夜空中的银河系。来源：Wikimedia
导读：
上一期，我们游历了整个太阳系。现在我们继续向前飞行——即将飞出太阳系，飞入银河系更为广阔的空间，探索宇宙的秘密。
撰文 | 张天蓉（美国德州大学奥斯汀分校理论物理博士）
责编 | 魏朝博
审校 | 张双南（中国科学院高能物理研究所研究员）、郑永春（中国科学院国家天文台）
1977年9月5日，美国宇航局发射了旅行者1号探测器，将近39年过去了，旅行者1号这个运行速度约为每秒17公里的人造天体早已飞越木星，掠过土星，2013年已经正式离开太阳风的边界【注1】，成为迄今为止唯一一个进入太阳系外空间的人类使者。根据2016年6月NASA的资料，旅行者1号目前距地球约202亿公里（见图3-1）。看起来是在向着半人马座的方向冲去！但实际上还离得远着呢。
半人马座中的α，是离太阳最近的恒星，距离为4.37光年。
图3-1 旅行者1号飞离太阳系
不过，我们的假想旅行将很快地超越旅行者1号，才能去探索太阳系之外的迢迢银河！
天上的街市
银河是一座宇宙中的星城，是天上的好莱坞。我们肉眼可辨的所有恒星，包括我们的太阳和太阳系，绝大多数都属于这座巨大的星城——银河系。
宇宙实在太大太大了！如果将每个天体比作一个生命体，我们人类只像是寄生于地球身体上极其微小的小生物。那么，太阳系算是地球之家，银河系则是这个家所在的城市。现在，我们就来探索一下这个城市。
图3-2：地面的星城和天上的星城
在非常久远的古代，人类就认识了银河。那是悬挂在静谧奇妙的夜空中，令人想入非非的一道星河。孩子们想象着是否可以跳到天河中去游泳？成年人则从银河两边两颗晶莹闪烁的星星编出了牛郎织女等浪漫的神话故事。此外，中国古诗词中也不乏描写银河的句子：例如，王建用“天河悠悠漏水长，南楼北斗两相当”的句子来描写夜空。
西方文化中也有类似的神话，将银河称为“牛奶路”。这个“奶”字来源于希腊神话，意指这条“天河”，是天帝宙斯的妻子（天后赫拉）在天上洒落的乳汁。
但是，神话和联想只停留在文学和艺术的意义上，科学才能让我们进行更深入的探索。有了科学的帮助，人类才得以了解满天繁星后面暗藏着的秘密。比如说，我们现在知道了：夜晚为我们指路的北极星距离地球约323光年，就是说我们看到它发出的光已经走了323年！而牛郎星和织女星呢，它们相距16光年，就算这对恋人能用光速进行通话，信号来回一次也要32年，看来是不可能约定每年一次的七夕相会的。
探索银河系
古人也知道银河是由无数星星组成的，但人类真正对银河系有了科学的认识，还是从近代才开始。与银河系有关的许多天文观测记录，都和一位传奇的女天文学家卡罗琳·赫歇尔（Caroline Lucretia Herschel，1750年-1848年），以及她的哥哥：英国著名天文学家威廉·赫歇耳（William Herschel，1738年-1822年）的贡献有关。
1785年，威廉认为银河系是扁平的，太阳系位于其中心。30多年后，美国天文学家沙普利从威廉兄妹的观测数据，得出太阳系位于银河系边缘的结论。直到上世纪二十年代，天文学家们才认识到银河系正在不停地自转。
赫歇耳这个名字，实际上是天文界一个著名的家族，其中主要包括上面提及的威廉，他的妹妹卡罗琳，和威廉的儿子约翰·赫歇尔（John Herschel，1792年-1871年）。
图3-3：赫歇尔兄妹自制望远镜
卡罗琳是科学史上少有的杰出女性之一，经历颇富传奇性。她是赫歇尔家庭中十个孩子的第八位，小时候健康不佳多灾多病。在10岁时，她得了斑疹伤寒，导致脸上留下疤痕累累，且身材矮小，据说高度长到4英尺3英寸就停止了。由于她的发育不良，她的父母认为她不会结婚，应该被训练成一名仆人，就没给予正规教育。但是后来，老赫歇尔去世后，威廉发现了妹妹的天赋，将卡罗琳从家中解救出来，走向外面的广阔世界。
威廉·赫歇尔对音乐有浓厚的兴趣，造诣颇深。他让卡罗琳学习音乐，教她如何唱歌，卡罗琳很快成为一个多才多艺的女高音，不过她只在威廉举办的音乐会上演唱。但当威廉的兴趣集中转向天文观测方面之后，卡罗琳便成为他这方面不可或缺的得力助手。
卡罗琳学会了如何擦亮透镜，如何自己制作望远镜。威廉还教卡罗琳如何记录观察到的资料和数据，如何进行必需的数学计算。兄妹俩用亲手制成的望远镜（见图3-3），先后探察了北半球1083个天区共计11万多颗星星。
1781年3月13日，赫歇尔兄妹在观测双星时发现了一颗新的行星——天王星Uranus。这项发现使他们赢得了巨大的声誉，也使威廉于1782年成为英国皇家天文学家。于是，卡罗琳随哥哥前往英国，但威廉经常需要外出进行学术活动，卡罗琳则作为威廉的管家和助理留在家里。这种时候，她也从不放过任何一天观测天象的机会。并且，她逐渐积累起不少自己独立观测到的天文记录。
1783年2月26日，卡罗琳发现了一个疏散星团（今天被称为NGC 2360），并在那年年底又发现了另外两个星团。在1786年8月1日，卡罗琳发现一个发光物体在夜空中缓缓行驶。她在第二天晚上再次观察，并立即通过邮件提醒其他天文学家，宣布自己发现了一颗彗星，并告知其他人该彗星的路径特点，使他们可以观测研究。这是目前公认的第一位女性发现的一颗彗星。
这一发现使卡罗琳赢得了她的第一份工资，1787年，卡罗琳正式被乔治三世国王聘用为威廉的助手，成为第一位因为科学研究而得到国王发给工资报酬的女性。
卡罗琳总共独立地发现了14个星云和8颗彗星。卡罗琳后来真的终身未嫁，是否谈过恋爱我们也不得而知。她把每一天的生命都贡献给了天文观测。
图3-4：卡罗琳从家庭仆人成为“领工资”的天文学家
在1822年威廉去世后卡罗琳从英国返回德国，但并没有放弃天文研究，她整理好自1800年威廉发现的2500个星云列表。她帮助天文学会整理和勘误天文观测资料，补充遗漏，提交索引。英国皇家天文学会为表彰她的贡献，授予她金质奖章，在96岁时，普鲁士国王也授予她金奖。
威廉死后，他的儿子约翰子承父业，继续父亲和姑姑的工作。约翰把观测基地移到了南非，在地球的南半球共探测了2299个天区计70万颗星，第一次为人类确定了银河系的盘状旋臂结构，把人类的视野从太阳系伸展到10万光年之遥。从三位赫歇耳大量的观测结果（近百万颗星星！），人们才开始认识到世界之大，银河系之大，整个太阳系不过是银河系边缘上一个不起眼的极小区域而已。
后来，是美国著名的天文学家爱德温·哈勃（Edwin Hubble，1889年-1953年），第一次将人类的眼光投向了银河系之外。也就是当人们认识到“天外还有天，河外还有河”之后，才对银河系这个天上的大城市有了更多的认识和了解。有些时候，需要设想让自己“跳出”银河系来观察银河系才更为准确，否则便成了：不识银河真面目，只缘身在此河中。
图3-5：哈勃的星系分类法
哈勃将宇宙中的星系按其外观分为两类：椭球星系和螺旋星系，螺旋星系中又包括漩涡星系和棒旋星系，此外，还观察到一些形状不太规则的，暂时称它们为不规则星系，见图3-5。哈勃的星系分类规则被沿用至今，不过，从现代天体物理的观点看，哈勃对这几类星系演化历史的解释却不正确。
哈勃当时认为他提出的星系分类法，也可以描述星系的演化。也就是说，星系按照图3-4中从左到右所示的过程演化：最左边最接近球形的星系是幼儿时期，然后变成椭球，再变成有旋臂的螺旋星系，之后旋臂会逐渐减少。
而根据现代的星系演化理论，星系形成和演化的图像非常复杂，不同类型的星系不一定有演化关系，可能经历了完全不同的形成和演化过程。有些星系完全是其它塌缩之后的自演化，有些经历了次并合，有些经历了主并合。
我们的位置
现代的观测估计，银河系大约包含了2千亿颗恒星，恒星只是星系的主要成员，但这个数目就已经大大地超过了地球上的总人口数。所以，将银河系仅仅比喻为一座大城市，其实是大大地“小看”它了！
这么巨大的人口，是如何分布在城市里的呢？银河系在不停地自转，属于螺旋星系中的棒旋星系，因为在它的旋转核心中央，有一个类似长棒的聚集区，见图3-6a中的俯视图和侧视图。
太阳系又以每秒250公里的速度围绕银河中心旋转，旋转周期约2.2亿年。据说估计银河系包括暗物质的总质量大约是8000亿个太阳（这个数值很难说，各种模型的估算值之间相差很大！）。整个银河看起来，像是一个形状扁平的飞碟，在空中飞速旋转。飞碟直径大到10万光年，中心厚度大约1.5万光年，边缘厚度也有0.3万光年。太阳系则算是住在银河系的“郊区”，离中心处大概2.8万光年左右。
也正因为地球是从比较边缘处望这个大盘子，所以看起来才像一条带子，或者说像是“一条河”了。
大多数亮晶晶的星星都集中在银核和银盘上，银盘实际上又是由几条旋臂组成。银河系主要区域是圆盘形，但外面还有两层由稀疏的恒星和星际物质组成的球状体，称为银晕，见图3-6a右上方图中的内层银晕和外层银晕。此外，按照最新的理论，图中所画的这一切都应该淹没在一个更大的“暗物质”的海洋中。
图3-6：银河系的结构
依靠近几年来天文探测技术的突飞猛进，科学家们发现，大多数星系的中央都存在一个超重黑洞。我们的银河系也是如此。在距离地球2.6万光年的地方，其实也就是靠近银河系的中心处了，有一个人马星座，也叫射手座。人们在这个星座所观察到的星星的排列方式看起来如同一个半人半马射手的形象，因而得名“人马”。还有另一个也类似半人半马形象的星座叫做半人马座。
近几年来，人马座A*引起了天文学家们的极大兴趣，因为它是一个强大的红外线和X射线辐射源。一位德国科学家在2008年最终证实，“人马座A*”位于银河系中心，就是一个质量约为太阳400万倍的超大黑洞。
我们这个大盘子城市的“市中心”的最中心部分竟然是一个超大质量的黑洞！有趣的是，黑洞具有将周边物体吸进洞中的能力，进去就出不来，有点像是恒星的“坟墓”。在黑洞的周围是密集恒星的“银核”。银核则像一座长长的橄榄球形城堡，也可以说是一个“养老院”，因为其中居住的几百亿颗恒星中，大多数是老耄之年的白矮星（图3-6a）。银核的外面是银盘。
这个天天挂在我们夜空中的大盘子实际上是由好几条螺旋形的“手臂”组成，称之为银臂。我们从地球上看到它的侧影，很像一条河。但如果我们能够跳出地球，到大盘子的正面去看它，却是更像一个旋转的风车，见图3-6a。风车有4个叶片，即银河系的4条旋臂，分别是矩尺、半人马－盾牌、人马与英仙等主要旋臂。太阳系的位置介于半人马与英仙臂间的次旋臂（猎户臂）中。
旋臂主要由星际物质构成，也有或疏或密的恒星散布其中，就像城市边沿的郊区部分，居民比市中心少多了，时而密集，时而零落，散布在空旷的原野中，见图3-6b。
在银河旋臂中居住的主要是年轻的恒星，类似太阳，它们还在发光发热，处于精力旺盛的主序星阶段，喜欢住郊区。此外，那儿也有聚聚散散四处游荡玩耍的童年恒星。
在球形外围的银晕部分，大部分是稀疏的尘埃和星云，也零散地分布着少量恒星，可谓“独行大侠”。奇怪的是，其中也有一些白矮星类型的“孤寡老人”。
游历了整个银河系，下一期让我们再把目光回到人类自身，看看人类是如何突破地球引力，将飞行器送入太空的。
注释：
【注1】所谓太阳系边界的定义大致有两种，一种是太阳风的边界称为heliosphere，位置比较确定。旅行者1号实际上是穿越了太阳风的边界。另一种是太阳的引力边界，其定义比较模糊，取决于参考的天体，但是都比太阳风的边界远得多。