对银河系的认识论文

对银河系的认识论文

数以亿万级的耀眼恒星织成了银河，点缀了黑暗的夜空。在这些彼此相距遥远的恒星之间，也并非是完全的“真空”，而是充斥着星际介质。其中的一个重要成员，便是由恒星贡献的 “金属” —— 在天文学里，所有比氦更重的元素都统称为金属 。当恒星寿终正寝，并以爆炸完成华丽的谢幕时，它们会将自己产生的金属（如铁、锌、碳和硅等）以原子形式喷射出来，释放到星系介质的气体中。

除了来源于恒星的金属之外，星际介质中还有两个重要成员。恒星喷射出的金属会逐渐凝缩成 尘埃颗粒 ，尤其是在星系中较为寒冷和致密的区域。而来源于星系间、被吸入星系的 原初气体 （pristine gas）不含金属，其主要成分是氢，也含有少量的氦。原初气体为星系提供了新鲜的“补给”，同时也为新恒星形成提供了原料。

在上百亿年前，银河系诞生之初，其中是不含金属的，而正是恒星释放的金属丰富了银河系环境的成分。了解银河系中的气体和金属成分，可以帮助人们更好地理解其 历史 和演化过程。

理论上，星际介质中的金属丰度可以用极紫外吸收光谱测量。但由于尘埃中的金属元素呈固态，而非可观测的气态，所以科学家无法对太阳附近以外的区域的金属丰度作出准确测量。因此， 现有的星系理论模型默认 ，星际介质中的三种成分（来源于恒星的金属、尘埃和来源于星系间的原初气体）是 均匀混合 的，而且在银河系的大部分区域， 金属丰度都与太阳大气层中（即太阳金属丰度）相当 ，但在银河系中心区域，由于恒星分布更为密集，金属丰度略高。

然而近日，一支由瑞士、美国、智利和法国天文学家组成的研究团队在《自然》上发表了他们最新的 研究成果 ，表明银河系中星际介质的成分并未像此前人们所想的那样是均匀混合的。相反，银河系的不同区域， 金属丰度存在剧烈的波动 。这项发现可能对现有的星系演化理论产生重要影响，也意味着对银河系演化进行模拟的模型或许需要修正。

研究团队使用了哈勃空间望远镜、甚大望远镜（VLT）等的观测数据，对银河系中的25颗恒星光谱进行了研究。“当我们观测恒星时，恒星和观测者之间的 气体中的金属会吸收微量的、特定频率的光 ，这一特征吸收光谱，不仅可以让我们得知金属的存在，还 可以告诉我们其种类以及丰度 。”索尔邦大学巴黎天体物理研究所的帕特里克·珀蒂让（Patrick Petitjean）解释道，他也是这篇论文的作者之一。这些恒星与太阳的距离都不超过3千秒差距（1秒差距 3.26光年）。

为 校正以往观测中尘埃对金属丰度测量的影响 ，研究团队开发了一种新的观测技术，其中应用了两种独立的方法来估计尘埃对观测结果的影响。“这项技术通过同时观测多种元素，例如铁、锌、钛、硅和氧，将气体和尘埃的总成分纳入分析。然后，我们就可以追踪尘埃中的金属含量，并与此前的观测获取的数据叠加，获知总的金属丰度。”研究人员对此解释道。

结果令研究团队感到意外：不同的恒星金属丰度并不相同，其 差异可以超过一个量级 。其中，丰度最低的仅为太阳的17%，最高的则超过太阳的180%。此外，大约2/3的恒星金属丰度都低于太阳金属丰度， 平均金属丰度为太阳的55% ，这也与此前的观点，即银河系中各处的金属丰度都与太阳相当，有很大的出入。此外他们还观测到，这种 不均匀性的分布跨度可以超过数十秒差距 。不过，他们没有发现金属丰度和恒星与银河系中心的距离有明显的关联。

研究人员认为， 落入银盘中的原初气体与金属丰度较高的星际介质的混合 ，可能造成观测到的金属丰度较低。这些原初气体的金属丰度极低，它们落入银盘时形成了 高速云团 ， 难以有效地与星际介质混合 ，可能最终造成了星际介质金属丰度分布的不均匀。目前的观测结果也表明，银盘吸入原初气体的速率远高于产生和维持这种不均匀性的需求。也就是说，原初气体的云团可能非常常见，并且能解释研究的结果。

此前科学家们认为，原初气体与星际介质可以高效地混合。但这一新的发现表明，这一过程并没有那么高效迅速，可能的原因之一是，参与混合的不同组分之间的物理特性差异巨大。

金属在恒星、宇宙尘埃、分子和行星的形成中起到了基础性的作用。这一研究，也让科学家们开始展望未来的银河系研究。“这项发现， 对构建关于星系形成和演化的理论模型产生了重大影响 。”研究团队的成员之一、日内瓦大学天文学院的延斯-克里斯蒂安·克罗加格（Jens-Kristian Krogager）表示，“今后，我们要进一步提升分辨率，让模拟变得更精细，将银河系不同区域金属丰度的差异纳入考虑。”

编译 | 李诗源

审校 | 王昱

论文链接：

参考链接：

人类正在重新认识银河系，比数十亿年前更加巨大，遭受矮星系撞击

200多年前，天王星的发现者威廉·赫歇尔首次尝试通过科学的手段绘制银河系地图。凭借当时有限的观测技术，他将银河系的形状描述为这个样子——

很显然，当时低端的观测设备限制了赫歇尔的发挥。我们今天知道，他绘制的形状非常离谱，目前科学家普遍相信，银河系是一个漩涡状的星系，大概是这样的——

这只是一个大致的形状，科学家绝不会仅仅满足于这么粗略的绘制结果。就像一张地图还会分地形图、交通图、海图等等形式一样，科学家们也希望从各个角度对银河系进行一个最最精细的了解，绘制一张信息量极其丰富的银河系地图。

2013年，欧洲航天局的盖亚卫星带着这个使命发射升空，科学家希望通过它对银河系内数十亿颗恒星进行观测和分析，了解它们的距离、温度、质量等基本信息，帮助我们了解银河系的结构和分布。

12月3日，欧洲的科学家们公布了第三代盖亚早期数据，再一次将人类对银河系的了解提升了一个台阶。在一系列发表于《天文学与天体物理学》的论文中，他们介绍了盖亚卫星的一些最新发现。

这次公布的成果中，盖亚卫星观测了银河系的反银心方向，也就是和银河系中心相反的方向，这个观测有助于科学家们描述银河系的演化 历史 。除此之外，科学家们还更好地描述了太阳系绕银河系中心的公转轨道、迄今为止关于银河系恒星及其运行的最全面的观测，甚至还对绕银河系公转的卫星星系——大麦哲伦星云进行了研究分析。

欧空局的天文学家Jos de Bruijne自豪地说：“盖亚的最新数据必将成为天文学家的百宝箱。”

目前， 盖亚卫星正在位于距离地球150万公里的第二拉格朗日点上运行 。在这个位置上，它可以保持和地球完全一致的公转规律。7年以来，盖亚卫星始终在这个状态下进行着对整个银河系的巡天观测，通过不同时间、不同位置观测到恒星的位置变化，来推测其距离和运行规律，这就是所谓的三角视差法。理论上来说，地面上也可以利用这个方法进行观测，100光年内恒星的距离基本都是这样来推测的，但太空中没有了大气的干扰，观测结果更加精准。

到目前为止，盖亚卫星已经对18亿个恒星源进行了观测和绘制，并且收集到了其中15亿个颜色信息，这些颜色是科学家了解恒星年龄、温度等信息的重要依据。和2018年公布的第二代数据相比，这两个数据分别提升了1亿和2亿。这些观测结果，可以进一步帮助我们理解银河系的运行特点。

这其中，对于反银心方向的观测尤为特别。银河系中心不仅恒星密度非常高，而且还有大量的星际尘埃和气体云，在很大程度上干扰了人类的观测。而反银心方向则没有这种困扰，可以让我们更加清晰地看到银河系边缘的恒星。通过对这里的观测，科学家可以更好地了解我们的银河系在演化过程中曾经受到过的干扰。

他们发现， 在很久以前，银河系的银盘还没有今天这么巨大。可以看到，在银河系一百多亿年的 历史 中，曾经多次发生与其他星系的碰撞，这种碰撞使得银河系越来越壮大，而碰撞过程对恒星造成的影响直到今天依然存在。

在对银道面上方的恒星进行观测时，科学家发现它们有向下运动的趋势；反之，那些位于银道面下方的恒星，也在向上方运动。科学家认为，这应该是 人马座矮椭球星系 在最近几十亿年内反复穿越银河系边缘所导致的。此前根据盖亚卫星第二代数据的分析结果表明，它上一次穿越银河系大约是在3-9亿年前，这个过程中会给银河系带来强烈的扰动，导致银盘的扭曲。

不过，从第三代数据中科学家们发现了另一种可能：这些恒星的诡异运动现象，或许是来自于两个星系之间的相互作用。在利用观测的数据进行模拟时，科学家们也得到了相同的证据。

不仅如此，在80-100亿年前，一个名叫 盖亚-恩克拉多斯香肠 的星系也曾经撞上银河系，而盖亚的最新观测结果表明，那些见证过这段 历史 的银河系最古老恒星，并没有像盖亚-恩克拉多斯香肠星系的恒星一样延伸出去。

这也不是最后一个要和银河系合并的星系，在银河系周围还有两个卫星星系——大小麦哲伦星云，在彼此围绕的同时，也正在一点点靠近银河系，并且最终将会撞入银河系中。

而通过盖亚卫星的数据，科学家们在这两个矮星系之间发现了一个叫做麦哲伦桥的恒星流，这是从小麦哲伦星云中被扯出来的恒星群，它们正在向大麦哲伦星云方向移动。与此同时，他们还在大麦哲伦星云内部发现了螺旋结构，并且在两个星系外围发现了以前从未见过的潜在神秘结构。

另外，太阳系在银河系内的运动模式，也得到了修正。通过对遥远星系运动的观测，科学家们可以计算出太阳系在银河系静止参考系内的运行规律，这也是人类第一次计算出太阳系在银河系内运行的曲率。

当然， 盖亚卫星也没有忘记自己的“老本行”，对太阳系周围100秒差距（326光年）范围内的恒星进行普查。这次普查一共包含了331312颗恒星，科学家推测，这是这个范围内恒星总数的92%，这样的普查也给科学家们提供了非常丰富的天文数据。

目前，第三代盖亚早期数据也只完成了一部分的收集，最终数据将会在2022年完成，并且盖亚卫星也会在届时退役。在盖亚卫星的帮助下，我们认识了一个全新的银河系。即便如此，我们对于银河系仍然还有太多的未知。随着人类观测技术的不断提升，也许在未来的某一天，我们将会刷新认知，甚至发现今天以为的一些科学成果，会被推倒重来……

我们再一次认错了银河系的形状？新研究表明，银河系是S形的

不论我们是不是学习天文的，都大概看到过银河系的图片。

大家以往看到过的银河系图片，形象地比喻一下，都是类似于荷包蛋的形状，从上往下看是圆盘形的，侧面看是扁平状的，中间有一小块突起。

近些年来，科学家们对于银河系的形状又有了新的认识，发现银河系很可能与以往的认知有着较大的差别。

首先从尺度上来说，银河系的直径已经超过了科学家曾经认为的10万光年，可能达到了15万甚至20万光年，而目前暂时公布的数据也至少是12万光年。

另外，在银河系的“蛋黄”上下两侧，也并不是虚无的星际空间，而是有两个巨大的神秘结构——费米气泡。这两个费米气泡就像是两只气球一样，但是极其巨大，延伸出去几万光年。

不过，最新的研究表明，连这个形状的银河系，也说不上是真实的银河系外形。即使抛开费米气泡不说，银河系的形状也不是扁平的，而是呈S形的！

最近6年以来，智利拉斯坎帕纳斯天文台进行了一项名为天空研究--光学重力透镜实验(OGLE)的的项目，拍摄了206,726张包含1,055,030,021颗恒星的天空图像。

波兰华沙大学等机构研究人员利用这些太空照片进行了研究，试图绘制一张银河系的3D比例图，意外得出了这个结论。

他们主要观察的对象，叫做造父变星。造父变星是一类在天文学上极其著名的天体，属于变星的一种。所谓的变星，就是光度会发生周期性的变化。而造父变星更有特点，它的光度变化和它们与我们的距离直接挂钩。也就是说，简单地观测它们的变化规律，就可以轻松了解它们距离我们有多远，因此它们常用来衡量附近天体或者它们所在星系的距离，被称作宇宙的量天尺。

在这次研究中，天文学家一共挑选出了2431颗造父变星，借此来绘制银河系的3D模型。他们原本是为了了解银河系在最近几亿年的演化和发展，却没想到有了意外的发现。

通过他们绘制的图像我们可以看出，银河系显然并不是扁平结构，而是一侧向上翘，另一侧向下弯的形状，也就是类似于S的形状。这种弯曲不是在银河系边缘才有的，而是从银心开始就形成了，只不过随着和银心距离的增加而变得明显。在距离银心6万光年的地方，其偏离“银河系平面”——银道面的距离已经达到了4500光年，非常明显。从图片看，就像是一只吧椅的椅座一样，非常有趣。

事实上，这个结果和中国科学院领衔的一支国际科学团队在今年2月份发表于英国《自然·天文学》期刊上的研究成果基本一致。在那个时候，人类第一次发现银河系竟然有这样的结构。

银河系究竟为何不是平面的，而是这种翘曲结构，目前仍然是个谜。有科学家认为，在银河系的外缘，天体受到的银河系引力已经比较小。而同时，在银河系附近又有其他的星系存在，这些星系的引力作用，导致了银河系外缘的扭曲。不过，如此精美的形状，如果只是这个原因形成的，也是让人有点难以置信。

科学家指出，不仅仅是银河系，河外星系中也有很多是同样的结构，对这个结构的研究，对于了解星系的形成、演化以及宇宙的规律，有着重要的意义。

研究论文8月1日在线发表在美国《科学》杂志上。

研究银河系有什么意义?如何研究银河系？

我们地球和太阳所在的恒星系统，是一个普通的星系，因其投影在天球上的乳白亮带——银河而得名。银河系是一个透镜形的系统，直径约为25千秒差距，厚约为 1～2千秒差距。它的主体称为银盘。高光度星、银河星团和银河星云组成旋涡结构迭加在银盘上。银河系中心为一大质量核球，长轴长4～5千秒差距,厚4千秒差距。银河系为直径约30千秒差距的银晕笼罩。银晕中最亮的成员是球状星团。银河系的质量为1.4×10□太阳质量,其中恒星约占90％，气体和尘埃组成的星际物质约占10％。银河系整体作较差自转。太阳在银道面以北约8秒差距处距银心约10千秒差距，以每秒250公里速度绕银心运转,2.5亿年转一周。太阳附近物质（恒星和星际物质）的总密度约为0.13太阳质量/秒差距□或8.8×10□克/厘米□。银河系是一个Sb或Sc型旋涡星系，拥有一、二千亿颗恒星，为本星系群中除仙女星系外最大的巨星系。
研究简史 十八世纪中叶人们已意识到，除行星、月球等太阳系天体外，满天星斗都是远方的“太阳”。赖特、康德和朗伯特最先认为，很可能是全部恒星集合成了一个空间上有限的巨大系统。
第一个通过观测研究恒星系统本原的是F.W.赫歇耳。他用自己磨制的反射望远镜，计数了若干天区内的恒星。1785年，他根据恒星计数的统计研究，绘制了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居其中心的银河系结构图。他用50厘米和120厘米口径望远镜观测,发现望远镜贯穿本领增加时，观察到的暗星也增多，但是仍然看不到银河系的边缘。F.W.赫歇耳意识到，银河系远比他最初估计的为大。F.W.赫歇耳死后，其子J.F.赫歇耳继承父业，将恒星计数工作范围扩展到南半天。十九世纪中叶，开始测定恒星的距离，并编制全天星图。1906年，卡普坦为了重新研究恒星世界的结构,提出了“选择星区”计划,后人称为“卡普坦选区”。他于1922年得出与F.W.赫歇耳的类似的模型，也是一个扁平系统，太阳居中，中心的恒星密集，边缘稀疏。沙普利在完全不同的基础上，探讨银河系的大小和形状。他利用1908～1912年勒维特发现的麦哲伦云中造父变星的周光关系，测定了当时已发现有造父变星的球状星团的距离。在假设没有明显星际消光的前提下，于1918年建立了银河系透镜形模型，太阳不在中心。到二十年代，沙普利模型已得到天文界公认。由于未计入星际消光效应，沙普利把银河系估计过大。到1930年，特朗普勒证实星际物质存在后，这一偏差才得到纠正。
组成银河系物质约90％集中在恒星内。1905年，赫茨普龙发现恒星有巨星和矮星之分。1913年，赫罗图问世后，按照光谱型和光度两个参量，得知除主序星外，还有超巨星、巨星、亚巨星、亚矮星和白矮星五个分支。1944年，巴德通过仙女星系的观测，判明恒星可划分为星族Ⅰ和星族Ⅱ两种不同的星族。星族Ⅰ是年轻而富金属的天体，分布在旋臂上，与星际物质成协。星族Ⅱ是年老而贫金属的天体，没有向银道面集聚的趋向。1957年，根据金属含量、年龄、空间分布和运动特征，进而将两个星族细分为中介星族Ⅰ、旋臂星族(极端星族Ⅰ)、盘星族、中介星族Ⅱ和晕星族（极端星族Ⅱ）。
恒星成双、成群和成团是普遍现象。在太阳附近25秒差距以内，以单星形式存在的恒星不到总数之半。迄今已观测到球状星团132个,银河星团1,000多个,还有为数不少的星协。据统计推论，应当有18,000个银河星团和500个球状星团。二十世纪初,巴纳德用照相观测，发现了大量的亮星云和暗星云。 1904年，恒星光谱中电离钙谱线的发现，揭示出星际物质的存在。随后的分光和偏振研究，证认出星云中的气体和尘埃成分。近年来通过红外波段的探测发现在暗星云密集区有正在形成的恒星。射电天文学诞生后，利用中性氢21厘米谱线勾画出银河系旋涡结构。根据电离氢区的描绘，发现太阳附近有三条旋臂:人马臂、猎户臂和英仙臂;太阳位于猎户臂的内侧。此外，在银心方向还发现了一条3千秒差距臂。到1979年底，发现的星际分子已超过50种。
银河系中性氢的分布 结构银河系的总体结构是：银河系物质的主要部分组成一个薄薄的圆盘，叫做银盘，银盘中心隆起的近似于球形的部分叫核球。在核球区域恒星高度密集，其中心有一个很小的致密区，称银核。银盘外面是一个范围更大、近于球状分布的系统，其中物质密度比银盘中低得多，叫作银晕。银晕外面还有银冕，它的物质分布大致也呈球形。有关银河系的细节见银河系结构。
起源和演化银河系的起源这一重大课题目前还了解得很差。这不仅要研究一般星系的起源和演化，还必须研究宇宙学。按大爆炸宇宙学假说，我们观测到的全部星系都是前高密态原始物质因密度发生起伏,出现引力不稳定和不断膨胀，逐步形成原星系，并演化为包括银河系在内的星系团的。而稳恒态宇宙模型假说则认为，星系是在高密态的原星系核心区连续形成的。
银河系演化的研究近年来才有一些成就。关于太阳附近老年恒星空间运动的资料表明，在原银河星云的坍缩过程中，最早诞生的是晕星族,它们的年龄是100多亿年，化学成分是氢约占73％，氦约占27％。而大部分气体物质集聚为银盘，并随后形成盘星族。近年还从恒星的形成和演化、元素的丰度的变迁、银核的活动及其在演化中的地位等角度探讨银河系的整体演化。六十年代发展起来的密度波理论，很好地说明了银河系旋涡结构的整体结构及其长期的维持机制。