銀河系是我們所在的星系，它包含了數(shù)以億計(jì)的恒星、行星、衛(wèi)星、星際氣體和塵埃。我們的太陽和地球就是銀河系中的一部分，但是我們?cè)阢y河系中的具體位置是什么樣的呢？要回答這個(gè)問題，我們需要從銀河系內(nèi)部探索銀河系，了解它的形狀和結(jié)構(gòu)，以及它是如何形成和演化的。
從銀河系內(nèi)部探索銀河系
如果我們站在地球上，抬頭望向夜空，我們可以看到一條明亮的帶狀物，從一邊延伸到另一邊。這就是我們看到的銀河系的一部分，也就是我們所在的銀道。這條銀道實(shí)際上是由無數(shù)的恒星組成的，它們因?yàn)榫嚯x太遠(yuǎn)而看起來像一片云霧。這些恒星都圍繞著銀河系的中心旋轉(zhuǎn)，形成了一個(gè)扁平的盤狀結(jié)構(gòu)。我們可以把銀河系想象成一個(gè)巨大的旋轉(zhuǎn)的唱片，而我們就在其中一個(gè)劃痕上。
早期銀河系理論
人類對(duì)于銀河系的認(rèn)識(shí)并不是一開始就很清楚的。在古代，人們認(rèn)為銀道是由神靈或英雄所留下的痕跡，或者是天上的河流或牛奶。直到 17 世紀(jì)末，意大利天文學(xué)家伽利略用望遠(yuǎn)鏡觀察了銀道，發(fā)現(xiàn)它實(shí)際上是由無數(shù)的恒星組成的。他推測(cè)這些恒星可能構(gòu)成了一個(gè)巨大的星團(tuán)，而太陽和地球也是其中之一。
球狀星團(tuán)和螺旋星云
伽利略對(duì)于銀河系的觀察開啟了一個(gè)新的時(shí)代，但是他并沒有完全揭示銀河系的真相。在 18 世紀(jì)和 19 世紀(jì)，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了更多的天體現(xiàn)象，比如球狀星團(tuán)和螺旋星云。球狀星團(tuán)是由數(shù)十萬到數(shù)百萬顆恒星密集地聚集在一起形成的球形結(jié)構(gòu)，它們通常分布在銀河系盤面之外。螺旋星云則是由氣體、塵埃和恒星組成的螺旋形結(jié)構(gòu)，它們看起來像是微型的銀河系。
當(dāng)時(shí)有兩種主流的理論來解釋這些現(xiàn)象。一種是島嶼宇宙說，認(rèn)為螺旋星云是與我們相隔很遠(yuǎn)的獨(dú)立的星系，而我們所在的銀河系只是其中之一。另一種是螺旋霧說，認(rèn)為螺旋星云是屬于我們自己的銀河系內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，而我們所在的銀河系是整個(gè)宇宙唯一存在的星系。
銀河系是什么形狀
要確定我們所在的銀河系究竟是什么形狀，我們需要知道它的大小和邊界。然而，這并不是一件容易的事情，因?yàn)槲覀兪菑你y河系內(nèi)部觀察它的，就像是一只螞蟻在一個(gè)大盤子上走來走去，很難看清整個(gè)盤子的樣子。我們需要找到一些可以作為參照物的天體，來幫助我們測(cè)量銀河系的尺寸和方向。
幸運(yùn)的是，我們有這樣一些參照物，那就是球狀星團(tuán)。球狀星團(tuán)是銀河系中最古老的恒星群體，它們形成于銀河系誕生之初，距今約 130 億年前。它們分布在銀河系盤面之外，形成了一個(gè)球形的暈層，包圍著銀河系的中心。由于球狀星團(tuán)的距離相對(duì)穩(wěn)定，我們可以用它們來確定我們相對(duì)于銀河系中心的位置和方向。
進(jìn)入射電望遠(yuǎn)鏡
要測(cè)量球狀星團(tuán)的距離，我們需要用到一種特殊的望遠(yuǎn)鏡，那就是射電望遠(yuǎn)鏡。射電望遠(yuǎn)鏡不是用來觀察可見光的，而是用來接收天空中發(fā)出的射電波的。射電波是一種電磁波，它的波長比可見光要長得多，因此可以穿透銀河系內(nèi)部的氣體和塵埃，而不會(huì)被遮擋或散射。這樣就可以讓我們看到更遠(yuǎn)更清晰的天體。
射電望遠(yuǎn)鏡最早是在 20 世紀(jì) 30 年代由美國物理學(xué)家卡爾?詹斯基發(fā)明的。他用一個(gè)簡單的天線接收器發(fā)現(xiàn)了銀河系中心存在一個(gè)強(qiáng)烈的射電源。后來，人們用更大更精密的射電望遠(yuǎn)鏡繼續(xù)探索銀河系和其他星系，發(fā)現(xiàn)了許多奇妙的現(xiàn)象，比如脈沖星、夸星、射電星云等。
多普勒效應(yīng)
要利用射電望遠(yuǎn)鏡測(cè)量球狀星團(tuán)的距離，我們需要用到一個(gè)重要的物理原理，那就是多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是指當(dāng)一個(gè)波源和一個(gè)觀察者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的波長會(huì)發(fā)生變化。如果波源和觀察者相互靠近，觀察者接收到的波長會(huì)變短；如果波源和觀察者相互遠(yuǎn)離，觀察者接收到的波長會(huì)變長。
多普勒效應(yīng)不僅適用于聲波，也適用于光波和射電波。當(dāng)一個(gè)天體向我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，它發(fā)出的光或射電波會(huì)向藍(lán)色移動(dòng)；當(dāng)一個(gè)天體遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，它發(fā)出的光或射電波會(huì)向紅色移動(dòng)。這種顏色上的變化叫做紅移或藍(lán)移。通過測(cè)量天體發(fā)出的光或射電波的紅移或藍(lán)移，我們就可以知道它相對(duì)于我們的速度。
銀河系結(jié)構(gòu)
有了射電望遠(yuǎn)鏡和多普勒效應(yīng)，我們就可以測(cè)量球狀星團(tuán)的距離和速度，從而確定我們相對(duì)于銀河系中心的位置和方向。通過對(duì)數(shù)百個(gè)球狀星團(tuán)的觀測(cè)，我們可以得到一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)：我們并不在銀河系的中心，而是在離中心約 2.6 萬光年的地方。而且，我們所在的銀道并不是一個(gè)均勻的盤狀結(jié)構(gòu)，而是一個(gè)有著兩條明顯臂狀分支的螺旋形結(jié)構(gòu)。這就是我們所在的銀河系的真實(shí)面貌。
我們所在的銀河系是一個(gè)典型的螺旋星系，它由四個(gè)主要部分組成：核心、盤、臂和暈。核心是銀河系的中心區(qū)域，它包含了一個(gè)巨大的黑洞和一些老年恒星。盤是銀河系最明顯的部分，它是一個(gè)扁平的圓形結(jié)構(gòu)，它包含了大量的年輕恒星、氣體和塵埃。臂是從盤中延伸出來的螺旋形分支，它們是恒星形成的主要場(chǎng)所，也是銀河系最亮麗的部分。暈是銀河系最外層的部分，它是一個(gè)球形的結(jié)構(gòu)，它包含了一些古老的恒星和球狀星團(tuán)。
銀河系中有多少顆恒星
我們已經(jīng)知道了我們所在的銀河系是什么樣子，那么它里面有多少顆恒星呢？這個(gè)問題并不容易回答，因?yàn)槲覀儫o法數(shù)清所有的恒星，只能用一些統(tǒng)計(jì)方法來估計(jì)。一種常用的方法是根據(jù)銀河系的質(zhì)量和平均恒星質(zhì)量來計(jì)算。根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，我們可以估計(jì)銀河系中有大約 3.3×10^11 顆恒星。
當(dāng)然，這個(gè)數(shù)字只是一個(gè)粗略的估計(jì)，實(shí)際上可能有很大的誤差。因?yàn)殂y河系中還有很多其他成分，比如黑洞、中子星、行星、氣體、塵埃等，它們都會(huì)影響銀河系的質(zhì)量和密度。而且，不同類型和年齡的恒星也會(huì)有不同的質(zhì)量和亮度，這也會(huì)影響我們對(duì)恒星數(shù)量的判斷。因此，要得到更準(zhǔn)確的答案，我們還需要更多更精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)和更復(fù)雜更精細(xì)的計(jì)算方法。
本文來自微信公眾號(hào)：萬象經(jīng)驗(yàn) （ID：UR4351），作者：Eugene Wang
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