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？
想象一下，你站在一个巨大的森林里，只能看到周围有限的树木。你无法一眼望尽整个森林的全貌。要了解森林的形状，你就得走出森林，爬到高处，或者去到森林的边缘，不断地观察，记录，然后才能描绘出它的轮廓。对于银河系，我们做的也是类似的事情，只不过我们的“观察点”无法轻易移动，我们的“工具”也更加精妙复杂。
1. 测量恒星的距离：透视银河系的三维结构
要了解银河系的形状，最核心的问题是知道我们身边的恒星离我们有多远。如果只知道恒星在天空中的位置（也就是它们的视位置），我们就像只看到了一幅平面的画，无法判断物体的远近和深度。
视差法：地球的天然“尺子”
你有没有玩过这样的游戏：伸出一根手指，轮流闭上一只眼睛看它？你会发现，手指相对于背景的位置会发生移动。这叫做视差。科学家们也利用了同样的原理，只不过他们移动的不是手指，而是整个地球。
地球绕着太阳公转，就像我们在一个不断移动的平台上。科学家们会在地球轨道的某一个点（比如一月份）观测一颗遥远的恒星，记录下它相对于更遥远背景恒星的位置。然后，他们会等待六个月，等到地球运行到轨道的另一端（比如七月份），再次观测这颗恒星。由于地球的位置发生了巨大的变化，这颗恒星相对于遥远背景的视位置也会发生微小的移动。
这个移动的角度，就是“周年视差”。角度越小，说明恒星离我们越远；角度越大，说明恒星离我们越近。通过精确测量这个角度，科学家们就可以运用简单的三角学原理，计算出恒星的距离。这就是“三角视差法”，它是我们测量宇宙距离最基本也是最重要的方法之一。只不过，这个方法能精确测量的距离是有限的，对于非常遥远的恒星，视差角会小到无法测量。
标准烛光：寻找宇宙中的“灯塔”
当视差法失效时，科学家们就需要寻找“标准烛光”。所谓标准烛光，就是那些我们已知其真实亮度（绝对亮度）的特殊天体。就像你知道一盏灯的瓦数，无论它离你多远，只要知道它看起来有多亮（视亮度），你就能计算出它离你有多远。
在银河系中，有几种非常适合做标准烛光的“灯塔”：
造父变星（Cepheid Variables）： 这些恒星会像有规律的脉搏一样亮度变化。更神奇的是，它们的变光周期与其真实亮度之间存在着一个非常精确的关系——周期越长，恒星越亮。科学家们观测造父变星的变光周期，就能知道它的真实亮度，进而计算出它的距离。造父变星在银河系中分布广泛，是测量更远距离的得力助手。
II型造父变星： 这是另一种亮度和周期有关系的变星，它们比普通的造父变星更亮，能够帮助我们测量更远的距离。
红巨星（RR Lyrae Variables）： 它们是另一种会变光但周期更短的恒星，虽然不如造父变星亮，但数量更多，也同样是重要的测距工具。
通过这些标准烛光，我们可以测量到银河系内更远区域的恒星距离，一点点构建出银河系的“骨架”。
2. 观测恒星的运动：揭示银河系的动态
恒星并非静止不动，它们也在银河系中按照各自的轨道运动。通过观测这些运动，我们也能获得关于银河系形状和结构的线索。
径向速度：奔向我们还是远离我们？
利用多普勒效应，科学家们可以测量恒星相对于我们（地球）的速度。就像救护车的警笛声，当它靠近时音调变高，远离时音调变低，恒星发出的光也会因为它的运动而产生频率（颜色）的偏移。如果恒星的光谱向红端偏移，说明它在远离我们（红移）；如果向蓝端偏移，说明它在靠近我们（蓝移）。这个偏移量就可以告诉我们恒星的“径向速度”，也就是它沿着我们视线方向的速度。
自行：天空中“飘移”的恒星
除了沿着视线方向的运动，恒星在天空中也会沿着垂直于视线方向的平面运动。这种在天球上的“飘移”就被称为“自行”。通过长期观测，我们可以测量到恒星的自行。
将径向速度和自行结合起来，我们就能知道恒星在三维空间中的运动轨迹。通过分析大量恒星的运动，科学家们发现它们并不是随机运动的，而是倾向于围绕着一个共同的中心旋转。这种集体运动模式，是银河系呈盘状结构的重要证据。
3. 银河系的“三维地图”：不是直接看到的，而是推测出来的
我们无法像站在高处俯瞰森林一样，直接看到银河系的全貌。我们身处其中，被星尘和气体所遮挡，尤其是银河系盘面方向的视线会受到严重的阻碍。所以，我们对银河系形状的认识，更像是一幅精密的“三维地图”，是科学家们通过无数的测量、计算和推断绘制出来的。
盘状结构和旋臂： 通过对恒星距离和运动的分析，我们知道银河系是一个巨大的盘状结构，像一个扁平的圆盘。在这个盘状结构上，恒星和气体被组织成几条螺旋状的“旋臂”，我们太阳系就位于其中一条旋臂（猎户臂）上。这些旋臂并不是恒星固定的“手臂”，而是星团和星云的密集区域，它们随着银河系的自转而变化。
中心核球和黑洞： 在银河系的中心，有一个致密的球状区域，叫做核球。在那里，恒星的密度极高，并且围绕着一个超大质量黑洞（人马座A）旋转。我们通过观测核球附近恒星的快速运动，推断出了这个黑洞的存在。
银晕： 在盘状结构的上下方，还存在着一个更加稀疏的球状区域，叫做银晕。银晕中包含着古老的球状星团和暗物质，它们为银河系提供了一个巨大的引力“外壳”。
4. 射电和红外天文学：穿透尘埃的“眼睛”
可见光在穿过银河系中心的星际尘埃时会被严重阻挡，使得我们难以直接观测到银河系的核心区域。但是，其他波段的电磁波，比如射电波和红外线，却能够穿透这些尘埃。
射电波： 射电望远镜可以接收到来自氢原子等物质发出的射电信号。通过分析这些信号的强度和分布，科学家们可以绘制出银河系的气体分布图，特别是对旋臂的形状和结构有重要的补充信息。例如，氢原子发出的21厘米谱线，就是探测银河系结构的重要工具。
红外线： 红外线望远镜可以捕捉到被尘埃加热而发出的红外辐射，这使得我们能够“看到”被尘埃遮蔽的区域，包括银河系中心和新生恒星的形成区域。
通过这些不同波段的观测，科学家们得以拼凑出更完整的银河系图像，就像用不同的滤镜去观察一个复杂的物体，最终得到一个更全面的认识。
总结来说，我们对银河系形状的认识，并非来自一次偶然的“全景”观察，而是一项漫长而艰巨的科学探索过程。它源于科学家们对天空中每一个闪烁的星星进行细致的测量，运用三角学和物理学原理计算它们的距离；他们寻找宇宙中的“标准烛光”，像侦探一样推断出遥远天体的真实亮度；他们分析恒星的运动规律，还原出银河系的整体动力学；他们利用射电和红外线等穿透尘埃的“眼睛”，揭示出被遮蔽的秘密。
这一切的努力，都汇聚成了一幅壮丽的画卷：一个巨大的、螺旋状的盘状星系，我们太阳系就在其中，静静地旋转着。这幅画卷并非完美无瑕，银河系依然有许多未解之谜，但人类的智慧和探索精神，正不断地为这幅画卷增添更多的细节和色彩。
网友意见
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：
1954BAN....12..117V Page 117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：
1958MNRAS.118..379O Page 379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，
@曹越的回答和本文连起来才是相对完整的答案。
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