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連太陽系都沒出去過的人類,是怎麼知道銀河系的形狀和大小的?
2022/02/09
2022/02/09

關于銀河系是什麼樣子,相信大家都比較熟悉,簡單來講,銀河系是一個棒旋星系,在整體上呈橢圓盤形,具備一個直徑約為10萬光年的盤面結構,其中有四條清晰的旋臂,而我們太陽系就位于其中一條名為「獵戶座旋臂」的邊緣位置(如下圖所示)。

正所謂「不識廬山真面目,只緣身在此山中」,連太陽系都沒出去過的人類,是怎麼知道銀河系的形狀和大小的呢?

想象一下,假如有一個人站在一個視野開闊的位置上,手上還有望遠鏡以及可以測量距離的設備,那他能不能在不移動位置的情況下,畫出他所在區域的鳥瞰圖呢?

答案當然是肯定的,這個人只需要測量出該區域每個景物的位置和距離,再將它們按比例畫出來就行了,如果再花點時間的話,他還可以估算出該區域的面積,甚至進行3D建模。

同樣的道理,宇宙空曠得令人吃驚,銀河系中恒星與恒星的距離都是以多少光年來計算,所以從理論上來講,我們人類在宇宙中的視野也應該是非常開闊的,在這種情況下,我們只需要測量出銀河系中每個天體的位置和距離,就可以建立起銀河系的3D模型,這樣就可以知道銀河系的形狀和大小了。

說起來這個方法其實很簡單,但說歸說,實際做起來可就是另外一回事了,其中的困難之處主要有以下幾點。

一、「銀盤」的遮擋

我們人類所處的位置其實是位于銀河系的「盤面」之上,如此一來,我們的視線就會被銀河系「盤面」上的塵埃和氣體等星際物質遮擋。

上圖是人類用光學相機在地球上不同位置拍攝到的大量真實照片拼接而成的,可以看到,從地球的視角來看,有一大半銀河系(包括銀河系中心區域)都因為星際物質的遮擋而無法觀測到。

二、星際消光

光學望遠鏡對天體的觀測依賴于可見光,然而當可見光在傳播時,會被宇宙空間中的氣體、塵埃等彌漫物質部分吸收和散射,從而造成光度減弱的現象,這種現象被稱為「星際消光」,它會導致光學望遠鏡無法準確測量出地球與目標天體之間的距離。

三、光速和天體運動

由于光速的限制,我們在宇宙中觀測到的天體,其實都是它們過去的樣子,另一方面來講,銀河系中的眾多天體與我們之間的距離有遠有近,並且隨時都在運動,這兩方面的因素疊加起來,就會對我們的觀測造成很大的困擾。

舉個例子,假如恒星A距離我們500光年,恒星B距離我們1000光年,那麼在我們觀測到的恒星A的位置,其實是它500年前所在的位置,而恒星B則是它1000年前所在的位置,這樣就會造成觀測資料與實際情況產生500年的時間跨度,這種情況如果處理不好的話,即使我們能夠準確地測量出銀河系中每個天體的位置和距離,也無法正確描述出銀河系的形狀和大小。

四、銀河系的規模

這個很好理解,銀河系擁有數千億顆恒星,想要精確測量出每一個天體的位置和距離談何容易。

很明顯,既然現在的人類已經知道了銀河系長啥樣,那就說明上述的困難是被解決了的,怎麼做到的呢?對于第一個和第二個困難,科學家們選擇了觀測紅外線波段的電磁波,這是因為紅外線的波長相對比較長,它們可以輕易地穿過宇宙空間中的氣體和塵埃,並且幾乎不會受到「星際消光」的影響。

(圖為在紅外波段拍攝到的銀河系中心區域)

對于第三個困難,則可以通過對目標天體的位置和速度進行長期觀測,根據其在觀測期間的運動狀態,就可以計算出它在過去任意時間點的位置和距離。

至于第四個困難,就只有用時間來進行資料累積了,實際上,我們人類目前並沒有做到「精確測量出每一個天體的位置和距離」,這就意味著,我們所知道的銀河系的形狀和大小,其實是科學家根據已知的觀測資料推測出來的,這與銀河系的實際情況可能存在著一定的差距。

不過從整體上來講,這種差距應該不算大,這主要有兩個原因,一個原因是人類的觀測范圍已經覆蓋了銀河系的大部分區域。

還有一個原因則是,我們可以在宇宙找到合適的參考物,畢竟我們可以直接觀測到銀河系之外的大量星系,通過觀測和研究這些星系的運行規律,再將研究結果應用到銀河系的建模工作中,科學家就可以更加準確地描述出銀河系的形狀和大小。

上圖為哈勃望遠鏡拍攝到的「NGC 7773」星系,該星系距離我們大約4億光年,可以看到,這個星系與我們所知的銀河系非常相似。

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