銀河系的身份終於搞清楚啦，棒旋星系，有4條旋臂

著名雜誌《科學美國人》近日刊登了由美國科學院院士M·裏德和該校天文與南京大學空間科學學院鄭興武教授聯合撰寫的封面文章，總結了由南京大學及德國馬普射電天文研究所K·門滕教授所領導的國際團隊歷經15年對銀河系結構的研究成果。

該團隊用甚長基線干涉技術精確測量位於銀盤上近200個大質量恆星的距離和自行，得到銀河系旋臂的結構、太陽系的位置以及它繞銀河系中心旋轉的速度，繪製出尺度為10萬×10萬光年的全新銀河系結構圖。該圖是迄今最精確的銀河系結構圖。

這張迄今最精確的銀河系結構圖清晰地展示出銀河系是一個具有四條旋臂的棒旋星系，這四條旋臂分別是英仙臂、人馬—船底臂、矩尺臂和盾牌—半人馬臂。基本解決了銀河系究竟有幾條旋臂這個天文學中長期懸而未決的重大科學問題。

1926 年哈勃按星系的形態把星系分為三大類:橢圓星系、螺旋星系和不規 則星系。後來由此分為橢圓星系、透鏡星系、漩渦星系、棒旋星系和不規則星系五大類。

旋渦星系是觀測到的數量最多、外形最美麗的一種星系；它的形狀很像江河中的旋渦，因而得名。這類星系在其對稱面附近含有大量的瀰漫物質，從正面看，形狀像旋渦；從側面看，便呈梭狀。仙女座星雲、三角座星雲都是這種類型的河外星系。

而棒旋星系則是一種有棒狀結構貫穿星系核的旋渦星系。所以旋渦星系的代號為S型，棒旋星系的記為SB型。不管旋渦星系也好，棒旋星系也好一般都在S或SB後面另加a、b、c等英文字母，用來表示旋臂的出鬆緊程度，a表示最緊，c表示最松。

旋臂從棒的兩端延伸出來，棒的長度有的可達寬度的5倍，有的棒旋星系甚至擁有幾個大小不一的中心棒。在這類星系中，中心棒在整體性的旋轉着，也就是説棒上離棒中心距離不等恆星都具有相同的角速度。而在棒之外，不同距離處的恆星的角速度各不相同。塵埃多聚集在棒的中央，而恆星形成區、氣體雲則分佈在棒的兩端。

在一開始，科學家認為銀河系屬於旋渦星系，只有2條旋臂，英仙臂和盾牌-半人馬臂。一般來説，旋波星系的核球的形狀接近球形的，但是銀河系的核球比較方，由此科學家對銀河系的分類產生了懷疑。

之所以會出現這樣的情況，是因為銀河系直徑估計約為10萬至18萬光年，太陽系離銀河系中心很遠，且位置接近銀盤中心面，因此我們所看到的旋臂都重疊投影在天球上而無法分辨，如果能精確地測定旋臂上足夠多的天體到太陽的距離，就可以瞭解到銀河系的旋臂結構。然而，在銀盤上分佈着濃密的塵埃和氣體，對銀河系旋臂上天體的光學輻射產生非常嚴重的消光，即使用大光學望遠鏡也只能看清銀盤上6000光年以內的天體，這遠遠小於銀河系的大小。

這也是為什麼一開始科學界認為銀河系只有2條旋臂，從而得出銀河系是旋渦星系的原因。

後來隨着射電和紅外天文學的興起。天文學家用射電和紅外望遠鏡發現，銀河系旋臂上的大質量恆星形成區中除了有光學輻射的天體之外，還有更多的、在光學不可見的射電和紅外輻射天體以及孕育它們的冷分子氣體和塵埃，它們都可以作為銀河系結構的示蹤天體。更重要的是，射電和紅外輻射能穿透銀道面上瀰漫的星際介質（氣體和塵埃），直達銀河系的邊緣。此基本上推翻了銀河系是旋渦星系的論證。目前科學家認為銀河系的代號是SBbc型（核球較小且旋臂纏繞寬鬆的棒旋星系）

著名科學家Bissantz和Gerhard在2002年根據核球的光度分佈，得到了三軸棒結構與太陽-銀心的夾角的最佳擬合值為20°~25°，長度約為3.5Kpc，三條軸的比例為1：0.4：0.3。此外，按照最新的測光研究和理論模型約束，銀河系棒的半長軸約為4Kpc，棒的轉動速度約為40Km/s/Kpc，銀河系的共轉半徑約為4.6Kpc。

而這次，南京大學及德國馬普射電天文研究所K·門滕教授所領導的國際團隊花費15年的時間測量了銀盤上163個大質量恆星形成區中脈澤源的自行和距離，結合國際上其他團組測量的37個脈澤源，共獲得了銀河系中近200個大質量恆星形成區的距離和自行。這些大質量恆星形成區在銀盤上的分佈清晰地勾畫出4條主旋臂。更加確定了銀河系是一個棒旋星系。

銀河系的棒狀結構是如何產生的呢？這個問題，科學界至今還沒有答案，而旋臂為什麼不會消失呢？

因為我們知道，旋臂是由星系的核心延伸出來的漩渦和棒渦組成的區域。這些長且薄的區域類似漩渦，旋渦星系的自轉（棒旋星系是有棒狀結構貫穿星系核的旋渦星系）是較差自轉，當它們環繞星系中心作旋轉運動時，星系最外圍(邊緣)的恆星運動得比接近中心的恆星更快，內部的自轉角速度大於外部的角速度，旋臂本應當越纏越緊，最終完全纏繞在一起，最終使旋臂消失殆盡。

密度波理論認為，旋渦結構並不是永遠由同一批物質組成。它實質上是物質集中處低引力勢區的波動狀圖案。恆星並不是永遠停留在旋臂上。恆星按照近於圓形的軌道繞星系中心旋轉。在運動過程中，恆星將進入，然後再走出旋臂。恆星進入旋臂後由於旋臂區恆星密集和引力場強而減慢速度。但另一方面，速度的減慢又使恆星擠在一起 ，密度增大，引力場加強 ，因此，一旦出現了旋臂圖案，這種圖案將自行維持。

換句話説，旋臂由密度波波峯的跡線構成。波形圖案並不與物質相聯，而是以不同的角速度運動。相對運動速度平均約30千米/秒。正是這種運動維持了旋渦星系的規整外貌，也解決了固定物質旋臂因較差自轉帶來的纏繞困難。

準穩態密度波理論預言的年老恆星旋臂和氣體旋臂的位置偏移

而恆星進入旋臂引力勢阱後，在那裏停留一段時間再隨軌道運動出來。星際氣體在進入懸臂時受到突然壓縮，可能觸發恆星形成，這也成功解釋了成功地解釋了明亮年輕恆星集中分佈在懸臂上的現象。

那我們的太陽系位於哪裏呢？研究團隊發現，我們居住的太陽系不在四條主旋臂上，而非常接近於獨立於這四條主旋臂的一條本地臂上。這條本地臂位於英仙臂和人馬-船底臂之間，長度約為20000光年，比以前估計的要大得多，它的形狀和包含豐富的大質量恆星形成區可與其他4條主旋臂類比。

本地臂或許不是孤立的臂段，極有可能是鄰近英仙臂和人馬-船底臂的一部分。太陽離銀河系中心距離為26000光年，繞銀心旋轉速度為236千米/秒，即繞行一週大約要2.12億年。太陽幾乎在銀盤的中心平面上，距中心面垂直距離約為20光年，比以前的估計值82光年要小。

這次的研究讓我們對銀河系的瞭解又邁進了一步，但是無論是對旋渦星系還是棒旋星系，我們的瞭解還是非常淺薄。

廣闊的宇宙，還等着我們去不斷探索！