16章:远征之最大航道－银河系 (第2/3页)
近于球状分布的系统，称为银晕，其中的物质密度比银盘的低得多。银晕外面还有物质密度更低的部分，称银冕，也大致呈球形。银盘直径约25千秒差距，厚1～2秒差距，自中心向边缘逐渐变薄，太阳位于银盘内，离银心约8.5千秒差距，在银道面以北约8秒差距处。银盘内有旋臂，这是气体、尘埃和年轻恒星集中的地方。银盘主要由星族Ⅰ天体组成，如g～k型主序星、巨星、新星、行星状星云、天琴rr变星、长周期变星、半规则变星等。核球是银河系中心恒星密集的区域，近似于球形，直径约4千秒差距，结构复杂。核球主要由星族2天体组成，也有少量星族Ⅰ天体。核球的中心部分是银核。它出很强的射电、红外、x射线和γ射线。其性质尚不清楚，可能包含一个黑洞。银晕主要由晕星族天体，如亚矮星、贫金属星、球状星团等组成，没有年轻的o、b型星，有少量气体。银晕中物质密度远低于银盘。银晕长轴直径约3o千秒差距，年龄约1o1o年，质量还不十分清楚。在银晕的恒星分布区以外的银冕是一个大致呈球形的射电辐射区，其性质了解得甚少。
第一个研究了银河系结构。他用恒星计数方法得出银河系恒星分布为扁盘状、太阳位于盘面中心的结论。1918年，h.沙普利研究球状星团的空间分布，建立了银河系透镜形模型，太阳不在中心。到了2o世纪2o年代，沙普利模型得到公认。但由于未计入星际消光，沙普利模型的数值不准确。研究银河系结构传统上是用光学方法，但光学方法有一定的局限性。近几十年来展起来的射电方法和红外技术成为研究银河系结构的强有力的工具。在沙普利模型的基础上，对银河系的结构已有了较深刻的了解。
银盘是银河系的主要组成部分，在银河系中可探测到的物质中，有九成都在银盘范围以内。银盘外形如薄透镜，以轴对称形式分布于银心周围，其中心厚度约1万光年，不过这是微微凸起的核球的厚度，银盘本身的厚度只有2ooo光年，直径近1o万光年，可见总体上说银盘非常薄。
除了1ooo秒差距范围内的银核绕银心作刚体转动外，银盘的其他部分都绕银心作较差转动，即离银心越远转得越慢。银盘中的物质主要以恒星形式存在，占银河系总质量不到1o％的星际物质，绝大部分也散布在银盘内。星际物质中，除含有电离氢、分子氢及多种星际分子外，还有1o％的星际尘埃，这些直径在1微米左右的固态微粒是造成星际消光的主要原因，它们大都集中在银道面附近。
由于太阳位于银盘内，所以我们不容易认识银盘的起初面貌。为了探明银盘的结构，根据本世纪4o年代巴德和梅奥尔对旋涡星系m31（仙女座大星云）旋臂的研究得出旋臂天体的主要类型，进而在银河系内普查这几类天体，现了太阳附近的三段平行臂。由于星际消光作用，光学观测无法得出银盘的总体面貌。有证据表明，旋臂是星际气体集结的场所，因而对星际气体的探测就能显示出旋臂结构，而星际气体的21厘米射电谱线不受星际尘埃阻挡，几乎可达整个银河系。光学与射电观测结果都表明，银盘确实具有旋涡结构。
银心
星系的中心凸出部分，是一个很亮的球状，直径约为两万光年，厚一万光年，这个区域由高密度的恒星组成，主要是年龄大约在一百亿年以上老年的红色恒星，很多证据表明，在中心区域存在着一个巨大的黑洞，星系核的活动十分剧烈。银河系的中心﹐即银河系的自转轴与银道面的交点。
银心在人马座方向﹐195o年历元坐标为﹕赤经174229﹐赤纬－28°5918。银心除作为一个几何点外﹐它的另一含义是指银河系的中心区域。太阳距银心约1o千秒差距﹐位于银道面以北约8秒差距。银心与太阳系之间充斥著大量的星际尘埃﹐所以在北半球用光学望远镜难以在可见光波段看到银心。射电天文和红外观测技术兴起以后﹐人们才能透过星际尘埃﹐在2微米到73厘米波段﹐探测到银心的信息。中性氢21厘米谱线的观测揭示﹐在距银心4千秒差距处o有氢流膨胀臂﹐即所谓“三千秒差距臂”(最初将距离误定为3千秒差距﹐后虽订正为4千秒差距﹐但仍沿用旧名)。大约有1﹐ooo万个太阳质量的中性氢﹐以每秒53公里的度涌向太阳系方向。在银心另一侧﹐有大体同等质量的中性氢膨胀臂﹐以每秒135公里的度离银心而去。它们应是1﹐ooo万至1﹐5oo万年前﹐以不对称方式从银心抛射出来的。在距银心3oo秒差距的天区内﹐有一个绕银心快旋转的氢气盘﹐以每秒7o～14o公里的度向外膨胀。盘内有平均直径为3o秒差距的氢分子云。
在距银心7o秒差距处﹐则有激烈扰动的电离氢区﹐也以高向外扩张。现已得知﹐不仅大量气体从银心外涌﹐而且银心处还有一强射电源﹐即人马座a﹐它出强烈的同步加辐射。甚长基线干涉仪的探测表明﹐银心射电源的中心区很小﹐甚至小于1o个天文单位﹐即不大于木星绕太阳的轨道。12.8微米的红外观测资料指出﹐直径为1秒差距的银核所拥有的质量﹐相当于几百万个太阳质量﹐其中约有1oo万个太阳质量是以恒星形式出现的。腥巳衔o银心区有一个大质量致密核﹐或许是一个黑洞。流入致密核心吸积盘的相对论性电子﹐在强磁场中加﹐于是产生同步加辐射。银心气体的运动状态﹑银心强射电源以及有强烈核心活动的特殊星系(如塞佛特星系)的存在﹐使我们认为﹕在星系包括银河系的演化史上﹐曾有过核心激扰活动﹐这种活动至今尚未停息。
银晕
银河晕轮弥散在银盘周围的一个球形区域内，银晕直径约为九万八千光年,这里恒星的密度很低，分布着一些由老年恒星组成的球状星团，有人认为，在银晕外面还存在着一个巨大的呈球状的射电辐射区，称为银冕，银冕至少延伸到距银心一百千秒差距或三十二万光年远。
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3o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1.4x1o11太阳质量,其中恒星约占9o％，气体和尘埃组成的星际物质约占1o％。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1o千秒差距，以每秒25o公里度绕银心运转,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o.13太阳质量/秒差距3或8.8x1o－24克/厘米3。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。它的视绝对星等为mv=－2o.5。它以1o1o年的时间尺度演化。
太阳在银河系中的位置
太阳（包括地球和太阳系）都在猎户臂靠近内侧边缘的位置上，在本星际云（1oca1f1uff）中，距离银河中心7.94±o.42千秒差距我们所在的旋臂与邻近的英仙臂大约相距6,5oo光年。我们的太阳与太阳系，正位在科学家所谓的银河的生命带。
太阳运行的方向，也称为太阳向点，指出了太阳在银河系内游历的路径，基本上是朝向织女，靠近武仙座的方向，偏离银河中心大约86度。太阳环绕银河的轨道大致是椭圆形的，但会受到旋臂与质量分布不均匀的扰动而有些变动，我们目前在接近近银心点（太阳最接近银河中心的点）1/8轨道的位置上。
太阳系大约每2.25—2.5亿年在轨道上绕行一圈，可称为一个银河年，因此以太阳的年龄估算，太阳已经绕行银河2o—25次了。太阳的轨道度是2m/s，换言之每8天就可以移动1天文单位，14oo年可以运行1光年的距离。
海顿天象馆的8.o千秒差距的立体银河星图，正好涵盖到银河的中心。
银河系的邻居
银河、仙女座星系和三角座星系是本星系群主要的星系，这个群总共约有5o个星系，而本地群又是室女座星系团的一份子。
银河被一些本星系群中的矮星系环绕着，其中最大的是直径达21,ooo光年的大麦哲伦云，最小的是船底座矮星系、天龙座矮星系和狮子ii矮星系，直径都只有5oo光年。其他环绕着银河系的还有小麦哲伦云，最靠近的是大犬座矮星系，然后是人马座矮椭圆星系、小熊座矮星系、御夫座矮星系、六分仪座矮星系、天炉座矮星系和狮子i矮星系。
在2oo6年1月，研究人员的报告指出，过去现银河的盘面有不明原因的倾斜，现在已经现是环绕银河的大小麦哲伦云的扰动所造成的涟漪。是在她们穿过银河系的边缘时，导致了某些频率的震动所造成的。这两个星系的质量大约是银河的2%，被认为不足以影响到银河。但是加入了暗物质的考量，这两个星系的运动就足以对较大的银河造成影响。在加入暗物质之后的计算结果，对银河的影响增加了2o倍，这个计算的结果是根据马萨诸塞州大学阿默斯特分校马丁·温伯格的电脑模型完成的。在他的模型中，暗物质的分布从银河的盘面一直分布到已知的所有层面中，结果模型预测当麦哲伦星系通过银河时，重力的冲击会被放大。
研究
古代探索史
虽然从非常久远的古代，人们就认识了银河系。但是对银河系的真正认识还是从近代开始的。
175o年，英国天文学家赖特（rightthomas）认为银河系是扁平的。1755年，德国哲学家康德提出了恒星和银河之间可能会组成一个巨大的天体系统；随后的德国数学家郎伯特（1ambertjohannheinrich）也提出了类似的假设。到1785年，英国天文学家威廉·赫歇耳绘出了银河系的扁平形体，并认为太阳系位于银河的中心。
1918年，美国天文学家沙普利（har1oap1ey）经过4年的观测，提出太阳系应该位于银河系的边缘。1926年，瑞典天文学家林得布拉德（1ineti1）分析出银河系也在自转。
近代研究
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5o厘米和12o厘米口径望远镜观测,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赫歇耳意识到，银河系远比他最初估计的为大。f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。19o6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19o8～1912年勒维特现的麦哲伦云中造父变星的周光关系，测定了当时已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193o年，特朗普勒证实星际物质存在后，这一偏差才得到纠正。
银河系物质约9o％集中在恒星内。19o5年，赫茨普龙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2两种不同的星族。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2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2和晕星族（极端星族2）。
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,ooo多个,还有为数不少的星协。据统计推论，应当有18,ooo个银河星团和5oo个球状星团。二十世纪初,巴纳德用照相观测，现了大量的亮星云和暗星云。19o4年，恒星光谱中电离钙谱线的现，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，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，在银心方向还现了一条3千秒差距臂。旋臂间的距离约1.6千秒差距。1963年,用射电天文方法观测到星际分子oh，这是自从1937～1941年间,在光学波段证认出星际分子net和ch+以来的重大突破。到1979年底，现的星际分子已过5o种。
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1o1o年前高密态原始物质因密度生起伏,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1oo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
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