银河系有多大,从银河系中心揭示银河真面目

文章作者:admin | 2015-05-05
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敢问银河什么样?一般人都知道银河像是两个扣在一起的盘子,侧面很薄,正面是个盘状的漩涡。可是你有没有想过,我们身在银河中,又是如何知道银河系的样子的?

银河系蝗虫集群的真相银河面貌何来?

球状星团

“横看成岭侧成峰,远近高低各不同。不识庐山真面目,只缘身在此山中。”

这首名诗说明了身在其中的人难以总览事物全貌的尴尬,真是真知灼见,太形象了!从古至今,人类都想知道天地什么样,但古人只能站在地球上观察地球,那怎么可能看出地球的真面貌呢?把圆地球看成是一片平地,于是古人认为“天圆地方”。

如今无法跳出银河系的我们面临着同样的问题,我们银河系又是什么样子的?这个问题,恐怕身在其中的我们无法回答吧。用合适的望远镜,我们只能看到银河系的侧面什么样。可如今,科学家说:银河系是个盘状的漩涡,那么科学家是如何知道的?

我们知道地球是球形的,因为跳出地球的卫星可以为我们拍到地球的照片。可是到现在,人类的探测器也才刚刚跨越太阳系边缘,人类自己都不敢想何时才能跳出银河系。那么银河系的面容图到底是怎么来的呢?

这些疑问确实点到了实处。有关银河系的全貌图不是望远镜看到、拍到的,而是科学家画出来的,也就是说,银河系的样子是科学家推测出来的。

那么,科学家的推测有没有道理呢?其实在我们还没有跳出地球的时候,人类就已经通过测量数据和航海经验,推测出地球应该是球形的。待人类造的卫星跳出地球大气层之后,拍摄到的地球真面容确实是球形的,证明了之前的推测。由此可见,虽然我们现在无法跳出银河系来看银河系的全貌,但根据已掌握的资料,也可以对银河系的样子作一些推测。

现在,就让我们跟着科学家的思路,来推测银河系的面容吧

银河系侧面像个凸透镜

首先,我们通过望远镜的观察,很容易推测出银河系的侧面模样。

不过站在地球上,我们只能看到天空有一条银色的飘带,由于被大地挡住了视线,这并不是银河系的整个侧面,银河侧面完整的景象是望远镜升入太空后才观察到的,那景象十分壮观:整个天空就像一个大圆球包围着我们,一条扁平细长的银色条带环绕整个天空,这道银河把圆球形的天空一分两半,每一半都是个半球!这容易理解,我们身在“河”中,就会看到四周都被“河”环绕。假如我们到了岸边,就不是这景象了,就只会看到河是我们身旁的一条飘带,我们的另一侧就没有飘带环绕了。

由此可知,银河系侧面是扁平的,根据这条带中间有些鼓的情况,可以推测,银河系的侧面应该是扁平而中间鼓凸的形象,很像一个凸透镜的侧面。

椭圆?漩涡?还是透镜?

仅仅知道银河系的侧面是凸透镜形状,还只是很粗浅的认识。

我们观察其他的星系会发现,有的是椭圆形状的,叫做“椭圆星系”,椭圆星系的侧面一般还是椭圆形,就像一枚鸭蛋一样,侧面从哪个方向看都是椭圆形,而银河系侧面是扁平的,因此银河系应该不是椭圆星系。

有的星系是漩涡形状的,叫做“漩涡星系”,漩涡星系的侧面就像个凸透镜,扁平而中间鼓凸,与银河系的侧面一样,由此,科学家猜测,银河系很可能是漩涡星系。

但是侧面具有这种形象的星系还有其他情况,例如“透镜星系”,整个星系看上去就像个凸透镜,侧面也是扁平而中间鼓凸,但正面却像椭圆星系,是个圆盘或椭圆,看不出有旋臂。除了透镜星系,还有一些罕见的星系,侧面也与银河系相似,但也不是漩涡星系,例如圆环星系,其正面则是一个大圆环环绕着中心的圆亮斑。但罕见星系太稀少了,因此科学家认为,银河系即使不是漩涡星系,也是透镜星系,不太可能是罕见星系。

另外,有很多漩涡星系或透镜星系的中心还有个两头稍尖的棒子,银河系的中心会不会也有根棒子呢?虽然关于星系中心的棒子,科学家不知道是怎么形成的,但是星系中心的棒子却很常见。

看来,要确定银河系到底是漩涡还是透镜,主要是看有没有旋臂。

银河系旋臂在哪儿,氢知道

如何才能知道银河系有没有旋臂呢?所谓旋臂,就是恒星密集的地方。科学家早就发现,恒星密集的地方往往也是气体云密集的地方,通过探测其他星系,科学家观察到的漩涡星系的旋臂与那个星系的氢气体云的分布图差不多,漩涡星系的旋臂所在之处也是气体云集中的地方。那么如果探测出银河系的氢气体云分布,不就可以知道银河系中恒星的分布情况了吗?不就可以知道银河系有没有旋臂了吗?

那么,如何探测银河系的氢气体云呢?

氢会在较高的温度下发射一种波长为21厘米的光波,这是因为氢原子电子自转方向变化时,从与原子核自转同向,变成与原子核自转反向后,就会释放出波长为21厘米的红外光。只有氢原子会放出这种波长的光,因此,通过这种光,就可以看到氢气体云。

但是这样,望远镜也只能看到氢气体云在侧面的分布情况,无法看到它在银河盘面上分布的情况。

科学家自有办法。因为银河盘在自转,盘面上不同部位的氢气体云转动情况,在地球上看来,方向和速度肯定不同,物理学上有个“多普勒效应”,说的是一种波的波长会因为波源与观察者之间的相对运动而改变。那么根据氢气体云中波长的变化情况,科学家可以测出所观察到的氢气体云相对于地球运动的速度和方向。就像我们站在一个转动的转盘上时,转盘上不同部位的物体的运动速度和方向相对于我们都不同。反过来,通过不同物体的不同速度,我们也可以推测出转盘上的物体位于转盘的什么位置,但前提需要知道人站在转盘上的位置。

因此,要想通过氢气体云的速度和方向推测出它们在银河盘上的位置,还需要知道地球在银河盘上的位置。

银河系测量

银河系盘面上哪一点是我们?

根据银河飘带把天空分为两个半球,我们首先可以知道,地球和太阳系位于银河盘面内,而不是在银河盘面的上方或下方。因为如果地球在银河盘面的上方或下方的话,望远镜看到的银河应该是椭圆形的,也不会正好把天空分为相等的两半了,银河会偏向一侧,两侧的天空不一样大。

这容易理解,就像我们看一个盘子,如果从侧面去看,看到的是扁平的截面,但是若在盘子的上方或下方看的话,看到的是椭圆。在正上方看的话就是个圆了。银河系也是这样,我们若在银河系上方看,就会看到下面的天空被银河系挡住了,而上面的天空又一览无余,或者是下面的天空大部分被银河系挡住了,所以我们应该在银河系的盘里面。

可是我们具体是在银河盘的哪个部位呢?

对于这个问题,100年前就有人思考过了。当时的科学家想,如果我们是在银河盘的边缘部位,那么看到的星星分布,肯定是一侧比另一侧密集;如果我们是在银河的中心部位,那么环顾四周,星星的分布密度肯定差不多。这就像我们身在树林中,如果位于树林的边缘地带,那么朝四周看,一边看到的可能也就是几颗树,而朝另一个方向看,看到的是密密麻麻的树木。

这个想法没有错,但是当时的科学家不知道银河盘内还布满了大量的气体和尘埃,它们会对星光产生遮挡,使得我们无法看到银河盘中远方更多的星星,看到的只是一条星星分布密度差不多的银河条带包围着地球,于是,根据上述树林的例子来推测,100年前的科学家认为,地球是在银河系的中心部位!

后来科学家才发现,银河盘内还分布着大量气体和尘埃。我们位于银河中心的说法也就不可靠了。那么到底银河盘上的哪一点是太阳系呢?只观察银河的侧面,我们是无法知道的。

银河系中心的光晕有奥秘

一种神奇的星体帮了天文学家大忙,它们就是亮度发生周期性变化的造父变星。通过观察造父变星的情况,可以测出银河系周围的各个星系所处的位置。之后,天文学家通过观察一种特殊的星团即球状星团的运动,获知了银河中心到底在哪里。

我们向银河盘两侧看,可以发现围绕银河中心的银河晕,这个银河晕是球状星团组成的,球状星团的运动与银河盘内的星星运动根本不同,它们各有各的轨道,各有各的运动方向,银河盘内的星星只是在水平的银河盘内围绕一个中心旋转,而这些星团会上下运动、侧向运动,什么样的轨道都有,但不管它们如何各自为政,运动如何没有规律,却能看出它们都在围绕一个点旋转。而且越靠近这个点,球状星团的密度越大,数量越多,于是在它们围绕的那个点周围形成了一个球形的光晕,叫“银晕”。 一般的星系中心都有一个球状星团组成的光晕包围着。很显然,这些球状星团围绕的那个点,就是球形光晕的中心,就是银河中心!

因为那里是引力中心,一个星系的中心肯定是这个星系的引力中心。就像原子周围的电子们运动也好像没有规律,但却都是以原子核为中心,也就是电子云有个中心,这中心就是原子核。

而这个中心距离地球的位置可以计算出来。首先银河中心上方的某个星团与地球的距离可以用造父变星测出,之后根据三角关系就可以算出银河中心与地球间的距离了。这样,我们总算知道了地球所处的太阳系位于银河盘面内,距离银河中心大约2.6万到2.8万光年。

科学家还根据银晕中垂直于盘面运动的球状星团来作为参照,算出太阳系围绕银河中心旋转的速度。因为这些球状星团是垂直于盘面运动的,可以看作是竖在银河盘面的一根标杆,从而可以算出太阳系围绕银河中心的速度大约是220千米/秒,也就是太阳系围绕银河中心转一圈需要2.3亿年。

银河系棒子搅动的漩涡

银河系测量

知道了地球相对于银河系中心的位置和运动情况后,根据氢气体云相对于地球的速度,就可以算出这些氢气体云相对于银河中心的位置了。于是氢气体云在银河盘面上的分布就呈现在科学家面前了:4条较粗大的旋臂在盘面上,大旋臂之间还夹杂着小的旋臂,太阳系则位于一条小旋臂上。于是,人类终于可以肯定地说,银河系是漩涡星系。

但银河中心有没有棒子呢?通过上面的分析还无法知道。因此2005年之前的银河系全貌图所绘制的银河系中心都是没有棒子的。

直到2005年,斯皮策红外望远镜升空两年后,探测到了银河系在红外光下的形象。由于红外线更容易透过气体和尘埃,因此银河中心的景象就展现在斯皮策望远镜中,给出了银河系更真实的侧面形状,通过这个形象,科学家可以看出,银河中心还真有个棒子形状的星系棒,银河系其实是漩涡星系中的一类——棒旋星系。而中心有棒子的星系一般只有两个较大的旋臂,于是,科学家认为,他们根据氢气体云计算出的旋臂数量有误差,之后他们重新宣布,银河系其实是只有两个大旋臂的棒旋星系。

银河系图片

银河系的面容就这么被推测出来了。当然,要想确定银河系更细节的真容实貌,最好等人类跳出银河系回头看的那一天。

银河系的地外文明探究

英国爱丁堡天文台的研究人员顿坎?福尔冈不久前便尝试着构建了数个用于测试生命在银河系出现过程的模型。为此,他还利用了在最近几年内获取的有关其他天体化学构成和太阳系外行星的数量与特性等数据。

通过对比各种模型的运算结果,福尔冈得出结论称,在银河系中可能存在着300-40000个高等文明,而且它们完全有能力与地球人类文明建立联系。

如果按照天文学家Frank Drake提出的公式——即现在我们所谓的Drake公式,用以揭示地外智慧存在的可能性,如果一个文明能够克服最初的技术导致自身毁灭的倾向,则文明可以延续相当长的时间。如果这一结论是正确的,那么无论如何,在整个银河系中文明的数量将会是非常庞大的。

当然,即使按照福尔冈最乐观的估计,银河系中两个可能有文明形态存在的恒星系统之间的距离也不会低于1000光年。

另外,需要补充的是,福尔冈在研究过程中将地外生命的特点限定的与地球上的非常类似。但事实上,最新的研究显示,生命可能具有的形态和存在环境,远比人们先前想象的复杂的多。

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