中外科学家绘制出迄今最精确银河系结构图

银河结构图。郑，马克·里德的照片

最近，中外科学家绘制了银河系最精确的结构图，证实了银河系是一个有四个旋臂的棒状螺旋星系。

银河系的结构是天文学中一个长期未解决的重大科学问题。美国、德国和中国的天文学家牵头建立了一个名为“银河系棒和旋臂结构调查”的重大科学项目，经过十多年的研究，该项目终于被破解。这是人类在了解地球和太阳系后进入巨大银河系的关键一步。

17年后，由美国、德国和中国的天文学家领导的主要科学研究小组绘制了迄今为止银河系最精确的结构图，清楚地表明银河系是一个有四个旋臂的棒状螺旋星系。

哈佛-史密森纳天体物理中心高级天文学家、美国科学院院士马克·里德和南京大学天文与空间科学学院教授郑·共同撰写了《银河系新地平线》，并在最近的《科学美国人》杂志上作为封面文章发表。这项研究是人类在了解地球和太阳系后进入我们居住的巨大银河系的关键一步。

很难在远处观察。

银河系的结构还没有被清楚地看到

银河系的结构是天文学中一个长期未解决的重大科学问题。

早在1785年，英国著名天文学家赫歇尔就首次提出，银河系是由数亿颗恒星组成的平面系统。然而，这个扁星系统的内部结构很久以来都不为人知。

郑解释说，银河系太大了。现代研究表明，它的直径约为10万至18万光年。太阳系远离银河系的中心，它的位置靠近银河的中心。因此，我们看到的所有旋臂都重叠并投射在天球上，无法区分。同时，我们不能离开银河系，在数百万光年之外的太空中回头看银河系，就像“我们不知道庐山的真面目，但我们在这座山上。”

天文学家还发现，如果旋臂上足够多的天体与太阳之间的相对距离可以精确测量，即使天体在银河系内部，银河系的旋臂结构也可以从里到外完全描绘出来。因此，天文学家解决这个难题的唯一方法是找到能够有效勾画银河系结构并精确测量其距离的追踪天体或信标。

然而，致密的尘埃和气体分布在银盘上，严重阻挡了银河系旋臂上天体的光辐射。当人们在没有光污染的草原上仰望天空时，他们可以用肉眼看到银河系中心的一条黑暗带。即使有一个大的光学望远镜，他们也只能看到太阳系周围的天体，太阳系比银河系小得多。这就是为什么光学天文学不能完全探索银河系的结构。

20世纪50年代射电和红外天文学的兴起使对银河系结构的真正广泛而深入的观察和研究受益匪浅。无线电和红外辐射可以穿透银河平面上的致密尘埃，让我们看到银河系边缘的天体。经过近半个世纪的观察和研究，天文学家普遍认为银河系是一个杆状旋转星系。

然而，由于离我们银河系最近的旋臂的距离约为6000光年，因此很难直接准确地测量这些无线电和红外光源之间的距离。天文学家经常使用一些天体物理模型来间接测量他们的距离。现代天文学研究表明，这些间接测量方法存在许多问题。这也导致了银河系结构中一些尚未解决的最基本的问题。

国际合作数据共享

天文学家共同解决难题

为了加深对银河系结构的理解，美国、德国和中国的天文学家在21世纪初领导了一个由8个国家的22名天文学家组成的名为“银河系杆和旋臂结构调查”的大型科学项目，简称贝塞尔计划，以纪念德国天文学家贝塞尔在1938年首次测量恒星之间的距离。

贝塞尔计划使用等效直径超过8000公里的非常长的基线干涉阵列，通过使用几何三角形视差法直接测量大质量恒星形成区域中脉泽源的距离和自运动。为了确定银河系的结构，科学家们希望有一个非常明亮的天体，能够穿透银河系圆盘中的致密尘埃，并测量银河系边缘的结构。这种天体是大质量恒星形成区的脉泽源，是一种明亮温度超过1亿度甚至1万亿度的宇宙激光点源。

从2003年到2019年，贝塞尔的主要研究项目基本完成。该研究小组测量了银盘上163个质量恒星形成区中脉泽源的距离和自运动。结合其他国际团体测量的37个脉泽源，获得了银河系近200个质量恒星形成区的距离和自运动。

“为了测量微波激射源的距离及其自身的运动，一个由地球上10个天线组成的非常长的基线干扰阵列需要在一年中至少观测5次，每次观测时间约为5小时，每小时观测需要约20小时用于数据处理和报告撰写。十多年来，我们贝塞尔研究团队的成员一直在默默地观察和处理数据。”郑介绍，国际团队成员处理的数据都是共享的。

据介绍，研究小组分析并弥补了银盘上大质量恒星形成区螺旋位置分布的突然跳跃和不连续性。最后，根据研究小组测量的大质量恒星形成区域的精确位置，清楚地描绘出四个主要的螺旋臂，即英仙座臂、人马座臂、矩形尺臂和盾形臂。结合红外、一氧化碳和大量年轻天体的观测数据，最终绘制出银河结构图。

在天文学家观察到的宇宙更亮的星系中，螺旋星系约占总恒星系数的80%，而棒状螺旋星系约占螺旋星系的2/3。银河系是宇宙中一个普通的星系，有4个相对对称分布的旋臂。与不规则星系相比，我们的星系是一个拥有对称美丽旋臂的星系。在银河系有几个旋臂的这一天，研究成果彻底解决了文献中长期未能解决的重大科学问题。它为现代天体物理学中具有挑战性的研究课题之一，即银河系甚至星系的形成，提供了重要的观测基础。

银河杆臂结构遗产调查项目提供了太阳系在银河系中的位置和运动的重要信息。主要由中国天文学家对观测和研究结果的分析表明，太阳系不是在四个主旋臂上，而是非常接近一个独立于四个主旋臂的局部旋臂。这个局部旋臂的形状和它丰富而巨大的恒星形成区域可以和其他四个主要的旋臂相似。它可能不是一个孤立的手臂部分，但它最有可能是靠近英仙座和人马座的手臂部分。

接力赛已经产生了许多结果。

促进人才培养和学科发展

中国天文学家在由美国、德国和中国天文学家领导的贝塞尔项目中发挥了重要作用，一半的结果来自中国团队。中国成员来自南京大学、紫金山天文台、上海天文台和国家授时中心。

2003年，中外科学家的合作取得了划时代的成果，这也是贝塞尔计划的开创性工作。2013年，由贝塞尔计划紫金山天文台的研究人员领导的科学研究小组发现并精确测量了离地球最近的银河系的局部臂的形状和运动特性。2016年，紫金山天文台的研究人员徐晔和李晶晶博士发现了一座从本地臂延伸至人马座臂的“桥”，其长度约为1.2万光年。这是银河系中发现的最长的螺旋臂结构。与此同时，结合其他观测证据，他们第一个提出银河系并不像以前认为的那样简单地由宏伟而规则的螺旋主旋臂组成，而是类似于一些星系外的星系，它们有复杂的棒螺旋星系，在主旋臂之间有许多子结构。

截至2019年底，中国天文学家已经观测和分析了贝塞尔计划中163个目标脉泽源中的85个。贝塞尔计划在国际著名的天文学和天体物理学杂志上发表35篇论文，其中16篇由中国天文学家发表。

此外，上海天文台研究员、国家授时中心研究员吴、南京大学研究员博士的观测和研究，都为银河系结构的测绘做出了重要贡献。“参与这一重大科学项目将促进我们超长基线天体测量部门的发展，并培养一批年轻的天文学家来领导国际超长基线天体测量部门。这一基础学科的发展也可能为精密天体测量的实际应用提供技术和方法上的支持。”郑对说道。