著。這些恆星常常與太陽擦身而過，距離太陽最近時，比目前的比鄰星還要近得多。

例如，2014年，德國波茨坦萊布尼茲天體物理研究所的天文學家Ralf-Dieter Scholz發現，WISE探測到的一顆暗淡的M型矮星離我們僅20光年遠。我們從不知曉這個近鄰的存在。在美國紐約市羅切斯特大學，以Eric Mamajek為首的研究團隊注意到“Scholz星”實際上是一個雙星系統。它的橫向視運動速度極小，卻正以極快的速度遠離我們而去，說明它可能剛剛與太陽系擦身而過。

研究表明，這個雙星系統正好從奧托雲中穿過，在7萬年前飛行至5萬2千個天文單位處，由此成為了已知從最近距離處飛掠太陽系的恆星紀錄保持者。如果這次近距離“接觸”擾動了某顆彗星的運動軌道，那顆彗星將需要2百萬年時間才能飛到太陽系行星的身邊。但是，這個雙星系統的質量較低——只有太陽質量的六分之一，再考慮到其從奧托雲中穿行走過的路徑，估計它很難對彗星產生較大的擾動。

像Scholz星和比鄰星這樣的闇弱、低質量M型矮星，實際上可算是銀河系恆星族群的典型代表了。銀河系大約有4千億顆恆星，其中絕大多數可能都是M型矮星。不過，由於它們能夠發出微弱的可見光，所以，在像WISE這樣的紅外波段巡天的幫助下，我們仍然可以找到位於太陽系附近的矮星。對恆星來說，質量決定命運。M型矮星也許不夠明亮，但其較低的質量卻意味著它燃燒核能源的速度很慢。即便太陽死後又過了幾十億年，它們依舊閃爍著熒熒輝光。

一些恆星甚至完全不發光。它們的核心從未進行過真正的氫聚變反應——恆星一生的能量之源。不過，它們在年少時，可以通過氘（氫的同位素）聚變反應獲得能量。這些被稱作褐矮星的恆星，其質量只有太陽質量的1.2%至7%。Scholz星的伴星就屬此類。褐矮星的表面溫度只及太陽表面溫度的十分之一，雖然勉強算得上是恆星，但其數目卻和真正的恆星相差無幾。在太陽周圍16光年的範圍裡，已知就有50多顆恆星和褐矮星，不過，其中僅有10顆肉眼可見。

星空也從另一方面扭曲了我們對銀河系恆星的印象。在夜空裡100顆最明亮的恆星之中，有三分之一與我們相距不超過100光年。此中有夜空裡最亮的恆星——天狼星（8.6光年遠），還有南河三（11光年）、織女星和北落師門（都是25光年遠）、北河二（52光年）、畢宿五（65光年）和軒轅十四（77光年）。但是，另外三分之一卻遠在400光年之外，其中包括北極星（430光年）、心宿二（600光年）、參宿四（640光年）、參宿七（860光年），還有天津四（2600光年）。所有這些恆星不僅質量超過太陽質量7倍不止，還比太陽明亮成千上萬倍。正因如此，它們飛快地消耗著自身的氫燃料。在太陽“熄火”前很久，它們就會在壯觀的超新星爆發中走向生命的終點。

從恆星到星團

越往大質量端走，恆星的數目就越少。這不僅僅是因為質量最大的恆星，其壽命也很短。恆星往往脫胎於密度較高、溫度較低的分子云。大質量恆星一旦形成，就會發出強烈的紫外輻射和能量強勁的星風（外向物質流），吹散孕育它的雲團，從而限制了其附近形成其它大質量恆星的數目。在銀河系中，能夠發出超過太陽能量一百萬倍能量的恆星，也不過數十顆而已。其中排在首位的是沃爾夫·拉葉星25（WR 25）和船底座的海山二。它們皆是大質量雙星系統，距離我們大約7千5百光年遠，其光度分別是太陽光度的630萬倍和500萬倍。除此之外，船底座星雲中有8顆恆星，以及天鵝座OB星協中的7顆恆星，都是這樣的大質量恆星。

船底座星雲（NGC 3372）是銀河系內最大的恆星“育兒所”。它距離我們7千5百光年。3百萬年前，第一批新形成的恆星照亮了星雲，使它煥發出勃勃生機。現在，它已經孕育 出9顆比太陽明亮一百萬倍的恆星。（圖片來源：NASA/ESA/N. SMITH(UCB)/THE HUBBLE HERITAGE TEAM(STScl/AURA)）

用大質量恆星來測繪銀河系的旋臂很給力。因為即使相隔遙遠，我們也能看見它們。而且在還未遠離自己的出生地時，它們就已經在爆炸中走完一生。爆炸照亮了正在消散的星雲，激發了雲團裡的分子，比如水分子和甲醇分子。在合適的條件下（恆星形成區常常符合這樣的條件），這些分子成為脈澤信號源——即微波波段的激光，其發出的光束能夠穿透遮擋星光的塵埃雲。

大質量恆星生也匆匆，死也匆匆，在超新星爆發中結束一生，留下類似上圖中蟹狀星雲（M1）這樣的遺蹟。這樣的恆星死亡事件產生的激波壓縮周圍的氣體，常常引起新一輪恆星形成。（圖片來源：NASA/ESA/J. HESTER AND A. LOLL(ASU)）

各種類型的恆星團體也能夠幫助我們追蹤銀河系的結構。OB星協是由十顆至幾百顆熾熱、年輕的O型與B型恆星組成的鬆散群體，展幅約幾百光年。離我們最近的星協是470光年遠的天蠍-半人馬OB星協。著名的紅巨星心宿二就是該星協的成員。這個星協中的年老成員已經有1千5百萬歲了。在5百萬年前，一次超新星爆發產生的激波促使附近的雲團開始形成恆星。

相對來說，疏散星團——例如金牛座中的畢星團和昴星團（分別在150光年和440光年遠）與巨蟹座的鬼宿星團（約580光年遠）——則是比較緊密的恆星團體，其成員是在同一個分子云中出生的。在寬度不超過50光年的範圍內，星團擁有的成員數目在幾十至幾百不等，而且星團會在幾億年裡逐漸解體。天文學家已經在銀河系中找到了1200個疏散星團，併為它們登記造冊，不過，銀河系內的疏散星團數目可能多達10萬個。

【金牛座的昴星團（M45）距離我們440光年遠。它是典型的疏散星團，展幅為15光年，擁有大約500顆恆星成員。這些熠熠發光的天體將在未來幾億年裡分散解體。（圖片來源：NASA/ESA AND AURA/CALTECH）】

在像獵戶座星雲和鷹狀星雲（分別位於1350和7千光年遠）這樣的地方，年輕恆星剛從其出生地——恆星形成雲中冒出頭來，並把雲團照得紅彤彤的。科學家們目擊了不到200萬歲的新生疏散星團的形成過程。藉助紅外輻射，我們可以探測到這些年輕星團，甚至在其還未露面之前就能知曉它們的存在。2015年，在巴西南里奧格蘭德州聯邦大學，Denilso Camargo帶領的研究小組在分析了WISE的觀測數據後，報告說他們發現了幾百個被塵埃遮蔽、並且仍深深隱藏在其宿主分子云中的星團。

位於1千3百5十光年遠處的獵戶座星雲（M42）是距離我們最近的大型恆星形成區。太陽可能就是在類似的雲團中形成的。這樣的雲團能夠形成1千至1萬顆恆 星。（圖片來源：NASA/ESA/M. ROBBERTO (STScl/ESA)/THE HST ORION TREASURY PROJECT TEAM）

OB星協、疏散星團、以及潛伏著的星團全部位於銀盤中。但是，球狀星團卻是一個非常另類的星系示蹤物。它們實質上是由恆星組成的巨大球體——在直徑不足300光年的球形區域裡密密麻麻地聚集著數以萬計、甚至上百萬顆恆星。銀河系的球狀星團數目不足200，卻全部都有100億年曆史了。球狀星團圍繞銀心運動，但由於其軌道傾斜角非常大，它們可以運動到距離銀盤很高的地方去。科學家現在已經知道，銀河系曾經從別處竊取過一些球狀星團，這些留待後面再說。

在半人馬座歐米伽球狀星團核心處，兩百萬顆恆星在熠熠發光，雖然這些恆星只佔了星團總質量的20%。該星團距離我們1萬7千光年遠，可能是一個被銀河系撕碎 的矮星系留下的核球。（圖片來源：NASA/ESA/THE HUBBLE HERITAGE TEAM (STScl/AURA)）

銀河系的結構

在20世紀早期，天文學家利用疏散星團和球狀星團之間的差異去認識銀河系的概貌。疏散星團在一個盤狀區域內運動，銀河系中幾乎全部的恆星和塵埃也聚集在那裡。這個盤厚約1千光年，從銀心向外延伸至7萬5千光年遠。太陽系與銀心之間的距離超過了盤半徑的三分之一。

在盤中心，有一個大小約1萬2千光年左右、形似橄欖球的區域——銀河系的橢球，那裡聚集著年老的恆星。雖然我們對銀河系橢球的具體尺寸、形狀和視角還不十分清楚，不過，我們的視角大致是從它的尖端看過去。直到最近，天文學家才把橢球視為“年老恆星活動中心”。大約100億年前，銀河系通過吞併小星系來增長質量。這些恆星就是在那個過程中快速生成的。高出銀盤的核球部分確實以年老恆星為主。但是，最近也有研究表明，位於盤內的核球部分，其恆星的年齡差異較大——從30億年至120億年不等。此外，還有各種證據指出，銀盤在演化中產生的自然擾動催生了核球的大多數恆星。

銀河系的錨點——一個400萬太陽質量的超大質量黑洞就隱匿在核球的中心。所有物質都圍繞著它旋轉。對銀心的定期監測顯示，這個黑洞經常發出X射線耀斑——這是物質葬身黑洞的信號。不過，與我們所知的大質量黑洞的所作所為相比，這還算不上什麼。有證據表明，銀河系的黑洞在過去更活躍。2010年，從美國宇航局的費米伽馬射線空間望遠鏡傳回的數據揭示從銀心吹出的一個展幅達2萬5千光年的伽馬射線巨泡，這可能是發生在幾百萬年前的一次猛烈爆發的確鑿證據。

在圖中那片明亮雲團中心處的亮點就是人馬座A——一個坐擁4百萬太陽質量的大黑洞。當物質旋轉落入它的饕餮大口，它就發出強烈的X射線閃耀。這個超大質量黑 洞距離地球2萬7千2百光年遠，是銀河系的引力錨點。（圖片來源：NASA/CXC/UNIVERSITY OF WISCONSIN/Y. BAI, ET AL.)

我們對銀盤的具體結構還知之甚少，比如旋臂的數目和位置。在紅外波段看到的、隱藏在星團中的恆星，被年輕恆星照亮的星雲，巨大的分子云、水脈澤和甲醇脈澤等等，近些年來，對這幾千個源的射電研究似乎告訴我們，銀河系有四條旋臂，從銀心向外盤旋而出。從銀心到太陽的方向，依次是矩尺座外旋臂、盾牌-半人馬座旋臂、船底-人馬座旋臂。再往外是英仙座旋臂，繼續往外就是矩尺座外旋臂的外端了。

科學家認為，銀河系有四條大旋臂，從中心的星棒盤旋而出。太陽距離銀河系中心大約2萬7千2百光年遠。（圖片來源：NASA/JPL-CALTECH/R. HURT(SSC-CALTECH)）

長期以來，天文學家一直認為太陽系位於臨近英仙座旋臂內側的一處恆星活躍區內。然而，“貝塞爾”巡天和VERA觀測項目取得的首批驚人發現其中之一，就是指出這個“活躍區”不容小覷，其與附近幾條大旋臂一樣有許多大質量恆星形成。此刻，天文學家也拿不定主意，到底把我們所處的這個區域視為是英仙座旋臂的分支呢，還是獨立的一段旋臂。

不僅如此，星盤裡還藏著更多的秘密。2015年，以北京國家天文臺徐巖為首的研究人員根據斯隆數字巡天的觀測數據，把銀盤的尺寸擴大了原值的一半。以前的研究認為，銀盤內的恆星數目在距離銀心大約5萬光年遠處開始下降，但是，斯隆數據卻在更遠的1萬光年處發現了一大圈恆星。該項新研究指出，之所以形成這樣的現象是因為銀盤內存在至少四波在盤面上下起伏的恆星。從太陽系向銀盤外看去，銀盤先是在幾百光年範圍內波動，然後，從距離太陽6千5百光年處開始下降，再上升，接著又下降，一直延伸到至少5萬光年遠處。也許，還有更多的漣漪有待發現。

這些漣漪可能是圍繞銀河系運動的小星系們引起的。其中特別引人注目的一個就是人馬座矮球狀星系。它已經來來回回穿過銀盤好幾次了，與此同時，自身也在慢慢解體成星流。就像往平靜的水面丟入一粒石子那樣，當衛星星系在銀盤中穿梭，其引力作用就會在盤中激起漣漪。計算機數值模擬顯示，衛星星系對星盤的引力拉扯有助於旋臂結構的形成。有趣的是，新發現的那些漣漪也與銀河系旋臂的排布非常一致。

銀盤被一個球體——銀暈——包裹著，那裡有球狀星團、衛星星系、還有被從衛星星系中剝離出來的恆星。銀河系——實際上絕大多數星系——通過吞噬許多小星系來壯大自己。我們今天看到的星流與幾個小星系有脫不開的關係。銀河系似乎還從人馬座矮球狀星系那裡偷來幾個球狀星團。個頭最大、最明亮的球狀星團——距離我們1萬7千光年遠的半人馬座歐米伽球狀星團，其恆星構成就比其它球狀星團要複雜得多。科學家們懷疑，它可能是很久以前，一個被銀河系撕碎的矮星系留下的核球。

儘管如此，銀河系的絕大部分物質是看不見的。銀河系內的恆星和其它物質的運動揭示了存在一個遠遠超出可見結構的引力場。研究顯示，銀河系身處在一個由看不見的物質——暗物質——構成的、大致是球形的物質暈中，暈的直徑達90萬光年——比銀盤直徑大6倍。暗物質佔宇宙物質總量的27%，在其引力作用下，普通物質形成各種結構，最終形成像銀河系這樣的星系。

目前，對銀河系的研究已經取得了幾項重要的新發現，但還有不少未解之謎。在未來十年，天文學家將會不斷鞏固、強化這門研究，獲得精準的銀河系三維結構圖。這幅圖像能讓我們有史以來第一次，像觀察其它星系那樣，把銀河系當作一個整體去研究——亞里士多德曾說過：“整體大於部分之和”。

從遠處看，銀河系是什麼樣子的？據我們所知，它看上去應該和棒旋星系UGC 12158差不多。這個星系的展幅約14萬光年，距離我們有4億光年遠。（圖片來源：ESA/HUBBLE AND NASA)

延伸與昇華

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原文標題：How immense is the universe?

作者：Francis Reddy 原文來自：Astronomy Posted：2015年12月刊

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