幾千年以來(lái)，人們一直對(duì)銀河系延伸到遼闊太空的幾條螺旋條帶感到困惑，伽利略·伽利雷是現(xiàn)代天文學(xué)之父，他通過(guò)自制的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了銀河系內(nèi)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真實(shí)屬性的奧秘。1610年，伽利略在一篇天象觀測(cè)的日記中寫到，“這是我第三次觀測(cè)銀河系，無(wú)論使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)銀河系的哪一部分，我都能發(fā)現(xiàn)數(shù)量繁多的恒星，其中的一些恒星看起來(lái)非常大，十分令人震撼，另一些恒星看起來(lái)非常小，幾乎難以探測(cè)它們的光線?！辟だ允菍⒆灾频耐h(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)天空的第一人，他的名字印入了現(xiàn)代天文學(xué)的教科書。

伽利略將一系列的觀測(cè)結(jié)果匯編成了天文學(xué)史的一部經(jīng)典著作——《星光使者》，這位意大利的數(shù)學(xué)家和天文學(xué)家在書中記錄了木星的衛(wèi)星、地球的衛(wèi)星——月球和浩瀚的銀河系。在伽利略的發(fā)現(xiàn)之前，這些天體的性質(zhì)一直是神話“想入非非”的主題，充滿了夢(mèng)幻故事的色彩。公元前5世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家德謨克利特注意到了銀河系中彌漫光芒的螺旋條帶，當(dāng)時(shí)的非洲占星術(shù)士將銀河系一環(huán)套一環(huán)的懸臂帶稱為“黑夜的脊柱”，在螺旋條帶中點(diǎn)綴了無(wú)數(shù)的星星。

在伽利略過(guò)世后的150年，銀河系的螺旋條帶再次成為科學(xué)探索的主題，民間科學(xué)家托馬斯·懷特相信，銀河系的恒星被排布在一個(gè)十分扁平的區(qū)域，整個(gè)銀河系看起來(lái)像一個(gè)巨大的磨刀石，懷特認(rèn)為銀河系不是別的什么奇異物體，而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解釋，康德的星系理論非?？拷算y河系的真實(shí)屬性，他在1755年發(fā)表了自然哲學(xué)著作《自然通史和天體理論》，在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)在太空延伸的天體體系，含有非常稀薄分布的恒星，太陽(yáng)、地球和太陽(yáng)系的其它行星屬于銀河系薄層結(jié)構(gòu)的一部分。

康德認(rèn)為，太陽(yáng)系的天體和其它恒星不在銀河系的中心，而是處在銀河薄層結(jié)構(gòu)平面的視線方向，或在垂直于薄層結(jié)構(gòu)的平面上，人們可以看到不同數(shù)量分布的恒星群。然而，康德時(shí)代和以前的天文觀測(cè)并不可靠，比如：當(dāng)時(shí)的觀測(cè)技術(shù)確定了恒星的視線亮度，卻確定不了恒星的絕對(duì)亮度，距離測(cè)量是確定恒星絕對(duì)亮度的一個(gè)基本參數(shù)。銀河系充斥了各種星際物質(zhì)，氣體和塵埃云吸收和折射了恒星發(fā)出的光，星際物質(zhì)阻礙了恒星光的傳播，造成了銀河系中心區(qū)域十分模糊的圖像，當(dāng)時(shí)的天象觀測(cè)者看不清銀河系包羅萬(wàn)象的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

使用恒星統(tǒng)計(jì)學(xué)方法可以確定，太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)大約1萬(wàn)光年的直徑區(qū)域，卻確定不了銀河系結(jié)構(gòu)大約10萬(wàn)光年的直徑區(qū)域，直到二十世紀(jì)中期，天文學(xué)家才實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)技術(shù)的突破，通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡重新發(fā)現(xiàn)了銀河系的構(gòu)造。氫原子是宇宙中最常見的物質(zhì)元素，星際物質(zhì)主要元素的中性氫原子充斥在恒星之間，從銀河系內(nèi)氫氣體云的分布可以追溯整個(gè)銀河系的形狀，好似醫(yī)生從X—射線圖片看到了人體的骨骼結(jié)構(gòu)，如何看清宇宙結(jié)構(gòu)的“骨骼”？科學(xué)家構(gòu)想了“納米宇宙”，在氫原子的結(jié)構(gòu)中，一個(gè)質(zhì)子構(gòu)成了原子核，在氫原子核外，一個(gè)電子的旋轉(zhuǎn)方向與原子核的旋轉(zhuǎn)方向相反。

假如兩個(gè)氫原子發(fā)生了碰撞，那么氫原子核和核外電子的旋轉(zhuǎn)方向可能會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致原子核和電子的旋轉(zhuǎn)方向相同，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)整，氫原子核和電子的旋轉(zhuǎn)方向回到之前的相反方向，原子核和核外電子的旋轉(zhuǎn)方向從相反到相同，再?gòu)南嗤较喾?，如此的循環(huán)過(guò)程伴隨了能量的釋放，輻射能量以電磁波的形態(tài)向外傳播，電磁波譜線在射電的范圍，天文學(xué)家通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡接受了射電信號(hào)。星際物質(zhì)的密度極低，其中的氫原子不斷地發(fā)生著碰撞，氫原子譜線或氫線不受阻礙地穿越太空塵埃的“幕墻”，最終到達(dá)了地球上的射電天文臺(tái)。

宇宙沒有關(guān)閉所有觀測(cè)波段的“天窗”，人類在天文認(rèn)識(shí)上孜孜以求，感謝“宇宙大帝”開啟了射電觀測(cè)的窗口，天文學(xué)家將射電望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)了深邃的蒼穹，終于摸清了銀河系的懸臂結(jié)構(gòu)。1970年代，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，僅將氫原子作為一個(gè)發(fā)現(xiàn)星系形態(tài)的指示器還不夠，氫原子在銀河系螺旋條帶的分布密度較低，可以將另外的物質(zhì)粒子作為星系結(jié)構(gòu)的顯示物，星系分子適合作為星系結(jié)構(gòu)最重要的指示器，一氧化碳的星際分子發(fā)出了輻射，通過(guò)分析一氧化碳分子的輻射信號(hào)，天文學(xué)家重新確立了銀河系結(jié)構(gòu)的特征。

“銀河”一詞出自于希臘語(yǔ)詞匯“牛奶”，銀河系的外形好像一個(gè)彎形的車輪，直徑大約為10萬(wàn)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。銀河系中心藏有一個(gè)超大質(zhì)量的黑洞，一個(gè)含有密集恒星的凸起構(gòu)造籠罩了超大的銀心黑洞，在銀河系中心的平面上嵌入了一根“超級(jí)雪茄”，看起來(lái)好似一根橫亙?cè)阢y心平面的搟面棍，天文學(xué)家因此將銀河系定義為“棒旋結(jié)構(gòu)”。銀河系中間厚，邊緣薄，有四條旋臂，它們主要由星際物質(zhì)構(gòu)成，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。 二十世紀(jì)七十年代，天文學(xué)家通過(guò)對(duì)銀河系一氧化碳分子分布的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了第四條旋臂，這條懸臂跨越了狐貍座和天鵝座，與銀心的距離為4000秒差距，但被稱為三千秒差距懸臂，這條懸臂正以大約50千米/秒的速度向外膨脹。

銀河系和其中的太陽(yáng)系都在旋轉(zhuǎn)，太陽(yáng)系以250千米/秒的速度繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一周大約需要2.5億年，太陽(yáng)與銀河系中心的距離大約26000光年，太陽(yáng)位于獵戶座旋臂的內(nèi)側(cè)。銀河系由旋臂銀盤、中央突起的銀心和暈輪三個(gè)部分組成，太陽(yáng)暈是由銀盤外稀疏的恒星和星際物質(zhì)組成的球狀外殼。銀河系含有2000多億顆恒星，所有恒星繞銀心旋轉(zhuǎn)，各自形成了旋轉(zhuǎn)速度不同的“旋轉(zhuǎn)曲線”，靠近中心的恒星理論上旋轉(zhuǎn)得快，遠(yuǎn)離中心的恒星旋轉(zhuǎn)得慢，然而，實(shí)際測(cè)定的旋轉(zhuǎn)曲線出現(xiàn)了不規(guī)則性，如何解釋恒星繞轉(zhuǎn)速度的不規(guī)則性？銀河系內(nèi)可見的物質(zhì)數(shù)量難以解釋，天文學(xué)家設(shè)想了一種看不見的物質(zhì)形態(tài)或“暗物質(zhì)”，但至今沒有發(fā)現(xiàn)理論假設(shè)的暗物質(zhì)。

除了銀河系內(nèi)的暗物質(zhì)謎題，天文學(xué)家面臨了其它的難題，其中之一是銀河系懸臂的無(wú)纏繞性，銀河系的四條螺旋條帶在數(shù)十億年的旋轉(zhuǎn)中依然保持了原有的基本形態(tài)，沒有發(fā)生相互混合的纏繞現(xiàn)象，天體物理學(xué)家找到了一個(gè)激波理論的解釋方式，某種在整個(gè)銀河系擴(kuò)散的物質(zhì)波壓縮了懸臂內(nèi)的星際物質(zhì)，壓縮效應(yīng)好比在高速公路上發(fā)生了交通阻塞，原本暢通的高速公路看起來(lái)好似一個(gè)條帶狀的巨型停車場(chǎng)。激波或物質(zhì)密度波是如何產(chǎn)生的？天體物理學(xué)家目前沒有給出詳細(xì)的解釋。

（編譯：2021-8-21）

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