盯着银河系的影子看了十多年

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星系结构图。照片由郑马克·里德提供

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最近，国内外科学家绘制了银河系最精确的结构图，这表明银河系是一个有四个旋臂的杆状旋转星系。

银河系的结构是天文学中一个长期未解决的科学问题。美国、德国和中国的天文学家领导制定了一项重大的科学计划“银河棒和纺锤结构的天体测量”，经过十多年的研究终于解决了这个问题。这是人类在了解地球和太阳系后进入巨大银河系的关键一步。

17年后，由美国、德国和中国的天文学家领导的主要科研小组绘制了银河系最精确的结构图，清楚地表明银河系是一个有四个旋臂的杆状星系。

美国哈佛-史密森天体物理中心高级天文学家马克·里德和南京大学天文与科学学院教授郑·共同撰写的《银河系新视野》在最近的《科学美国人》杂志上发表，并成为封面文章。这项研究是人类在了解地球和太阳系后进入我们居住的巨大银河系的关键一步。

很难远距离观察

我从未见过银河系的结构

银河系的结构是天文学中一个长期未解决的科学问题。

早在1785年，英国著名天文学家赫歇尔就首次提出银河系是由数亿颗恒星组成的扁平系统。但是很长一段时间以来，这个扁星系统的内部结构还没有被了解。

郑解释说，这是因为银河系太大了。现代研究表明，它的直径约为10万至18万光年。太阳系远离银河系的中心，靠近银岛的中心。因此，我们看到的旋臂重叠并投射在天球上，无法区分。与此同时，我们不能离开银河系，回头看宇宙间的银河，就像“我不知道庐山的真面目，但我只在这座山上”

天文学家还发现，如果我们能精确测量旋臂上足够多的天体与太阳之间的相对距离，即使我们在银河系内部，我们也能从内到外完整地勾画出银河系的旋臂结构。因此，天文学家解决这个问题的唯一方法是找到能够有效描绘银河系结构并精确测量其距离的示踪物体或信标。

然而，致密的尘埃和气体分布在银板上，严重阻挡了银河系旋臂上天体的光辐射。当人们在没有光污染的草原上仰望天空时，他们可以用肉眼在银河系中心找到一条黑暗的带。即使有一个大的光学望远镜，他们也只能看到太阳系周围的天体，太阳系的大小远远小于银河系。这就是为什么光学天文学不能完全探索银河系的结构。

对银河系结构的真正广泛而深入的观察和研究得益于20世纪50年代射电和红外天文学的兴起。无线电和红外辐射可以穿透银河平面上的致密尘埃，这样我们就可以看到银河系边缘的天体。经过近半个世纪的观察和研究，天文学家普遍认为银河系是一个旋转的棒星系。

然而，直接精确地测量这些无线电和红外光源之间的距离是非常困难的，因为最近的银河系的旋臂之间的距离大约是6000光年。天文学家经常使用一些天体物理模型来间接测量他们的距离。现代天文学研究表明，这些间接测量方法存在许多问题。这也导致了银河系结构中一些尚未解决的基本问题。

国际合作数据共享

天文学家一起努力解决难题

为了加深我们对银河系结构的了解，在21世纪初，美国、德国和中国的天文学家牵头制定了一项名为贝塞尔计划的重大科学计划，来自8个国家的22名天文学家参加了该计划，以纪念德国天文学家贝塞尔在1938年首次测量恒星距离。

贝塞尔计划通过使用几何三角形视差法，利用等效孔径超过8000公里的超长基线干涉阵列，直接测量大质量恒星形成区中脉泽源的距离和自运动。为了确定银河系的结构，科学家们希望有一个极其明亮的物体，能够穿透银河系圆盘中的致密尘埃，测量银河系的边缘结构。这个天体是大质量恒星形成区的脉泽源，它是一个明亮温度超过1亿度甚至数万亿度的宇宙激光点源。

从2003年到2019年，贝塞尔的主要研究项目基本结束。研究小组测量了银版上163个大质量恒星形成区的脉泽源的距离和自运动，并结合世界上其他群体测量的37个脉泽源，得到了银河系近200个大质量恒星形成区的距离和自运动。

“为了测量微波激射源的距离和自身运动，由地球上10个天线组成的甚长基线干扰阵列一年至少应观测5次，每次观测时间约为5小时，每小时观测数据处理和报告撰写约需20小时。十多年来，中国贝塞尔研究小组的成员一直在默默地观察和处理数据。”郑介绍说，国际团队成员处理的数据是共享的。

根据介绍，研究小组分析并补偿了银版上大质量恒星形成区螺旋位置分布的突然跳跃和不连续性。最后，根据研究小组测量的大质量恒星形成区域的精确位置，清晰地勾勒出四个主要的螺旋臂，即英仙座臂、半人马底臂、方臂和盾形半人马臂。结合红外、一氧化碳和大量年轻天体的观测数据，最终绘制出银河系的结构图。

在天文学家观察到的较亮的星系外星系中，螺旋星系约占整个恒星系数的80%，而棒状螺旋星系约占螺旋星系的2/3。银河系是宇宙中一个普通的星系，四个旋臂的分布相对对称。与不规则星系相比，我们居住的银河系是一个拥有对称旋臂的美丽星系。研究成果彻底解决了文献中争论已久的重大科学问题，即银河系有多少旋臂。它为现代天体物理学中具有挑战性的研究课题之一，即银河系甚至星系的形成，提供了重要的观测基础。

“银河棒和纺锤结构遗产的天空测量计划”给出了银河系中太阳系的位置和运动的重要信息。中国天文学家对观测和研究结果的分析表明，太阳系不是在四个主旋臂上，而是非常接近一个独立于四个主旋臂的局部旋臂。这个局部臂的形状和它丰富的大质量恒星形成区可以类似于其他四个主要的螺旋臂，也许不是一个孤立的臂段，但很可能是相邻的英仙座臂和人艇底臂的一部分。

中继参与结果被重复

促进人才培养和学科发展

中国天文学家在贝塞尔项目中发挥了重要作用，该项目由美国、德国和中国的天文学家牵头。该项目的一半成果来自中国团队。中国成员来自南京大学、紫金山天文台、上海天文台和国家授时中心。

2003年，中外科学家的合作取得了里程碑式的成果，这也是推进贝塞尔计划的一项开创性工作。2013年，由贝塞尔项目紫金山天文台的研究人员领导的一个科学研究小组发现并精确测量了离地球最近的银河系本地臂的形状和运动特性。2016年，紫金山天文台的研究人员徐烨博士和李晶晶博士发现了一座从本地手臂延伸到人类手臂的“桥”，桥长约1.2万光年。这是迄今为止在银河系中发现的最长的旋臂结构。与此同时，结合其他观测证据，他们率先提出银河系不仅仅是由宏伟而规则的螺旋主旋臂组成，而是一个复杂的螺旋星系，在主旋臂之间有许多倍的结构，类似于一些银河系外的星系。

截至2019年底，中国天文学家已经观测和分析了贝塞尔计划163个目标脉泽源中的85个。贝塞尔计划在国际知名天文和天体物理学杂志上发表35篇论文，其中16篇由中国天文学家发表。

此外，上海天文台研究员、国家授时中心研究员吴、南京大学研究员博士等都对绘制银河系结构图做出了重要贡献。“参与这一重大科学项目将推动中国甚长基线天文测量部门的发展，并培养一批处于国际甚长基线天文测量部门前沿的年轻天文学家。这一基础学科的发展也可能为精密天体测量的实际应用提供技术支持。”郑对说道。(记者姚)