出品：科普中國(guó)

作者：董志川（中國(guó)科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

“迢迢牽牛星，皎皎河漢女?！薄昂訚h清且淺，相去復(fù)幾許？”

在漢樂(lè)府詩(shī)《迢迢牽牛星》中，如是傳神般地描繪了銀河的輝煌燦爛。

銀河引發(fā)了人類多少靈感和憂思，我們?nèi)祟愲m身處這個(gè)巨大無(wú)比的星流漩渦之中，卻“不畏浮云遮望眼”，僅憑借自身的智慧就能努力對(duì)它的全貌進(jìn)行全景式地拼圖，這又是何等了不起的豐功偉績(jī)。

盡管我們一直在嘗試了解橫跨星空的這條乳白色亮帶，但銀河中隱藏的星際奧秘著實(shí)非一朝一夕可窮盡的。知一隅也好，了全貌也罷，讓我們來(lái)談一談我們身處的銀河系吧！

在地球上觀察銀河，為什么是現(xiàn)在這個(gè)樣子的？

其實(shí)，一年四季都可以看到銀河，只不過(guò)夏秋之交我們看到了銀河最明亮壯觀的部分。

我們看到的銀河為什么是帶狀的呢？因?yàn)槲覀兩硖庛y河內(nèi)部，只能從銀河的側(cè)面去看。

銀河

（圖片來(lái)源：維基百科）

地球繞著太陽(yáng)在銀河系“流浪”，太陽(yáng)繞著銀心運(yùn)轉(zhuǎn)（周期約2.2億年）。地球在冬天的時(shí)候，運(yùn)行到太陽(yáng)外側(cè)，即隔著太陽(yáng)遠(yuǎn)離銀心的一側(cè)，那么太陽(yáng)一側(cè)的星空是看不到的，只能在夜晚看到銀河系邊緣那里的恒星，所以銀河暗淡。

地球在夏天的時(shí)候，運(yùn)行到太陽(yáng)內(nèi)側(cè)，即靠近銀心的一側(cè)，那么夜空中正好可以看到銀河最密集的部分，內(nèi)部的多條懸臂相疊加，所以看得更清晰，更容易觀測(cè)到明顯的帶狀分布。

每年七八月份秋高氣爽，地球運(yùn)行到了一個(gè)絕佳的位置。在這個(gè)時(shí)候北半球在副熱帶高壓的加持下，晴天數(shù)增加，視覺(jué)對(duì)比度增強(qiáng)，夜天光減弱，這也是我們?cè)谄甙嗽路菽芨宄乜吹姐y河的原因。

“看到”銀河全貌的兩種方法

身處銀河系中的我們，要看清銀河的旋渦/旋棒和四條旋臂的結(jié)構(gòu)，難道要垂直于銀盤向上飛出嗎？要飛到多遠(yuǎn)的地方才能看到銀河系的全貌呢？

我們不妨做個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算。人雙眼的舒適視域約為124度，假設(shè)銀河系的直徑為15萬(wàn)光年（這是最新數(shù)據(jù)的平均值），那么根據(jù)三角函數(shù)可以計(jì)算出，目視銀河系全貌的距離為：3.99萬(wàn)光年，這比我們與銀心的距離（2.6萬(wàn)光年）還要遠(yuǎn)。

這意味著，如果從地球出發(fā)，我們需要以光速飛行大約4萬(wàn)年才能到達(dá)能目視銀河系全貌的地方。

從目前來(lái)看，這個(gè)距離遙不可及。那么，人類還有其他的途徑嗎？

有。

我們至少還有兩種辦法能助力我們實(shí)現(xiàn)一覽銀河的目標(biāo)。一個(gè)辦法是“以他人為鏡”，另一個(gè)辦法則是“管中窺豹”。

“以他人為鏡”

“以他人為鏡”的意思是，我們可以通過(guò)觀察其他遙遠(yuǎn)星系（比如我們的鄰居仙女星系）的樣子，來(lái)側(cè)面推測(cè)我們銀河系的樣貌。

這就像我們住在一個(gè)建筑外形高度一致的小區(qū)里，雖然我們?cè)谧约杭业姆孔永餂](méi)有出門，看不到單元樓的全貌，但我們?nèi)匀豢梢酝ㄟ^(guò)觀察其他單元樓來(lái)了解自己?jiǎn)卧獦谴蟾诺臉邮健?/p>

在人類已知的星系中，位于3.8億光年外的UGC 12158星系在外觀上看起來(lái)與我們的銀河系非常相似，它被認(rèn)為是在外觀上最像銀河系的星系。與銀河系一樣，它同樣也有四條或五條旋臂，也是一個(gè)“棒狀旋渦”星系。

UGC 12158星系（左圖）與銀河系（右圖）的外觀

（圖片來(lái)源：維基百科）

然而，這種方法也同樣面臨一個(gè)新的難題，就是如何從海量的數(shù)據(jù)中篩選出與銀河系相似的星系。

因?yàn)槿斯みM(jìn)行這種篩選非常耗時(shí)和低效，天文學(xué)家就開(kāi)始借助人工智能的威力，很好地解決了這個(gè)難題。

他們使用了歐洲空間局（ESA）赫歇爾太空望遠(yuǎn)鏡（Herschel Space Observatory）所收集的超過(guò)10萬(wàn)個(gè)星系的圖像作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并用調(diào)校后的人工智能對(duì)另外約2萬(wàn)個(gè)星系圖像進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果顯示，人工智能的分類準(zhǔn)確率達(dá)到了90%以上。

利用人工智能分好類的星系圖像，天文學(xué)家進(jìn)一步篩選出了與銀河系最相似的1000個(gè)星系，并對(duì)它們進(jìn)行了詳細(xì)的分析。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，這些星系中有45%是“平坦”的，12%是“彎曲”的，43%是“扭曲”的。

這個(gè)結(jié)果意味著銀河系也很可能是一個(gè)“扭曲”的星系，即銀河系盤面的兩端向上和向下彎曲，形成了一個(gè)“S”形。

令人驚喜的是，這個(gè)猜測(cè)與我們采用下面第二種方法所獲得的銀河系圖景竟然巧合般的一致。

銀河系盤是“扭曲”的

（圖片來(lái)源：維基百科）

“管中窺豹”

第二種方法是我們?nèi)祟愖詣?chuàng)的一種“窺一斑而知全豹”式的技術(shù)，或者叫“盲人摸象”般的技術(shù)，即“大數(shù)據(jù)巡天技術(shù)”。

具體來(lái)說(shuō)，這種技術(shù)的應(yīng)用類似于通過(guò)像LAMOST郭守敬望遠(yuǎn)鏡這樣高效率巡天的科學(xué)重器，通過(guò)對(duì)銀河進(jìn)行逐幀畫像，借助海量的數(shù)據(jù)堆積，來(lái)重構(gòu)并獲得整個(gè)銀河系的精細(xì)結(jié)構(gòu)信息。

這種給銀河“畫像”的原理說(shuō)來(lái)也很簡(jiǎn)單，即天文學(xué)家通過(guò)把大望遠(yuǎn)鏡“觸摸”到的每一顆恒星的位置、光度、光譜等信息都標(biāo)記下來(lái)，并獲得恒星的化學(xué)組成、分布、年齡及運(yùn)動(dòng)方式，然后通過(guò)日積月累式的數(shù)據(jù)積累，最終得以重構(gòu)銀河系的全貌，并擬合出它的結(jié)構(gòu)特征。

銀河系的大致結(jié)構(gòu)

（圖片來(lái)源：維基百科）

當(dāng)然，在此就不得不提及最先做這件事的人。他并非當(dāng)代的天文學(xué)家，而是天文史中的一位前輩先驅(qū)，即兩百年前著名的威廉·赫歇爾爵士（前面提到的赫歇爾太空望遠(yuǎn)鏡就是以他命名，來(lái)紀(jì)念他的豐功偉績(jī)）。

威廉·赫歇爾爵士被稱為恒星天文學(xué)的創(chuàng)始人，被譽(yù)為恒星天文學(xué)之父。他的“大炮”望遠(yuǎn)鏡舉世聞名，利用它，赫歇爾開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代天文觀測(cè)的先河，他還甚至在自己家院子里發(fā)現(xiàn)了天王星(用其他望遠(yuǎn)鏡)。

威廉·赫歇爾爵士

（圖片來(lái)源：維基百科）

正是這位英國(guó)18世紀(jì)具有傳奇色彩的天文學(xué)家，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期堅(jiān)持不懈的精密觀測(cè)，最早通過(guò)應(yīng)用對(duì)恒星計(jì)數(shù)的觀測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)了銀河系中的恒星分布是扁平狀的圓盤結(jié)構(gòu)，并據(jù)此勾勒了全世界第一個(gè)銀河系的輪廓模型，為此他還甚至跑到了南非進(jìn)行進(jìn)一步觀測(cè)驗(yàn)證。

眾多科研機(jī)構(gòu)都展開(kāi)了類似的大數(shù)據(jù)工作，比如中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)的“數(shù)字銀河系”計(jì)劃，以及中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)的“銀河卷軸”計(jì)劃。

大數(shù)據(jù)巡天的辦法，“盲人摸象，聚沙成塔”的思路，不僅是我們獲得銀河系全貌行之有效的辦法，更是我們?nèi)祟愄剿髌渌钪娲蟪叨冉Y(jié)構(gòu)的不二選擇。

近十幾年來(lái)，科學(xué)家利用這種辦法，獲得了很多了不起的發(fā)現(xiàn)。比如中國(guó)科學(xué)家和德國(guó)科學(xué)家合作，利用與之類似的辦法發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)在宏大宇宙中的超大尺度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

另外一批科學(xué)家則通過(guò)對(duì)大量星系數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)了“巨引源”的存在以及呈現(xiàn)纖維/羽毛狀的、橫亙5.2億光年天區(qū)的拉尼亞凱亞超星系團(tuán)的大尺度宇宙結(jié)構(gòu)。

拉尼亞凱亞超星系團(tuán)

（圖片來(lái)源：維基百科）

結(jié)語(yǔ)

身在銀河中，卻仍能識(shí)得銀河真面目。盡管宇宙中的星系離我們非常遙遠(yuǎn)，但并不意味著人類無(wú)法真正了解它們。宇宙充滿著吸引力，它遙遠(yuǎn)卻又可接近，令人充滿著無(wú)限遐想……