【探識銀河真面目】

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【探識銀河真面目】

 

作者: Shea

 

Liz Kruesi　文　Shea　編譯

 

經過長達數個世紀的探索之後，現在天文學家們終于了解了我們銀河系的旋臂。

 

但還有更多的未知留待發現。

 

我們所在的銀河系最顯著的特征就是它的旋渦結構。

 

雖然現在旋臂對于我們來說顯然已經不陌生，但在以前卻並非如此。

 

因為我們就位于銀河系之中，這使得探測它的結構變得極為困難。

 

我們可以觀測其他宏偉的旋渦星系，例如M51和MlOl，但這是從正向看過去的。

 

當你身陷迷宮的時候，要想搞清楚它的結構就會難得多。

 

 

[圖片說明]︰紅外波段下拍攝的銀河系中心。

 

塵埃和其他吸光物質會擋住可見光，因此天文學家必須利用紅外線來穿透塵埃，探究銀河系的秘密。

 

版權︰NASA/JPL-Caltech/S. Stolovy (SSC/Caltech)。

 

那麼，天文學家們是如何解開銀河系的結構的呢？

 

他們又是如何探測銀河系的旋臂和中央的棒的呢？

 

天文學家的堅韌品格和探測手段的不斷完善是取得突破的關鍵。

 

通過觀測不同類型的輻射——光學、射電和紅外，天文學家能夠辨認出旋臂的不同特征並最終拼接出它的全貌。

 

 

旋轉銀盤

 

對銀河系的觀測始于我們最熟悉的輻射形式——可見光。

 

在18世紀80年代，威廉‧赫歇爾（William Herschel）統計了夜空中不同區域中的恆星數量以此來估計銀河系的形狀和大小。

 

在這一過程中，他為銀河系是一個形似薄盤的恆星系統提供了首個證據。

 

他注意到，在夜空中的銀河里聚集了遠比垂直于此方向多得多的恆星。

 

因此，他認為這就是銀河系的盤（銀盤）。

 

他還注意到“星雲”（天空中的模糊光斑）在各個方向上的分布也是不均勻的——隨著視線逐漸遠離銀盤平面（銀道面），它們的數量會上升。

 

他當時並不知道這是由于銀盤中含有更多的塵埃、恆星和氣體阻擋我們的視線所造成的。

 

 

[圖片說明]︰威廉‧赫歇爾（William Herschel）統計選定區域中恆星的數量，繪制出了他的銀河系圖。

 

他把太陽放在了靠近中心的地方（用較大的星形表示），因為當時的天文學家不知道銀盤中還存在有塵埃和其他物質。

 

版權︰Unda Hall Library of Science. Engineering, and Technology。

 

前進的另一大步出現在一個多世紀後，當時天文學家們發現銀盤在圍繞一個中心旋轉。

 

而事實上，銀河系有一個扁平的盤本身就預示了它正在旋轉。

 

這就像被甩到空中的面團。

 

由于旋轉，盡管開始時呈一個團塊，但最終會變薄成盤狀。

 

相反地，被稱為球狀星團的大型恆星系統在銀河系中則是球形分布的，這說明做為一個整體它們不繞銀河系中心旋轉。

 

雖然單個球狀星團具有隨機運動，但把所有的球狀星團看成一個整體，它是不轉動的。

 

直到1927年天文學家發現了銀河系旋轉的證據。

 

根據瑞典天文學家伯蒂爾‧林德布拉德（Bertil Lindblad）的理論，荷蘭天文學家揚‧奧爾特（Jan Oort）將近距恆星的相對運動解釋為銀河系的旋轉效應。

 

既然銀盤在轉動，那麼它的中心在哪兒？

 

在可見光下觀測，人馬座中的銀盤明顯要亮于其他部分。

 

這意味著銀心就在人馬座方向。

 

1918年美國天文學家哈洛‧沙普利（Harlow Shapley）給出了其他的證據。

 

他確定了69個球狀星團的位置和距離。

 

通過假設它們呈一個大致的球形分布，他發現它們運動的平均中心就在銀道面的南側。

 

而且，由于球狀星團在人馬座方向上聚集度最高，他（正確地）假設這一中心就位于那里。

 

在隨後幾十年里許多研究證實了這一發現，並為它補充了一點︰我們的太陽距離銀河系中心大約2.6萬光年。

 

 

追蹤旋臂

 

在恆星測量技術出現前，天文學家就懷疑銀河系是一個旋渦星系，原因有二︰銀河系是一個扁平的系統；其中存在年輕的高溫藍色恆星。

 

根據對其他旋渦星系的觀測， 天文學家發現正是這些恆星形成區中的藍色恆星構成了旋臂。

 

天文學家相信，旋臂是由穿行于星系盤中的“密度波”所造成的。

 

相對于銀道面中的物質，密度波的運動速度與之不同。

 

因此就像高速公路上的堵車，當恆星、氣體和塵埃進入密度波的高密度區（旋臂）時就會被擠壓。

 

正由于此，觸發了恆星形成過程。當物質穿過這一區域之後，密度就會下降。

 

20世紀40年代後期，出生于德國的美籍天文學家沃爾特‧巴德（Walter Baade）和美國天文學家尼古拉斯‧梅奧爾（Nicholas Mayall）研究了仙女星系（M31）的旋臂結構，發現年輕的藍色恆星及其周圍的氣體雲（發射星雲）可以用來追蹤旋臂。

 

于是，天文學家就此開始尋找這些旋臂的示蹤天體。

 

 

[圖片說明]︰和銀河系一樣，M83也是一個棒旋星系。

 

天文學家認為，如果我們從上往下看銀河系，它可能會和M83類似。

 

版權︰ESO。

 

氫氣體雲中年輕高溫藍色恆星所發出的紫外輻射會電離周圍的氫。

 

電離氫會發出特定顏色（或波長）的輻射。天文學家會專門在這些波段上尋找電離氫。

 

1951年，天文學家們發現了銀河系旋臂的直接證據。

 

美國天文學家威廉‧摩根（William W. Morgan）、斯圖爾特‧沙普萊斯（Stewart Sharpless）和唐納德‧奧斯特布羅克（Donald Osterbrock）觀測到了兩條平行的電離氫帶，它們對應的正是銀河系的不同旋臂。

 

對于探測近距離的銀河系結構，在可見光波段觀測發射星雲和藍色恆星行之有效。

 

不過正如天文學家所知道的，銀道面中的氣體和塵埃會阻礙光線。

 

所以他們不得不尋找另一條途徑來觀測銀河系中其他更遙遠的部分。

 

 

就在那裡

 

1930年，出生于瑞士的美籍天文學家羅伯特‧特朗普勒（Robert Trumpler）證明，塵埃和氣體會影響光線。

 

他觀測了100多個由年輕恆星組成的疏散星團，並用兩種方法計算了它們的距離。

 

首先，他假設這些星團具有相同的直徑，這就意味著看上去越小星團它的距離就越遠。

 

其次，他比較了觀測到的特定恆星的亮度和由它們的光譜型估計出的本征光度。

 

他發現，亮度越暗的星團距離越遠。

 

如果銀河系中不包含任何吸光的物質，那麼這兩種方法得出的結論相互吻合。

 

但是事實並非如此，這意味著氣體和塵埃會阻擋在銀道面中傳播的光線。

 

被稱為星際介質的氣體和塵埃會通過吸收和散射來使得星光變暗和變紅（紅化）。

 

這是如何發生的呢？

 

可見光的波長和塵埃粒子以及氣體分子的尺度相當。

 

因此，星際介質會散射可見光。

 

另一方面，波長更長的輻射（例如，紅外和射電輻射）則可以暢通地穿行于星際介質中。

 

于是很自然地，下一步就是要進入其他的波段。

 

 

射電革命

 

1944年，荷蘭天文學家亨德里克‧範德赫爾斯特（Hendrik van de Hulst）預言，銀河系氣體雲中的中性氫原子會在一個特定的波長上發射出輻射。

 

這一銳利的發射線位于波長21厘米處。

 

假設氫能勾勒出銀河系的旋臂，天文學家通過尋找“21厘米譜線”就能測量銀盤中的氫。

 

 

 

[圖片說明]︰中性氫輻射。

 

中性氫原子由一個質子和一個電子組成，它們都具有自旋。

 

電子的自旋既可以和質子自旋平行（左上）也可以反平行（右下）。

 

當電子的自旋從平行狀態翻轉為反平行時就會發出波長為21厘米的輻射。

 

版權︰Pearson Prentice Hall, Inc.。

 

為了在射電波段進行測量，天文學家在天空中選定了一塊20°×20°的觀測區域。

 

接著他們會從中選出一些特定的地點，然後（在這一波長上）沿著視線方向進行測量——收集和視線相交的所有天體的信息。

 

請記住，銀盤是轉動的。

 

因此觀測到的每片氫雲也在運動，于是它們的發射線在電磁波譜上也會移動。

 

對于朝向觀測者運動的氫雲，電磁波會被“擠壓”，進而觀測到的波長會變短。

 

如果它正在遠離觀測者，電磁波由于被“拉伸”，因此觀測到的波長會變長。

 

這就是多普勒效應。

 

這和高速公路上呼嘯而過的汽車類似。當汽車朝向你駛來的時候，你听到的音調會變高（波長變短）；當它離你而去的時候，你听到的音調會變低（波長變長）。

 

通過把測量到的發射線和標準的21厘米譜線進行比較，天文學家就能夠確定出氫雲的運動速度。

 

但21厘米譜線並不能提供實際距離的信息。這要由測量到的速度進一步計算得出。

 

就像任何旋轉的扁平天體，在銀河系中天體的速度取決于它到銀河系中心的距離。

 

天文學家測量了其他星系中恆星的速度，並且將它們和這些恆星到星系中心的距離進行比較，得出了“旋轉曲線”。

 

天文學家也測量了銀河系的旋轉曲線，只不過這次他們自己就在銀河系中，因此難度要大得多。

 

除了要知道速度是如何隨著到銀心的距離不同而變化的，天文學家還必須要知道太陽到銀河系中心的距離，這個數字大約是2.6萬光年。

 

因此，視線方向上的每一片氫雲到銀心的距離各不相同，由此它們的運動速度也各不一樣。

 

天文學家們在21厘米發射線附近能看到多條銳利的發射線，但都發生了些許的多普勒頻移。

 

有了氫雲的速度，通過和旋轉曲線進行比較，天文學家就能確定出它到銀心的距離。

 

進一步就可以繪制出它們的位置。他們發現中性氫確實組成了銀河系的旋臂。

 

1953年，奧爾特和範德赫爾斯特首次公布了21厘米射電巡天的結果。

 

就如同其他的巡天觀測，天文學家也必須謹慎地對待21厘米的觀測結果。

 

銀河系中的某些部分會偏離圓軌道運動，有的甚至是隨機運動。

 

通過綜合不同的方法，天文學家才能拼接出一幅更準確的銀河系結構圖。

 

到20世紀50年代末，天文學家已經知道銀河系有若干條旋臂，它們都尾隨于銀河系的自轉。

 

他們還知道，我們銀河系的旋臂可能並不具有類似M51這樣緊密的宏象結構，但比起MlOl則要收得更緊一些。

 

 

[圖片說明]︰相對于銀河系，星系M51（上圖）具有更緊密的宏象旋臂，星系M101（下圖）的旋臂則更為松散。

 

天文學家們使用了許多測量技術來確定我們銀河系的結構。

 

版權︰M51︰Robert Gendler；M101︰Dick Locke。

 

星際介質中有大約一半的氫並非處于氫原子狀態（單個的氫原子），而是以氫分子（由兩個氫原子組成）的形式出現。

 

氫分子只能發出微弱的射電輻射。

 

不過沒關系，一氧化碳會發出很強的射電輻射，它可以告訴天文學家氫分子的位置。

 

因為這些分子會以相對穩定的比例出現。

 

因此，天文學家通過觀測一氧化碳的發射線就能探測出氫分子。

 

20世紀70年代，天文學家開始由觀測一氧化碳來測量氫分子區。

 

他們使用不同的射電技術拼接出了一幅銀河系的旋臂結構圖。

 

然而，即使有了這些方法，天文學家要想了解銀河系的內部結構仍然很難。

 

20世紀50年代末，天文學家觀測到了非常靠近銀心處旋臂的奇特運動。

 

他們發現，氣體並不單單地圍繞銀心旋轉（就像銀河系中的其他部分），它們還會遠離銀心。

 

他們把它稱為“3千秒差距膨脹旋臂”。

 

但這條旋臂是如何形成的呢？

 

有人提出，銀河系的中心有一個棒狀結構，從中心向兩側延伸出大約10,000光年（3千秒差距）。

 

在棒的端點上聯有一個環狀結構或者是旋臂。

 

而確定銀河系中心的結構則要等到20世紀90年代紅外衛星上天之後。

 

 

完成拼圖

 

此後天文學家們繼續在多波段上對銀河系進行著探測。

 

他們很快就轉向了紅外波段——比射電波段能量要高（波長較短），但比可見光能量較低（波長較長）。

 

由于紅外輻射可以暢通地穿行于銀河系的塵埃之中，天文學家由此就可以觀測到銀河系的核心。

 

雖然早在20世紀50年代初天文學家就已經開始對銀河系進行紅外觀測，但地球大氣對絕大部分紅外輻射的阻擋使得他們收效甚微。

 

美國宇航局的宇宙背景探測器通過把紅外探測器——彌漫紅外背景實驗——送入太空解決了這個問題。

 

1990年，彌漫紅外背景實驗拍攝了第一張銀河系中央核球的近紅外照片。

 

這一圖像令人印象非常深刻，就像從側向觀測其他旋渦星系一樣。

 

 

[圖片說明]︰1990年天文學家獲得了銀河系中心區域的首幅紅外圖像。彌漫紅外背景實驗在三個不同紅外波段上的觀測合成了這幅照片。

 

版權︰COBE/DIRBE/NASA。

 

其他的紅外巡天則拍攝了銀道面和核球的更銳利的圖像。

 

但更重要的是，天文學家們現在可以看“穿”塵埃來研究銀心附近恆星的運動。

 

那麼，既然20世紀50年代一些天文學家發現了在銀心半徑10,000光年（3秒差距）內氣體的反常運動，那麼紅外觀測可以揭示出是什麼造成了這些運動嗎？

 

到20世紀90年代，天文學家們分析了來自氣球和彌漫紅外背景實驗對銀心的紅外觀測結果。

 

他們發現核球在某一個方向上被拉長了——這因此也暗示了銀河系中心的棒狀結構（在繞銀心轉動的過程中）和我們之間存在一定的夾角。

 

最近的另一項研究進一步確認了棒的存在。

 

2005年，斯皮策空間望遠鏡的紅外中銀道面非常巡天在中紅外波段進行了觀測，記錄下了大約3,000萬個源，精確地測量了銀河系的中心。

 

由此天文學家發現銀心在某個方向上恆星的數量明顯要比其他的多，這預示了棒的存在。

 

他們還發現棒的長度大約為2.8萬光年，與太陽到銀心的距離（2.6萬光年）相當。

 

那麼，銀河系中央的棒到底是什麼？

 

它是一大群在長橢圓軌道上繞銀心運動的恆星。

 

在棒的兩端有兩條旋臂與之相連——盾牌-半人馬臂和英仙臂。

 

另外兩條旋臂似乎也始于棒較長的兩側。

 

 

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2010-11-21 17:44
 

[圖片說明]︰經過數百年的研究，天文學家對銀河系結構有了較好的了解。

 

銀河系有一個中央棒和四條旋臂，其中兩條似乎是大旋臂。

 

銀盤從側向看也可能存在一定的翹曲。版權︰NASA/JPL-Caltech。

 

于是事情出現了轉機。

 

幾十年來，天文學家一直認為銀河系中有四條主要旋臂——英仙臂、人馬臂、盾牌-半人馬臂和矩尺臂，以及一些旋臂的分支，例如我們所在的獵戶分支。

 

但2008年，紅外中銀道面非常巡天又做出了一大重要發現︰我們的銀河系可能只包含有兩條主要的旋臂，另外兩條則是小旋臂。

 

盾牌-半人馬臂和英仙臂富含氣體和不同年齡的恆星。

 

而人馬臂和矩尺臂則絕大部分是氣體，只有少量恆星點綴其中。

 

天文學家利用射電、紅外和可見光拼出了一幅銀河系的詳圖。

 

銀盤的直徑大約12萬光年，中心棒狀結構長2.8萬光年。

 

我們到銀心的距離為2.6萬光年，運動速度為每秒220千米。

 

但銀河系中仍然有很多的未解之謎——銀河系中的暗物質是由什麼組成的？

 

銀河系一共有多少旋臂？

 

等等。

 

天文學家任何時候都不會缺乏研究的課題。

 

 

引用：http://www.skylook.org/info/info-tw/info_6326.html