040429银河系-杜升云-第1章
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杜升云，北京师范大学天文学教授，发表多篇学术论文。
内容简介：
那么现代生活里头，我们生活在城市里的人已经很少能够欣赏到银河的美景了，因为城市里头，实际上看到的是灯河而不是星河。现在看星河必须到郊区去、或者到一些山区去，那么就看得非常好了。那么我现在给大家看一张图，这张图就是牛郎织女隔河相望的图，那么这条“河”是什么“河”呢？这条“河”就是银河。只要有牛郎织女这个故事的存在，那么就是有银河的认识。我们可以看到在夏季的星空里头，在天空有一道很亮的光带。那么对于这样一条银河，它究竟本质上是什么东西呢？什么时候才揭开这个谜呢？这是要等到1610年的时候，就是伽利略发明了望远镜，他用他的望远镜第一次指向天空的时候，他就把它指向了银河。我们在看到这条银河的时候，你有没有想过说是我能把它想像成什么？确实不是很容易，你得好好想一想。说怎么就会形成这么一条银河呢？那么英国有一个天文学家叫莱特，他想像这个宇宙是一个球，在球上这个星风是不均匀的。就是在球上的一条带上，恒星比较聚集，而球的中间，就是我们地球。那么这样大家可以想像，从地球看上去，你看到球上面就有一条星带，所以在不同季节你都可以看到这条银河，这样的话他构造出这么一个宇宙来，这是在1750年他发表了这么一篇论文。
但是5年以后有一个哲学家叫康德，康德他不同意莱特这个观点。他认为银河系应该是像一个铁饼的形状。那么赫歇耳就要来分析这样说是不是正确的。赫歇耳做的工作是用望远镜来数星星，大家知道在望远镜里头看到的星星太多太多，那么赫歇耳数了多少呢？17万多颗星，真是一个非常辛苦的工作。他做了很多年，怎么做呢？他把天空划分为三百多个区，他在这三百多个区里头，每一个区他来数这个区有多少星。这个区是被四周围围着，就是四个方向都有，各个方向都有。那么这样计算出来以后他就可以构建一个银河系的模型，这个时候经过这么辛勤的工作，那么赫歇耳构造出银河系的模型。也就是到了1785年这样一个时候，真正是从银河，就是从河流这个概念变成了一个系，就是恒星所组成的一个系统。那么这个系统呢，就是我们今天所要给大家讲的，就是银河系其实认识的过程是挺不容易的，我们从想像一个美丽的传说到真正变成一个恒星的系统，中间几乎经过两千多年，我们才走到这一步。
（全文）
那么现代生活里头，我们生活在城市里的人已经很少能够欣赏到银河的美景了，因为城市里头，实际上看到的是灯河而不是星河。现在看星河必须到郊区去、或者到一些山区去，那么就看得非常好了。那么我现在给大家看一张图，这张图就是牛郎织女隔河相望的图，那么这条“河”是什么“河”呢？这条“河”就是银河。只要有牛郎织女这个故事的存在，那么就是有银河的认识。所以这样的话，我们就要提一个问题，说究竟牛郎织女这个故事在中国它发生在什么时代呢？什么时候我们中国人就已经知道天上有这么一条河，或者明确地表达出来说这是一条银河呢？
我想至少可以追溯到西周时代，也就是三千多年以前吧。为什么这么说呢？因为在《诗经》里头有一首诗叫《大东》，它是这么讲的：“跂彼织女，终日七襄。虽则七襄，不成报章。皖彼牵牛，不以服箱。”我用现代汉语把这首诗表达出来是什么意思呢？就是说，在天上的织女每天需要差不多14个小时在天空中运行。就是说我们如果是从织女星开始出来，一直到它落下地平线大概需要14个小时。那么过去我们叫七个时辰。在这么长的时间内，织女在天上运行，但是她没有织成一匹布。这首诗产生的时代是在西周时代，而且说河对岸的那个牛郎给她拿着箱子，但是箱子里头是空的。为什么呢？因为织女没有织出布来。在不同民族的国家里头，对银河都有一些不同的想像，比方说在西方，银河叫milk way，什么意思？就是奶路，就是由奶铺成的路。我们看到银河是一条发白颜色的这么一个光带，那么这个光带呢，被想像成奶流出来的一条路。但是milk way叫银河，这是希腊神话里头，就是它的主神宙斯的妻子赫拉，她的孩子把她的乳房抓破了，所以这个奶就流到天上去了。不同民族有不同的想像，但是中国人的想像最浪漫，最有诗情画意。我们牛郎织女隔着一条河，而且每年在七月初七的时候，牛郎织女要通过鹊桥来相会。
但实际上从天文学上来讲的话，他们俩相聚要16光年，实际上讲相聚还是很困难的。那么关于牛郎织女这个星空呢，我们可以看到在夏季的星空里头，在天空有一道很亮的光带。在这个光带里头，这儿有一个织女星，在河的对岸有一个牛郎星。这就是他们隔着河，但是这条河在夏季看得非常明显。那么对于这样一条银河，它究竟本质上是什么东西呢？什么时候才揭开这个谜呢？这是要等到1610年的时候，就是伽利略发明了望远镜，他用他的望远镜第一次指向天空的时候，他就把它指向了银河。这条银河大家已经想像很多年了，那么现在伽利略把望远镜指向它的时候，发现这条“奶路”原来是星河，就是非常密集的恒星所组成的这么一条河。所以第一次揭开银河之谜的呢？应该讲是用望远镜揭开的，是伽利略所做的工作。这个工作距离我们刚才说牛郎织女这个传说已经过了两千年了。但是伽利略发现了这个星河以后，就此停步了。伽利略以后真正关心这个银河系的人应该是赫歇耳，赫歇耳本来是一个音乐家，他是一个合唱团的指挥，同时也还作曲，但是他的业余爱好是天文学。实际上后来的发展变成什么？他主要的工作是天文学，音乐成了他的业余爱好。赫歇耳在1785年左右，他要关注一下，伽利略所看到的这个银河到底是怎么回事情？那么他把它作为一个研究的目标。那么在赫歇耳之前，也还有一些别的人想过，这个银河到底是怎么回事情？我们现在这些人，我们在看到这条银河的时候，你有没有想过说是我能把它想像成什么？确实不是很容易，你得好好想一想。说怎么就会形成这么一条银河呢？那么在此之前英国有一个天文学家叫赖特，他想了一下，他想像这个宇宙是一个球，在球上这个星风是不均匀的。就是在球上的一条带上，恒星比较聚集，而球的中间，就是我们地球。那么这样大家可以想像，从地球看上去，你看到球上面就有一条星带，所以在不同季节你都可以看到这条银河，这样的话他构造出这么一个宇宙来，这是在1750年他发表了这么一篇论文。
但是5年以后有一个哲学家叫康德，康德他不同意赖特这个观点。他另外有一个想法，他说如果这个行星组成这么一个系统，就好像咱们现在扔的铁饼形状，大家可以想像，如果我们处在铁饼中心的话，你向着铁饼盘面的方向看，那么这个上面的恒星就应该很密集。如果你向着铁饼饼面的上方和下方看的话，那么星就应该少，这个是可以想出来的。所以康德他不同意银河系是一个圆球状分布的一个带，而是像铁饼形状这么一个带。但是他毕竟是一个哲学家的思考，哲学家思考他是要靠推理的，这个推理非常有道理。那么赫歇耳他就要来分析他们谁说得对，那么赫歇耳的工作，他跟哲学家做的工作不一样。哲学家靠推理，天文学家要靠观测，而且这个观测做得非常笨。什么意思呢？他得在天上数星星，我们知道城市里头灯光这么多，我们看不见几颗星，大家如果数星星的话，我能数得见。如果说你到了一个很黑暗的地方，那个星星你就数不清了。为什么？太多了！那么赫歇耳的工作是用望远镜来数星星，大家知道在望远镜里头看到的星星太多太多，那么赫歇耳数了多少呢？17万多颗星，真是一个非常辛苦的工作。他做了很多年，怎么做呢？他把天空划分为三百多个区，他在这三百多个区里头，每一个区他来数这个区有多少星。这个区是被四周围围着，就是四个方向都有，各个方向都有。那么这样计算出来以后他就可以构建一个银河系的模型，这个时候经过这么辛勤的工作，那么赫歇耳构造出银河系的模型，这个银河系的模型，就是高度跟宽度的比，应该是四比一这么一个比例。也就是说长的方向是四的话，厚度的方向就是一，四比一这么一个银河系。在这个银河系的太阳，是在银河系中心的附近。到了1785年这样一个时候，真正是从银河，就是从河流这个概念变成了一个系，就是恒星所组成的一个系统。那么这个系统就是我们今天所要给大家讲的，就是银河系其实认识的过程是挺不容易的，我们从想像一个美丽的传说到真正变成一个恒星的系统，中间几乎经过两千多年，我们才走到这一步。
我们认识银河系其实是比较困难的，为什么呢？我用了一句话借用苏轼的诗，我们“难识银河真面目，只缘身在此河中。”因为我们自己在银河系里头，我们来认识这个银河系是很困难的。我打一个比方，比方说我们自己是一个智能的红细胞，我们在身体里头可以随着血液去循环，我们这个智能的红细胞，我们可以认识自己的器官。但是你要问它，说这个人到底是什么样？它说不出来，因为它在人的身体里头。我们现在认识银河系的困难也在这儿，我们自己在里头，我们不知道它什么形状？那么现在这张图就是我们看到的河外星系，其他的星系。它是一个漩涡状的，那么我们就可以来反推自己的银河系是一个漩涡状的星系。这个旋涡状星系它有多大呢？直径大概是13万光年，太阳距离银河系的中心是两万七千光年。那么银河系呢，它的主要结构就是说有一个核心，叫做银心。那么这个核球以外有一个银盘，也就是刚才我们说的这个盘面的结构，这个银盘有13万光年直径。然后，外围是叫银晕。
那么银河系它是有旋臂的，什么叫旋臂？银河系的核心，这个盘的结构不是像铁饼那么一个板块，而是什么呢？就是里头是漩涡的，这种漩涡结构，大家可以想到如果我们自己在银河系里头你要想看到旋臂的话，那是非常困难的，大家现在晚上看到银河，你要想把看到的这个银河想像成一个恒星的系统这已经是比较困难了。如果你还想在这个里头找到旋臂的话，那就更困难了。为什么呢？因为我们的银河系里头还有暗的物质，看不见。它挡住你的光，所以你看不见。你看不见的话，这时候你要想认识后面的星，就很困难。但是难不住天文学家，还是有很多很聪明的天文学家，他们怎么办呢？他们在别的星系里头，就是离开我们银河系，我们看到了别的星系。在别的星系里头也有这样的漩涡星系，那么这个漩涡星系它这个旋臂上是一些什么星呢？是一些蓝颜色的很热的星，而这些星只能在旋臂上出现。这些天文学家就受到启发，我观测这个银河系里头这些温度特别高的星，就是发蓝颜色、发白颜色的星。观测的结果呢，找到了旋臂。这是一个美国天文学家叫摩根，找到这个旋臂已经要到1951年以后了。所以我们认识银河系其实是在20世纪才有比较大的进展，就是我们认识到这个旋臂的存在。
在20世纪50年代还有一个进展，我们要值得提一下，就是我们的射电天文学。射电天文学就是用无线电望远镜，来接收来自天体的无线电波。那么接受无线电波，我们就可以来分析这个天体的情况了。而在这个银河系的旋臂上，它发射一种特别的无线电波，这个波长是21厘米。如果说你能够有一个射电望远镜，你能观测21厘米的这么一个波段的观测的话，那么你就能解开银河系旋臂之谜。那么经过了天文学家的观测，证实光学的观测是对的。于是我们认识到了银河系其实跟别的漩涡星系一样有旋臂。在20世纪20年代，还观测了很多漩涡星系。那么这个时候就提出两个问题来，一个问题是什么呢？说这些漩涡星系是在银河系里头，还是在银河系之外？这是一个问题。第二个问题，说我们观测到的这些漩涡星系，它基本上都不在银河附近，是离开银河比较远的地方。那么这是为什么？天文学家沙普利的解释，说这些星云其实都在银河系里头。但是，美国天文学家柯蒂斯他不是这么认为，他认为这些漩涡星系一定是离开银河系比较远的。于是呢，就重点观测了一个星系叫仙女座星云，那么仙女座星云当时柯蒂斯估计它有五十万光年这么远。五十万光年这么远的话，银河系大小是十万光年左右，那么五十万光年肯定在银河系之外了。但是沙普利不同意，所以这一场辩论，在天文学上叫做伟大的辩论。为什么叫伟大的辩论呢？我们来想，我们刚才讲了，太阳现在已经不在银河系的中心了，现在进一步发现是什么意思呢？其实银河系在众多的星系里头，也是一个很普通的漩涡星系。就是我们在银河系之外，还有很多很多的漩涡星系。所以这样一个结果意味着什么呢？就是说不但太阳不在银河系的中心，而且银河系也绝不是宇宙的中心，宇宙中间存在着很多很多类似于我们银河系的这样一个星系。所以这样讲的话，大家就明白了，就是说我们生存在一个很大的恒星系统里头，这个恒星系统叫做银河系。但是这个银河系其实在宇宙中间还是一个很普通的星系。
那么这个漩涡星系它为什么会有旋臂，那么就是有一种理论认为在银河系里头它有一个密度波。而这个旋臂就生存在密度波密集的时候，就是这个密集的这个波在传到旋臂这个地方的时候，就形成了恒星密集的旋臂。实际上我们现在，太阳，有时候就在旋臂里头，有时候就出去了。那么有没有观测证据呢？我们有观测证据，什么样的观测证据呢？我们知道太阳系中间，有九大行星，那么九大行星中间的空隙里头是什么呢？我们过去讲，说是行星际物质，就是行星际有一些物质。当太阳在银河系的旋臂里头穿梭的时候，我们知道银河系旋臂里头那些物质它就会进入到太阳系。因此我们在太阳系里头，实际上就发现了很多不是太阳系的物质，而是行星际的物质在太阳系里头。而现在就是说，太阳在旋臂里头有时候就是穿进去，有时候穿出来，这个就叫做密度波理论。
有了这个密度波，它可以给我们很好地回答一下为什么会形成这个旋臂？但是这个旋臂，还有非常有意思的事情。是什么呢？就是旋臂是银河系里头新的恒星诞生的摇篮，就是说我们每年银河系都会有新的恒星生成。好像它也是不断地在有新的生成、有老的死去。那么死去的这些老化的星呢，每一百年至少会有一颗星老化，但是新生的星每年大约会有十颗左右在新生。那么这样一些新生的星出现在什么地方呢？就出现在银河的旋臂上，因为什么呢？因为旋臂刚才我们讲了在密度波走到这样的时候，它压缩这些星系的物质，使得恒星的形成成为可能。我们现在呢就是讲到了银河的旋臂，那么银河还有一个要讲的是什么呢？这个银河刚才讲的，说太阳在银河系里头有运动。那么银河系本身自己有没有运动呢？我们天文学家说话需要靠观测，我们需要靠观测事实来说�
