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空中课堂|银河系的艰难“认证”
北京号2023-06-29 17:51:00

小伙伴们大家好,

天文馆“空中课堂”上课啦!

来到夏季,我们仰望星空时,头顶上方有一条南北走向的模糊光带横贯夜空,引人瞩目。这条泛白的光带,就是夏季星空的主角之一,银河。关于银河,大家都不陌生,盈盈一水间,脉脉不得语,诉说着牛郎织女凄美的爱情故事。

图1:夜空中瞩目的银河

现在我们已经知道,银河实际上是一个棒旋星系,主要由核球,银盘,旋臂,银晕等组成。苏轼有诗云:不识庐山真面目,只缘身在此山中。我们身处银河系中,是如何知道银河系的形状的呢?其实,人类对银河系的认识,还真的经历了一段曲折的认知历史。

18世纪末,英国天文学家威廉•赫歇尔经过长期坚持不懈的精密观测,用恒星计数的方法勾勒了一个银河系的轮廓,发现我们的银河系是一个以太阳为中心的扁平圆盘。他假设所有恒星本身都具有一样的光度,然后根据不同恒星的明暗,来推断它们与地球的距离。这种假设是相当粗糙的,并不正确,所以他错误地推断说太阳位于银心附近。

图2:1785年威廉赫歇尔观测绘制的银河系模型手稿(图中的Fig. 4)

到一战时期,美国天文学家沙普利研究了当时已经掌握的约100个星团。他假设这些星团在银河系中是均匀分布的,如果太阳是银河系的中心,那么从地球上看,这些星团在星空中应该是对称分布的。

然而沙普利发现球状星团整体是以人马座为中心呈球状分布的。他由此得出了一个在当时看来惊世骇俗的结论:银河系的中心在人马座方向,而太阳和整个太阳系都处于银河系的边缘,离银心较远,大约15kpc,这大大高估了银河系的范围

图3:沙普利的银河系模型,黄色代表他观测的球状星团,黑色的加号代表太阳的位置。

不论是赫歇尔还是沙普利,他们描绘的银河系轮廓都是不准确的。导致他们错误的一个重要原因是他们都忽略了星际介质的消光作用。在赫歇尔的模型中可以看到,左侧有一个分叉,那就是对应的银心方向。银心处由于恒星密集,星际介质较多,消光最严重,导致赫歇尔观测到的银心方向恒星数目最少,也错误地以为我们就在银河系的中心附近。

球状星团多位于银晕中,受消光影响较小,所以沙普利比较准确的给出了太阳在银河系中的相对位置,及银河系的大致形状;但球状星团周围也是有星际介质的,忽略其消光,就会高估星团的距离,从而高估了银河系范围。

后来天文学家发现了星际介质对星光的衰减,认识到了星际消光的存在。随着三角视差观测精度的提高及消光的修正,并结合位置、距离、自行和视向速度等,天文学家才慢慢给出了现在银河系的三维结构。

图4:银河系的剖面示意图

(北京天文馆)

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