人类如何得知自己身在何处？_风闻

原创：牧夫天文

「不识庐山真面目，只缘身在此山中。」那么地球上的科学家们，是如何得知银河系的样子，又是如何定位我们在银河系中的位置的呢？

回答这个问题，最简单的方法，就是飞出银河系，给她拍一张全景照，就像这样：

银河系全景图

Credit: Wikipedia

然而这显然是不可能的。到今年元旦，飞的最远的旅行者I号也才飞了 210 亿公里。我为什么要说才？银盘的厚度约为 1000光年，直径10万光年，而210亿公里约合 0.00022光年。

既然这样不行，聪明的人类一定有更巧妙的办法，否则我们还在相信「神说，要有光…」那一套。

回头最初，人们对宇宙一无所知，手里也没有什么观天神器。无论是星空爱好者，还是为帝国把脉的星官，抬头看到的都是纷繁复杂的天象：有些天体运转以年为周期，有些以月为周期，还有些周期混乱，甚至还有些忽大忽小。

为了掌握这些天体的规律，人们不断创新出各种模型，并制作仪器辅助研究，比如这个：

天球仪（又名浑天仪），用以表现恒星和星座位置，并能演示天体的周期运动。实物展示在紫金山天文台。

人们虽然很早就从日月食等天象看出地球是球形，但是由于「天」看上去每个方向一样远，自然也是球形，是为「天球」。

银河的形状

横亘在天际中央，一年四季都可见的银河一直都是人们的一个关注重点。随着望远镜的发明，人们发现里面均匀的密布着无数的星星。

通过观测，我们推理得出：银河系应该是一个扁平的碟状，而我们就在“碟子”扁平的区域，否则银河看上去会是完全不同的样子。如果银河系是球形，那么就会看到她满天的光芒，而不是细长的条带；而如果我们在「碟子」上方或下方，那天河便不会把夜空平分，而是出现在头顶的巨大圆盘，半年后可能就踪迹全无。

晴朗天空下肉眼可见的银河

初步测量

但我们仍然如同捆在某棵树上的人，想要画出整个森林的地图，简直是「不可能完成的任务」。万幸恒星之间间隙巨大，爱思考的人们还是发现了些蛛丝马迹。

到18世纪晚期，天文学家威廉·赫歇尔开始通过巨大的望远镜观察银河，尝试测量恒星的距离，并得出结论——地球处在圆饼状恒星群中间，虽不在正中心却也离中心不远。

错误的得出中心的结论，是由于星际尘埃遮挡、散射、吸收了银河系遥远恒星的光芒，但赫歇尔并没有发现它们的存在。我们看上去正好在银河的中心，不是因为我们恰好在中心，而是因为我们从每个方向看到的一样远（近）。对于绑在迷雾森林中某棵树上的人来说，森林各个方向的尽头都相同。

赫歇尔制造的40英寸望远镜和他的银河模型

Credit: Wikipedia

赫歇尔迷恋于建造巨大的望远镜，上图的反射式望远镜主镜直径足有1.25米。

接近真相

直到上世纪初，观测结果才取得了突破。美国天文学家哈罗·沙普利通过造父变星作为标尺，来测量银河的尺寸与我们所处的位置。

造父变星是一种特殊的恒星，其绝对亮度与光变周期强相关。通过易观测的周期可以计算得到其绝对亮度，再通过观测亮度，就可以换算出距离。当然最早发现造父变星的并不是沙普利，而是英国天文学家古德里克。

有了较准确的标尺，沙普利持续观测球状星团的分布，并得出结论——银河的直径高达10万光年，核心位于人马座（射手座），太阳到银核的距离约为银河半径的2/5。这一结论直接推翻了持续500余年的日心说。

银河系的样貌也不再只是扁平的圆盘，中心位置还增加了球形的恒星晕，之后更多的天文学家也确认了这个结论，这时的银河画像：

银河与散布的球状星团（左），球状星团中的造父变星（右）

Credit: Shapley

然而星际云和尘埃还是影响了沙普利的计算结果，当然，数量级是正确的。

消光的存在，导致距离测量值偏大

Credit: Geller @ GMU 

答案揭晓

再后来，科学家们设计和制作出各种谱段的望远镜：除传统的可见光望远镜，队伍里还增添了射电、红外、X射线，甚至伽玛射线探测器。人们把望远镜建在雪山、荒漠，甚至遥远的太空（最新的JWST将运转在距地球150万公里的深空）。

不同频率探测器得到的银河系全景图

Credit: NASA

我们可以看到，不同波段的探测器获得的银河系全景图差异巨大。通过对各种波长的电磁波的衰减特性、多普勒效应等进行分析计算，银河系逐渐揭去其面纱，将真容呈现给我们。

银河系是典型的棒旋星系

旋臂的发现

观察上面不同谱段的银河全景图，我们能得到银河是圆盘的推断，然而旋臂是如何发现的呢？在找到证据支撑之前，人们应该已经有过这样的假设。

比如早在1845年，另一名巨型望远镜爱好者——爱尔兰天文学家罗斯伯爵三世——就仔细观测并绘制了旋涡星系M51的草图。

罗斯伯爵的望远镜（上），M51渦状星系（下），M51草图（右下）

M51是一个典型的旋涡星系。随着人们对河外星系的观测，发现有2/3的星系都是旋涡星系，而它们又都呈现为扁平的碟状。因此人们不难推测，银河也是旋涡星系。

然而，如果只是推测，显然我们无法绘制出棒状结构和巨大的旋臂图案。

更进一步的探测结果得益于21厘米谱线（氢线）的发现。该谱线来源于中性氢原子在两个差异极小的能级之间跃迁时，发射或吸收的光子。

宇宙中最丰富的物质就是氢，但是一开始人们只能探测到星云中较高温度较浓密的离子态氢。直到奥尔特（对，就是奥尔特云的名字由来）预测了氢线，爱德华·帕塞尔和他的学生哈罗德·伊文用500美元经费接收到这一神秘信号，人类又打开了一扇观测宇宙的窗户。

中性氢能级跃迁，发射光子形成21cm谱线

Credit: Pearson Prentice Hall

氢线的两个独有特性，使得它成为探索宇宙的利器：1、产生氢线所需能量极小，即便在几十K的低温，氢原子也能通过碰撞或其他偶然因素产生跃迁，发出该谱线；2、由于跃迁几率小，辐射在传播过程中被吸收的几率同样极小，对它来说整个宇宙就是透明的。

1952年，通过21 厘米谱线观测，人类第一次绘出了银河系内的中性氢分布图，从而发现了银河系的旋臂结构。氢原子在银河系的旋臂内密度为每立方厘米1到10个，在旋臂间（即星际）为每立方厘米0.1个，差异明显。

银河系俯视图、侧视图

Credit: ESA

太阳系

我们熟知，太阳系八大行星在黄道平面围绕太阳公转，而太阳又围绕银核高速旋转。那么二者合并起来是怎样的场景呢？

月亮、地球、太阳的公转轨道角度示意

Credit: Wikimedia, Jim slater307

到这里，终于弄清楚了银河系的全貌，和我们在银河系中的位置。

对了，本文中所用的银河系图案，或是出自PS之手，或者干脆就是其他旋涡星系的写真。除非有一个河外文明好心的奉上一面镜子，否则我们永远都无法一睹银河的真容。

『天文时刻』 牧夫出品

微信号：astronomycn

三个北极～

Credit: Wikipedia, Tfr000