既然人类只能看到很小范围夜空，银河系的形状是如何确定的？ 第1页

的答案前半段说对了，后半段没有说出来。实际上银河系以外的星系也有很多种不同的形态，包括旋涡星系、椭圆星系等等，只靠观察河外星系是没法知道银河系的结构的。

以William Herschel为代表的“数星星”是个极其繁琐而不讨好的方法。在历史上，不少天文学家为了探明银河系的结构，沿着这个思路一条道走到黑。

在20世纪初期，天文界公认还是相信荷兰天文学家雅各布·卡普坦（J.C.Kapteyn）基于“数星星”得到的结论。但他当时还不知道银河系中存在大量的星际物质，它们吸收了部分星光（即星际消光），所以卡普坦给出的银河系明显偏小了，长宽只有 4000 x 1000 pc（秒差距），并且认为太阳系就是银河系的中心。

奥尔特（1900-1992）

卡普坦去世以后，受其影响，他的学生奥尔特（Jan Oort）继续从事银河系结构的研究。奥尔特已经意识到广泛存在的星际尘埃会严重影响恒星计数的结果，他决定换个方法，就是从恒星的距离、视向速度来研究银河系的自转。当时瑞典天文学家林德布拉德（Bertil Lindblad）刚刚发现了银河存在自转，离银河系中心越远的恒星，绕银心旋转的速度越慢。奥尔特顺着这个思路，发现太阳并非位于银河系中心，而是距银心有3万光年的距离，绕银心公转一圈需要2亿年。虽然并没有勾画出银河系的外貌，但已经比卡普坦的银河系模型进步很多了。

格罗特·雷伯的首台射电望远镜，位于美国伊利诺伊州惠顿市

1937年，美国工程师格罗特·雷伯（Grote Reber）在自家后院建立了世界上第一台射电望远镜，随后几年里完成了人类历史上第一次无线电波段的天空扫描。奥尔特立即注意到了雷伯的结果，意识到射电天文学的巨大潜力，但是第二次世界大战的爆发让很多研究停滞了。二战结束后，奥尔特和另一位荷兰天文学家范得胡斯特（van de Hulst）合作，决定采用中性氢原子发出的波长21厘米的无线电波探索银河系的结构。氢元素是宇宙中数量最多的元素，银河系也不例外。银河系中大部分空间都是低温空旷的区域，其中的氢原子几乎不发出可见光，却可以发出21厘米波。与可见光不同，21厘米波能够轻易穿透星际物质云。奥尔特和同事们在荷兰Kootwijk竖起了一个直径7.5米的天线，选择了银道面上的54个天区进行采样观测，相互之间间隔 5 度。1952年，他们初步完成了观测，由奥尔特在罗马举行的国际天文学联合会（IAU）大会上公布了他们探测到的银河系旋臂结构：

圆代表以银心为中心到太阳的大圆。瞻仰原文请移步：

荷兰地处北半球，有将近一半的银河系是看不见的。随后的几年，他们又在澳大利亚悉尼附近的Potts Hill建立了一面11米直径的天线，进行南半球的观测。1958年，奥尔特、克尔（Kerr）、韦斯特豪特（Westerhout）三人发表了论文，首次将南北半球的观测结果合并在一起，拼成了人类历史上第一幅接近完整的银河系旋臂结构图，今天在几乎每一本天文学教科书上都能找到。

太阳位于靠近上方的放射性中心处，下方扇形的空白区域是被银河系中心挡住的部分。瞻仰原文请移步：

那么为什么威廉·赫歇尔(William Herschel)提出的恒星计数方法行不通呢？这是因为，旋涡星系的旋臂是通过“密度波”的机制形成的，就像高速公路上拥堵的汽车。旋臂并非刚性结构，而是恒星在绕转过程中比较集中的区域，是“动态”的。在旋臂的后方，不断有恒星进入旋臂，在旋臂的前方，不断有恒星离开旋臂。

在旋臂上，恒星的密度较高，星际尘埃和气体受到挤压，形成了大量的恒星形成区（下图中粉色的区域），其中明亮的蓝白色O、B型恒星不断形成，才使整个星系显出明亮的“旋臂”的结构。普通的恒星计数中大部分都是太阳这样的主序星，因为恒星一生中绝大部分时间位于主序，所以在任一时间看来，主序星的数目比较多。此外红巨星的数目也很多，因为它们很明亮，在很远的距离上都能看见。但不幸的是，我们今天已知这两种恒星都难以绘制银河系的旋臂结构。银河系盘中弥漫的尘埃会让远处的恒星看上去比实际距离更远，并在某些区域会严重低估恒星的数量，这就是为什么赫歇尔当年绘制的银河与实际情况相差十万八千里。旋臂结构只有用中性氢、大质量和年轻的O、B型恒星、电离氢区、巨型的分子云才能很好的追踪。赫歇尔、卡普坦等早期的探索者在银河系结构这个问题上都误入了歧途。

上图：旋涡星系M83

1990年代以后，天文学家逐渐怀疑银河系不是一个旋涡星系，而是一个棒旋星系，这个观点在2005年得到有力的证实。这就是另外一个故事了。下图是用欧洲南方天文台VISTA望远镜的巡天数据生成的银河系旋臂示意图，其中同心圆的中心是太阳的位置。可以看到，银河系不仅包含中心的两个棒状结构（分别称为银河系棒 Galactic bar，和长棒Long Bar），还包含几条大的旋臂（英仙臂、盾牌-南十字臂、船底-人马臂、矩尺臂），还有几个小旋臂（3kpc臂），旋臂上还有分叉，太阳就位于其中一个分叉——猎户臂上。

所以，在探索银河系的旋臂结构这个话题上，

的回答和本文连起来才是相对完整的答案。