“天河夜转漂回星,银浦流云学水声” ——迢迢银河承载着人类永恒的浪漫想象。近日，在著名杂志《科学美国人》的封面上，迄今最精确的银河系结构图震撼亮相，它清晰地展示银河系是一个具有四条旋臂的棒旋星系，彻底解决了银河系究竟有几条旋臂这个天文学中长期悬而未决的重大科学问题。

人类是如何知晓银河系的真实样貌的？《科技周刊》记者采访了南京大学天文与空间科学学院郑兴武教授，此次公布的银河系结构图是他和美国哈佛-斯密松天体物理中心资深天文学家M.里德及德国马普射电天文研究所K.门滕教授所领导的国际团队历时15年研究的重大成果。

四条旋臂的棒旋星系

有姐妹星系“撞脸”

夏季旷野，一条白茫茫的光带横跨星空，气势磅礴，这是置身其内的人们眼中的银河，只是银河系的一小部分。

如果在太空中俯视银河会是怎样的？从结构图上看，银河系更像是一个巨大的“旋涡”，又像是一只“四爪鱼”。

郑兴武介绍，我们的银河系是属于典型的棒旋星系，“在图中橄榄形状的是银河系棒，是老年恒星聚集度很高的区域,这些恒星的辐射主要集中在红外波段。而星系棒的两端，分别伸出两条旋臂，非常像台风气旋，这四条旋臂分别是英仙臂、人马-船底臂、矩尺臂和盾牌-半人马臂，实际上是银河系年轻天体聚集的地方，它们年轻有活力，发射出紫外光，如果你能离开银河系，到几千万光年的宇宙回眸我们居住的银河系，看到的银河系旋臂都偏蓝。”

在浩渺宇宙中，银河系是一个很普通的星系。郑兴武说，根据观测，人们已在宇宙中观测到千亿个星系，星系按形状分成椭圆星系、旋涡星系和不规则星系，旋涡星系又分为正常旋涡星系和棒旋星系两族。“棒旋星系是一个‘大家族’，银河系是这个大家族中的普通一员，但是它看起来匀称而美丽。到目前为止，在宇宙中发现一个形状看起来非常像银河系的星系，我们称它们是星系双胞胎。”

“银河系是一个扁盘状的由许多许多恒星组成的系统，其形状有点像体育运动用的铁饼，是中心厚一点、两边慢慢变薄的扁盘。”郑兴武告诉记者，我们所居住的太阳系，非常靠近扁盘对称面的附近，根据观测，太阳距对称面垂直距离约为20光年，比以前的估计值82光年要小。

而从俯瞰的结构图来看，太阳离银河系中心距离很远，为26000光年，绕银心旋转速度为236千米/秒，即太阳绕行一周大约要2.12亿年。

此外，我们居住的太阳系不在四条主旋臂上，非常接近于独立于这四条主旋臂的一条本地臂（Local Arm）上。这条本地臂位于英仙臂和人马-船底臂之间，长度约为20000光年，比以前估计的要大得多。它的形状和包含丰富的大质量恒星形成区可与其他4条主旋臂类比。

不识银河真面目

只缘身在此“河”中

银河系直径估计约为10万至18万光年，对于人类来说，银河系大到超出想象。就算有光速火箭，那么穿越银河系也需要10多万年的时间，人类显然无法跳出银河系，垂直去观察银河系的全貌。

虽然无法直接观察，但这本身并不妨碍我们认识银河，只要能精确地测定旋臂上足够多的天体到太阳的距离，完全能从内到外勾画出银河系的旋臂结构。

了解银河系真实样貌的困难，还在于银盘上分布的浓密的尘埃气体。“就像沙尘暴一样，把你的眼睛给遮住了。”

郑兴武说，我们的太阳系除了离银河系中心很远之外，位置却接近银盘中心平面，“在这里，一方面我们所看到的旋臂都会重叠投影在天球上而无法分辨，即使使用大光学望远镜也只能看清银盘上离太阳不远的天体，这远远小于银河系的大小。正所谓‘不识庐山真面目，只缘身在此山中’。”因此，人们真正广泛深入地观测和研究银河系的结构得益于20世纪50年代射电和红外天文学的兴起。射电和红外辐射能穿透银道面上浓密的尘埃，让我们直达银河系的边缘。

天文学家用射电和红外望远镜还发现，银河系旋臂上的大质量恒星形成区中除了有光学辐射的天体之外，还有更多的、在光学不可见的射电和红外天体以及孕育它们的分子气体和尘埃，它们都可以作为银河系结构的示踪天体。

“打个比方说，你困在一个房间里，永远不知道外面的房子是什么形状、结构和性质，也不知道有多少个房间。但你可以从窗子眺望外面各种各样美丽的建筑。”郑兴武介绍，我们可以采用几何三角视差方法直接测量大质量恒星形成区中很多很亮的射电源，这些射电源叫脉泽，通俗称它们是宇宙激光源，其亮温度超过亿度、甚至万亿度。它们可以作为决定银河系结构的示踪天体。这“如同我们居住的屋檐和各个房间的墙沿都有明亮灯泡，在精确测出每个屋檐和墙沿灯泡的距离之后，就可以把房子的骨架，也就是银河系的结构测绘出来”。

跨越8国历时15载合作

认识宇宙需代际接力

“通过观测恒星形成区的脉泽辐射，提供了新的有效的测定天体距离的方法。” 郑兴武表示，这种测量天体距离方法的关键，在于测量要达到极高的精度。

甚长基线干涉（简称VLBI）的测量方法，在上世纪进入了天文研究者的视野。它允许用多个小射电望远镜综合成一个口径超大的射电望远镜，这些小望远镜同时观测一个天体，模拟一个大小相当于望远镜之间最大间隔距离的巨型望远镜的观测效果。

早在1988年，郑兴武就于国内《天文学进展》期刊发表了题为《用VLBI测定水脉泽源的距离》的文章。他提到，“VLBI 高分辨率和高精密天体定位将使天体测量学和大地测量学面临着一次飞跃。”

2003年，徐烨、郑兴武、里德、门滕等联合利用甚长基线干涉技术，首次成功地精确测量了距离我们6430光年的英仙臂大质量恒星形成区W3OH中甲醇(CH3OH)脉泽源的三角视差和自行，这是有史以来对如此遥远的天体精度最高的距离测量。这项工作预示了直接测量银河系旋臂结构和运动的可行性。该成果在2006年1月以封面论文在《科学》上发表，是促成贝塞尔计划的开创性工作。

21世纪初，由中国（6位）、美国（3位）、德国（3位）、意大利（3位）、荷兰（3位）、韩国（2位）、日本（1位）和波兰（1位）共8个国家22位天文学家筹划建立了“银河系棒和旋臂结构遗珍巡天”（简称BeSSeL），即“贝塞尔”重大科学计划。

“贝塞尔”计划破例获得美国甚长基线干涉阵（Very Long Baseline Array，简称VLBA）5000小时的观测时间，成为美国国立射电天文台的重大项目。郑兴武说，这5000个小时的观测，需要至少1亿美元的支出。

“VLBA是一个望远镜阵列，由10台几乎一模一样的口径为25米的射电望远镜组成，同时观测同一目标时，采用特殊的数据处理方法，其空间分辨本领类似于一个口径为8600公里的巨型望远镜。” 郑兴武介绍，这样的望远镜，其分辨率可以达到身处地球的你能分辨月亮上一元硬币的正反面。

目前，研究团队共精确测量位于银盘上近200个大质量恒星形成区的距离和自行，得到银河系旋臂的结构、太阳系的位置以及它绕银河系中心旋转的速度，绘制出尺度为10万x10万光年的全新银河系结构图，南天“贝塞尔”国际重大科学计划顺利完结。

计划的完结，并不意味着对探索的终结。宇宙无涯人生有涯，对宇宙的认识需要代际接力。最令郑兴武欣慰的是，“贝塞尔”重大科学计划，助推了我国甚长基线天体测量学科的发展，培养了年轻天文学家。截至2019年底，在贝塞尔计划的163个目标脉泽源中，来自南京大学、紫金山天文台、上海天文台和国家授时中心的中国天文学家观测分析了其中85个源。

郑兴武介绍，天文学家们已经将目光投向平方公里射电阵（Square Kilometre Array，缩写为SKA)，这个始于1993年的项目，预计于2024年前后完成。“我们对银河系的认识还远远不够，包围在银河系100万光年区域外的银河系结构，以及位于南半球的SKA观测银河系，会对银河系结构有什么新的发现，都有待年轻天文学家们的继续奋斗。”

本报记者 杨频萍