银河系从“二环”扩建到“五环”啦

作者:刘超，中国科学院国家天文台研究员。北京大学计算机科学系硕士，中国科学院国家天文台博士。曾在德国马克斯普朗克天文研究所从事博士后研究，参与欧洲空间局Gaia项目研究。2012年回国后，主要使用LAMOST巡天数据开展星系动力学、银河系、星际消光和恒星等方面的研究。

李双 ，中国科学院国家天文台工程师，现任国家天文台LAMOST运行和发展中心宣传主管。

千年之前，宋代词人秦观夜观星空，看到夜空中明亮的牛郎织女星，为淡淡的银河相隔。触景生情，写下了后世广为流传的“纤云弄巧，飞星传恨，银汉迢迢暗渡”。时光辗转，秦观之后千年，人已不同，但景依旧。夏末秋初的晴朗夜晚，每每举头仰望，银河依旧高悬。

尽管银河依旧，然而我们对于银河的认识在这千百年间已经发生了巨大的变化。古有银河为王母娘娘金簪化银河的说法，而如今，银河乃为众多恒星聚集而成的认识早已深入人心。

后者的认识最早可以归功于意大利的科学家伽利略。四百多年前，伽利略第一次将望远镜指向天空，将淡淡的银河分解成众多恒星的时候，才意识到银河是一条由无数恒星组成的“无水河流”。

图1 赫歇尔手绘的银河系结构

银河在整个星空中呈现怎样的结构呢？两百年前，天王星之父赫歇尔通过天文望远镜将天上的星星数了一遍，有些地方星星多，有些地方星星少，而且绝大多数星星都集中在一个扁平的盘状区域里，这就是我们的银河系。

尽管我们身处在银河系之内，但却不能识其庐山真面目。我们的银河系到底有多大？我们的太阳系到底处在银河系的“二环”边上还是“五环之外的郊区”？科学家们在探索这些问题的路上从未停止过脚步。

在过去的几十年当中，天文学家普遍认为银河系的半径约为5万光年，它的中心附近存在一个棒状结构，外面呈现盘状结构（银盘）、四周被较稀疏的恒星包裹（银晕），太阳距离银河系中心约为2.5万光年。

之前人们认为银盘在距离银河系中心约5万光年处有一个清晰的边界，在这个边界处银盘恒星的数目骤然下降，如同银盘在此处被切割掉。

图2 银河系示意图 （来源https://www.davidreneke.com/）

但是近年来，一些观测在这个边界之外陆续发现一些属于银盘的年轻恒星，这似乎暗示银盘的边界应该更大。

要证实这点还需要对更多、更远的恒星进行统计。因此，直到LAMOST这样能够获得数百万条恒星光谱数据的项目出现，才真正意义上开启了精确研究银河系结构和演化的新篇章。

LAMOST是大天区面积多目标光纤光谱望远镜的英文缩写，位于国家天文台的兴隆观测站。它能够对4000个天体同时进行观测，是目前天体光谱观测效率最高的望远镜之一。

到目前为止，LAMOST望远镜已经成功“捕获”了900万余条恒星的光谱数据，建成了世界上最大的恒星光谱库，这些数据正助力天文学家逐步揭开银河系的神秘面纱。

利用这些大样本恒星数据开展细致地数据筛选和严谨地统计分析则是探索银河系真面目的至关重要一环。

图3 银河下的郭守敬望远镜 陈颖为拍摄

2017年底，国家天文台刘超研究员等率先利用LAMOST数据向传统认知发起挑战，通过应用复杂统计手段精确清点银河系外围恒星的数目，他们成功绘制出银盘外围的空间结构剖面图（见图4）。

从图中可以看出，银盘的恒星数目虽然在随着银盘半径减少，但并没有在5万光年处停下来，而是一直延伸到距离中心6.2万光年处（图中红色和白色的区域是银盘，蓝色是银晕）。这比教科书上一直以来引用的半径大了约四分之一！

图4 银盘外围的空间结构剖面图

在此结果之后，由西班牙加那利天体物理研究所（IAC）马丁·洛佩兹-科雷多伊拉博士和中国科学院国家天文台王海峰博士、刘超研究员等人组成的国际研究团队又进一步利用LAMOST和SDSS获取的海量恒星光谱，再次改写了银盘尺寸，发现包含了银河系中大多数恒星所组成的盘状结构可能比天文学家之前认为的大很多，半径可能达到约10万光年，这意味着我们所在的“家园”——银河系的疆界比之前认识的又有了很大拓展。

图5 人们认识的银盘大小的变化（示意图）  制图：元博

天文学家如何能发现并确认银河系有着如此遥远的领地呢？在已获取的LAMOST和SDSS恒星光谱数据中，越遥远的地方能被采样的恒星就会越少，很难再用统计的方法清点银河系外围的恒星数目。

可这难不倒我们聪明的天文学家，他们另辟蹊径，对少数遥远恒星进行分析，发现有相当比例距离银河系中心约10万光年处的恒星仍拥有银盘恒星的“家族特征”（金属成分较高，天文学家通常把除了氢和氦以外的所有元素都叫“金属”）。

这就确认了银盘的边界足足扩展到了10万光年。

这项新研究提供了有关银盘恒星构成的新认识，以及银河系尺寸更为精确的数据测量。银河系尺寸的不断改写促使天文学家重新审视星系形成及宇宙演化的一般规律。

英国诗人约翰·济慈曾经沉醉于彩虹的炫目色彩， 在牛顿把彩虹还原成了三棱镜下的光谱时，他非常失望恼火，认为牛顿完全破坏了彩虹的诗意。

他在长诗《拉米亚》中写道：“天空中曾有一道令人敬畏的彩虹，我们知道了它的质地、它的纹理，它就被归入单调无聊的平常俗物。”

其实那是因为济慈没有理解科学之美。

如今，银河早已不是当初传说的金簪，而是众多恒星的集合。我们不仅感叹银河横跨时空的宏大和广漠，更是感叹千亿恒星在宇宙规律驾驭下所表现出的结构之美。它们背后还有很多秘密等待我们去发现、去探索…