「不識廬山真面目，只緣身在此山中?！鼓敲吹厍蛏系目茖W(xué)家們，是如何得知銀河系的樣子，又是如何定位我們在銀河系中的位置的呢？
回答這個問題，最簡單的方法，就是飛出銀河系，給她拍一張全景照，就像這樣：
銀河系全景圖
Credit: Wikipedia
然而這顯然是不可能的。到今年元旦，飛的最遠(yuǎn)的旅行者I號也才飛了 210 億公里。我為什么要說才？銀盤的厚度約為 1000光年，直徑10萬光年，而210億公里約合 0.00022光年。
既然這樣不行，聰明的人類一定有更巧妙的辦法，否則我們還在相信「神說，要有光...」那一套。
回頭最初，人們對宇宙一無所知，手里也沒有什么觀天神器。無論是星空愛好者，還是為帝國把脈的星官，抬頭看到的都是紛繁復(fù)雜的天象：有些天體運(yùn)轉(zhuǎn)以年為周期，有些以月為周期，還有些周期混亂，甚至還有些忽大忽小。
為了掌握這些天體的規(guī)律，人們不斷創(chuàng)新出各種模型，并制作儀器輔助研究，比如這個：
天球儀（又名渾天儀），用以表現(xiàn)恒星和星座位置，并能演示天體的周期運(yùn)動。實物展示在紫金山天文臺。
人們雖然很早就從日月食等天象看出地球是球形，但是由于「天」看上去每個方向一樣遠(yuǎn)，自然也是球形，是為「天球」。
銀河的形狀
橫亙在天際中央，一年四季都可見的銀河一直都是人們的一個關(guān)注重點。隨著望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明，人們發(fā)現(xiàn)里面均勻的密布著無數(shù)的星星。
通過觀測，我們推理得出：銀河系應(yīng)該是一個扁平的碟狀，而我們就在“碟子”扁平的區(qū)域，否則銀河看上去會是完全不同的樣子。如果銀河系是球形，那么就會看到她滿天的光芒，而不是細(xì)長的條帶；而如果我們在「碟子」上方或下方，那天河便不會把夜空平分，而是出現(xiàn)在頭頂?shù)木薮髨A盤，半年后可能就蹤跡全無。
晴朗天空下肉眼可見的銀河
初步測量
但我們?nèi)匀蝗缤υ谀晨脴渖系娜?，想要畫出整個森林的地圖，簡直是「不可能完成的任務(wù)」。萬幸恒星之間間隙巨大，愛思考的人們還是發(fā)現(xiàn)了些蛛絲馬跡。
到18世紀(jì)晚期，天文學(xué)家威廉·赫歇爾開始通過巨大的望遠(yuǎn)鏡觀察銀河，嘗試測量恒星的距離，并得出結(jié)論——地球處在圓餅狀恒星群中間，雖不在正中心卻也離中心不遠(yuǎn)。
錯誤的得出中心的結(jié)論，是由于星際塵埃遮擋、散射、吸收了銀河系遙遠(yuǎn)恒星的光芒，但赫歇爾并沒有發(fā)現(xiàn)它們的存在。我們看上去正好在銀河的中心，不是因為我們恰好在中心，而是因為我們從每個方向看到的一樣遠(yuǎn)（近）。對于綁在迷霧森林中某棵樹上的人來說，森林各個方向的盡頭都相同。
赫歇爾制造的40英寸望遠(yuǎn)鏡和他的銀河模型
Credit: Wikipedia
赫歇爾迷戀于建造巨大的望遠(yuǎn)鏡，上圖的反射式望遠(yuǎn)鏡主鏡直徑足有1.25米。
接近真相
直到上世紀(jì)初，觀測結(jié)果才取得了突破。美國天文學(xué)家哈羅·沙普利通過造父變星作為標(biāo)尺，來測量銀河的尺寸與我們所處的位置。
造父變星是一種特殊的恒星，其絕對亮度與光變周期強(qiáng)相關(guān)。通過易觀測的周期可以計算得到其絕對亮度，再通過觀測亮度，就可以換算出距離。當(dāng)然最早發(fā)現(xiàn)造父變星的并不是沙普利，而是英國天文學(xué)家古德里克。
有了較準(zhǔn)確的標(biāo)尺，沙普利持續(xù)觀測球狀星團(tuán)的分布，并得出結(jié)論——銀河的直徑高達(dá)10萬光年，核心位于人馬座（射手座），太陽到銀核的距離約為銀河半徑的2/5。這一結(jié)論直接推翻了持續(xù)500余年的日心說。
銀河系的樣貌也不再只是扁平的圓盤，中心位置還增加了球形的恒星暈，之后更多的天文學(xué)家也確認(rèn)了這個結(jié)論，這時的銀河畫像：
銀河與散布的球狀星團(tuán)（左），球狀星團(tuán)中的造父變星（右）
Credit: Shapley
然而星際云和塵埃還是影響了沙普利的計算結(jié)果，當(dāng)然，數(shù)量級是正確的。
消光的存在，導(dǎo)致距離測量值偏大
Credit: Geller @ GMU
答案揭曉
再后來，科學(xué)家們設(shè)計和制作出各種譜段的望遠(yuǎn)鏡：除傳統(tǒng)的可見光望遠(yuǎn)鏡，隊伍里還增添了射電、紅外、X射線，甚至伽瑪射線探測器。人們把望遠(yuǎn)鏡建在雪山、荒漠，甚至遙遠(yuǎn)的太空（最新的JWST將運(yùn)轉(zhuǎn)在距地球150萬公里的深空）。
不同頻率探測器得到的銀河系全景圖
Credit: NASA
我們可以看到，不同波段的探測器獲得的銀河系全景圖差異巨大。通過對各種波長的電磁波的衰減特性、多普勒效應(yīng)等進(jìn)行分析計算，銀河系逐漸揭去其面紗，將真容呈現(xiàn)給我們。
銀河系是典型的棒旋星系
旋臂的發(fā)現(xiàn)
觀察上面不同譜段的銀河全景圖，我們能得到銀河是圓盤的推斷，然而旋臂是如何發(fā)現(xiàn)的呢？在找到證據(jù)支撐之前，人們應(yīng)該已經(jīng)有過這樣的假設(shè)。
比如早在1845年，另一名巨型望遠(yuǎn)鏡愛好者——愛爾蘭天文學(xué)家羅斯伯爵三世——就仔細(xì)觀測并繪制了旋渦星系M51的草圖。
羅斯伯爵的望遠(yuǎn)鏡（上），M51渦狀星系（下），M51草圖（右下）
M51是一個典型的旋渦星系。隨著人們對河外星系的觀測，發(fā)現(xiàn)有2/3的星系都是旋渦星系，而它們又都呈現(xiàn)為扁平的碟狀。因此人們不難推測，銀河也是旋渦星系。
然而，如果只是推測，顯然我們無法繪制出棒狀結(jié)構(gòu)和巨大的旋臂圖案。
更進(jìn)一步的探測結(jié)果得益于21厘米譜線（氫線）的發(fā)現(xiàn)。該譜線來源于中性氫原子在兩個差異極小的能級之間躍遷時，發(fā)射或吸收的光子。
宇宙中最豐富的物質(zhì)就是氫，但是一開始人們只能探測到星云中較高溫度較濃密的離子態(tài)氫。直到奧爾特（對，就是奧爾特云的名字由來）預(yù)測了氫線，愛德華·帕塞爾和他的學(xué)生哈羅德·伊文用500美元經(jīng)費(fèi)接收到這一神秘信號，人類又打開了一扇觀測宇宙的窗戶。
中性氫能級躍遷，發(fā)射光子形成21cm譜線
Credit: Pearson Prentice Hall
氫線的兩個獨(dú)有特性，使得它成為探索宇宙的利器：1、產(chǎn)生氫線所需能量極小，即便在幾十K的低溫，氫原子也能通過碰撞或其他偶然因素產(chǎn)生躍遷，發(fā)出該譜線；2、由于躍遷幾率小，輻射在傳播過程中被吸收的幾率同樣極小，對它來說整個宇宙就是透明的。
1952年，通過21 厘米譜線觀測，人類第一次繪出了銀河系內(nèi)的中性氫分布圖，從而發(fā)現(xiàn)了銀河系的旋臂結(jié)構(gòu)。氫原子在銀河系的旋臂內(nèi)密度為每立方厘米1到10個，在旋臂間（即星際）為每立方厘米0.1個，差異明顯。
銀河系俯視圖、側(cè)視圖
Credit: ESA
太陽系
我們熟知，太陽系八大行星在黃道平面圍繞太陽公轉(zhuǎn)，而太陽又圍繞銀核高速旋轉(zhuǎn)。那么二者合并起來是怎樣的場景呢？
月亮、地球、太陽的公轉(zhuǎn)軌道角度示意
Credit: Wikimedia, Jim slater307
到這里，終于弄清楚了銀河系的全貌，和我們在銀河系中的位置。
對了，本文中所用的銀河系圖案，或是出自PS之手，或者干脆就是其他旋渦星系的寫真。除非有一個河外文明好心的奉上一面鏡子，否則我們永遠(yuǎn)都無法一睹銀河的真容。
『天文時刻』 牧夫出品
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