你好,我是中国科学院国家天文台的王汇娟。 今天,我们一起去银河系走走吧!

当你冲出太阳系时,你会进入银河系的星际空间。 旅行者1号探测器( Voyager1,见图1 )是目前唯一冲出太阳系的人造天体。 现在,离地球的距离约为149倍,日地距离约为222亿公里。 那个信号以光速传到地球需要单程约17小时。
图1 .旅行者1号(图片来源: NASA/JPL ) ) ) ) ) ) ) ) )。
星际旅行中怎么没有手持地图? 一起制作银河系的星际地图吧。
首先是银河系的平面星际地图。 加速膨胀的宇宙中约有千亿个星系,银河系是其中不显眼的一个,形状呈漩涡状,恒星分布的直径约为17-20万光年[1],比3年前对银河系大小的认识大了近1倍。 银河的中心部有木制的棒子一样的结构,所以属于棒子旋转银河。 银河系从中心旋转多个旋臂,太阳系位于猎户座被称为小旋臂的边缘。 如果把银河系的中心(简称银心)比作一个大型城市的中心,那么我们居住的太阳系约位于城乡结合部,距离银心约2.7万光年[2][3]。 银河系有大约1000-4000亿颗类似太阳的恒星和数量相当的行星,主要位于银河系的旋臂和中心附近。 银河系在直径25.8万光年的区域内总质量约为1.5万亿倍的太阳质量,且其中只有约10%为恒星、气体等,其余约90%为无法直接检测到的暗物质[4]。
图2 )银河图像(平面图,图片来源: https://www.NASA.gov/sites/default/files/images/620057 main _ milky way _ full.jpg,图片)
从北银之极俯视银河(见图2 ),就像一个旋转的圆盘。 从侧面看,这个“圆盘”的中心区域比其他区域明亮且稍微隆起,我们称之为核球,剩下的明亮区域较薄,我们称之为银盘(见图3 )。 银盘平均厚度为2000光年左右[5],约为直径的1%。 最近的研究表明,银盘不是平面的,而是翘曲的结构[6]见图4。
图3 )从地球上观测到的银河全景图(将多个实测图像连接在一起,图像来源: ESO/S.Brunier ) )。
图4 )银河系的翘曲结构(图片来源: http://www.Bao.AC.cn/xwzx/kydt/201901/w 020190131561481401707.jpg ) ) ) ) )。
这样,可以得到银河系的三维星际地图(参照图5 )。
图5 )银河系三维模拟图(图片来源: ESO/NASA/JPL-Caltech/m.Korn messer/r.hurt/ccby ) ) ) ) ) ) )
天文学家将银河系从内向外分为中心的银心、中央隆起的核球、包含旋臂的银盘,以及包裹所有这些结构的近似球形的银晕(见图6 )。 银色晕包括看不见的暗物质晕和散布着几个球状星团的恒星晕,两者在空间上重叠,前者更大。
图6 )银河系的结构图像(图片来源: RJHall,稍微修改图片,修改图片:邱鹏) )。
球状星团是什么? 一般来说,10个以上物理上相关的恒星组称为星团。 其中,由十几颗至几千颗恒星组成的结构松散、形状不规则的星团被称为“散开星团”,一般比较年轻,主要分布在普雷多斯星团等银盘上。 由数万至数十万颗恒星组成,整体像雪球一样的星团叫球状星团,一般比较老,主要分布在银晕中。 例如,北方天空最亮的球状星团M13等。 M13位于仙女座,包含约100万颗恒星。 (见图7 )人类在46年前,用当时最大的射电望远镜向可能居住在那里的外星文明发出了信息。 这条消息包含人类的DNA、原子序数、地球位置等信息,大约2.22万年后到达这个星团。
图7. M13球状星团(图片来源: Adam Block,Mt. Lemmon SkyCenter,U. Arizona ) )。
在银河系的所有结构中,包裹着银心的核球是最明亮的部分。 从地球上看,银心位于人马座的方向,研究表明,位于银心的致密射电源人马座a*(SGRa* )是超大质量黑洞,质量约为415万倍的太阳质量。 核球部分位于南天,在南半球常年可见,因此在南半球看到的银河更绚烂(见图8 )。 北半球以北京附近为例,银心晚上升到最高的时候在20度左右,适合夏天观赏。
图8 .位于智利的甚大望远镜( VLT )的导星激光对准银心方向(图片来源: ESO/Y. Beletsky ) )。
人们很久以前就怀疑银心存在超大质量黑洞,但近年来,实测的证据来自对Sgr A*附近十几个大质量恒星长达27年的高精度空间运动的监测。 S2是其中最亮的恒星之一,不仅Sgr A*黑洞周围的周期具有16年的公转轨道,而且第二个周期的轨道形成玫瑰花结而不是与上一个周期重叠的椭圆。 这种现象也被称为“史瓦西运动”。 该发现不仅为银心超大质量黑洞的存在提供了有力的证据,也为爱因斯坦广义相对论提供了观测证据(见图9 )。
图9 .放大了史瓦西入轨差异的示意图。 (图片来源: ESO/L. Calada )
2019年4月,人们首次欣赏了用“视界面望远镜”拍摄的M87银河中心超大质量黑洞的照片。 科学家在拍摄这个黑洞的同期,也拍摄了其实位于银心的人马座A*黑洞,但照片还“没有洗”。 但是,作为离我们最近的超大质量黑洞的最初照片,值得期待(参照图10 )。 我想知道
图10 .人马座A*黑洞的计算机模拟图像(图片来源:视界面望远镜项目/ESO ) ) ) ) ) )。
有银河系的四维地图吗? 第四维也许可以是时间。 虽然不像三维空间的各个维度那样可逆。 银河系是如何形成和演化的呢? 未来的命运如何? 天文学家试图根据实测和理论研究找到线索。 例如去年4月,中国天文学家主导的研究表明,银河系在演化过程中曾“吞噬”过质量更小的星系[7]。
我们乘坐太阳系这艘平舟,以约220公里/秒的速度绕着银河中心公转,公转需要约2.4亿年[8]。 上次太阳系运行到现在的位置附近时,地球上正是三叠纪开始崛起,再次是鹦鹉螺统治海洋的奥陶纪(见图11 )。 下次回来会怎么样?
图11 .化石
图12 .鹦鹉螺活体(图片来源:互联网) ) )。
银河系里藏着无数的宝物。 当然,也包括恒星消失后身体发生了变化的霓虹灯。 下一站,我们将一起访问留有恒星体温的星云。 更棒,请关注观天者说。
主创简介
王汇娟,中国科学院国家天文台星云规划研究员。 主要从事恒星物理和高精度测光和光谱检测方法的研究。
姜晓军,中国科学院国家天文台研究员,中国科学院大学车间教授。 主要从事恒星物理和天文技术的研究。
[责编:赵宇豪]
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