破解銀河系的形狀之謎

張唯誠

探索之初

我們的銀河系被改變了，它看起來像一塊扭曲的薯片，這與此前人們對它的認識很不一樣。我們在宇宙中的家是這個樣子的嗎？是的，這是我們對銀河系的最新認識。

銀河系的圓盤通常被描繪成扁平的，像一塊凸透鏡。但最新的研究則發(fā)現(xiàn)，這個星系的邊緣其實是彎曲的。

銀河系由眾多的恒星構(gòu)成，這一認識來自于望遠鏡的觀測。1609年，當伽利略第一次用天文望遠鏡觀察了銀河系后，人類對銀河系的研究便進入到了一個全新的時代。1785年，英國天文學家威廉·赫歇耳用“數(shù)星星”的方法繪制了歷史上第一張銀河圖，這是他用望遠鏡觀測計數(shù)了11.7萬余顆恒星后繪就的。在赫歇耳的銀河圖里，銀河系是偏平的，群星密布，其長度為7000光年，寬為1400光年，呈凸透鏡的形狀，而我們的太陽處在銀河系的中心。在今天看來，這幅圖存在兩個明顯的錯誤：一是銀河系被定義得太小，二是把太陽放在了銀河系的中心。然而，這樣的錯誤依然掩蓋不了這幅銀河圖固有的光輝，它的價值更多地反映在其劃時代的意義上。它是人類建立的第一個銀河系模型，明確了銀河系的基本形態(tài)，使人類的視野從太陽系擴展到了銀河系這一廣袤的恒星世界中。赫歇耳在銀河系和恒星世界探索方面作出的巨大貢獻，使他贏得了“恒星天文學之父”的美譽。

在當時的歷史條件下，赫歇耳的錯誤在所難免。這是因為那時的望遠鏡倍率太小，且赫歇耳在繪制銀河系圖時，世人還認為恒星的亮度是一樣的。他認為，恒星之所以看起來有明有暗，是因為它們離我們有遠有近。然而，現(xiàn)在我們知道，恒星的亮度并不一樣，所以用亮度估算恒星的距離是靠不住的，赫歇耳用星星的亮度直接判斷它們的距離自然就容易出錯了。

“量天”不易

當人們對恒星的亮度和距離之間的關(guān)系有了正確的認識后，人們對銀河系的認識也就大不一樣了。1918年，美國天文學家哈洛·沙普利提出，太陽并不在銀河系的中心，而是位于比較靠近銀河系邊緣的地方，銀河系的中心應(yīng)該在人馬座方向。這個結(jié)論與銀河系的實際情況相一致，是人類認識銀河系的又一次重大進步。然而，沙普利也存在失誤，他認為銀河系的直徑有30萬光年，這是對銀河系主體的判斷，但這個判斷并不正確。假若只算銀河系圓盤的可見部分，目前人們的共識是10萬光年。

要正確地認識銀河系的形狀，人們需要一些有效的測量天體距離的方法。其實，這類方法一直在陸續(xù)地產(chǎn)生和完善。例如，從兩個不同的點觀測天體，然后依三角原理求得星體的距離，這種方法稱為“視差法”。人們也用中性氫探索銀河系的形狀。中性氫大量存在于銀河系的旋臂中，會發(fā)射波長為21厘米的電波。射電望遠鏡出現(xiàn)后，天文學家就用這種望遠鏡探測21厘米的電波，這種探測方法使得科學家們對銀河系的結(jié)構(gòu)和形狀有了進一步的了解。這些方法就好比是“量天”的巨尺，幫助科學家達到了“量天”的目的。銀河系的形狀之謎也隨著“量天”技術(shù)的進步而逐漸得以破解。

1908年，美國天文學家亨麗愛塔·勒維特注意到小麥哲倫云中一種光線能發(fā)生變化的恒星。勒維特發(fā)現(xiàn)，這種星星有一個特性，即光變周期與它們的亮度存在著極其對應(yīng)的規(guī)律：光變周期越長，它們就越亮;光變周期越短，它們就越暗。這種星被叫作“造父變星”。勒維特意識到，造父變星的光變周期和實際的亮度之間存在著一種“周光關(guān)系”。于是她想，既然造父變星的實際亮度和它們的光變周期有著這樣的聯(lián)系，那么，知道了它們的光變周期，不就可以確定它們實際的亮度了嗎？一旦知道了一顆星實際的亮度，又知道它看上去有多亮，人們就可以求出它離我們有多遠了。勒維特的這個發(fā)現(xiàn)為天文學提供了又一把“量天尺”，人們從此可以利用星團、星系中的造父變星推算那些星團和星系的距離了。

新銀河圖問世

現(xiàn)在一般認為，銀河系的總體結(jié)構(gòu)大體可分為銀盤、核球、銀暈等。銀盤是銀河系的主體，那里集中了銀河系高達90%的可探測物質(zhì)。銀盤以軸對稱的形式分布于銀心周圍，其外形像一塊薄透鏡。銀盤本身的厚度只有2000光年，直徑為10萬光年，銀盤中心有個核球，厚度約1萬光年，可見銀盤從整體上看是很薄的。

這就是此前人們對銀河系主體形狀的基本認識。然而，在探索宇宙的道路上，人類的腳步是不會停歇的，會朝著更精準、更清晰的方向不斷邁進。為了更加精確地確定銀河系的形狀，波蘭華沙大學天文臺的天文學家斯考倫和他的同事們在此前研究的基礎(chǔ)上又展開了一次新的測量行動。這一次，他們要用測量造父變星得到的數(shù)據(jù)繪制一幅新的銀河圖，這需要對很多造父變星進行精確測量。那些造父變星的光變周期有長有短，利用這種亮度上的特定變化，科學家們將2431顆造父變星的位置準確地標注在了銀河圖上，銀河系的形狀也因此在人們的眼前變得更加清晰了，于是人們得出了銀河系“像一塊扭曲的薯片”的新印象。2019年8月2日，斯考倫和他的同事們在《科學》雜志上發(fā)表了他們對銀河系形狀的最新描述。

200多年前，當赫歇耳繪制人類第一幅銀河圖時，他認為銀河系是“扁平”的，像一塊“凸透鏡”;今天人們又獲得了更新的認識：銀河系確實是“扁平”的，但有點異常，它就像一塊扭曲的薯片。