银心之旅
序：这篇文章本是按普通天文学课程要求而作的读书报告，原文是用英文写成的，这也是我用LaTeX排版成功的第一篇文章（因为操作不熟练，当时插图都快把我搞吐血了，呵呵），描述了银河系中心区域的分子云、核球、恒星特征和黑洞周围各部分的结构。后来我把文章翻译成中文，因为这次不是交作业，原文中的摘要和关键词就免了。这里还有我在课堂上做演示时准备的幻灯片（英文）。
1 背景
在晴朗、黑暗的夜空中，一条光带横空穿过。这条光带就是银河系——我们的故乡。
望远镜发明后的几百年间，人们一直进行着对银河系的研究。但不妙的是，26000光年外，位于人马座的银河系中心被浓密的尘埃云遮挡了。没有人知道那里究竟发生着什么事情。
现在，借助射电、红外和高能天文学的帮助，我们可以了解更多关于银河系——当然，包括银心——的信息。我们知道，银河系可以根据各部分的性质分成四大部分：银晕、薄盘、厚盘和中央核球[1]。
图1：如今对银河系结构的认识。
美国国家射电天文台的网站上有如下定义：星系的中心区域，特征是极高的恒星密度。同时，中心区域可能存在一个特大质量的黑洞[2]。
显然，这个定义适用于所有星系。同时，它也清楚地说明了当今对银心的了解：超高密度的星群和黑洞。但本文所指的银心包括中央核球和包围核球的分子环，也就是银河系的中心区域。
2 丰富的研究成果，更多的问题
现代意义上的银心研究要追溯到上世纪60年代。90年代，伴随着不断发展的理论和近于膨胀的观测数据，对银心的研究逐渐走向成熟。文中我将从以下四方面讨论目前的研究进展：分子环、中央核球、核球内的恒星和最中央的特大质量黑洞。
2.1 分子环
我们的银心之旅从地球上开始。这里我们可以看到，在明亮的银河背景上分布着很多暗区。正是这些暗区揭示了核球外部存在一个浓密的分子环。
但我们走向何方才能接近分子环呢？一般认为该环分布在距地球10000至16000光年的广大区域内[3]。为了解关于分子环的更多信息，天文学家们要利用射电望远镜进行研究。因为环中浓密的分子云虽然遮挡了可见光，但却在射电和远红外波段有持续辐射。通过分析辐射的Doppler移动，我们可以很容易地获知云团的速度。而天文学家们早已建立了银河系的自转结构模型。但当我们结合和速度数据和银河系模型后，奇怪的事情发生了：我们可以得到远近不同的两个结果[3]。正因为如此，某些人甚至认为所谓的分子环不过是个幻觉。
环的起源同样扑朔迷离。最有可能的一种解释是很久以前核心区域与外部物质作用的结果。
现在有好几个小组在对分子环进行研究。一些人提出了仔细研究分子环的新方法。但如果想了解我们银河系分子环的真实结构，我们至少还要等上几年。
2.2 中心的棒状结构
分子环内是花生形的中央核球。早在1964年，de Vaucouleurs就提出银河系可能是棒旋星系的观点，因为最内部的HI云运动方式与在棒旋星系中的观测结果类似[4]。但当时很少有人认可他的观点。
在接下去的几十年间，气球观测表明，在2.4微米波段，银河系内部辐射分布是不对称的。20世纪90年代初，天文学家Blitz和Spergel利用COBE的数据研究了核球表面亮度分布。COBE的数据证实了核球亮度分布的不均匀：银道以北要比以南亮[5]。随后的结果在不同波段上证实了不均匀性的存在。根据de Vaucouleurs的r1/4定律，旋涡星系的表面亮度分布应该是对称的[7]。对于这种不均匀性的可能解释之一即是中心区域存在棒状结构。
关于棒状结构存在的另一个证据是对核球区域碳星的光谱分析。这类恒星的亮度已经被很好地了解了，利用亮度数据，我们可以揭示棒的具体结构。而碳星的年龄也给了我们关于棒形成的线索：该结构是银河系和邻近星系相互作用的结果[3]。
另外，球状星团[4]、行星状星云、K型和OH/IR恒星[6]的分布也符合银河系中心棒状结构的模型。正如de Vaucouleurs多年以前所提出的，银心恒星和气体的运动都可以充当棒状结构的指示器。
但虽然观测结果大致在棒的指向上取得了一致，棒的尺度和长宽比一直没有被很精确地研究[4]。不同的观测方法得出的是不同的结果。所以我们仍旧需要更多数据来进行进一步的研究。
目前，银河系正在吞并人马座矮星系[8]。这个过程中的潮汐力作用会不会改变中央棒的结构？也许吧……
2.3 银心的恒星
大多数旋涡星系中央核球中的恒星要比在旋臂中的年老（因而颜色偏红）。银河系中的也不例外。但银心的恒星金属丰度变化很大。我们知道，一般金属丰度越低的恒星越年老。那么为什么这里的金属丰度变化如此之大呢？我还没有找到答案: (
更奇怪的是，银心处同样存在年轻的星族。某些人认为它们是中央棒状结构形成时的副产品[1]。棒形成后，它将更多的气体推向中心区域，点燃了恒星诞生之火。
另外有一种理论说，吞并人马座矮星系的过程将薄盘中的年轻恒星带入了核心区域[8]。
或者这些恒星比看上去要老。与邻近恒星的作用可以将恒星的外层剥掉，露出了内部的“新鲜”气体[9]，使恒星看上去显得年轻。
当然，中央核球内的恒星密度极高。最近在这里发现了一个巨大的星团，拥有100万太阳质量，直径300光年[3]。该星团是银心极端环境的一个反映。实际上，这里还存在有很多超级星团。
在这样极端的条件下，恒星形成是很不常见的。强大的磁场、大质量的中心天体，还有猛烈的星风都是阻止引力坍缩的因素[10]。所以云团必须要足够大，以抗拒这些因素。而实际上在银心区域发现的恒星大多数是晚型巨星和O、B型热星。某些恒星周围还被弥漫星云所包围，这种星云的成因是与黑洞周围的物质流相互作用[10]。而目前所知最重的恒星——手枪星（见图2）也是位于银心的[10]。根据现有理论，质量如此之大的单星是不能演化的。为解决这个难题，一些天文学家甚至设想了一些“奇怪”的机制，如Reinhard Genzel认为，小质量恒星的合并导致了质量如此之大的恒星的诞生。或者手枪星只不过是个双星系统罢了。
图2：手枪星，目前在银河系内发现的最大恒星。（图片提供：STScI, D. Figer and NASA）
最近，马克斯·普朗克地外物理研究所（Max Plank Institute for Extraterrestrial Physics）的研究人员发现，这里至少经历了2次恒星形成的过程。他们还发现，根据光谱型不同，银心区域的恒星可以被划分成3类[11]。这样，对这些恒星的了解更加复杂了。
由于银心大质量恒星很多，银河系中大多数超新星都发生在这里。这些超新星被认为是银心大量26Al的制造者[12]。超新星爆发可能也帮助了这里的恒星形成。恒星生命的循环？可以这样说吧。
如今，银河系最中心的恒星还发挥了一个很重要的作用：它们可以帮助天文学家们确定银心特大质量黑洞的性质。
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