不離開銀河系，怎麼知道銀河系的形狀看完之後恍然大悟
不識廬山真面目，只緣身在此山中——蘇軾
引言
哈嘍夥伴們，時隔多日，我們的科學有道理欄目又回來了！在以往的幾期節目中，我們介紹了科學家研究宇宙的方法，還講了不離開地球就判斷地球是球形的方法。
（圖片説明：橫亙於夜空中的銀河系，它到底是什麼形狀的呢？）
其實類似的問題不止這一個，早在近900年前，宋朝文學大師蘇東坡就説過：“不識廬山真面目，只緣身在此山中。”我們之所以很難理解所處的環境究竟是什麼樣的，是因為我們沒有跳出環境，以客觀的視角來看，最終難免盲人摸象，這也就是所謂的“當局者迷”。同樣的，我們從來沒有離開過銀河系，又怎麼知道銀河系是漩渦狀的呢？
今天，咱們就來討論討論這個話題。
古人的浪漫猜想
（圖片説明：古人用神話來描述無法解釋的現象）
實際上，關於銀河系的形狀，説起來還蠻有意思的，因為我們要從神話説起。我們都知道，中國古人認為夜空中那一條明亮的銀河是神界的天河，所以才有了這個名字；希臘人更加浪漫，認為那是一條流淌着牛奶的路，所以稱之為Milky Way。
這，就是人類對於銀河形狀的最初認識。
（圖片説明：哥白尼）
到了16世紀，有一個人橫空出世，他就是哥白尼。他發現，天上的星星並不是全都繞地球公轉的，並由此提出了日心説。雖然日心説只有一部分是正確的，但現代天文學由此建立，人們也不再僅僅通過神話和宗教來解釋星空。當日心説逐漸被人們接受時，銀河系的概念也發生了改變。
但是，人們仍然沒有真正認識銀河系，他們相信，銀河系就是整個宇宙。而銀河系形狀的問題，也就隨之而來了。
銀河系地圖繪製的初嘗試
（圖片説明：壯美的銀河拱門）
18世紀末，英國天文學家威廉·赫歇爾（也就是發現天王星的那位）通過對星空的觀測，嘗試對銀河系的形狀進行描繪。他將望遠鏡對準了夜空中不同的方向，觀測天體的數量，默認天體多的位置本就有更高的天體密度，據此來繪製銀河系的形狀。
顯然，由於當時觀測技術有限、恆星距離測量的方法也並沒有被系統地建立起來，所以赫歇爾畫出來的銀河系形狀非常詭異。1785年，他在英國皇家學會的《哲學交易》上發表了自己繪製的銀河系形狀，大概就是這個樣子——
（圖片説明：赫歇爾繪製的銀河系形狀圖）
看得出來，這根本就看不出來是銀河系……
赫歇爾的錯誤是不可避免的，因為當時的技術非常有限。而且，人類對於宇宙和銀河系的認知還不完整。所以我們完全沒有必要噴他，因為這是人類第一次嘗試系統地描述銀河系的形狀，而且雖然當時的科技水平有限，但赫歇爾的方法是在今天指導我們描繪銀河系的重要依據。
直到20世紀20年代，又一位顛覆人類對宇宙認知的人出現了，他就是埃德温·哈勃。
（圖片説明：里程碑式天文學家埃德温·哈勃）
星系天文學的建立
在那個時候，天文學界已經針對銀河系是不是整個宇宙的問題吵得不可開交，而哈勃正式結束了這場爭辯。他利用紅移的方法測定了仙女座大星系和M33星系的距離，發現這兩個數字遠遠超過了銀河系的半徑，這意味着它們不可能位於銀河系內部。也就是説，在宇宙中，銀河系只是無數星系中普通的一個而已。
（圖片説明：著名的哈勃太空望遠鏡，就是根據哈勃命名的）
哥白尼建立了現代天文學，哈勃建立了星系天文學，他們都是人類天文學史上的里程碑。因此，NASA才將最著名的太空望遠鏡命名為哈勃太空望遠鏡。
不僅如此，哈勃還對這些河外星系進行了更加廣泛的觀測。他發現，很多星系的形狀都是比較相似的，有的是漩渦狀，有的是橢圓狀，還有一些是比較混亂的形狀。由此，他建立了至今仍被使用的對於星系的哈勃分類法，將星系分類為漩渦星系、橢圓星系和不規則星系。
這就為我們推測銀河系形狀提供了極其重要的借鑑。
（圖片説明：哈勃星系分類法）
在沒有鏡子的時代，一個人看着自己所有的家人，也能知道自己的眼睛上有眉毛，眉毛上有額頭。同樣的道理，我們有理由相信，銀河系正是屬於這3種星系形狀中的一個。所以，接下來的問題就是：我們到底屬於哪一種呢？
這就需要天文學家給銀河系繪製地圖了。
現代銀河系地圖
如果簡單一點説，這就有點類似於古代人畫地圖一樣，把各個標誌性的位置標註出來，記錄其方向和距離，最終繪製成一張完整的地圖。只不過，在推測銀河系形狀的時候，我們要做一個三維的地圖。
説起來，這個方法和赫歇爾當初的方法也沒什麼區別。但是由於我們有了其他星系的形狀做借鑑，又有了更加科學的計算天體距離的方法，所以這樣繪製的銀河系就相對精確得多了。
關於如何測量天體距離的方法，我們在以往的科學有道理欄目中已經介紹過了，在此就不贅述了。總之，通過這樣的方式，天文學家們繪製出了這樣的銀河系形狀——
科學家指出：銀河系的形狀屬於哈勃分類法裏的漩渦星系，呈扁平狀，中間略鼓，形似荷包蛋。
（圖片説明：銀河系的旋臂，可以看出我們的太陽系僅僅位於一條支臂上）
它有4條主旋臂，大部分天體都集中在這些旋臂上。我們太陽系並沒有位於主旋臂上，而是在一條支臂上。這條支臂叫做獵户座旋臂，也叫本地臂（Local Arm），距離銀河系中心大約2.5萬光年。它的中心是一個超大質量黑洞——人馬座A*，質量約為太陽的400萬倍。整個銀河系的直徑大約是10萬光年，包含着2000-4000億顆恆星。
這就是我們第一次通過比較系統的方法認識了我們所處的銀河系，也解答了人類幾千年來的疑問。可是，這就是最後的答案嗎？
（圖片説明：藝術家繪製的從北天極俯視銀河系的形狀）
銀河系的新認識
更大的尺寸
實際上，人類對於銀河系的認知，仍然還在不斷修正的過程中。隨着我們對宇宙觀測的越來越深入，科學家認識到的銀河系邊緣也越來越遠。
（圖片説明：郭守敬望遠鏡）
2008年，我國的郭守敬望遠鏡（LAMOST）竣工，開始了歷時十年的巡天觀測。結果發現：在原本以為是銀河系邊緣的位置，它並沒有像預想中那樣發現恆星數量的減少。至少在6.2萬光年以外，還有新的恆星在不斷誕生。
除此之外，國外科學家也有了類似的發現，這些發現都暗示我們：銀河系遠比想象中更大。目前來説，我們認為銀河系的直徑至少有15萬光年，甚至可能達到20萬光年，比幾十年前的認知要大了一倍。
費米氣泡
2003年，美國天體物理學家道格拉斯·芬克拜納正在利用望遠鏡觀測宇宙時，發現經常有一些干擾信號影響他的觀測。他按照正常的流程調整望遠鏡，試圖去除掉這些噪音，卻發現始終無法有效地排除這些干擾。
直到2009年，當天文學家利用費米伽馬射線空間望遠鏡進行觀測的時候，才在伽馬射線範圍內觀測到了這個信號的邊界。最終他們確定，這個信號來自於銀河系核心，其兩側分別有一個延伸了2.5萬光年的巨大氣泡形結構，並且命名為費米氣泡。由於它發出的信號不是在可見光範圍內，所以始終沒有被我們發現。
彎曲的銀河
即使是在可見光範圍內，銀河系的形狀也超出了我們的想象。
當天文學家統計已發現的銀河系天體，並且對其距離、方向進行判斷的時候，發現銀河系天體並不是高度集中在一個平面上的，而是呈現出彎曲的形狀。在距離銀河系中心比較近的位置上，我們觀測不到這樣的變化，但是在銀河系邊緣，這種彎曲就相當明顯了。大約在距離中心6萬光年的位置上，恆星偏離銀道面達4500光年。
據此，科學家繪製出了新的銀河系側面圖。看得出來，這樣的銀河系像是一個吧椅座位的形狀，非常有趣。
（圖片説明：我個人根據網絡圖片通過PS合成的銀河系新形狀）
最完整的銀河系地圖
當然，如果你非要説科學家只是猜的，我也沒有什麼辦法反駁你。只能説，科學家猜測的科學性比你想象的要高得多，因此這個猜測基本上不太可能是假的。
另一方面，從科學的嚴謹性角度來説，繼續驗證這些猜測，不斷完善我們建立的銀河系模型，也是科學家們孜孜不倦所追求的目標。為此，他們發射了一個又一個的探測器，不斷豐富我們對銀河系的認知，嘗試構建更加精確的銀河系形狀和更加完整的銀河系地圖。
（圖片説明：蓋亞衞星）
2013年12月19日，歐洲航天局的蓋亞衞星帶着它的使命發射升空。它的目標，是對銀河系內數以十億計的恆星進行觀測。它的觀測內容不僅僅是這些恆星的方位和距離，還有它們的運動模式。也就是説，它不僅僅可以幫助我們繪製現在眼中能看到的銀河系形狀，還會告訴我們它未來會變成什麼樣子。雖然不太準確，但是從某個角度來説，它也引入了時間這個維度，為我們繪製了一幅4D的銀河系形狀。
當然了，你可能已經發現了，蓋亞衞星觀測到的恆星數量只有十幾億顆，而銀河系內的恆星數量很可能有2000億到4000億顆。也就是説，儘管它已經如此強大，卻只觀測了不到1%的銀河系。
因此，我們對於自己的銀河系，的確還只有非常有限的瞭解。隨着我們的科技不斷髮展，觀測能力的不斷提升，銀河系的形狀也將越來越清晰、完整、準確地展現在我們的面前。人類對銀河系的認識史，也代表着人類天文觀測的發展史。從天河到星系，我們已經大大地改變了對銀河的認知。誰知道呢，沒準未來的某一天，我們還要以更加無法想象的方式，重新認識這個星系呢！