破解银河系的形状之谜

张唯诚

探索之初

我们的银河系被改变了，它看起来像一块扭曲的薯片，这与此前人们对它的认识很不一样。我们在宇宙中的家是这个样子的吗？是的，这是我们对银河系的最新认识。

银河系的圆盘通常被描绘成扁平的，像一块凸透镜。但最新的研究则发现，这个星系的边缘其实是弯曲的。

银河系由众多的恒星构成，这一认识来自于望远镜的观测。1609年，当伽利略第一次用天文望远镜观察了银河系后，人类对银河系的研究便进入到了一个全新的时代。1785年，英国天文学家威廉·赫歇耳用“数星星”的方法绘制了历史上第一张银河图，这是他用望远镜观测计数了11.7万余颗恒星后绘就的。在赫歇耳的银河图里，银河系是偏平的，群星密布，其长度为7000光年，宽为1400光年，呈凸透镜的形状，而我们的太阳处在银河系的中心。在今天看来，这幅图存在两个明显的错误：一是银河系被定义得太小，二是把太阳放在了银河系的中心。然而，这样的错误依然掩盖不了这幅银河图固有的光辉，它的价值更多地反映在其划时代的意义上。它是人类建立的第一个银河系模型，明确了银河系的基本形态，使人类的视野从太阳系扩展到了银河系这一广袤的恒星世界中。赫歇耳在银河系和恒星世界探索方面作出的巨大贡献，使他赢得了“恒星天文学之父”的美誉。

在当时的历史条件下，赫歇耳的错误在所难免。这是因为那时的望远镜倍率太小，且赫歇耳在绘制银河系图时，世人还认为恒星的亮度是一样的。他认为，恒星之所以看起来有明有暗，是因为它们离我们有远有近。然而，现在我们知道，恒星的亮度并不一样，所以用亮度估算恒星的距离是靠不住的，赫歇耳用星星的亮度直接判断它们的距离自然就容易出错了。

“量天”不易

当人们对恒星的亮度和距离之间的关系有了正确的认识后，人们对银河系的认识也就大不一样了。1918年，美国天文学家哈洛·沙普利提出，太阳并不在银河系的中心，而是位于比较靠近银河系边缘的地方，银河系的中心应该在人马座方向。这个结论与银河系的实际情况相一致，是人类认识银河系的又一次重大进步。然而，沙普利也存在失误，他认为银河系的直径有30万光年，这是对银河系主体的判断，但这个判断并不正确。假若只算银河系圆盘的可见部分，目前人们的共识是10万光年。

要正确地认识银河系的形状，人们需要一些有效的测量天体距离的方法。其实，这类方法一直在陆续地产生和完善。例如，从两个不同的点观测天体，然后依三角原理求得星体的距离，这种方法称为“视差法”。人们也用中性氢探索银河系的形状。中性氢大量存在于银河系的旋臂中，会发射波长为21厘米的电波。射电望远镜出现后，天文学家就用这种望远镜探测21厘米的电波，这种探测方法使得科学家们对银河系的结构和形状有了进一步的了解。这些方法就好比是“量天”的巨尺，帮助科学家达到了“量天”的目的。银河系的形状之谜也随着“量天”技术的进步而逐渐得以破解。

1908年，美国天文学家亨丽爱塔·勒维特注意到小麦哲伦云中一种光线能发生变化的恒星。勒维特发现，这种星星有一个特性，即光变周期与它们的亮度存在着极其对应的规律：光变周期越长，它们就越亮;光变周期越短，它们就越暗。这种星被叫作“造父变星”。勒维特意识到，造父变星的光变周期和实际的亮度之间存在着一种“周光关系”。于是她想，既然造父变星的实际亮度和它们的光变周期有着这样的联系，那么，知道了它们的光变周期，不就可以确定它们实际的亮度了吗？一旦知道了一颗星实际的亮度，又知道它看上去有多亮，人们就可以求出它离我们有多远了。勒维特的这个发现为天文学提供了又一把“量天尺”，人们从此可以利用星团、星系中的造父变星推算那些星团和星系的距离了。

新银河图问世

现在一般认为，银河系的总体结构大体可分为银盘、核球、银晕等。银盘是银河系的主体，那里集中了银河系高达90%的可探测物质。银盘以轴对称的形式分布于银心周围，其外形像一块薄透镜。银盘本身的厚度只有2000光年，直径为10万光年，银盘中心有个核球，厚度约1万光年，可见银盘从整体上看是很薄的。

这就是此前人们对银河系主体形状的基本认识。然而，在探索宇宙的道路上，人类的脚步是不会停歇的，会朝着更精准、更清晰的方向不断迈进。为了更加精确地确定银河系的形状，波兰华沙大学天文台的天文学家斯考伦和他的同事们在此前研究的基础上又展开了一次新的测量行動。这一次，他们要用测量造父变星得到的数据绘制一幅新的银河图，这需要对很多造父变星进行精确测量。那些造父变星的光变周期有长有短，利用这种亮度上的特定变化，科学家们将2431颗造父变星的位置准确地标注在了银河图上，银河系的形状也因此在人们的眼前变得更加清晰了，于是人们得出了银河系“像一块扭曲的薯片”的新印象。2019年8月2日，斯考伦和他的同事们在《科学》杂志上发表了他们对银河系形状的最新描述。

200多年前，当赫歇耳绘制人类第一幅银河图时，他认为银河系是“扁平”的，像一块“凸透镜”;今天人们又获得了更新的认识：银河系确实是“扁平”的，但有点异常，它就像一块扭曲的薯片。