银河系那些事儿(1)身在此山中





(原载于《天文爱好者》杂志2012年10月号,谢谢责任编辑冯翀同学。)

在天文论坛和知识问答网站上,经常有人提出这样的问题:

既然我们身处银河系其中,我们是怎么知道银河系的形状的?

的确如此,太阳带领着包括地球在内的整个太阳系位于银河系中一个十分普通的位置,使我们既无法简单地看穿银河系核心的神秘,也不能俯视整个星系的全貌。就像长江中航行着的一叶扁舟,或是急驰的火车上的一名乘客,即使我们可以暂时把头探出窗外,窥见一条长长的银色“牛奶路”(the Milky Way),也很难凭空描述完整的形状。“只见树木不见森林”特别适合比喻我们看待银河系的状况。

今天,天文学告诉我们银河系是一个具有至少三个组成部分的盘状结构。核心是一个带棒的比较致密的核球,围绕着核球的是扁平状的盘,除了核球和盘之外,还有星团和稀疏的恒星组成晕围绕在盘的周围。为了得到这些信息,天文学家几乎用到了天文学中的所有观测手段和已知的知识。对这些信息的争论,贯穿了最近200年。最早的关于银河系面貌的整体描述,由赫歇尔做出。他为此画了第一幅完整的银河系面貌图。赫歇尔心目中的银河系像极了在船上看到的长江的一段错综复杂的港汊——有溪流,有分支,不对称,不规则,自己处在中心 (图1)。

图1 赫歇尔眼中的银河系

哥白尼和他的追随者们做出了巨大的牺牲,终于使人们普遍接受了“哥白尼原则”。这条原则告诉我们,我们不是一个特殊的存在,地球不特殊,太阳不特殊,银河系也不该在宇宙中有特殊的地位。这给了我们两条暗示:赫歇尔认为我们在银河系中心,这可能是错的;想知道自己的面貌,也许可以先看看邻居们的!

1845年,罗斯伯爵在他爱尔兰的城堡里建造了当时世界上最大的望远镜,口径达到1.8米。他用这架望远镜,首次为人类观测到了清晰的河外星系的面貌(图2)。

File:M51Sketch.jpg
图2 罗斯伯爵观测到的河外星系M51

这是一幅超出人们想象力的图景,没有人完全理解这就是一个宇宙中最普遍、最正常的星系的样子,更不会有人知道我们自己的银河系也是这幅样子。我们总是对怪异的邻居吐槽,却看不见自己同样如此。

卡普坦(图3)从20世纪20年代开始号召天文学家们重复赫歇尔当年的工作。他们用在照相底片记录不同方向看到的星空,再用光谱和年复一年的恒星运动计算恒星的速度。最后卡普坦绘制出一份更为精密的银河系图景。卡普坦的银河系的样子看上去像一块铁饼,太阳位于中心部分,越往边缘恒星越稀少,整个铁饼对称又平整。这样的结果从让人心里不安,难道我们真的是独特的中心?

图3 卡普坦

莎普莉 (图4)用另一种方法证明了我们并不处在银河系的中心。他观测了当时已知的69个球状星团的距离和位置。结果表明,这些球状星团围绕着一个中心分布,而太阳(和地球)距离这个中心很远。如果我们认为球状星团是银河系的重要成分,它们应该简单地围绕银河系的中心分布。那么,莎普莉再次追随着哥白尼的脚步,确认了“我们不处在特殊的位置”这一原则。莎普莉心中的银河系要比卡普坦的大上10倍左右(图5)。

图4 莎普莉
图5 卡普坦和莎普莉的银河系面貌对比

如果用卡普坦的小银河系来看待那些被罗斯伯爵观测的漩涡状的“星云”,它们必然位于银河系之外,是彻底的河外星系——我们银河系的邻居。但如果我们相信莎普莉的大银河系观点,我们无法确信那些漩涡状的东西是不是已经远离了银河系。就在望远镜越做越大,观测技术越来越叹为观止的同时,对于银河系的长相的争论一直没有停息。这场发生在20世纪初的争论,把人们对银河系的认识向前推进了一大步。1920年4月的学术会议上,双方分别做了精彩的报告论述自己的观点。坚持小银河系+河外星系的一方由柯蒂斯 (图6)领衔,48岁的柯蒂斯当时刚刚荣任匹兹堡大学天文台台长;坚持大银河系+河内星云的一方由莎普莉担纲,年仅35岁的莎普莉正在威尔逊山天文台工作(图6)。柯蒂斯列举了近年来观测的大量例子,旋涡星云大小各异,距离差别很大,就算最近的位于银河系之内,最远的也已经超过了大银河系的尺度。莎普莉并不相让,他发现旋涡星云普遍比银河系本身在单位面积上更亮,而且颜色更蓝,它们可能是本质不同的两个系统。

图6 柯蒂斯

这场官司围观者众多,双方阵营都在辩论中各自发展。实际上,他们都掌握了真理的一个方面,也都忽视了一些重要的事实。正是这些被他们双方忽视的事实,让卡普坦描绘的银河系太小了,让太阳错误地处在中心位置,让莎普莉不能理解为什么河外星系颜色更蓝。

他们的工作究竟错在哪了呢?是谁,最终认识到那个被双方都忽视了的问题?又是谁,最终结束了这场争论,将我们对于银河系的知识提升了一个新的高度?哈勃,由此隆重登场,在科学的舞台上大展身手。河外星系的研究,从此开始出现。对于遥远距离的精确测量,从此进入新的时代。让我们回顾一下“哥白尼原则”和天文学对银河系的一路探索,不难发现,确认“我们不是独特的”这一信条始终推动着天文学的发展。在我们有生之年,人类可能都没有办法跳跃到银河系的另一个角落或者银河系之外去获取不同角度的观测。我们面前的这头大象,只能凭借我们亲手抚摸,一寸一寸地拼凑起对整体的认识。大辩论之后,一个惊心动魄的时代到来了,一个关于银河系结构的崭新领域摆到了天文学家面前。

 

 

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