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银河新版图

2004-05-24 11:46 作者:鲁伊 2004年第20期
虽然英语中银河(Milky Way或The Galaxy)一词的词源可以追溯到希腊文中的“Galaxia”——“galactos”意为“牛奶”,但对银河系真正科学意义上的认识,却是17世纪望远镜发明之后的事情。

今年3月4日NASA公布的哈勃望远镜拍摄到的恒星麒麟座V838及其周围光晕图片,它与梵高的名画“星空”极为相似。这颗恒星距离地球20000光年左右,位于银河系圆盘的外缘。

史蒂芬·霍金曾经说过,当某个定义成为常识之后,它离被推翻也就不远了。天文学无疑是最经常拿常识开玩笑的学科之一。不用追溯到亚里士多德或托勒密的行星学说那么遥远,单看最近一百年里关于行星、恒星、星系和星云定义的翻云覆雨,就足以为霍金的话佐证。在最新一期《新科学人》(New Scientist)杂志上,澳大利亚和美国天文学家组成的研究小组又开始向已经有50年历史的经典银河系天体结构图发起了挑战

虽然英语中银河(Milky Way或The Galaxy)一词的词源可以追溯到希腊文中的“Galaxia”——“galactos”意为“牛奶”,但对银河系真正科学意义上的认识,却是17世纪望远镜发明之后的事情。

大哲学家康德在银河系研究历史上是一个值得被纪念的名字。1755年,康德在一篇论文中提出了自己的猜测:银河系可能是由数目巨大的恒星组成的一个不停旋转的盘子状的天体,使其保持旋转的引力与太阳系中各星体间的引力是相似的,只是在尺度上有大小之分。虽然从地球上看到的银河是夜空中一条明亮的光带,但这只是因为我们所在的太阳系位于银河系的边缘,就如同从侧面看一个碟子一样。

1785年,赫歇尔第一个开始通过仔细测量夜空中恒星的数目描述银河的精确形状,但直到20世纪初,荷兰天文学家雅可布·克普泰因(Jacobus Kapteyn)才绘出了第一张银河系的天体结构图。根据克普泰因的计算,银河系是一个直径为4万光年的大圆盘,太阳距离银河系的中心约2000光年。由于缺乏对星际吸收——可见光会被恒星间的灰尘和气体所削弱——的认识,克普泰因的银河系天体结构图平面数据是相当不准确的。在他去世后不久,其他天文学家就对他的结构图进行了大刀阔斧的修正。大约在上个世纪三四十年代,随着观测技术的进步,我们目前所熟悉的银河系天体结构图逐渐成型。

仔细观察出现于各种教科书和百科全书上的银河系天体结构图,我们可以发现,当从上方俯瞰银河系平面的时候,它更像是一只巨大的“八爪鱼”。这是因为,银河系中的恒星并不是均匀分布的,星际物质形成的星云、开放星团、超新星残留物质和新近诞生于其中的恒星最为明亮显著,在古老恒星和星团构成的黯淡背景下,看上去就像是从银河系中心向外依逆时针方向延伸出的多条“手臂”,天文学上将它们称为“银河旋臂”(Milky Way Spiral Arms)。

目前,天文学家们观测到的银河旋臂共有6条(4条大的,2条较小的),主要以位于旋臂中的星座来命名,分别是矩尺座旋臂(Norma Arm)、南十字座旋臂(Scutum-Crux Arm)、人马座旋臂(Sagittarius Arm)、猎户座旋臂(Orion Arm)、英仙座旋臂(Perseus Arm)和外部旋臂(Outer Arm)。太阳系所在的猎户座旋臂是一个较小的旋臂,有时也被称为本地旋臂(Local Arm)。

天文学家们很早就观测到,在这6条旋臂之外,银河系中还存在其他一些较小的拱形结构,也可以被认定为旋臂。但是,这些已经和尚未确定的旋臂都有一个共同点,即都是从银河系的中心延伸出来的。然而,澳大利亚天文学家迈克洛尔-格里菲斯(McClure-Griffiths)及其同事最近却在银河系最外层的边缘发现了一条“天马行空”的新银河旋臂。这条旋臂长约7.7万光年,宽几千光年,占有银河系相当大的一块区域。

“我绝对是大吃了一惊。”哈佛-史密森天体物理学中心的汤姆·丹姆(Tom Dame)在接受《新科学人》采访时指出,“在此前的一些观测中,它(新的银河旋臂)能够被相当清楚地看到,但却从来没被指出过或加以命名。”无怪乎研究小组负责人格里菲斯得意地说:“这一次,银河系的天体图恐怕不得不重新绘制了。”

格里菲斯及其同事都是为南银河平面测量(Southern Galactic Plane Survey)项目工作的天文学家。使用帕克斯64米口径射电望远镜(Parkes 64m Radio Telescope)和澳大利亚密集阵列望远镜(Australia Telescope Compact Array),该项目从1998年12月起到2000年8月止(后续的补充观测工作于2001年6月结束),收集到了银河系平面第4象限内关于中性氢(neutral hydrogen,天文学上简称为HI,带有一个质子和一个电子的氢原子)的全部数据。在绘制银河系中氢气的分布图时,格里菲斯率领的研究小组发现了新的银河旋臂。

如果你也想在夜空中寻找它的踪影,可以努力向天顶的尽头处张望——虽然结果只会是一场徒劳。单凭肉眼,我们根本无法看到由氢气组成的这条旋臂。不只是它,绝大多数银河都会被星际尘埃所削弱,这也是大名鼎鼎的克普泰因计算出的银河系表面远远小于实际数字的原因。但是,氢能够释放出可以穿透星际尘埃的无线电波。当格里菲斯在射电望远镜拍下的图像中看到意料之外的明亮光脊时,她便开始猜测:在银河系中,是否存在某些以前不为我们所知的新东西?

为了解开自己的迷惑,格里菲斯建立了一个简单的螺旋星系的计算机模型,察看氢气在其中是如何分布的。这个模型与已知的氢气在银河中的分布状况非常吻合,新发现的拱形天体也合乎模型。这就让研究人员们确信了它的真实存在。如果接下来能够验证它会与银河系的其他部分一起绕中心旋转,关于它是否属于银河系的问题也就迎刃而解了。

格里菲斯指出,这条新的旋臂很可能从前是与另一条旋臂连在一起的。对于一个像银河系这样中等大小的星系来说,拥有如此长的旋臂并不反常。同银河系非常相似的仙女座星系就拥有长长的气态旋臂。另外的一种可能性是,当银河系在进化的早期与某个矮星星系发生碰撞时,这条氢气旋臂被拖拽到了银河系的边缘。

研究小组接下来的工作是更为仔细地考察这条旋臂的内部构成。2003年,一组天文学家曾经在距离银河系中心6万光年的地方发现了一个恒星带,它就位于这条氢气旋臂的附近。目前,还不知道这些恒星是否属于旋臂的一部分。进行该项研究的费米实验室的布赖恩·雅尼(Brian Yanny)认为,从恒星的构成成分来看,它们有可能来自一个较小的侵入星系。这个星系在“掠过”银河系时被“拆得四分五裂”,而这些恒星就是银河系俘虏的战利品。

如果是这样的话,这些恒星与新银河旋臂的彼此相邻就可能只是一种巧合了。然而,雅尼准备建立一个新的模型,来确定这样的“掠过”是否会给银河系的天体结构带来新的变化。

虽然格里菲斯“重绘银河系天体结构图”的说法显得颇为激进,但其实,在最近的十几年来,随着以哈勃望远镜为代表的一批新的太空望远镜相继升空并开始工作,天文学家们对来自银河系的新信息大有应接不暇之势。威斯康星大学的天文学家罗伯特·本杰明(Robert Benjamin)认为,格里菲斯发现的新银河旋臂绝对不会是最后一项改变银河系结构的重大发现,我们认识的银河系也许每一天都在悄悄的起着变化。

透过不同的望远镜,我们能够观测到的银河也各自不同。在我们肉眼可见的范围之外,还存在着更为瑰丽迷人的银河世界。

天文学家们用来观测宇宙的望远镜依其观测范围总体上可以分为三大类:光学望远镜、长波望远镜和短波望远镜。

光学望远镜只能用于观测可见光,根据使用透镜的不同,分为折射望远镜和反射望远镜。绝大多数光学望远镜位于地球,有穹顶天文台的地方就是它们存在的旁证。哈勃望远镜可能是最著名的太空光学望远镜。

长波望远镜观测的是光谱中的长波波段,分为射电波望远镜和红外望远镜。微波和无线电波能够很容易的穿过大气,因此,射电望远镜多数位于地球。由于无线电波的波长比可见光长得多,射电望远镜对镜面的平滑度要求不是很高,但镜面一定要很大,因此常常集体上阵,阵容庞大。红外望远镜的设计原理与光学反射望远镜一致,但使用红外光探测器聚焦。因为水蒸气会吸收绝大部分红外光辐射,通常,只有在太空中红外望远镜才能获得理想的观测效果。如果是在地面,它必须位于非常干燥的地区,比如沙漠或戈壁。

短波望远镜必须位于太空,因为它们要观测的高能光子根本无法穿透地球的大气。主要有三种短波望远镜:紫外光望远镜、X射线望远镜和伽玛射线望远镜。紫外光望远镜主镜面必须镀上一层特殊材料以反射紫外光。因为X射线会穿透镜面而不是反射出去,X射线望远镜的镜面必须采用特殊设计,并镀上金、镍或铱,让X射线刚好擦身而过。伽玛射线的能量过于强大,以至于不可能使用透镜对其聚焦,因此,伽玛射线望远镜实际上是一个探测仪,它记录下光子的数据,然后在此基础上重建一个图像。

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