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(duì)它的認(rèn)識(shí)很不一樣。我們?cè)谟钪嬷械募沂沁@個(gè)樣子的嗎？是的，這是我們對(duì)銀河系的最新認(rèn)識(shí)。

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(gè)星系的邊緣其實(shí)是彎曲的。

銀河系由眾多的恒星構(gòu)成，這一認(rèn)識(shí)來自于望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)。1609年，當(dāng)伽利略第一次用天文望遠(yuǎn)鏡觀察了銀河系后，人類對(duì)銀河系的研究便進(jìn)入到了一個(gè)全新的時(shí)代。1785年，英國天文學(xué)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(yuǎn)鏡觀測(cè)計(jì)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(gè)明顯的錯(cuò)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(cuò)誤依然掩蓋不了這幅銀河圖固有的光輝，它的價(jià)值更多地反映在其劃時(shí)代的意義上。它是人類建立的第一個(gè)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(kuò)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(xiàn)，使他贏得了“恒星天文學(xué)之父”的美譽(yù)。

在當(dāng)時(shí)的歷史條件下，赫歇耳的錯(cuò)誤在所難免。這是因?yàn)槟菚r(shí)的望遠(yuǎn)鏡倍率太小，且赫歇耳在繪制銀河系圖時(shí)，世人還認(rèn)為恒星的亮度是一樣的。他認(rèn)為，恒星之所以看起來有明有暗，是因?yàn)樗鼈冸x我們有遠(yuǎn)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(cuò)了。

“量天”不易

當(dāng)人們對(duì)恒星的亮度和距離之間的關(guān)系有了正確的認(rèn)識(shí)后，人們對(duì)銀河系的認(rèn)識(shí)也就大不一樣了。1918年，美國天文學(xué)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(gè)結(jié)論與銀河系的實(shí)際情況相一致，是人類認(rèn)識(shí)銀河系的又一次重大進(jìn)步。然而，沙普利也存在失誤，他認(rèn)為銀河系的直徑有30萬光年，這是對(duì)銀河系主體的判斷，但這個(gè)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(shí)是10萬光年。

要正確地認(rèn)識(shí)銀河系的形狀，人們需要一些有效的測(cè)量天體距離的方法。其實(shí)，這類方法一直在陸續(xù)地產(chǎn)生和完善。例如，從兩個(gè)不同的點(diǎn)觀測(cè)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(huì)發(fā)射波長為21厘米的電波。射電望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)后，天文學(xué)家就用這種望遠(yuǎn)鏡探測(cè)21厘米的電波，這種探測(cè)方法使得科學(xué)家們對(duì)銀河系的結(jié)構(gòu)和形狀有了進(jìn)一步的了解。這些方法就好比是“量天”的巨尺，幫助科學(xué)家達(dá)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(jìn)步而逐漸得以破解。

1908年，美國天文學(xué)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(gè)特性，即光變周期與它們的亮度存在著極其對(duì)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(shí)到，造父變星的光變周期和實(shí)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(shí)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(shí)際的亮度了嗎？一旦知道了一顆星實(shí)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(yuǎn)了。勒維特的這個(gè)發(fā)現(xiàn)為天文學(xué)提供了又一把“量天尺”，人們從此可以利用星團(tuán)、星系中的造父變星推算那些星團(tuán)和星系的距離了。

新銀河圖問世

現(xiàn)在一般認(rèn)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(dá)90%的可探測(cè)物質(zhì)。銀盤以軸對(duì)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(gè)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(duì)銀河系主體形狀的基本認(rèn)識(shí)。然而，在探索宇宙的道路上，人類的腳步是不會(huì)停歇的，會(huì)朝著更精準(zhǔn)、更清晰的方向不斷邁進(jìn)。為了更加精確地確定銀河系的形狀，波蘭華沙大學(xué)天文臺(tái)的天文學(xué)家斯考倫和他的同事們?cè)诖饲把芯康幕A(chǔ)上又展開了一次新的測(cè)量行動(dòng)。這一次，他們要用測(cè)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(duì)很多造父變星進(jìn)行精確測(cè)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(xué)家們將2431顆造父變星的位置準(zhǔn)確地標(biāo)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?cè)凇犊茖W(xué)》雜志上發(fā)表了他們對(duì)銀河系形狀的最新描述。

200多年前，當(dāng)赫歇耳繪制人類第一幅銀河圖時(shí)，他認(rèn)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(rèn)識(shí)：銀河系確實(shí)是“扁平”的，但有點(diǎn)異常，它就像一塊扭曲的薯片。