不离开银河系，怎么知道银河系的形状？看完之后恍然大悟
不识庐山真面目，只缘身在此山中——苏轼
引言
哈喽伙伴们，时隔多日，我们的【科学有道理】栏目又回来了！在以往的几期节目中，我们介绍了科学家研究宇宙的方法，还讲了不离开地球就判断地球是球形的方法。
（图片说明：横亘于夜空中的银河系，它到底是什么形状的呢？）
其实类似的问题不止这一个，早在近900年前，宋朝文学大师苏东坡就说过：“不识庐山真面目，只缘身在此山中。”我们之所以很难理解所处的环境究竟是什么样的，是因为我们没有跳出环境，以客观的视角来看，最终难免盲人摸象，这也就是所谓的“当局者迷”。同样的，我们从来没有离开过银河系，又怎么知道银河系是漩涡状的呢？
今天，咱们就来讨论讨论这个话题。
古人的浪漫猜想
（图片说明：古人用神话来描述无法解释的现象）
实际上，关于银河系的形状，说起来还蛮有意思的，因为我们要从神话说起。我们都知道，中国古人认为夜空中那一条明亮的银河是神界的天河，所以才有了这个名字；希腊人更加浪漫，认为那是一条流淌着牛奶的路，所以称之为Milky Way。
这，就是人类对于银河形状的最初认识。
（图片说明：哥白尼）
到了16世纪，有一个人横空出世，他就是哥白尼。他发现，天上的星星并不是全都绕地球公转的，并由此提出了日心说。虽然日心说只有一部分是正确的，但现代天文学由此建立，人们也不再仅仅通过神话和宗教来解释星空。当日心说逐渐被人们接受时，银河系的概念也发生了改变。
但是，人们仍然没有真正认识银河系，他们相信，银河系就是整个宇宙。而银河系形状的问题，也就随之而来了。
银河系地图绘制的初尝试
（图片说明：壮美的银河拱门）
18世纪末，英国天文学家威廉·赫歇尔（也就是发现天王星的那位）通过对星空的观测，尝试对银河系的形状进行描绘。他将望远镜对准了夜空中不同的方向，观测天体的数量，默认天体多的位置本就有更高的天体密度，据此来绘制银河系的形状。
显然，由于当时观测技术有限、恒星距离测量的方法也并没有被系统地建立起来，所以赫歇尔画出来的银河系形状非常诡异。1785年，他在英国皇家学会的《哲学交易》上发表了自己绘制的银河系形状，大概就是这个样子——
（图片说明：赫歇尔绘制的银河系形状图）
看得出来，这根本就看不出来是银河系……
赫歇尔的错误是不可避免的，因为当时的技术非常有限。而且，人类对于宇宙和银河系的认知还不完整。所以我们完全没有必要喷他，因为这是人类第一次尝试系统地描述银河系的形状，而且虽然当时的科技水平有限，但赫歇尔的方法是在今天指导我们描绘银河系的重要依据。
直到20世纪20年代，又一位颠覆人类对宇宙认知的人出现了，他就是埃德温·哈勃。
（图片说明：里程碑式天文学家埃德温·哈勃）
星系天文学的建立
在那个时候，天文学界已经针对银河系是不是整个宇宙的问题吵得不可开交，而哈勃正式结束了这场争辩。他利用红移的方法测定了仙女座大星系和M33星系的距离，发现这两个数字远远超过了银河系的半径，这意味着它们不可能位于银河系内部。也就是说，在宇宙中，银河系只是无数星系中普通的一个而已。
（图片说明：著名的哈勃太空望远镜，就是根据哈勃命名的）
哥白尼建立了现代天文学，哈勃建立了星系天文学，他们都是人类天文学史上的里程碑。因此，NASA才将最著名的太空望远镜命名为哈勃太空望远镜。
不仅如此，哈勃还对这些河外星系进行了更加广泛的观测。他发现，很多星系的形状都是比较相似的，有的是漩涡状，有的是椭圆状，还有一些是比较混乱的形状。由此，他建立了至今仍被使用的对于星系的哈勃分类法，将星系分类为漩涡星系、椭圆星系和不规则星系。
这就为我们推测银河系形状提供了极其重要的借鉴。
（图片说明：哈勃星系分类法）
在没有镜子的时代，一个人看着自己所有的家人，也能知道自己的眼睛上有眉毛，眉毛上有额头。同样的道理，我们有理由相信，银河系正是属于这3种星系形状中的一个。所以，接下来的问题就是：我们到底属于哪一种呢？
这就需要天文学家给银河系绘制地图了。
现代银河系地图
如果简单一点说，这就有点类似于古代人画地图一样，把各个标志性的位置标注出来，记录其方向和距离，最终绘制成一张完整的地图。只不过，在推测银河系形状的时候，我们要做一个三维的地图。
说起来，这个方法和赫歇尔当初的方法也没什么区别。但是由于我们有了其他星系的形状做借鉴，又有了更加科学的计算天体距离的方法，所以这样绘制的银河系就相对精确得多了。
关于如何测量天体距离的方法，我们在以往的【科学有道理】栏目中已经介绍过了，在此就不赘述了。总之，通过这样的方式，天文学家们绘制出了这样的银河系形状。
科学家指出：银河系的形状属于哈勃分类法里的漩涡星系，呈扁平状，中间略鼓，形似荷包蛋。
（图片说明：银河系的旋臂，可以看出我们的太阳系仅仅位于一条支臂上）
它有4条主旋臂，大部分天体都集中在这些旋臂上。我们太阳系并没有位于主旋臂上，而是在一条支臂上。这条支臂叫做猎户座旋臂，也叫本地臂（Local Arm），距离银河系中心大约2.5万光年。它的中心是一个超大质量黑洞——人马座A*，质量约为太阳的400万倍。整个银河系的直径大约是10万光年，包含着2000-4000亿颗恒星。
这就是我们第一次通过比较系统的方法认识了我们所处的银河系，也解答了人类几千年来的疑问。可是，这就是最后的答案吗？
（图片说明：艺术家绘制的从北天极俯视银河系的形状）
银河系的新认识
更大的尺寸
实际上，人类对于银河系的认知，仍然还在不断修正的过程中。随着我们对宇宙观测的越来越深入，科学家认识到的银河系边缘也越来越远。
（图片说明：郭守敬望远镜）
2008年，我国的郭守敬望远镜（LAMOST）竣工，开始了历时十年的巡天观测。结果发现：在原本以为是银河系边缘的位置，它并没有像预想中那样发现恒星数量的减少。至少在6.2万光年以外，还有新的恒星在不断诞生。
除此之外，国外科学家也有了类似的发现，这些发现都暗示我们：银河系远比想象中更大。目前来说，我们认为银河系的直径至少有15万光年，甚至可能达到20万光年，比几十年前的认知要大了一倍。
费米气泡
2003年，美国天体物理学家道格拉斯·芬克拜纳正在利用望远镜观测宇宙时，发现经常有一些干扰信号影响他的观测。他按照正常的流程调整望远镜，试图去除掉这些噪音，却发现始终无法有效地排除这些干扰。
直到2009年，当天文学家利用费米伽马射线空间望远镜进行观测的时候，才在伽马射线范围内观测到了这个信号的边界。最终他们确定，这个信号来自于银河系核心，其两侧分别有一个延伸了2.5万光年的巨大气泡形结构，并且命名为费米气泡。由于它发出的信号不是在可见光范围内，所以始终没有被我们发现。
弯曲的银河
即使是在可见光范围内，银河系的形状也超出了我们的想象。
当天文学家统计已发现的银河系天体，并且对其距离、方向进行判断的时候，发现银河系天体并不是高度集中在一个平面上的，而是呈现出弯曲的形状。在距离银河系中心比较近的位置上，我们观测不到这样的变化，但是在银河系边缘，这种弯曲就相当明显了。大约在距离中心6万光年的位置上，恒星偏离银道面达4500光年。
据此，科学家绘制出了新的银河系侧面图。看得出来，这样的银河系像是一个吧椅座位的形状，非常有趣。
（图片说明：我个人根据网络图片通过PS合成的银河系新形状）
最完整的银河系地图
当然，如果你非要说科学家只是猜的，我也没有什么办法反驳你。只能说，科学家猜测的科学性比你想象的要高得多，因此这个猜测基本上不太可能是假的。
另一方面，从科学的严谨性角度来说，继续验证这些猜测，不断完善我们建立的银河系模型，也是科学家们孜孜不倦所追求的目标。为此，他们发射了一个又一个的探测器，不断丰富我们对银河系的认知，尝试构建更加精确的银河系形状和更加完整的银河系地图。
（图片说明：盖亚卫星）
2013年12月19日，欧洲航天局的盖亚卫星带着它的使命发射升空。它的目标，是对银河系内数以十亿计的恒星进行观测。它的观测内容不仅仅是这些恒星的方位和距离，还有它们的运动模式。也就是说，它不仅仅可以帮助我们绘制现在眼中能看到的银河系形状，还会告诉我们它未来会变成什么样子。虽然不太准确，但是从某个角度来说，它也引入了时间这个维度，为我们绘制了一幅4D的银河系形状。
2016年2月的时候，盖亚卫星团队就公布了一张像素高达1.87亿的银河系图像。在看之前，记得给你的手指做一做准备运动——
当然了，你可能已经发现了，盖亚卫星观测到的恒星数量只有十几亿颗，而银河系内的恒星数量很可能有2000亿到4000亿颗。也就是说，尽管它已经如此强大，却只观测了不到1%的银河系。
因此，我们对于自己的银河系，的确还只有非常有限的了解。随着我们的科技不断发展，观测能力的不断提升，银河系的形状也将越来越清晰、完整、准确地展现在我们的面前。人类对银河系的认识史，也代表着人类天文观测的发展史。从天河到星系，我们已经大大地改变了对银河的认知。谁知道呢，没准未来的某一天，我们还要以更加无法想象的方式，重新认识这个星系呢！