测绘银河
本文算是前日在某论坛上争吵的后续，具体哪家网站不点名。缘起是一张关于银河系结构的图片，斯皮策空间望远镜在2008年公布的结果，说是先前的观测一直认为银河系拥有4条主旋臂，而根据斯皮策的数据进行的恒星计数表明，主旋臂只有两条，也就是下图中的英仙臂和盾牌—半人马臂。争吵的原因在这里没必要提及，不过既然帖子最后提到了银河系结构的确定而且说得非常之不靠谱，甚至还能将图片的来源张冠李戴搞成来自欧洲南方天文台，干脆写上一篇介绍好了。
图片提供：NASA/JPL-Caltech
古人称银河是天河、奶路乃至夜空的脊梁；今天人们已经知道，银河就是太阳所处的棒旋星系，成员是数千亿颗恒星，在尺度上延伸大约3万秒差距。从传说到现实的认识变更倚赖于对银河系结构的测绘。第一个将夜空中的银河光带分解成单颗恒星的人是伽利略，时间是在1610年。抛开此举的历史意义不谈，伽利略所做的工作仅仅是分解而已，距离认识结构还差得很远。真正意义上对银河系结构的讨论要等到18世纪。这其中有臆测，如英国人Thomas Wright认为恒星分布在球壳上；有理论探讨，如康德通过牛顿力学来推测银河系的盘状结构；也有观测进展，如威廉·赫歇尔的大规模恒星计数。
银河——夜空之脊。（图片绘制：Jon Lomberg）
确定银河系结构的关键是各星体的相对位置，距离数据必不可少。在赫歇尔的时代，观测精度不足以测量三角视差，造父变星等测距标准烛光又尚未被发现，剩下的渠道就是通过恒星本征光度与视亮度的比较来判断距离了，可是当时的人们对恒星的本征光度也没有太多的概念。赫歇尔采用的方法是假设所有恒星本征光度相同，因此其视亮度就是距离的反映。实事求是地说，这个假设并不算太坏，毕竟绝大多数恒星的光度都分布在一个相对狭窄的范围内，倘或样本足够大，得到比较准确的图景也并非没有可能。但是通过对将近12万颗恒星进行计数之后，赫歇尔给出的银河系结构却与真实情形相去甚远：太阳位于靠近银心的地方，而整个银河系的尺度也只有1万秒差距左右。
威廉·赫歇尔通过恒星计数给出的银河系结构图，图中黄点为太阳的位置，长轴为银道面方向，指状结构实际上是星际消光较弱的区域。
问题出在哪里呢？威廉·赫歇尔计数的前提除了假设所有恒星本征光度相同之外，还有更重要的一点：星际空间对于星光是完全透明的。换句话说，他完全忽略了消光，进而错误地估计了恒星的距离和分布。实际上赫歇尔所认为的银河只是真实银河系的一小部分而已。虽说其子约翰·赫歇尔后来又将计数工作扩展到了南天，但由于同样忽略了这一点，所得结果仍旧无甚改进。考虑18世纪末19世纪初的认知水平，在这一点上也实在不能怪罪赫歇尔父子，毕竟直到20世纪30年代，天文学家才对星际消光有了足够的认识。
赫歇尔测绘的银河系与真实银河系的比较。
接下来的进展一定要提及第一次天文学大辩论。虽说这次辩论的主旨是确定旋涡“星云”的本质，但银河系的结构仍旧是重要辩题之一。辩论的一方是Heber Curtis，他传承了荷兰人Jacobus Kapteyn的观点，也就是通过统计视差的方法测得的小银河图景，尺度不到1万秒差距，且太阳靠近银心；另一方Harlow Shapley则采用了当时的新手段——脉动变星的周光关系，通过寻找球状星团中的变星来确定距离，提出了大银河且太阳偏离中心的理论。
Shapley相对正确地给出了球状星团的分布，也就是以人马座方向为中心对称，分布的中心被沙普利自然认为是银心所在；太阳则被赶到了距离银心2万秒差距的地方。现在人们知道，除了太阳的银心距过大（实际为8千秒差距左右）之外，这种结构大致还是符合实际情况的，球状星团勾勒出的正是银晕。Kapteyn的问题仍旧可以归因于消光，不过Shapley在此也犯下了严重的错误：球状星团中的变星是天琴座RR型变星，但他却将其视为造父变星，从而应用了错误的周光关系，得出了大得夸张的银河系尺度。至于Shapley因大银河而确信旋涡星云位于河内的错误论点，又是他话。
Shapley通过分析球状星团给出的银河系结构，黄点表示太阳的位置。
球状星团测绘银晕的方法现今看来也不错，但是只有以银晕标示出银河系总尺度还不算完，银盘的结构又是另外一个问题。先说厚度，一般可以用分光视差测量大量恒星位置的方法来确定。当然银盘并没有一个固定的厚度，实际操作是将其中恒星密度相当于银道面之半的地方与银道面的距离定义为特征厚度。这个特征厚度无定值，全凭所选示踪恒星的种类，总之是星体年龄越老，对应特征厚度越大，个中原因是恒星形成后会在盘内天体引力的作用下增大垂直方向的运动，逐渐漂离原本的产星区，时隔越久漂离得也就越远。传统意义上的薄盘厚500秒差距左右，后来发现的厚盘则是2、3千秒差距。
这里就要牵扯到星族的概念了。这个概念的建立着实要感谢二战外带提出者Walter Baade当时的德国侨民身份。当年包括哈勃等人在内的美国天文学家基本被征召入伍服务于军队，只有Baade作为敌侨被留在了威尔逊山不得离开，于是每日几乎是一人独享当时最大的2.5米胡克望远镜全部的观测时间，再加上战时的城市灯火管制让加州有了前所未见的明澈夜空，如此经历在后人看来恐怕只有羡慕的份了。在此期间，Baade分别用对红蓝光敏感的底片分解了仙女星系，发现旋臂成员星普遍年轻，而核球恒星偏老偏红，遂提出这两类恒星分属不同星族的观点，并将其推广到银河系上。
星族分布示意，从上到下依次为：晕星族II、中介星族II、盘星族、中介星族I、极端星族I，年龄依次从大到小，金属丰度依次增加。
Baade的二元星族分类如今看来过于简单，实际是在此基础上按上图所示的方法又划分出了若干子类，从年轻富金属且集中在银盘上的极端星族I到散布在银晕中的古老贫金属极端星族II。这里星族I除了可以用于测定银盘厚度之外，其中最为明亮炽热的O型和B型星还可以用作旋臂的示踪天体，这一点照样是Baade的发现。
恒星示踪的基本原理是统计不同距离上恒星分布的疏密，距离的测定则主要通过不同的标准烛光来实现。O、B型星自然要用到其光谱的分光视差，造父变星也可以参与这项工作中来。20世纪50年代初，人们利用这一方法第一次描绘出了太阳附近的情况。不过太阳在银盘中所处的位置并不适合确定旋臂的结构，目标星距离过于遥远也难以获取高质量光谱，何况银盘内的大量消光尘埃还会成为确定结构的又一重阻碍，因此这一方法的应用非常受限，基本只能在太阳周围4千秒差距的范围内发挥用场。
太阳附近的恒星以及相应的旋臂分布。
4千秒差距还远远不能绘制出完整的旋臂。更远处的结构要通过不受星际尘埃消光影响的氢云21厘米射电谱线来探查。首先需要根据多普勒效应，换算出谱线峰值对应的视向速度，这里每个峰都代表视线方向上穿过的一个云团。有了视向速度之后，可以求出其对应的角速度进而是云团的距离和分布情况。
显然，氢云测旋臂的关键是银河系的自转曲线。这方面的奠基者就是前面提到的Kapteyn。20世纪初，他在大规模研究恒星自行时发现了其中的规律：两组星流朝相反的方向运动，这是银河系自转的第一条证据，最终Bertil Lindblad与Jan Oort在日后确认了自转的存在。
银河系的自转曲线，与经典理论预言的开普勒运动有所偏离，被认为是暗物质存在的一个证据。（图片来源：Astronomy Today）
自转曲线的测量先要借助球状星团确定太阳自转速度以及银心距。银晕中的球状星团轨道比较杂乱，若认为其相对银心整体静止且近似对称分布，只要测量太阳与大量星团的相对速度和距离，就可以导出太阳相对银心的关系了。当然如今也可以借助甚长基线干涉技术为银心直接测距。有了太阳的数据作为参考，再根据对大量中性氢云（适用于太阳以内）或一氧化碳分子云和成协电离HII区（适用于太阳以外）的多普勒测速外加由银纬与距离之间的几何关系（针对氢云）或是分光测距结果（针对HII区）求得的距离，得到的即是整个银河系的自转曲线。
不过使用氢云也有自己的问题。虽然银盘内的天体总的来说是围绕银河系中心公转的，但是自身都具有随机速度，因此对距离的估算存在误差，而且对太阳附近测绘的精度也没有恒星示踪法来得高。这导致各个小组得出的旋臂结构各个不同，其中基本得到公认的是矩尺臂、盾牌—半人马臂、人马臂和英仙臂。太阳不在这4条旋臂的任何一条上，而是位于猎户座的不完整旋臂内。
中性氢21厘米谱线下的银河系，可以描绘出旋臂的走向。图中蓝点表示银心，黄色箭头表示太阳所在，图片下方的空白区域是受到银心阻挡而不可观测的部分。
那么文章开头提到的那张图片又是怎么一回事？那张图的依据又回归到了恒星计数上，涉及上亿颗恒星，在天空中横跨130度的范围，只不过波段换成了尘埃干扰较小的红外。由于威斯康星大学的Robert Benjamin等研究者没有在矩尺臂和人马臂所在的位置找到预期的恒星数量跳变，如此银河系的主旋臂只剩下了两条。剩下的两条被开除的旋臂倒也并非空洞，其中充斥着气体与年轻热星。而主旋臂成分除了这二者之外，还拥有高密度的年老恒星。
这还不算完。回忆一下棒旋星系的外观，旋臂一般是与棒的两端连接的。自从1964年de Vaucouleurs根据HI云的运动方式推测银河系属于棒旋星系之后，有关棒状结构存在的观测证据逐渐浮出水面，其中包括星团、行星状星云、晚型恒星的分布以及核球表面亮度等。20世纪90年代起，大型红外巡天逐渐给出了棒的指向。虽说其具体外观目前仍无定论，不过可以确定的是，恒星计数过后“幸存”的英仙臂以及盾牌—半人马臂恰好位于棒的两端——与大多数棒旋星系相符。
棒旋星系NGC 1365的外观。（图片提供：Anglo-Australian Observatory）
银晕、银盘、核球，测绘银河的故事到这里讲完了没有？显然没有。前面说的只是基本图景，没有讲到银盘的翘曲，没有讲到瓦解的人马座矮星系融入银河系的潮汐流，没有讲到银心景观，也没有讲到环绕在银河之外可能的恒星环，更没有提及的是神秘的暗物质分布还有银河疆域之内普通天体的种种细节。某种意义上说，测绘银河无异于依照有限的信息拼起一副至少在飞出银河系之前永远也拼不完的拼图，真正令人惊讶的则是目前已经揭示出了如此多的事实，并且已经大致给出了银河系的全貌。
参考资料：
[1] Galaxies in the Universe by Sparke & Gallagher
[2] Astronomy Today by Chaisson & McMillan
[3] Galaxy Formation by Longair
[4] http://www.nasa.gov/centers/jpl/news/spitzera-20080603.html
