“银河大棚”棒悬结构的发现简史

几千年以来，人们一直对银河系延伸到辽阔太空的几个螺旋型条带感到困惑，现代天文学之父伽利略·伽利雷自制了第一个望远镜，在银河系发现了难以计数的恒星，直到二十世纪，天文学家才成功地破解了银河系形状和属性的奥秘。1610年，伽利略在一篇天象观测日记中写到，“这是我第三次观测银河系，无论通过望远镜观测银河系的哪个部分，我都发现了数量繁多的恒星，其中的一些恒星看起来非常大，十分令人震撼，另一些恒星看起来非常小，几乎难以探测到它们的光线。”第一个将自制望远镜对准天空的伽利略把自己的名字刻在现代天文学的教科书。

伽利略把一系列的观测成果汇编成了天文学的经典著作《星光使者》，意大利的杰出数学家和天文学家在“汇编文本”中记录了木星的卫星、地球的卫星——月球和浩瀚的银河系。直到伽利略将望远镜对准这些天体之前，它们的性质一直是神话中“想入非非”的题材，上天充满了梦幻故事的色彩。公元前5世纪，古希腊哲学家德谟克利特已注意到银河系的螺旋条带发出了弥漫光芒，当时的非洲占星术士将银河系“一环套一环”的悬臂描述为“黑夜的脊柱”，在螺旋条带内点缀了无数的星星。

在伽利略过世后的150年，银河系的螺旋条带又一次成为了天空探索的主题，民间科学家托马斯·怀特相信，银河系内的恒星排布在一个十分扁平的区域，整个银河系看起来好像一块巨大的磨刀石，银河系对怀特来说不是什么奇异的物体，它是一块巨大的“磨刀石”在天空留下的投影。近代哲学之父康德巧妙地借用了怀特的比喻，非常接近了银河系的真实属性，1755年，康德发表了自然哲学著作《自然通史和天体理论》，书中提出了银河系结构的基本观点，银河系是一个在太空延伸的天体系统，分布了非常稀薄的恒星、太阳、地球和太阳系的其它行星。

太阳系属于银河系薄层结构的一部分，不在银河系的中心位置。沿薄层结构平面或在垂直于薄层结构的视线方向，人们可以看到不同密度分布的恒星。然而，在康德时代和之前的天文观测不够可靠，比如：当时的观测技术确定了恒星的视线亮度，但不能确定恒星的绝对亮度，在测量恒星的距离时，恒星的绝对亮度是一个基本参数。银河系内充斥了各种星际物质，气体和尘埃云吸收和折射了恒星的光线，星际物质阻碍了光线传播，这使得银河系中心的区域看起来十分模糊，天象观测者在康德时代看不清银河系包罗万象的复杂结构。

应用恒星统计学方法，人们确定了太阳系大约1万光年区域的结构性，但不能确定银河系大约10万光年的结构特征，直到二十世纪中期，天文观测技术才实现了突破，天文学家通过射电望远镜发现了银河系的精确构造。氢原子是最常见的宇宙物质，中性氢原子充斥在恒星之间，它们是星际物质的主要成分，从银河系氢气体云的分布追溯了整个银河系的形状，好像人们从X—射线图片看到了人体的骨骼结构，但人们怎样看清了宇宙的“骨骼”结构？科学家构思了“纳米宇宙”的概念，氢原子由一个质子的原子核和核外的一个电子构成，它们的旋转方向相反。

当两个氢原子发生碰撞时，氢原子核和核外电子的旋转方向有可能发生翻转，原子核和电子的旋转方向从相反变成相同，经过一段时间的调整之后，氢原子核和电子的旋转方向重新回到以前的相反方向。在原子核和核外电子的旋转方向从相反到相同，再从相同到相反的循环过程中产生了能量释放，辐射能量以电磁波的形式向外传播，电磁波谱线在射电范围，通过射电望远镜可以接受氢原子的射电信号。星际物质的密度极低，但其中的氢原子不断地发生了碰撞，氢原子谱线或氢线不会受太空尘埃的阻碍，它们穿越到了地面的射电观测网。

对于人类孜孜以求的天空探索和认知而言，宇宙没有关闭观测的所有“窗口”，“宇宙大帝”为人类打开了一扇射电窗口，天文学家将射电望远镜对准了深邃苍穹，终于看清了银河系的悬臂结构。天文学家在1970年代发现，仅将氢原子作为发现星系形态的指示器是不够的，比如：氢原子密度在银河系的螺旋条带较低，可否以其它物质粒子作为星系结构的指示器，星系分子“呼之欲出”。星际分子发出了一氧化碳物质的光辐射，通过分析一氧化碳分子的信号，天文学家确立了银河系结构的特性。

“银河”一词取自于希腊语词“牛奶”，银河系外形好像一个弯形的车轮，它的直径大约为10万光年，银心厚度只有5000光年，银河边缘的厚度大约为3000至4000光年。银河系中心窝藏了一个超大质量黑洞，它被一个含有密集恒星的凸起构造所笼罩，在银河系中心的平面嵌入了一根“超级雪茄”，看起来好像一根横亘在银心平面的棒子，于是，天文学家将银河系结构定名为“棒旋结构”。

有四条旋臂组成的银河系中间厚，边缘薄，这四条悬臂“链条”主要由星际物质构成，它们分别是猎户座旋臂、英仙座旋臂、人马座旋臂和三千秒差距悬臂。 在二十世纪的七十年代，通过探测银河系内一氧化碳分子的分布，天文学家发现了第四条旋臂，它跨越了狐狸座和天鹅座，距离银心为四千秒差距，被称之为三千秒差距悬臂正以大约50千米/秒的速度向外膨胀。银河系和内部的太阳系都在旋转，太阳系以250千米/秒的速度绕银河系的中心旋转，大约2.5亿年绕银心转动一周，太阳与银河系中心的距离大约为26000光年，位于猎户座旋臂的内侧。

银河系主要由旋臂银盘，中央突起的银心区域和晕轮三个部分组成，银盘外稀疏的恒星和星际物质形成了球状体的银晕。银河系含有2000多亿颗恒星，所有的恒星绕银河系的中心旋转，不同的恒星旋转速度标识为坐标的“旋转曲线”，从理论上讲，靠近银心的恒星旋转得快，远离银心的恒星旋转得慢，然而，实际测量的恒星旋转曲线显示，它们的旋转速率出现了不规则性。仅以银河系内的可见物质数量难以解释恒星运动的不规则性，天文学家设想了看不见的物质或“暗物质”的存在，至今没有发现暗物质的踪迹，但暗物质理论解释了恒星在不同距离上绕银心旋转时速度的不规则性。

银河系的“暗物质”谜题没有解决，天文学家还面临了另一个难题，银河系的悬臂有无无缠绕？四条银河系的螺旋条带或悬臂经过了数十亿年的旋转，它们的基本形态没有变化，没有出现相互缠绕的现象，天体物理学家给出了激波理论的解释，在整个银河系传播的一种物质波压缩了悬臂内的星际物质，好像在高速公路上发生了交通阻塞，畅通的高速公路突然变成了一个条带状的大型停车场。目前，天体物理学家不能详细解释激波的压缩效应，也不能解释物质密度波是怎样形成的谜题。

（编译：2018-8-21）