在現代生活中，我們這些生活在城市裏的人很少能欣賞到銀河美景，因為在城市裏，我們看到的其實是登河而不是星河。現在要看銀河得去郊區或者壹些山區，才能看得很清楚。那我現在給妳看壹張圖。這張圖是牛郎織女過河的圖。那麽這條“河”是什麽呢？這條河就是銀河。只要有牛郎織女的故事，那麽就有了對銀河系的了解。我們可以看到夏天天空中有壹條明亮的光帶。那麽對於這樣壹個星系，它的本質是什麽呢？這個謎團什麽時候才能解開？伽利略是在1610年發明了望遠鏡。當他第壹次把望遠鏡對準天空時，他對準了銀河。當我們看到這個星系時，妳有沒有想過我能想象它是什麽？真的不容易。妳得考慮壹下。這樣的星系是如何形成的？然後英國有個天文學家叫萊特。他想象宇宙是壹個球，球上的星風是不均勻的。恒星相對集中的地方是在球體上的壹條帶上，在球體的中間，是我們的地球。所以妳可以想象壹下，從地球上看，妳可以看到球上有壹條星帶，所以妳可以看到這個星系在不同的季節。在這種情況下，他構建了這樣壹個宇宙。這是他在1750發表這樣壹篇論文的時候。
但是五年後，有壹個叫康德的哲學家，康德不同意萊特的觀點。他認為銀河系的形狀應該像鐵餅。然後赫歇爾會分析這個說法是否正確。赫歇爾的工作是用望遠鏡數星星。大家都知道望遠鏡裏的恒星太多了，那麽赫歇爾數了多少呢？17萬多顆星，真的是非常辛苦的工作。他已經做了很多年了。他怎麽能做到呢？他把天空分成300多個區域。他在這300多個區域中，他計算了每個區域的星星數量。這個區域被四面包圍，也就是四面八方，四面八方。然後他可以在這個計算之後建立壹個銀河系的模型。這時，經過這樣的努力，赫歇爾構建了壹個銀河系的模型。也就是說到了1785的時候，真的從銀河系的概念，也就是從河流的概念變成了壹個系統，也就是由恒星組成的系統。這個系統呢？我們今天要告訴妳的是，認識銀河系的過程並不容易。從想象壹個美麗的傳說到真正成為壹個恒星系，我們用了差不多兩千年的時間。
(全文)
在現代生活中，我們這些生活在城市裏的人很少能欣賞到銀河美景，因為在城市裏，我們看到的其實是登河而不是星河。現在要看銀河得去郊區或者壹些山區，才能看得很清楚。那我現在給妳看壹張圖。這張圖是牛郎織女過河的圖。那麽這條“河”是什麽呢？這條河就是銀河。只要有牛郎織女的故事，那麽就有了對銀河系的了解。那麽在這種情況下，我們要問壹個問題，說牛郎織女的故事發生在什麽時代的中國？我們中國人什麽時候已經知道天空中有這麽壹條河，或者明確表示它是壹個星系？
我覺得至少可以追溯到西周，也就是三千多年前。為什麽這麽說？因為《詩經》裏有壹首叫《大東》的詩，裏面說:“妳是壹個織女，終日有七朵香花。即使織女很忙，她也織不好壹條條紋。萬牽牛，別拿箱子。”我用現代漢語表達這首詩是什麽意思？也就是說，天上的織女每天需要差不多14個小時在天上跑。也就是說，如果從織女星出發，大約需要14個小時，直到落到地平線。所以我們習慣稱之為七小時。在這麽長的時間裏，織女在天上跑，卻沒有織出壹塊布。這首詩產生於西周，說的是河對面的牛郎為她捧著壹個盒子，卻是空的。為什麽？因為織女不織布。在不同民族的國家，對銀河系有壹些不同的想象。比如在西方，銀河系被稱為牛奶路。這是什麽意思？是牛奶路，是牛奶鋪成的路。我們看到銀河系就是這樣壹個蒼白的光帶，所以把這個光帶想象成牛奶流出的壹條路。但牛奶路被稱為銀河，這是在希臘神話中，其神宙斯的妻子赫拉。她的孩子撓她的乳房，所以牛奶流到天上去了。不同的民族有不同的想象力，但中國人的想象力是最浪漫和富有詩意的。我們牛郎織女隔著壹條河，每年的七月初七，牛郎織女都會通過鵲橋相見。
但實際上，從天文學上來說，它們要聚在壹起需要16光年。其實聚在壹起還是很難的。牛郎織女的星空呢？我們可以看到夏天的天空中有壹條明亮的光帶。在這條光帶中，這裏有壹顆織女星，河對岸有壹顆牛郎星。這是他們居住的河流，但是這條河在夏天非常明顯。那麽對於這樣壹個星系，它的本質是什麽呢？這個謎團什麽時候才能解開？伽利略是在1610年發明了望遠鏡。當他第壹次把望遠鏡對準天空時，他對準了銀河。這個星系大家已經想象了很多年，所以現在伽利略把望遠鏡對準它，發現這條“牛奶路”竟然是銀河系，壹條由非常密集的恒星組成的河流。那麽第壹個解開銀河系之謎的人呢？應該說是用望遠鏡揭開的，是伽利略做的工作。這部作品距離我們剛剛說的牛郎織女的傳說已經有兩千年了。但伽利略發現銀河系後，就止步於此了。伽利略之後，真正關心這個星系的人應該是赫歇爾。赫歇爾原本是壹名音樂家。他是壹個合唱團的指揮，也作曲，但他的愛好是天文學。其實後來的發展變成了什麽？他的主要工作是天文學，音樂成了他的愛好。赫歇爾在1785左右，所以他要關註伽利略看到的這個星系發生了什麽。然後他把它作為壹個研究目標。所以在赫歇爾之前，其他壹些人想，這個星系發生了什麽？我們現在的人，當我們看到這個星系的時候，有沒有想過我能想象它是什麽樣子？真的不容易。妳得考慮壹下。這樣的星系是如何形成的？所以在這之前，英國有壹個叫萊特的天文學家。他想了壹會兒。他想象宇宙是壹個球，球上的風是不均勻的。恒星相對集中的地方是在球體上的壹條帶上，在球體的中間，是我們的地球。所以妳可以想象壹下，從地球上看，妳可以看到球上有壹條星帶，所以妳可以看到這個星系在不同的季節。在這種情況下，他構建了這樣壹個宇宙。這是他在1750發表這樣壹篇論文的時候。
但是五年後，有壹個叫康德的哲學家，康德不同意萊特的觀點。他有另壹個想法。他說，如果這個星球形成了這樣壹個系統，就像我們現在扔的鐵餅壹樣，妳可以想象壹下，如果我們在鐵餅的中心，妳往鐵餅的方向看，那麽上面的恒星應該非常密集。如果從鐵餅表面上下看，那麽星星應該少壹些，可以想出來。所以康德不同意銀河系是壹個呈球形分布的帶，而是壹個像鐵餅壹樣的帶。但他畢竟是哲學家的思維。哲學家認為他靠推理，這個推理是很合理的。然後，赫歇爾會分析他們誰是對的，赫歇爾的工作和哲學家的工作是不同的。哲學家靠推理，天文學家靠觀察，而這種觀察是非常愚蠢的。妳什麽意思？他必須數天上的星星。我們知道城市裏有太多的燈，以至於我們看不到很多星星。如果妳數星星，我可以。如果妳去壹個非常黑暗的地方，妳不能數星星。為什麽？太多了！所以赫歇爾的工作就是用望遠鏡數星星。眾所周知，望遠鏡裏的恒星太多了，那麽赫歇爾到底數了多少呢？17萬多顆星，真的是非常辛苦的工作。他已經做了很多年了。他怎麽能做到呢？他把天空分成300多個區域。他在這300多個區域中，他計算了每個區域的星星數量。這個區域被四面包圍，也就是四面八方，四面八方。所以經過這樣的計算，他可以建立壹個銀河系的模型。這時，經過如此艱苦的工作，赫歇爾構建了壹個銀河系的模型。銀河系的這個模型就是高寬比，應該是四比壹。也就是說，如果長度方向是四，那麽厚度方向就是壹個像壹的星系，四比壹。這個星系中的太陽在星系中心附近。到了1785的時候，才真正從銀河系，也就是河流的概念，變成了壹個系統，也就是恒星組成的系統。所以這個系統就是我們今天要告訴妳的，就是認識銀河系的過程並不容易。從想象壹個美麗的傳說到真正成為壹個恒星系，我們用了差不多兩千年的時間。
我們其實很難認識銀河系。為什麽？我用了壹句借用蘇軾的詩。我們“無法知道銀河系的真實面貌，但我們只在這條河裏。”因為我們在銀河系，所以我們很難認識銀河系。我來打個比方。比如我們是壹個智能紅細胞，我們可以隨著體內的血液循環。作為壹個智能紅細胞，我們可以了解我們的器官。但是妳要問它，這個人到底是什麽樣的？不能說，因為在人體內。這也是我們現在理解銀河系的難點。我們自己也身處其中。我們不知道它是什麽形狀。所以現在這張圖就是我們看到的河外星系，其他星系。它是壹個旋渦，所以我們可以推斷我們自己的銀河系是壹個旋渦星系。這個螺旋星系有多大？直徑約為1.3百萬光年，太陽距離銀河系中心27000光年。銀河系呢？它的主要結構是它有壹個被稱為銀河中心的核心。然後在核球的外面有壹個銀色的圓盤，就是我們剛才說的圓盤的結構。這個銀盤的直徑為654.38+0.3百萬光年。然後，外圍叫銀暈。
所以銀河系有旋臂。什麽是旋臂？在銀河系的核心，這個圓盤的結構不是鐵餅壹樣的盤子，而是什麽？就是裏面有漩渦。有了這個漩渦結構，妳可以想象如果我們在銀河系，妳會很難看到旋臂。現在妳看到的是夜晚的銀河系，妳已經很難把銀河系想象成壹個恒星系了。如果妳還想在這裏面找到旋臂，那就比較難了。為什麽？因為我們的星系裏有暗物質，所以看不到。它擋住了妳的光線，所以妳看不見。如果妳看不見，這個時候妳就很難知道身後的星星。但是天文學家很難被打敗。仍然有許多非常聰明的天文學家。他們應該怎麽做？他們在別的星系，也就是他們離開了我們的星系，我們看到了別的星系。其他星系也有這樣的螺旋星系，那麽這個螺旋星系的這個旋臂上有哪些恒星呢？是壹些藍色的熾熱恒星，這些恒星只能出現在旋臂上。這些天文學家受到了啟發，我觀察到了這個星系中這些極熱的恒星，它們是藍白色的恒星。觀察的結果是發現了旋臂。這是壹位名叫摩根的美國天文學家。從他發現這個旋臂到現在已經1951年了。所以我們對銀河系的認識其實在20世紀有了很大的進步，就是我們意識到了這個旋臂的存在。
20世紀50年代，還有壹個進步值得壹提，那就是我們的射電天文學。射電天文學是用射電望遠鏡接收來自天體的無線電波。然後通過接收無線電波，就可以分析這個天體的情況。在這個星系的旋臂上，它發出壹種特殊的無線電波，波長為21厘米。如果能有壹臺射電望遠鏡，觀測到這樣壹個21 cm的波段，那麽就可以解開銀河系旋臂之謎了。然後經過天文學家的觀測，確認光學觀測是正確的。於是我們意識到銀河系其實和其他螺旋星系壹樣有旋臂。在20世紀20年代，也觀測到了許多螺旋星系。那麽這個時候就提出了兩個問題。壹個問題是什麽？這些旋渦星系是在銀河系內部還是外部？這是壹個問題。第二個問題，我們觀測到的這些旋渦星系基本上不在銀河系附近，而是離它很遠。那這是為什麽？天文學家沙普利解釋說，這些星雲實際上位於銀河系中。然而，美國天文學家柯蒂斯並不這麽認為。他認為這些旋渦星系壹定離銀河系很遠。所以，我專註於觀察壹個叫做仙女座星雲的星系，柯蒂斯估計它距離我們50萬光年。50萬光年，銀河系的大小大約是10萬光年，所以50萬光年壹定在銀河系之外。但沙普利不同意，所以這場爭論被稱為天文學上的大辯論。為什麽叫大辯論？讓我們考慮壹下。我們剛才說過，太陽已經不在銀河系的中心了。現在進壹步了解是什麽意思？事實上，銀河系是眾多星系中非常常見的螺旋星系。就是我們在銀河系之外，有很多很多螺旋星系。那麽這樣的結果意味著什麽呢？也就是說，不僅太陽不在銀河系的中心，銀河系也絕不是宇宙的中心。宇宙中間有很多類似我們銀河系的這樣的星系。所以這樣大家就明白了，也就是說我們生活在壹個非常大的恒星系統裏，這個系統叫做銀河系。但這個星系其實是宇宙中間壹個很普通的星系。
那為什麽這個螺旋星系會有旋臂呢？有壹種理論認為它在銀河系中有密度波。這個旋臂是在密度波密集的時候存在的，也正是這個密集波到達旋臂的時候形成了壹個恒星密集的旋臂。事實上，我們現在，太陽，有時在旋臂，有時在外面。那麽有什麽觀察證據嗎？我們有觀察證據。什麽樣的觀察證據？我們知道太陽系中間有九大行星，那麽九大行星之間的空隙是什麽呢？我們以前說是行星際物質，也就是行星際空間存在某種物質。當太陽在銀河系旋臂中穿梭時，我們知道了銀河系旋臂中的物質，它就會進入太陽系。所以在太陽系中，我們其實發現了很多不是太陽系的物質，而是太陽系中的行星際物質。現在就是說，太陽在旋臂裏有時候進去有時候出來，這叫密度波理論。
有了這個密度波，就可以很好的回答為什麽會形成這個旋臂。但是這個旋臂有壹點非常有趣。這是什麽？就是旋臂是銀河系新恒星誕生的搖籃，也就是說我們銀河系每年都有新的恒星。好像是在不斷的產生新的，死亡舊的。那些死去的衰老的明星呢？每壹百年至少會有壹顆恒星衰老，但每年大約會有十顆新的恒星誕生。那麽這些新星出現在哪裏呢？出現在銀河系的旋臂上。為什麽？因為剛才我們說的旋臂，當密度波到了這壹步，就壓縮了這些星系的物質，使得恒星的形成成為可能。現在說的是銀河系的旋臂，那麽銀河系還有什麽可說的呢？這個星系只是說太陽在星系中運動。那麽銀河系本身會移動嗎？我們天文學家說話需要觀察，說話需要觀察事實。
當我們觀察星星時，我們會有壹些新的發現。也就是說觀測到了很多恒星，我們測量這顆恒星，它的運動。它在天空的水平方向運動，我們稱之為自行。還有壹種運動，是朝著我們視線的方向。大家可以認為，如果壹輛車和妳的視線方向壹致，妳實際上很難估計它在跑的時候離妳有多遠，或者它開得有多快。妳看不到。妳看不到車開到妳面前的時候，或者背對著妳的時候，車開得有多快。但是這個垂直方向是在我們視線的方向上運行的，我們也有辦法去觀察它。我們能做什麽？對於我們這些經常在外旅行的人來說，妳有沒有這樣的體驗，當妳坐火車的時候，火車在運行的時候，如果有壹輛火車開到了妳的面前？大家聽到這個聲音都越來越尖銳，這個火車的聲音也越來越尖銳。當車廂相互離開時，妳聽到的聲音會變得越來越沈悶，這意味著兩列行駛的火車相互聽到對方的聲音時，頻率會發生變化。
同樣的，當我們觀察壹顆恒星的光時，我們把它分解成光譜。當我們觀察它的光譜時，發現這條譜線會有運動。它的運動將顯示這種光的頻率的變化。當恒星接近我們時，它應該是尖銳的。然後就是說會藍，就是會走的藍壹點。如果它背對著我們走，就會有點暗淡，有點發紅。所以這個速度叫做視速度，也就是眼睛看到的視速度。當我們分析天體的各種速度時，經過多年的分析，我們發現銀河系其實是在旋轉的。我們太陽附近的銀河系自轉有多快？每秒220公裏，這是壹個非常高的速度。想想吧。如果我們發壹顆衛星，它只要8公裏每秒就能繞地球壹圈，也就是說只要8公裏的速度就能出去。但是我們太陽在銀河系這壹部分的自轉速度是每秒220公裏，這是壹個非常高的速度。那麽這樣的高速運行呢，它讓我們知道銀河系本身也在旋轉。至於旋轉，常識告訴我們，我們知道這個現象。比如我們的地球圍繞太陽轉，金星、火星、木星、土星都圍繞太陽轉。那麽這個時候，在描述這些行星圍繞太陽的運動的時候，我們有壹個定律，我們稱之為開普勒定理。也就是說有壹定的規律圍繞它運行，所以壹個遵守這個開普勒定理的操作，隨著距離的不同而不同。但在銀河系中，它既不是剛體，也就是不像鐵餅壹樣旋轉，不代表大家連在壹起，它不這樣旋轉，也不像太陽系的行星壹樣繞著太陽旋轉。它在不同的地方以不同的速度運動。為什麽？妳可以想象，我們太陽系的天體在運行的時候，妳周圍的中心就是壹個太陽，就是這樣壹個天體。銀河系不僅圍繞著銀河系的核心，還圍繞著銀河系。比如太陽距離銀河系核心27000光年，在這個27000光年的距離內有很多恒星。這些恒星的質量會收斂到銀河系的中心來計算。也就是說，恒星離太陽越遠，其中心質量就越大。因為什麽？我們太陽內部這些恒星的質量也包括在內，所以這個質量是不斷變化的，核心部分的質量也是不斷變化的。它們的速度互不相同，因此更加復雜。但是我們現在意識到了什麽？銀河系是壹個巨大的恒星群，所以它至少有1000億顆恒星。所以這些明星組成了這樣壹個群體。它還在自轉，這個自轉隨著離銀河系核心的距離不同而不同，它的自轉速度也不同。我們知道在太陽附近測量這樣的速度大約是每秒220公裏。知道銀河系在旋轉，知道銀河系本身是壹個螺旋星系，它有很多旋臂。這個旋臂很有意思。它是我們銀河系中恒星誕生的地方。這是我們銀河系的外部。
然後我們要講銀河系的核心，還是比較大的。因為銀河系的核球非常密集，所以我們需要看到人馬座，也就是沿著人馬座的方向，夏天需要看到。夏天在銀河系的南方，看南方的天空就能找到人馬座。我們可以看到那個地方很亮，這意味著那個地方是銀河系的中心。那麽銀河系中心應該有壹個比較大的黑洞。為什麽？眾所周知，黑洞本身質量非常大。這個質量到什麽程度？這種光只是不能進來，它可以吸進外面的物質。然而，即使是光也無法逃離它自身，即黑洞，因為它的引力太大了。那麽銀河系的中心應該存在這樣壹個巨大的黑洞來維持銀河系的巨大引力。那麽我們有什麽證據來證明星系核心呢？可能有黑洞，而且是比較大的黑洞。主要是在銀河系的核心，我們可以觀測到很強的X射線輻射，紅外輻射特別強。這是什麽意思？也就是說，當物質高速旋轉接近黑洞並被黑洞吞噬時，由於其運動速度極高，此時會輻射出X射線。而且它周圍的恒星移動速度非常快，即使是在銀河系的核心。所以我們認為，銀河系的核心應該有壹個黑洞。
現在，我們已經知道銀河系是整個宇宙中壹個非常普通的星系。是宇宙中間的壹個“星島”，很常見。那麽現在我們來談談這個星系。是壹個人嗎？是不是更復雜？事實上，當我們觀察銀河系時，我們發現它周圍還有壹些其他的星系。那麽在這種情況下，我們星系的勢力範圍有多大呢？或者說我們星系的引力場可以有多大？至少89萬光年，接近654.38+0億光年。剛才我們說了，銀河系的大小是654.38+0.3百萬光年，現在差不多是壹百萬光年，這是銀河系的勢力範圍。也就是說，銀河系這個螺旋星系有很多伴星，它們同構形成了如此龐大的恒星群。那麽未來銀河系還是會有壹些變化，也就是這些夥伴，在銀河系強大的引力作用下，會逐漸向銀河系靠攏。
比如麥哲倫雲正以每年1000公裏的速度逼近銀河系。那麽也許再過幾十億年，麥哲倫雲也會和銀河系發生碰撞。所以這就是我們的銀河系本身，它有壹個空間範圍和壹些夥伴。在銀河系中，如果能觀測到銀河系，就能分析出銀河系是什麽結構。我們剛才講是因為銀河系裏有壹個太陽，太陽周圍有壹個行星叫地球。在這個地球上，它擁有高級智慧生命，也就是我們自己。我們可以觀測星空，不僅可以解開銀河系之謎，還可以發現哪些星系與我們的銀河系有關。那麽，提出這樣壹個問題，銀河系中是否存在像我們地球這樣擁有高級智慧的生命？如果再大壹點，銀河系之外的其他旋渦星系有沒有智慧生命？那麽他們之間有可能交流嗎？這是大家都很關心的問題。那麽我們先說，在太陽系中地球這樣壹個特殊的環境中，形成像人類這樣高級的智慧生命並不容易。如果按照康德的哲學來推理，可以認為我們的太陽是銀河系中非常普通的壹顆恒星。它是壹顆中等大小的黃色恒星，銀河系中有很多這樣的恒星。所以既然太陽周圍存在智慧生命，我們可以認為，即使是那些溫度不高不低的恒星，其周圍也可能存在智慧生命，這是很自然的事情。但是當妳真正分析我們地球上的生命和其他星球上的生命對比時，大家會覺得沒那麽簡單，也不代表任何壹顆恒星像太陽壹樣的周圍壹定有智慧生命。
所以在這種情況下，也就是說，實際上和太陽系相比，智慧生命不是那麽容易產生的。所以雖然銀河系中有很多和太陽壹樣的恒星，但並不意味著這些恒星周圍壹定有智慧生命。至於銀河系是怎麽形成的？應該說是宇宙大爆炸時產生的，和其他星系壹樣。當然，這個過程仍然是科學研究中非常熱門的話題，因為現在還沒有解決，就是這個星系是怎麽形成的？至少我們可以說，大爆炸之後，宇宙中間已經形成了原子，出現了原子核。因為它的質量有些不穩定，所以宇宙也有壹些不穩定，所以它有壹些聚合。巨大的物質聚集在壹起，逐漸形成了這樣壹個星系。所以我們目前的觀察，可以說，我們已經觀察到了宇宙中間的異質性的壹些信息。比如衛星發射的時候，在觀測微波背景的時候已經觀測到了壹些不均勻的東西。那麽這個不均勻的東西會導致早期宇宙的壹些不穩定，導致星系的出現。應該說我們的銀河系也是那個時代的產物，所以這個銀河系，我們自己在銀河系研究銀河系的時候，幫助我們認識其他星系。通過這些星系，我們可以解開宇宙之謎，即宇宙是如何形成的？會往哪個方向走？如果妳想解決這樣壹個最大的問題，妳必須首先對我們的星系有壹個清楚的了解。
參考資料:
/program/bjjt/2004 04 27/101324 . shtml