银河系（棒旋星系）

▌简介

银河系（古称银河、天河、星河、天汉、银汉等），是一个包含太阳系的棒旋星系。直径介于100,000至180,000光年。大约拥有1,000亿至4,000亿颗恒星，并可能有1,000亿颗行星。太阳系距离银河中心约24,000至28,000光年，在有着浓密气体和尘埃，被称为猎户臂的螺旋臂的内侧边缘。在太阳的位置，公转周期大约是2亿4,000万年。从地球看，因为是从盘状结构的内部向外观看，因此银河系呈现在天球上环绕一圈的带状。

银河系中最古老的恒星几乎和宇宙本身一样古老，因此可能是在大爆炸之后不久的黑暗时期形成的。在核心约10京的范围内的恒星形成核球，并有着一或多根棒从核球向外辐射。最中心处被标示为强烈的电波源，可能是个超大质量黑洞，被命名为人马座A*。在很大距离范围内的恒星和气体都以每秒大约220公里的速度在轨道上绕着银河中心运行。这种恒定的速度违反了开普勒动力学，因而认为银河系中有大量不会辐射或吸收电磁辐射的质量。这些质量被称为暗物质。

银河系有几个卫星星系，它们都是本星系群的成员，并且是室女超星系团的一部分；而它又是组成拉尼亚凯亚超星系团的一部分。

▌外观

银河的某些地区可以看作是宽约30度的弧，画过天空的朦胧光带。然而，肉眼在天空各处看见的个别恒星，全都是银河系的一部分。来自这条带状弧上的光，都是源自银河平面上，肉眼不能解析的恒星和其它天体累积的光亮。黑暗的区域，像是大裂缝和煤袋星云，是来自遥远恒星的光被星际尘埃遮蔽的区域。天空中被银河遮蔽的区域称为隐带。

银河有着相对较低的面亮度。它的可见度会被背景光，像是光污染或是来自月球的杂散光，大大的降低。需要每平方秒的亮度比20.2星等更黑暗的天空才能清楚的看见银河。当肉眼可见的极限星等大约在+5.1等可以看见银河，或更好的+6.1等，就可以看见许多的细节。这使得在明亮的都市或郊区很难看见银河，但当月球在地平线下时，在没有光污染的乡村地区看见的银河就非常明显。新的世界地图显示夜晚天空的人造光源亮度，由于光污染的缘故，地球上超过三分之一的人不能在家园看见银河。
从地球观看，银河系可见的盘面区域涵盖的面积包括天空中的30个星座。银河中心是银河最亮的区域，其方向在人马座。从人马座，朦胧的白色光带似乎传递到反银心所在的御夫座。光带然后继续其余的路径回到人马座附近，将天球分成两个大致相等的半球。

银河盘面相对于黄道（地球绕太阳公转轨道的平面）倾斜约60度。相对于天球赤道，它向北远达仙后座，向南则抵达南十字座，显示地球的赤道平面和黄道相对于银河盘面都有很大的倾斜。银河北极位于赤经 12h 49m，赤纬 +27.4°（B1950），靠近周鼎一（后发座β）；银河南极在玉夫座α附近。由于这种高倾斜度，在一年中不同的时间，银河的弧出现在天空中的位置可以很高，也可以在很低。在地球上的北纬65度到南纬65度之间，银河会一天经过观测者的天顶两次。

▌质量和大小

银河系是本星系群第二大的星系，恒星盘面的直径大约100,000 ly（30 kpc），平均厚度大约1,000 ly（0.3 kpc）。作为有形的银河系大小规模比较，如果太阳到海王星的大小相当于25分的美金硬币（24.3 mm（0.955英寸）），银河系的大小则有如美国大陆。荡漾在银河平坦的盘面上下方，像环状细丝包围环绕着银河系的恒星，可能都属于银河系的本身。如果是这样，这意味着银河系的直径在 150,000－180,000光年（46－55千秒差距）。

估计的银河系质量各不相同，取决于使用的方法和资料。最低的估计值范围，银河系的质量是5.8×1011 太阳质量（M☉），略小于仙女座星系的质量。在2009年，使用超长基线阵列发现在银河系外侧边缘的恒星速度达到254 km/s（570,000 mph）。因为轨道速度取决于轨道半径内的总质量，使推测银河系有更大的质量，大约与仙女座星系相当，在距离中心160,000 ly（49 kpc）的距离内，质量是7×1011 M☉。在2010年，测量晕星的径向速度，发现在8,000秒差距内的质量是7×1011 M☉。根据2014年发表的一项研究，银河系的总质量估计为8.5×1011 M☉，这大约是仙女座星系一半的质量。

银河系的许多质量似乎是看不见且形式未知，但能和普通物质有引力交互作用的暗物质。暗物质晕相对均匀的分布至距离银河中心10万秒差距处。银河系的数学模型表明暗物质的质量是1–1.5×1012 M☉。最近的研究表明质量范围可以大到4.5×1012 M☉ ，小到8×1011 M☉。

银河系所有恒星的总值量估计在4.6×1010 M☉ 至6.43×1010 M☉之间。除了恒星之外，还有包括90%的氢和10%的氦组成的星际气体，其中三分之二的氢是原子形式，其余的三分之一是分子氢。这些气体的质量相当于星系恒星总质量的10%至15%。额外的星际尘埃占气体总质量的1%。

▌容量

银河系包含的恒星数量在2,000亿至4,000亿颗之间，还有至少1,000亿颗的行星。确切的数值取决于质量非常低的恒星，这些恒星很难被检测得到，特别是距离太阳超过300 ly（90 pc）的。作为比较，邻近的仙女座星系估计拥有1兆（1012）颗恒星。填充在恒星之间空间的，是被称为星际介质的气体和尘埃盘面。这个盘面的半径至少相当程度的对应于恒星盘面的半径，而气体层的厚度从冷气体的数百光年至热气体的数千光年。

在银河系的恒星盘面，没有在之外就没有恒星的明确边界。相对的，恒星的密度随着与银河中心距离的增加而递减。大约在距离中心40,000光年（13,000秒差距），每立方秒差距的恒星数量掉落得比半径的增加还快，而其原因还不了解。环绕在星系盘面周围的是球状的星系晕和恒星组成的球状星团，并进一步的向外延伸，但大小受到两个银河的卫星星系，大、小麦哲伦云的限制，它们的最接近银河中心的距离大约是180,000 ly（55 kpc）。因此，这些物体可能是从银河系的附近被逐出的。综合银河系的绝对视星等被估计大约是 -20.9等。

经由微引力透镜和观测行星凌日，显示在银河系内的恒星有许多有多颗行星，微引力透镜的测量更显示不被绑定的流浪行星比绑定行星的宿主恒星还要多。银河系的每颗恒星至少拥有一颗行星，就会有1,000亿至4,000亿颗行星；依据开普勒太空望远镜在2013年1月的研究，显示开普勒32有5颗行星。分析开普勒在2013年1月的不同资料，估计在银河系中至少有170亿颗地球大小的系外行星 。在2013年11月4日，天文学家报告，基于开普勒太空望远镜的资料，在银河系的类太阳恒星和红矮星的适居带内，可能有多达400亿颗地球大小的行星环绕着。估计可能有110亿颗行星环绕着类似太阳的恒星运行。2016年的研究显示，最接近的这类行星可能就在距离4.2光年之处。类似地球大小的行星可能比气态巨行星更多。除了系外行星，也发现了在太阳系之外系外彗星，彗星在银河系中可能也很常见。

▌银心

太阳距离银心约25,000－28,000 ly（7.7－8.6 kpc）。这个值是以几何为基础的方法，通过测量标准烛光天体，用不同的方法得到这些范围近似但不同的数值。在内部的数千秒差距（大约10,000光年的半径）是非常老的恒星密集区，大致成为球形，被称为核球。由于先前的星系碰撞和合并，它曾经被认为没有核球，取而代之的是由核心棒形成的假核球。、

银河系的中心被标示为称为人马座A（显著的人马座A星）的强烈电波源。以人马座A为中心，围绕着的天体运动规律显示该处有个大质量的致密天体。这种质量集中的最好解释就是存在着超大质量黑洞（SMBH，supermass black hole），估计它的质量介于410–450万太阳质量。 超大质量黑洞的吸积率符合估计值量约1×10−5 M☉ y−1的非活跃星系核。观测显示多数的正常星系中心附近都有超大质量黑洞。

银河系棒的性质被积极地讨论著，估计她的半长度是1至5 kpc（3,000－16,000 ly），而与从地球观察银河中心的视线方向呈现10-50度的角度。某些作者主张银河系有两根鲜明的棒，另一根位于其他的方向。然而，天琴座RR型变星的观测未能检出明显的棒状结构。棒可能被一个包含银河系很大部分氢分子，称为”5-kpc环”的环包围着。从仙女座星系观察，这个环会是银河系最明亮的特征。来自核心的X射线辐射与包围着棒的大质量恒星和银河脊有着一致的方向。

在2010年，使用费米伽玛射线太空望远镜的资料发现有两个巨大辐射高能量的球形气泡，分别位于银河核心的南部和北部。每个气泡的直径大约25,000光年（7.7千秒差距）；它们在南半球的夜空中延伸至天鹤座和室女座。之后，帕克斯天文台在电波频率上的观测确定费米气泡的极化和相关联的排放。 对观测的最佳解释是银河系中心640 ly（200 pc）的恒星形成驱动磁化流导致的。

后来，在2015年1月5日，据NASA报导，观测到一道来自人马座A的强烈X射线闪焰，比平时亮了400倍。这不寻常的事件可能是有一颗小行星落入黑洞中，或是人马座A的气流扰动造成磁场线的纠缠造成的。

▌银晕

银河的盘面被一个球状的银晕包围着，估计直径在250,000至400,000光年。由于盘面上的气体和尘埃会吸收部分波长的电磁波，所以银晕的组成结构还不清楚。盘面（特别是旋臂）是恒星诞生的活耀区域，但是银晕中没有这些活动，疏散星团也主要出现在盘面上。

银河中大部分的质量是暗物质，形成的暗物质晕估计有5.8×1011M☉，以银河为中心被聚集著。

新的发现使我们对银河结构与维度的认识有所增加，随着发现仙女座星系（M31）的盘面比以前想像的更远，银河系盘有向外延伸的可能性显而易见。这可由最近新发现的证据支持 : 外环是由天鹅臂延伸出去的。人马座矮椭球星系的发现，与在环绕着银极的轨道上的星系碎片，说明他因为与银河的交互作用而被扯碎。同样的，大犬座矮星系也因为与银河的交互作用，使得残骸在盘面上环绕着银河。

在2006年1月9日，Mario Juric和普林斯顿大学的一些人宣布，史隆数位巡天在北半球的天空中发现一片巨大的云气结构（横跨约5,000个满月大小的区域）位在银河之内，但似乎不合于目前所有的银河模型。他将一些恒星汇聚在垂直于旋臂所在盘面的垂线上，可能的解释是小的矮星系与银河合并的结果。这个结构位于室女座的方向上，距离约30,000光年，暂时被称为室女座星流。

在2006年5月9日，Daniel Zucker和Vasily Belokurov宣布史隆数位巡天在猎犬座和牧夫座又发现两个矮星系。

▌年龄

依据欧洲南天天文台研究报告，估计银河系年龄约为136亿岁（1.36×1010年），几乎与宇宙一样老。

由天文学家Luca Pasquini、Piercarlo Bonifacio、Sofia Randich、Daniele Galli以及Raffaele G. Gratton所组成的团队在2004年使用甚大望远镜的紫外线视觉矩阵光谱仪进行的研究，首度在球状星团NGC 6397的两颗恒星内发现铍元素。这个发现让他们将第一代恒星与第二代恒星交替的时间往前推进了2至3亿年，因而估计球状星团的年龄在134±8亿岁，因此银河系的年龄不会低于136±8亿岁。

▌银河系邻居

银河、仙女座星系和三角座星系是本星系群主要的星系，这个群总共约有50个星系，而本星系群又是室女座超星系团的一分子。

银河被一些本星系群中的矮星系环绕着，其中最大的是直径达21,000光年的大麦哲伦云，最小的是 船底座矮星系、天龙座矮星系和狮子II矮星系，直径都只有500光年。其他环绕着银河系的还有小麦哲伦云，最靠近的是大犬座矮星系，然后是人马座矮椭圆星系、小熊座矮星系、玉夫座矮星系、六分仪座矮星系、天炉座矮星系和狮子I矮星系。

在2006年1月，研究人员的报告指出，过去发现银河的盘面有不明原因的倾斜，现在已经发现是环绕银河的大小麦哲伦云的扰动所造成的涟漪。是在她们穿过银河系的边缘时，导致某些频率的震动所造成的。这两个星系的质量大约是银河的2%，被认为不足以影响到银河。但是加入暗物质的考量，这两个星系的运动就足以对较大的银河造成影响。在加入暗物质之后的计算结果，对银河的影响增加20倍，这个计算的结果是根据马萨诸塞大学阿默斯特分校马丁·温伯格的电脑模型完成的。在他的模型中，暗物质的分布从银河的盘面一直分布到已知的所有层面中，结果模型预测当麦哲伦星系通过银河时，重力的冲击会被放大和加重。

▌穿过空间速度

一般而言，根据爱因斯坦的狭义相对论，任何物体通过空间时的绝对速度是没有意义的，因为在太空中没有合适的惯性参考系统，可以作为测量银河速度的依据。

因为各向宇宙微波背景辐射非常的均匀，只有万分之几的起伏，所以乔治·斯穆特想到一个方法，就是测量宇宙微波背景辐射有没有偶极异向性。

在1977年，美国劳伦斯伯克莱国家实验室的乔治·斯穆特等人，将微波探测器安装在U-2侦察机上面，确切地测到宇宙微波背景辐射的偶极异向性，大小为3.5±0.6 mK，换算后，太阳系在宇宙中的运动速度约为390±60 km/s，但这个速度与太阳系绕行银河系核的速度220 km/s方向相反，这代表银河系核在宇宙中的速度，约为600多km/s。

有鉴于此，许多天文学家相信银河以每秒600公里的速度相对于邻近被观测到的星系在运动，大部分的估计值都在每秒130～1,000公里之间。如果银河的确以每秒600公里的速度在运动，我们每天就会移动5,184万公里，或是每年189亿公里。相较于太阳系内，每年移动的距离是地球与冥王星最接近时距离的4.5倍。银河在空间中运动的方向是指向长蛇座的方向。

▌银河系的未来

目前观测认为仙女座星系（M31）正以每秒300公里的速度朝向银河系运动，在30-40亿年后可能会撞上银河系。但即使真的发生碰撞，太阳以及其他的恒星也不会互相碰撞。这两个星系可能会花上数十亿年的时间合并成椭圆星系。而来自美国天文台的发现，史密斯云的边缘已经与银河系的气体发生作用并推开围绕银河的气体。银河系会对它施加一个潮汐力，使其分裂。大约2千万至4千万年之后，史密斯云的核心将会撞击银河系圆盘。