我們生活在銀河系裡，反而很難看到銀河系的全貌。飛出銀河系是不現實的，那麼銀河系真實的模樣是什麼樣子？人類透過什麼方法推斷銀河系的形態與形狀？太陽系位於銀河系哪個地方？透過演講者的演講我們可以對科學家的科學研究方法有大概的瞭解。
出品：\\\"格致論道講壇\\\"公眾號（ID：SELFtalks）以下內容為中國科學院上海天文臺、星系動力學團組首席研究員沈俊太演講實錄：今天我想給大家講一講關於銀河系的一些事情。
這是一張星空的照片。我想請問在座的各位，有誰真的看到過銀河？好像非常少，這也很正常，因為上海的天光有點兒太亮了，而且有霧霾，所以我們看不清楚星空。如果我們到附近的高山上去看，星空是非常漂亮的。銀河就是圖片裡這條明暗交錯的暗帶，銀河系就是太陽所在的星系。太陽和其他的恆星，並不是均勻分佈在整個宇宙中，而是成為一個一個的集體，再分佈在整個宇宙中。就像人類並不是均勻地分佈在地球的表面上，我們集中居住在城市裡，城市之間的地帶人非常少。我們剛才說銀河系就是圖片中的這條暗帶，這些不在這條暗帶裡邊的恆星，屬不屬於銀河系？其實這些星星離我們都非常近，都屬於銀河系。
如果我們把銀河系想象成一個盤子，所有我們肉眼能看到的星星都在圖中這個小紅圈裡邊。所以我們就會覺得這些銀河系內的恆星好像是分佈在四面八方，但其實它們都在銀河系裡邊。
這是另外一張非常漂亮的星空，是在智利5000米的高山上拍攝的，那是世界上最好的觀測臺址之一。我們可以看到照片中除了繁星點點，還有一些其他的天體。在人類學會使用望遠鏡之後，我們對這些天體有了更深入的瞭解。
比如仙女座大星雲、M33星雲。還有其他的一些天體，比如說球狀星團，非常漂亮，它是1萬顆恆星聚集在一個非常小的空間形成的。那麼這些天體（星雲和星團）在銀河系之內嗎？我把這個問題的答案留在後邊。銀河系是什麼樣子
我們生活在銀河系裡，很自然地，我們想知道銀河系的全貌是什麼樣子。我們都知道蘇東坡的這首詩“不識廬山真面目，只緣身在此山中”。正因為我們生活在銀河系裡，我們反而很難看到銀河系的全貌。也許有人就想，我們造一艘宇宙飛船，飛出整個銀河系，我們不就能看到它的全貌了嗎？現在人類造出的距離地球最遠的飛行器叫做旅行者一號，它現在的執行速度是6萬公里每小時。我們知道中國的高鐵最高速度是300-350公里/小時，這種宇宙飛船比我們的高鐵快200倍。如果我們乘坐這艘宇宙飛船，從北京到上海只需要一分鐘！那如果我們乘坐旅行者一號飛出銀河系，大家猜猜要多長時間？5000萬年！我們人類只有五千年有文字的歷史，顯然這是天方夜譚，我們不可能飛出銀河系去看銀河系的全貌。但我們依然可以問這些問題，銀河系真實的模樣是什麼樣子？銀河系是不是獨一無二的？為什麼銀河系會演化成現在的樣子？天文學家一直也在追問這些問題的答案。大約250年前，英國的天文學家赫歇爾首次勾勒出了銀河系的大小。
在這個圖中我們可以看到，他認為太陽在銀河系的中心附近，銀河系是一個扁平狀的結構，它的直徑是6400光年，厚度是1300光年。
又過了一百多年，美國的著名科學家夏普利透過研究球狀星團的空間分佈，發現太陽其實並不在銀河系中心，推翻了有500年曆史的日心說，這是我們人類認知宇宙歷史上的一個巨大的飛躍。
這個圖裡有很多小圓圈，每個小圓圈代表1個球狀星團，每個球狀星團內包含了1萬到10萬顆恆星，它很亮，所以我們能在很遠的地方看到它。圖中黃色的小星星代表太陽，當時夏普利做了一個非常大膽的假設，他假設球狀星團就是銀河系的一個子系統，那麼球狀星團的中心就應該是銀河系的中心。但是透過測量，他發現太陽並不在這些球狀星團的中心，所以他就大膽地推測，太陽並不在銀河系的中心。而且他認為銀河系就是整個宇宙，我們剛才看到的那些漂亮的旋渦星雲，都在銀河系之內。當然，並不是每一個科學家都贊同夏普利的觀點。1920年，美國科學院就爆發了一場關於宇宙尺度的大辯論，一派以夏普利為代表，一派以柯蒂斯為代表。
夏普利這一派認為銀河系非常之大，它就是整個宇宙，旋渦星雲就是處於銀河系內的氣體雲。另一派的觀點則認為，旋渦星雲在銀河系之外，它們是恆星系統，不是氣體雲，而且每一個星雲就像銀河系一樣，是一個島宇宙，整個宇宙是由很多銀河系這樣的島宇宙構成。如果說宇宙是一個大洋，那麼每一個星雲都像銀河系一樣，是一個漂浮在大洋上的島嶼。測量星雲的距離
當時這場論戰並沒有勝利方，主要是因為當時沒有很好的觀測裝置，我們的科學知識也很欠缺。那麼請大家想一想，怎麼才能最好地回答這個問題？假如我們有一把量天尺，可以精確地測量離我們最近的星雲的距離。如果這個距離大於當時已知的銀河系尺度，它們就在銀河系之外，反之就應該在銀河系之內。
那個時候，大家已經開始意識到，有一種非常有意思的變星，可以作為一個很好的量天尺。這種變星叫做造父變星，變星就是這個星星的亮度在天空中發生週期性的明暗變化。透過測量造父變星的光變週期，我們就可以推出它本身的光度，知道它本身的光度以後，透過和視亮度比較，我們就可以測出距離來。就好比我們知道一根蠟燭本來是多亮，如果我們看到它很亮，說明它離我們很近，如果看到它很暗，說明它離我們的距離非常遠。四年之後，哈勃果然在仙女座大星雲發現了這一類造父變星。哈勃是非常著名的天文學家，現在在地球之外飛行的一個太空望遠鏡，就是以他的名字命名的，哈勃太空望遠鏡。左邊這個圖就是哈勃正在用望遠鏡進行觀測，他用的是當時剛剛落成的世界上最大的望遠鏡虎克2.5米望遠鏡。
有了這個觀天利器，哈勃就非常詳細地研究了仙女座大星雲，他發現其中有很多造父變星。他假設這些造父變星都屬於仙女座大星雲，就可以透過造父變星的距離推出仙女座大星雲離我們的距離。他推出這個距離大概是100萬光年，遠遠大於當時已知的銀河系的尺度30萬光年。所以他就證明了仙女座大星雲在銀河系之外，銀河系並不是整個宇宙。在哈勃之後，我們逐漸意識到星系是宇宙的基本組元，宇宙中有無數像銀河系一樣的島宇宙星系。
星系還可以被細分為幾類，左邊這張圖是橢圓星系，右邊是旋渦星系，旋渦星系像一個盤子一樣，這是從正面看過去的樣子，它有很漂亮的旋臂結構。旋渦星系又可以被細分為兩類，一類叫做正常的旋渦星系，另一類叫做棒狀旋渦星系。那我們的銀河系屬於哪一類星系？為了回答這個問題，我們再重新檢視一下在可見光波段我們看到的銀河系。
我們可以看到銀河系上有很多暗帶，這些暗帶為什麼是暗的？因為銀河系中有很多塵埃，塵埃會遮擋我們的視線，就像霧霾一樣，塵埃背後的這些東西被塵埃擋住，在天空上顯現出來是暗區。
為了解決這個問題，我們可以去紅外波段看一看，這是在紅外波段看到的銀河系。紅外波段的光的波長比可見光要長，所以這些光可以穿透塵埃，讓我們看到背後的恆星，於是這些暗帶都消失了。我們看到的是一個扁的盤狀結構，所以銀河系是一個旋渦星系。另外我們會注意到銀河系的中心有一個很亮的東西，這個物體叫做核球，大約有1/3的恆星都位於這個核球，所以它非常重要。這是我們從側面看到的銀河系，那麼銀河系的正面圖是什麼樣子？我們前面提到，我們在銀河系之內，很難看到它的全貌，那我們該怎麼辦？有一個辦法，我給大家做一個類比，假如世界上沒有鏡子，你不知道自己長什麼樣子，但你可以去看一看你的兄弟姐妹、親戚朋友的樣子，推算你自己長什麼樣子。假如他們有一個鼻子兩隻眼睛，那你可能也是一個鼻子兩隻眼睛。
所以我們可以到銀河系之外去尋找靈感。這是銀河系的一個兄弟姐妹，叫做UGC 6093。它是一個旋渦星系，有很漂亮的旋臂，而且中心有一個長條形的棒。除此之外，它還有一個非常亮的中心，叫中心核球。這個星系的核球和我們銀河系的核球是不是一回事兒？
關於核球，天文學界有個經典理論，他們認為旋渦星系的核球都是在星系併合的過程中產生的。如果有一大一小兩個星系，大的會把小的吃掉，形成一個更大的旋渦星系，中心形成一個核球。那麼經典理論也適用於我們的銀河系嗎？
我現在想提醒大家關注這兩點。第一，銀河系中心核球的左邊看起來要比右邊要大一些；第二，這個核球看上去不是我們從側面看到的橢球形結構。所以我在美國做博士後的時候，就對這個問題產生了興趣，回國以後，我就開展了這個課題的研究。
我們提出了一個假設，也許銀河系的核球並不是星系併合產生的，而是銀盤自發產生的。為了證實這個假設，我們首先需要做一些公式的推導，然後把我們的理論放到計算機裡，讓計算機模擬每一顆恆星的運動。最後我們可以構建一個關於銀河系的模型，然後把這個模型和我們現有的觀測相比較，看二者是否符合。這是我們的一個模型，最開始銀河系是沒有棒的，它是一個圓盤，逐漸地，它會獲得一個旋轉的棒。這個棒形成之後，大家看側面，銀河系好像有一個波浪形的不穩定性。這種不穩定性飽和以後，中心就變得非常厚。所以我們認為核球就是側面看到的銀河系的棒。
我們的模型和當時的觀測結果吻合得非常好，左邊的圖是關於核球形態的比較，大家會看到左邊的核球要大一點，右邊的核球要小一點。因為棒的朝向和我們視線方向有個角度，我們在左邊看到的是棒的近端，在右邊看到的是遠端，所以近端就顯得比遠端大一些。更重要的是，我們的模型和銀河系的運動學的資料吻合得非常好，我們的模型可以很好地解釋這些觀測的資料點。
我們的工作也促進了科學界對銀河系的深入理解，這是藝術家根據科學資料繪製的一張銀河系的正面俯檢視，在這幅圖中，下面那個點就是太陽系。銀河系裡的Bar
如果把銀河系比作上海市，銀河系的中心就是上海的人民廣場，但太陽並不在銀河系的中心，太陽在郊外，大概是虹橋機場的位置。在銀河系中心有一個長條形的棒，英文是Bar。Bar還有一個意思，酒吧，在城市的什麼地方最容易找到酒吧？城市的中心。我們的觀點就是我們看到的銀河系的核球，其實就是從側面看到的銀河系的棒。
上圖就是一個典型的銀河酒吧，有很多外星人在喝酒。什麼東西和酒最搭配？花生米。我們竟然真的在銀河系的中心發現了一顆花生米。我們認為銀河系本來的形狀就是一個類似於花生狀的結構。
左邊這個圖，其實並不是核球在轉，而是我們的視角在轉，給人一種三維的感覺。而且銀河系中的核球在其他的星系裡也可以看到，最右邊這個圖的左下方，就有一個包含了花生狀核球的星系，它長得非常像花生。在這個酒吧裡，我們還發現了其他非常有意思的吃的東西。
花生核球裡面，恆星有非常獨特的執行軌道，左邊的圖是恆星的執行軌道，上面是俯檢視，下面是側檢視，從側面看過去，這個恆星的執行軌跡非常像一個香蕉。
我們還發現了一些像椒鹽捲餅一樣的恆星軌道。我們的研究正式發表以後，得到了科學界的很多關注。出人意料的是，我們的工作竟然也引起了神學界的關注。
這是美國一個基督教網站頭條的截圖，標題是“銀河系不是一個平常的星系”，所以銀河系必須是神創造的。這個人是多倫多大學的天體物理博士，但後來他致力於從科學發現裡尋找神創論的跡象，這是他們對我們的論文的一個引用。
但其實他們只看到了我們論文的摘要，就特別激動地寫下了那個頭條，其實我們在論文的正文裡明確地寫道，我們的銀河系其實並不是一個獨特的星系。銀河系從側面看上去，就很像上圖的NGC 4565。在科學界一般來說，如果我們的工作得到其他人的引用或評價，我們都會感到非常開心、驕傲，但我們的工作竟然得到了神學界的引用，是一種很尷尬的感覺。
相信大家透過我講的內容，對科學研究的方法有了大概的瞭解。科學研究總是先從觀測或實驗事實出發，然後提出假設和模型。首先，你的理論必須能夠解釋現有的觀測結果，但最重要的是，你的理論還要給出一些我們沒有觀測過的預言，觀測學家再沿著這個方向去觀測、去做實驗。如果你的預言得到了證實，那麼恭喜你，你的理論通過了新一輪的考驗。但如果這些預言沒有得到證實，就表明你的模型需要修改，甚至是錯誤的，需要提出一套新的模型。就像夏普利推翻了日心說，但他也被哈勃證明他的很多觀點是錯誤的。我們關於銀河系模型做的這些工作，也許過幾年會被其他人證明是錯的，我們的科學研究總是這樣一個螺旋式上升的過程。在研究星系和宇宙的過程中，我總是被一句話打動，“宇宙最不可理解之處，就在於它竟然是可以被理解的”。我們渺小的人類，只有幾千年有文字的歷史，科學萌芽也僅僅只有幾百年的時間，我們竟然可以瞭解到這麼多關於宇宙的奧秘，這本身就是一件非常令人吃驚的事情。最後，我想用這首打油詩來感謝SELF講壇。格物致知天道寬，耿耿銀河路可攀。
“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網路資訊中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多資訊。本文出品自“格致論道講壇”公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。