银河系结构的新图像和起源演化

胡中为

关键词：银河系 银盘 银心 银晕 旋臂 暗物质 起源 演化

近些年来，利用装载先进设备的地面望远镜和空间望远镜，对银河系进行大规模探测。得到多波段高分辨资料。研究揭示出银河系是棒旋星系，且比原先预想的更丰富、更复杂、更活跃。需要再绘银河结构的新图像，探索银河系的起源；应当与时俱进，关注银河系观测研究的新进展，摒弃某些过时观念，增进对银河系的新认识。

在远离城镇的乡野，仰望晴朗无月的夜空，可看到一条美妙的淡白色辉光带横贯天穹，这就是银河。我国古代又称之为天河、银汉、星河等，在西方又被称为牛奶路（Milky Way）。观测与探索，人们对银河系的认识不断加深。

1610年，伽利略首先使用望远镜观察星空，发现银河实际上是由密集的恒星组成的。只因人类肉眼的分辨本领不高，在人类的视野中密集的恒星才以辉光带的面貌呈现。而使用望远镜的人们便可以识别出点点的恒星。到18世纪，天文学家推测，银河是由大量恒星所组成的盘状天体系统。赫歇尔父子（F.W.Herschel和J.F.Herschel）用望远镜进行恒星计数观测，首次绘制出盘状的结构模型，但他们却错误地把太阳放在了盘的中心。到20世纪初，天文学家把这个恒星系统称为“银河系”。1918年，沙普利（H.Shaoley）注意到，大多数球状星团离银河很远，且在人马星座方向数目最多，由此提出银河系中心在那个方向，而太阳位于银河系外区，建立了凸透镜形的银河系结构模型。这是继哥白尼的日心说之后再次破除人类处于宇宙中心的陈旧观念，意义重大深远。一般地说，由大量恒星、星团、（气体和尘埃）星云及星际物质组成的天体系统称为“星系”。我们所在的星系就是银河系。

“不识庐山真面目，只缘身在此山中”，处于银河系一隅的地球人們，很难认识银河系的全貌，尤其是看不到被星际物质所遮掩的区域。受河外星系（例如仙女星系）形态的启示，结合银河系的观测资料，才逐渐揭示出银河系结构的真面貌。1920年代，银河系自转被发现。1932年，综合附近恒星运动的观测资料，奥尔特（J.H.Oort）首先建立了银河系的自转模型。1954年，通过观测银河系里中性氢发出的21厘米谱线，得到银河系自转（随银心距）分布曲线。1958年，第一幅银河系旋涡结构图像被绘制出。1970年代和1980年代，新的地面望远镜和空间望远镜开始从微波到X射线对银河系进行多波段测绘。1976年。绘出银河系电离氢云的分布图，显示出旋臂结构。1993年，绘出现代的银河系结构图。到21世纪，系统的观测程序使探测范围扩展到以前没人注意的银河系大天区结构。近十多年来，各天文学小组依靠强力的计算机模拟，依据更新、更好的观测资料，摒弃过时观念，重建银河系详细结构模型，探索星系起源演化。

银河系结构的新模型

人们常用赤道坐标系描述天体在天球的视位置，然而描述银河系的结构以及恒星的空间分布和运动更简明的方式是银道坐标系。银道坐标系是以太阳为中心的天球坐标系，银道面是银河的中央平面。每个天体的银道坐标（银经、银纬）可以由其赤道坐标（赤经、赤纬）换算得出。

银河系有各类型成员，不同类型成员在各波段的辐射不同。目视观测仅仅可以看到银河系在可见光波段的情况，而且由于星际物质消光，远处的天体很难被观测到。但红外、射电、X射线、γ射线等辐射穿透性强，容易通过遥远的距离而进入我们的视野。为了更全面地认识银河系的结构和性质，对银河系开展了多波段观测和综合研究。不同波段的观测数据表明，银河系的主要部分是中间厚、外部薄的扁盘结构，被称为“银盘”。其直径约10万光年（约30千秒差距，1秒差距≈3.26光年），平均厚度约1000光年。

从高银纬的远处观看，银盘呈中央有棒，外联旋臂的旋涡状结构。因此，银河系属于棒旋星系（SBc）类，而不是过去认为的正常旋涡星系。旋涡星系（Spiral Galaxy）的外形呈旋涡结构，核心呈凸透镜形，外面有旋臂。核心呈棒状，旋臂从棒的两端向外生出的，称为棒旋星系（Barred Spiral Galaxy）；而核心无棒状结构的，称为正常旋涡星系。旋涡星系的代号为S。棒旋星系的代号为SB。一般在S或SB后面另加a、b、c等英文字母，用来表示旋臂的松紧程度。a表示最紧，c表示最松。

核球和棒 银河系中央区大致呈球状，密集分布着老年恒星（年龄约百亿年），人们称之为核球。核球半径约1万光年，质量约百亿太阳质量（M_☉）。近年确证，在中央区存在着由年轻恒星组成的棒，长度为2-4千秒差距，相对于地球到银心方向呈15-50度夹角。关于棒的性质，仍存在热烈争议。

一个所谓“5千秒差距环”（5-kpc Ring）包围着中央棒。研究表明，银河系分子氢的很大部分包含在该环中，并且大部分的恒星形成活动在这里发生。从仙女星系观望，这是银河系的最显著特征。

银心与超大质量黑洞 银心是银河系自转的中心，位于人马座方向。由不同技术得到，银心离地球约27000光年。由于星际尘埃的遮掩，在可见光，紫外光或软X射线波段看不见银心，但在γ射线、硬X射线、红外、亚毫米波等波段可得到银心的信息。银心的赤道坐标为：赤经17时45分40.04秒、赤纬-29度00分28.1秒。银心以人马座A^*强射电源标识，银心周围的物质运动行为表明，人马座A^*是个超大质量黑洞，其质量为410万-450万M_☉。2008年，通过甚长基线（射电）干涉测得人马座A^*的直径为4400万千米。即约为0.3天文单位（1天文单位≈115亿千米）。

2010年，费米γ射线空间望远镜（Fermi Gamma-ray Space Telescope）探测到银核南、北有两个高能发射的巨大球形泡，直径各约25000光年。后来，帕克斯望远镜（Parkes Radio Telescope）在射电频率确认了与泡相关联的偏振发射。对此偏振发射的最好解释是，距离银河系中心640光年区域内恒星形成过程所驱使的磁化外流。

旋臂 在中央棒之外，其结构主要由位于银盘的恒星和星际物质组成。旋臂含有更密的星际气体和尘、HⅡ（电离氢）区和分子云，说明恒星形成更集中地发生在旋臂区域。同时，旋臂含有的星际气体和尘埃密度高于银河系平均水平。

星系旋臂通常会意外地呈现出分支、合并，转折等情况，并且显现出不规则特征。完美的对数螺旋图仅能粗略地描述太阳附近区域的结构特征。银河系的旋涡结构图还在更新。在1950年代，射电观测资料得出，银河系有四条旋臂：矩尺臂、南十字-半人马臂、人马臂、英仙臂。但在2008年，斯皮策空间望远镜（Spitzer Space Telescope）通过观测1.1亿颗低质量冷恒星所获图像显示，矩尺臂和人马臂似乎不那么齐聚，因此，这两臂被降格为“小臂”。大质量恒星因为寿命不长，远不如低质量恒星常见，但也正因如此，它们沒有足够的时间远离其诞生地。普查1650颗大质量恒星的分布显示，它们多在矩尺臂和人马臂。

现在确认银河系有四条旋臂，并扩充了新资料，另加支臂和小旋臂。大型射电望远镜的巡天计划不久将绘制出银河系结构的新图像。

从中央棒两端向外延展，四条主旋臂依次为：英仙臂，盾牌一半人马臂，矩尺臂及外臂，船底一人马臂。年轻恒星及恒星形成区的分布和四条旋臂匹配，老年恒星则多分布于矩尺臂和人马臂。太阳位于猎户一天鹅支臂。此外，中央棒近旁还有3千秒差距（小）臂，又分为近3千秒差距臂与远3千秒差距臂。

银晕 银河系外围由稀疏分布的恒星和星际物质组成的球状区域，称为银晕。根据组成成分的不同，银晕有恒星晕、气体晕、暗物质晕等。

恒星晕由包围银盘的老年恒星和球状星团组成。其90%在离银心10万光年（30千秒差距）范围内，而诸如PAL 4和AM 1则离银心超过20万光年。21世纪以来的外旋臂等新发现表明银盘大于以前所述。

钱德拉X射线卫星、X射线多镜-牛顿卫星、朱雀X射线卫星（Suzaku）提供的证据表明，银河系同样存在着大量热气体组成的银晕——气体晕。气体晕延展几十万光年，远大于恒星晕而邻近大、小麦哲伦星系。其温度为100万-250万开。

遥远星系的观测表明，宇宙的普通物质约为暗物质的1/6。普通物质具有4种相互作用，即强作用、电磁作用、弱作用和引力作用。但是，暗物质没有电磁作用、强作用，只有引力作用或同时也有弱作用。虽然暗物质是不可见的，人们还不知道它们是什么，但它们存在于各处，对普通物质（恒星、气体）施加的引力是可见恒星和星系所施引力的5倍。因而可以从可见物质的分布和运动推断出暗物质、包括暗物质晕的存在。

银河系的特性

太阳的位置与近邻 太阳位于猎户支臂的内缘附近，在本泡（Local Bubble）的本绒毛（Local Fluff）内，处于古德带（Gould Belt）上，离银心的距离为（8.33±0.35）千秒差距。离银道面的距离为5-30秒差距。

太阳朝织女星方向运动，运动方向跟银心方向约成60°角。太阳绕银心运动轨道大致为椭圆，运行速度约240千米/秒。同时考虑到银河系旋臂，以及质量分布不均所引起的摄动，太阳约2.4亿年（1银河年）绕银心旋转一周。在此期间，太阳还相对于银道面上下振荡2.7次。地球上的大规模物种绝灭可能与此有关。在太阳附近半径49光年范围内。约有208颗亮度大于8.5绝对星等的恒星；在16光年范围内，有64颗已知恒星。

银河系的自转 银河系的恒星和气体绕银心转动，它们的绕转速度随银心距不同而变化。然而，基于恒星和气体质量所估测的“自转速度—银心距”曲线与实际观测有很大差别，这种差异可能源于暗物质的存在。

银河系的大小和质量 近年的观测研究表明，银河系直径可达12万光年，气体晕甚至到达到离银心几十万光年处，暗物质晕则可达到离银心100千秒差距外。

对银河系质量的估计取决于所使用方法和所用资料。各种估计表明，银河系质量至少为5.8×10¹¹M_☉。2009年，甚长基线阵发现，银河系外缘的一些恒星的速度可达到254千米/秒。因为轨道速度取决于轨道半径内天体的总质量。由此估算出的银河系质量大致跟仙女星系相当。2010年，通过测定银晕恒星视向速度得出，在离银心80千秒差距范围内，银河系的质量为7×10¹¹M_☉。银河系的大部分质量似乎来自于暗物质，然而暗物质晕散布较不均匀，银河系的数学模型建议，整个银河系的总质量为10¹¹～1.5×10¹¹M_☉。

银河系至少含有1000亿颗恒星，可能含有多达4000亿颗恒星，准确数字取决于难观测到的甚低质量恒星或矮星（尤其离太阳很远的）究竟有多少。同时，银河系还含有大量星际介质——气体和尘埃以及环绕恒星的行星及彗星。估计银河系含有400亿颗地球大小的行星。

银河系的年龄 银河系中某些恒星的年龄可通过诸如²³²Th和²³⁸U等长寿命放射元素进行测定。例如，测量得出CS 31082-001年龄为（126～30）亿年，BD+17°3248年龄为（127±40）亿年。白矮星由于辐射而表面温度降低，据此可估计其年龄。例如，球状星团M4年龄测定为（127±7）亿年。球状星团是银河系中最古老的天体，可以作为银河系年龄的下限。2007年，通过测定HE 1523-0901光谱中的铀、钍及铕、锇、铱同位素，一致地得出其年龄为132亿年。这是测得的银河系最大年龄，应为银河系年龄的更好下限。银盘中恒星的年龄为（88±17）亿年，这说明从银晕到银盘形成几乎经历约50亿年。

银河系所处的环境

银河系和仙女星系是近邻的巨大星系，它们跟50个临近的星系约束在一起组成“本星系群”，并且是室女超星系团的一部分。在本星系群中，有两个较小的星系（大、小麦哲伦星系）和很多矮星系绕银河系转动（矮星系是恒星和气体的不规则集合体，其质量通常仅为现今银河系质量的1%。）。大麦哲伦星系是离银河系最近的伴星系。其直径为14000光年，有1个近伴侣——小麦哲伦星系。麦哲伦流是从这两个星系延展出来的中性氢气体流，跨越太空100°，是由于银河系的引潮力拉出的。环绕银河系的矮星系有：大犬座矮星系（离银河系最近）、人马座矮椭球星系、小熊座矮星系、玉夫座矮星系、六分仪座矮星系、天炉座矮星系、狮子座I矮星系等，以及直径仅500光年的船底座矮星系、天龙座矮星系、狮子座Ⅱ矮星系等；可能还有未探测到的星系，以及某些诸如半人马ω被银河系吸收了的星系。

2006年1月报道，以前知识无法解释的银盘弯曲现象被测绘到，并得出大、小麦哲伦星系绕银河系转动时经银河系边缘而造成的波纹或振动。以前认为，大、小麦哲伦星系的质量太小（约银河系质量的2%），不会对银河系产生影响。然而，在一个计算机模型中，这两个星系的运动会造成暗物质尾迹，可以放大它们对银河系的影响。

现代测量表明。仙女星系正以100-140千米/秒的速度接近银河系。在未来30亿-40亿年，仙女星系和银河系可能会发生碰撞。如果碰撞，个别恒星相互碰撞的机会极少，但这两个星系将会合并，历经约10亿年而形成一个椭圆星系。

银河系的起源演化

普通物质的情况 我们的宇宙始于138亿年前的大爆炸，不久，宇宙物質分布的一个或几个小密集区开始形成银河系。某些密集区是球状星团的“种子”，那里形成银河系的最古老恒星。这些恒星和星团现在成为银河系的恒星晕。在第一代恒星诞生的数十亿年里，银河系的质量足够大，旋转较快。由于角动量守恒。星际气体介质从大致球形坍缩为盘。因此，后代恒星形成于旋涡盘中。

自首批恒星开始形成以来，通过星系合并（尤其在星系生长早期）和直接从银晕吸积气体，银河系不断增长。银河系目前从它的两个最近伴星系（大、小麦哲伦星系），经麦哲伦流吸积物质。然而，银河系最外区的恒星质量、角动量和金属度的特性表明，银河系在近100亿年内没有经历与大星系合并的过程。在类似的旋涡星系中，这种缺乏与大星系合并的情况是不寻常的；银河系的邻居仙女星系似有经合并较大星系而成形的较为典型历史。

根据最近的研究，银河系以及仙女星系处在星系“颜色-星等图”上的“绿谷”区，即星系从“蓝云”（新恒星的形成很活跃）到“红序列”（缺乏新恒星形成）的过渡区。处于“绿谷”的星系，因缺乏形成恒星的气体，恒星形成活动缓慢。对相似特性星系的模拟表明，从现在起的50亿年内，将不复存在典型的恒星形成过程，即使因银河系和仙女座星系的碰撞而使恒星形成率在短期内增加。

包括暗物质的情况 以上所述主要是建立于对可见物质的观测资料基础之上。虽然暗物质是不可见的，但观测证据表明，暗物质普遍存在，比普通物质多。近年，开始探讨考虑包括暗物质的银河系起源、演化问题。时新的银河系图像揭示，银河系在混沌中诞生，被“暴力”成形，生存于湍动状态，其未来有一定灾变。

天文学家仍在争论银河系诞生期间各种事件的确切次序，但都同意故事始于暗物质。暗物质无处不在。比普通物质多，然而，只能通过它对可见恒星和星系的引力效应来探测它的存在。像其他星系一样，银河系被包裹在一个巨大的暗物质“茧”内；没有暗物质，普通物质所产生的引力不足以把银河系保持在一起。在138亿年前的宇宙大爆炸的直接余波中，由于引力作用，造成暗物质中的微小不规则增长，形成各种尺度的、越来越密集的暗物质丛。模拟显示，成丛过程最终总是演变成混沌的碰撞及合并。但是，在大爆炸发生十亿年内，事情略微安定下来，而一些暗物质丛开始更像银河系周围的情况——大致几百千秒差距尺度的球形晕。晕内是被暗物质引力束缚着的原始氢氦气体薄霾。几亿年后，这种气体逐渐冷却、凝聚，开始形成恒星，成为创建银河系的原物质。但是，描述该过程的模型并不简单。引导普通物质演化到现今银河系结构涉及碰撞、耗散、制冷、加热和爆发等复杂过程。

在暗物质晕中有着复杂的物理现象和机理。当暗物质晕超过一定质量（有待确定）时，会使足够的气体形成恒星，进而形成矮星系。但若果真如此，应该有数千个矮星系环绕银河系运行，而目前仅发现了二十多个。这种差异的一个可能原因是，矮星系含有异常大量的暗物质，因而暗弱得难以被察觉。例如，Segue1矮星系所含暗物质是普通物质的千倍。从这样暗弱的矮星系的信息中，可以得知完全不形成恒星和星系的暗物质晕的质量下限，因此搜寻它们非常有意义。另一种可能原因是，一些暗物质晕太小，无法形成恒星，因而完全黑暗。对于这些无星系的暗物质丛，只能通过其对附近的矮星系或星流的引力效应来搜寻，而至今尚未发现此效应的可信标志。还有另一种可能是，暗物质晕形成了更多的矮星系，但第一代恒星的质量巨大，因酷热和爆炸而失去了所有气体。

无论哪种方式，星系继续快速增长。气体和矮星系的内旋使暗物质晕中心累积了更多的气体和恒星。最终演化为原银河系。

关于银盘的形成，只知道大概模式：外晕由瓦解的矮星系形成：而内晕是银心大旋涡的遗迹。原银河系坍缩为现在的风车形，其坍缩的动力学过程也有了大致理解：进入原银河系的气体、矮星系之间的各次碰撞都耗散它们的轨道能量，使它们进一步向内降落。由于角动量守恒，物质收缩使旋转越来越快，银河系扁化为薄盘。与此同时，在盘内，引力相互作用造成恒星和气体云的轨道开始堆积并导致螺旋“密度波”，从而形成螺旋臂。但当涉及细节时，还无法精确回答。没有人能回答：银盘的形成历经多久，十亿年，一百亿年？在几十亿年前（那时银河系可能还没有足够原料），银河系是如何保持造星的？

现在知道，在银河系核球中心是巨大的黑洞，这也是银河系的准确中心。现在恰巧没有东西落进它。因而现今它正处于不活动状态。但它一度是较活跃的——在其他星系中心有活跃黑洞是相当常见的，这可能是星系生成、演化所经历的一个阶段。银河系黑洞的活跃期估计在约1000万年前。

银河系的未来观测得出，仙女星系正在走近银河系。近年，对其运行的测定精确到11微弧秒/年。它现在离银河系约770千秒差距，相互接近速度为109千米/秒。大约60亿年后，两星系将会碰撞，相互做轨道运动；直到70亿年后，它们将合并成一个椭圆星系。跟恒星形成活跃的旋涡星系相反，椭圆星系更像“无特征的”，其中含有气体和一些新的恒星。银河系的起源、演化还有待深入的探索。

宇宙仅拥有有限的气体，或迟或早，可能只要星系已存在，就会把气体转变为恒星。在宇宙中，恒星形成、演化、死亡。小恒星可以宁静地活万亿年，但最终它们会毁灭，就是如此。