幾千年以來，人們一直對銀河系延伸到遼闊太空的幾個(gè)螺旋型條帶感到困惑，現(xiàn)代天文學(xué)之父伽利略·伽利雷自制了第一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，在銀河系發(fā)現(xiàn)了難以計(jì)數(shù)的恒星，直到二十世紀(jì)，天文學(xué)家才成功地破解了銀河系形狀和屬性的奧秘。1610年，伽利略在一篇天象觀測日記中寫到，“這是我第三次觀測銀河系，無論通過望遠(yuǎn)鏡觀測銀河系的哪個(gè)部分，我都發(fā)現(xiàn)了數(shù)量繁多的恒星，其中的一些恒星看起來非常大，十分令人震撼，另一些恒星看起來非常小，幾乎難以探測到它們的光線?！钡谝粋€(gè)將自制望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)天空的伽利略把自己的名字刻在現(xiàn)代天文學(xué)的教科書。

伽利略把一系列的觀測成果匯編成了天文學(xué)的經(jīng)典著作《星光使者》，意大利的杰出數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家在“匯編文本”中記錄了木星的衛(wèi)星、地球的衛(wèi)星——月球和浩瀚的銀河系。直到伽利略將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)這些天體之前，它們的性質(zhì)一直是神話中“想入非非”的題材，上天充滿了夢幻故事的色彩。公元前5世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家德謨克利特已注意到銀河系的螺旋條帶發(fā)出了彌漫光芒，當(dāng)時(shí)的非洲占星術(shù)士將銀河系“一環(huán)套一環(huán)”的懸臂描述為“黑夜的脊柱”，在螺旋條帶內(nèi)點(diǎn)綴了無數(shù)的星星。

在伽利略過世后的150年，銀河系的螺旋條帶又一次成為了天空探索的主題，民間科學(xué)家托馬斯·懷特相信，銀河系內(nèi)的恒星排布在一個(gè)十分扁平的區(qū)域，整個(gè)銀河系看起來好像一塊巨大的磨刀石，銀河系對懷特來說不是什么奇異的物體，它是一塊巨大的“磨刀石”在天空留下的投影。近代哲學(xué)之父康德巧妙地借用了懷特的比喻，非常接近了銀河系的真實(shí)屬性，1755年，康德發(fā)表了自然哲學(xué)著作《自然通史和天體理論》，書中提出了銀河系結(jié)構(gòu)的基本觀點(diǎn)，銀河系是一個(gè)在太空延伸的天體系統(tǒng)，分布了非常稀薄的恒星、太陽、地球和太陽系的其它行星。

太陽系屬于銀河系薄層結(jié)構(gòu)的一部分，不在銀河系的中心位置。沿薄層結(jié)構(gòu)平面或在垂直于薄層結(jié)構(gòu)的視線方向，人們可以看到不同密度分布的恒星。然而，在康德時(shí)代和之前的天文觀測不夠可靠，比如：當(dāng)時(shí)的觀測技術(shù)確定了恒星的視線亮度，但不能確定恒星的絕對亮度，在測量恒星的距離時(shí)，恒星的絕對亮度是一個(gè)基本參數(shù)。銀河系內(nèi)充斥了各種星際物質(zhì)，氣體和塵埃云吸收和折射了恒星的光線，星際物質(zhì)阻礙了光線傳播，這使得銀河系中心的區(qū)域看起來十分模糊，天象觀測者在康德時(shí)代看不清銀河系包羅萬象的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用恒星統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，人們確定了太陽系大約1萬光年區(qū)域的結(jié)構(gòu)性，但不能確定銀河系大約10萬光年的結(jié)構(gòu)特征，直到二十世紀(jì)中期，天文觀測技術(shù)才實(shí)現(xiàn)了突破，天文學(xué)家通過射電望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了銀河系的精確構(gòu)造。氫原子是最常見的宇宙物質(zhì)，中性氫原子充斥在恒星之間，它們是星際物質(zhì)的主要成分，從銀河系氫氣體云的分布追溯了整個(gè)銀河系的形狀，好像人們從X—射線圖片看到了人體的骨骼結(jié)構(gòu)，但人們怎樣看清了宇宙的“骨骼”結(jié)構(gòu)？科學(xué)家構(gòu)思了“納米宇宙”的概念，氫原子由一個(gè)質(zhì)子的原子核和核外的一個(gè)電子構(gòu)成，它們的旋轉(zhuǎn)方向相反。

當(dāng)兩個(gè)氫原子發(fā)生碰撞時(shí)，氫原子核和核外電子的旋轉(zhuǎn)方向有可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)，原子核和電子的旋轉(zhuǎn)方向從相反變成相同，經(jīng)過一段時(shí)間的調(diào)整之后，氫原子核和電子的旋轉(zhuǎn)方向重新回到以前的相反方向。在原子核和核外電子的旋轉(zhuǎn)方向從相反到相同，再從相同到相反的循環(huán)過程中產(chǎn)生了能量釋放，輻射能量以電磁波的形式向外傳播，電磁波譜線在射電范圍，通過射電望遠(yuǎn)鏡可以接受氫原子的射電信號。星際物質(zhì)的密度極低，但其中的氫原子不斷地發(fā)生了碰撞，氫原子譜線或氫線不會(huì)受太空塵埃的阻礙，它們穿越到了地面的射電觀測網(wǎng)。

對于人類孜孜以求的天空探索和認(rèn)知而言，宇宙沒有關(guān)閉觀測的所有“窗口”，“宇宙大帝”為人類打開了一扇射電窗口，天文學(xué)家將射電望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了深邃蒼穹，終于看清了銀河系的懸臂結(jié)構(gòu)。天文學(xué)家在1970年代發(fā)現(xiàn)，僅將氫原子作為發(fā)現(xiàn)星系形態(tài)的指示器是不夠的，比如：氫原子密度在銀河系的螺旋條帶較低，可否以其它物質(zhì)粒子作為星系結(jié)構(gòu)的指示器，星系分子“呼之欲出”。星際分子發(fā)出了一氧化碳物質(zhì)的光輻射，通過分析一氧化碳分子的信號，天文學(xué)家確立了銀河系結(jié)構(gòu)的特性。

“銀河”一詞取自于希臘語詞“牛奶”，銀河系外形好像一個(gè)彎形的車輪，它的直徑大約為10萬光年，銀心厚度只有5000光年，銀河邊緣的厚度大約為3000至4000光年。銀河系中心窩藏了一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，它被一個(gè)含有密集恒星的凸起構(gòu)造所籠罩，在銀河系中心的平面嵌入了一根“超級雪茄”，看起來好像一根橫亙在銀心平面的棒子，于是，天文學(xué)家將銀河系結(jié)構(gòu)定名為“棒旋結(jié)構(gòu)”。

有四條旋臂組成的銀河系中間厚，邊緣薄，這四條懸臂“鏈條”主要由星際物質(zhì)構(gòu)成，它們分別是獵戶座旋臂、英仙座旋臂、人馬座旋臂和三千秒差距懸臂。 在二十世紀(jì)的七十年代，通過探測銀河系內(nèi)一氧化碳分子的分布，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了第四條旋臂，它跨越了狐貍座和天鵝座，距離銀心為四千秒差距，被稱之為三千秒差距懸臂正以大約50千米/秒的速度向外膨脹。銀河系和內(nèi)部的太陽系都在旋轉(zhuǎn)，太陽系以250千米/秒的速度繞銀河系的中心旋轉(zhuǎn)，大約2.5億年繞銀心轉(zhuǎn)動(dòng)一周，太陽與銀河系中心的距離大約為26000光年，位于獵戶座旋臂的內(nèi)側(cè)。

銀河系主要由旋臂銀盤，中央突起的銀心區(qū)域和暈輪三個(gè)部分組成，銀盤外稀疏的恒星和星際物質(zhì)形成了球狀體的銀暈。銀河系含有2000多億顆恒星，所有的恒星繞銀河系的中心旋轉(zhuǎn)，不同的恒星旋轉(zhuǎn)速度標(biāo)識為坐標(biāo)的“旋轉(zhuǎn)曲線”，從理論上講，靠近銀心的恒星旋轉(zhuǎn)得快，遠(yuǎn)離銀心的恒星旋轉(zhuǎn)得慢，然而，實(shí)際測量的恒星旋轉(zhuǎn)曲線顯示，它們的旋轉(zhuǎn)速率出現(xiàn)了不規(guī)則性。僅以銀河系內(nèi)的可見物質(zhì)數(shù)量難以解釋恒星運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則性，天文學(xué)家設(shè)想了看不見的物質(zhì)或“暗物質(zhì)”的存在，至今沒有發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)的蹤跡，但暗物質(zhì)理論解釋了恒星在不同距離上繞銀心旋轉(zhuǎn)時(shí)速度的不規(guī)則性。

銀河系的“暗物質(zhì)”謎題沒有解決，天文學(xué)家還面臨了另一個(gè)難題，銀河系的懸臂有無無纏繞？四條銀河系的螺旋條帶或懸臂經(jīng)過了數(shù)十億年的旋轉(zhuǎn)，它們的基本形態(tài)沒有變化，沒有出現(xiàn)相互纏繞的現(xiàn)象，天體物理學(xué)家給出了激波理論的解釋，在整個(gè)銀河系傳播的一種物質(zhì)波壓縮了懸臂內(nèi)的星際物質(zhì)，好像在高速公路上發(fā)生了交通阻塞，暢通的高速公路突然變成了一個(gè)條帶狀的大型停車場。目前，天體物理學(xué)家不能詳細(xì)解釋激波的壓縮效應(yīng)，也不能解釋物質(zhì)密度波是怎樣形成的謎題。

（編譯：2018-8-21）