银河系有多大?

直径大概是13万光年,太阳距离银河系的中心是两万七千光年。 那么现代生活里头，我们生活在城市里的人已经很少能够欣赏到银河的美景了，因为城市里头，实际上看到的是灯河而不是星河。现在看星河必须到郊区去、或者到一些山区去，那么就看得非常好了。那么我现在给大家看一张图，这张图就是牛郎织女隔河相望的图，那么这条“河”是什么“河”呢？这条“河”就是银河。只要有牛郎织女这个故事的存在，那么就是有银河的认识。我们可以看到在夏季的星空里头，在天空有一道很亮的光带。那么对于这样一条银河，它究竟本质上是什么东西呢？什么时候才揭开这个谜呢？这是要等到1610年的时候，就是伽利略发明了望远镜，他用他的望远镜第一次指向天空的时候，他就把它指向了银河。我们在看到这条银河的时候，你有没有想过说是我能把它想像成什么？确实不是很容易，你得好好想一想。说怎么就会形成这么一条银河呢？那么英国有一个天文学家叫莱特，他想像这个宇宙是一个球，在球上这个星风是不均匀的。就是在球上的一条带上，恒星比较聚集，而球的中间，就是我们地球。那么这样大家可以想像，从地球看上去，你看到球上面就有一条星带，所以在不同季节你都可以看到这条银河，这样的话他构造出这么一个宇宙来，这是在1750年他发表了这么一篇论文。 但是5年以后有一个哲学家叫康德，康德他不同意莱特这个观点。他认为银河系应该是像一个铁饼的形状。那么赫歇耳就要来分析这样说是不是正确的。赫歇耳做的工作是用望远镜来数星星，大家知道在望远镜里头看到的星星太多太多，那么赫歇耳数了多少呢？17万多颗星，真是一个非常辛苦的工作。他做了很多年，怎么做呢？他把天空划分为三百多个区，他在这三百多个区里头，每一个区他来数这个区有多少星。这个区是被四周围围着，就是四个方向都有，各个方向都有。那么这样计算出来以后他就可以构建一个银河系的模型，这个时候经过这么辛勤的工作，那么赫歇耳构造出银河系的模型。也就是到了1785年这样一个时候，真正是从银河，就是从河流这个概念变成了一个系，就是恒星所组成的一个系统。那么这个系统呢，就是我们今天所要给大家讲的，就是银河系其实认识的过程是挺不容易的，我们从想像一个美丽的传说到真正变成一个恒星的系统，中间几乎经过两千多年，我们才走到这一步。 (全文) 那么现代生活里头，我们生活在城市里的人已经很少能够欣赏到银河的美景了，因为城市里头，实际上看到的是灯河而不是星河。现在看星河必须到郊区去、或者到一些山区去，那么就看得非常好了。那么我现在给大家看一张图，这张图就是牛郎织女隔河相望的图，那么这条“河”是什么“河”呢？这条“河”就是银河。只要有牛郎织女这个故事的存在，那么就是有银河的认识。所以这样的话，我们就要提一个问题，说究竟牛郎织女这个故事在中国它发生在什么时代呢？什么时候我们中国人就已经知道天上有这么一条河，或者明确地表达出来说这是一条银河呢？ 我想至少可以追溯到西周时代，也就是三千多年以前吧。为什么这么说呢？因为在《诗经》里头有一首诗叫《大东》，它是这么讲的：“跂彼织女，终日七襄。虽则七襄，不成报章。皖彼牵牛，不以服箱。”我用现代汉语把这首诗表达出来是什么意思呢？就是说，在天上的织女每天需要差不多14个小时在天空中运行。就是说我们如果是从织女星开始出来，一直到它落下地平线大概需要14个小时。那么过去我们叫七个时辰。在这么长的时间内，织女在天上运行，但是她没有织成一匹布。这首诗产生的时代是在西周时代，而且说河对岸的那个牛郎给她拿着箱子，但是箱子里头是空的。为什么呢？因为织女没有织出布来。在不同民族的国家里头，对银河都有一些不同的想像，比方说在西方，银河叫milk way，什么意思？就是奶路，就是由奶铺成的路。我们看到银河是一条发白颜色的这么一个光带，那么这个光带呢，被想像成奶流出来的一条路。但是milk way叫银河，这是希腊神话里头，就是它的主神宙斯的妻子赫拉，她的孩子把她的乳房抓破了，所以这个奶就流到天上去了。不同民族有不同的想像，但是中国人的想像最浪漫，最有诗情画意。我们牛郎织女隔着一条河，而且每年在七月初七的时候，牛郎织女要通过鹊桥来相会。 但实际上从天文学上来讲的话，他们俩相聚要16光年，实际上讲相聚还是很困难的。那么关于牛郎织女这个星空呢，我们可以看到在夏季的星空里头，在天空有一道很亮的光带。在这个光带里头，这儿有一个织女星，在河的对岸有一个牛郎星。这就是他们隔着河，但是这条河在夏季看得非常明显。那么对于这样一条银河，它究竟本质上是什么东西呢？什么时候才揭开这个谜呢？这是要等到1610年的时候，就是伽利略发明了望远镜，他用他的望远镜第一次指向天空的时候，他就把它指向了银河。这条银河大家已经想像很多年了，那么现在伽利略把望远镜指向它的时候，发现这条“奶路”原来是星河，就是非常密集的恒星所组成的这么一条河。所以第一次揭开银河之谜的呢？应该讲是用望远镜揭开的，是伽利略所做的工作。这个工作距离我们刚才说牛郎织女这个传说已经过了两千年了。但是伽利略发现了这个星河以后，就此停步了。伽利略以后真正关心这个银河系的人应该是赫歇耳，赫歇耳本来是一个音乐家，他是一个合唱团的指挥，同时也还作曲，但是他的业余爱好是天文学。实际上后来的发展变成什么？他主要的工作是天文学，音乐成了他的业余爱好。赫歇耳在1785年左右，他要关注一下，伽利略所看到的这个银河到底是怎么回事情？那么他把它作为一个研究的目标。那么在赫歇耳之前，也还有一些别的人想过，这个银河到底是怎么回事情？我们现在这些人，我们在看到这条银河的时候，你有没有想过说是我能把它想像成什么？确实不是很容易，你得好好想一想。说怎么就会形成这么一条银河呢？那么在此之前英国有一个天文学家叫赖特，他想了一下，他想像这个宇宙是一个球，在球上这个星风是不均匀的。就是在球上的一条带上，恒星比较聚集，而球的中间，就是我们地球。那么这样大家可以想像，从地球看上去，你看到球上面就有一条星带，所以在不同季节你都可以看到这条银河，这样的话他构造出这么一个宇宙来，这是在1750年他发表了这么一篇论文。 但是5年以后有一个哲学家叫康德，康德他不同意赖特这个观点。他另外有一个想法，他说如果这个行星组成这么一个系统，就好像咱们现在扔的铁饼形状，大家可以想像，如果我们处在铁饼中心的话，你向着铁饼盘面的方向看，那么这个上面的恒星就应该很密集。如果你向着铁饼饼面的上方和下方看的话，那么星就应该少，这个是可以想出来的。所以康德他不同意银河系是一个圆球状分布的一个带，而是像铁饼形状这么一个带。但是他毕竟是一个哲学家的思考，哲学家思考他是要靠推理的，这个推理非常有道理。那么赫歇耳他就要来分析他们谁说得对，那么赫歇耳的工作，他跟哲学家做的工作不一样。哲学家靠推理，天文学家要靠观测，而且这个观测做得非常笨。什么意思呢？他得在天上数星星，我们知道城市里头灯光这么多，我们看不见几颗星，大家如果数星星的话，我能数得见。如果说你到了一个很黑暗的地方，那个星星你就数不清了。为什么？太多了！那么赫歇耳的工作是用望远镜来数星星，大家知道在望远镜里头看到的星星太多太多，那么赫歇耳数了多少呢？17万多颗星，真是一个非常辛苦的工作。他做了很多年，怎么做呢？他把天空划分为三百多个区，他在这三百多个区里头，每一个区他来数这个区有多少星。这个区是被四周围围着，就是四个方向都有，各个方向都有。那么这样计算出来以后他就可以构建一个银河系的模型，这个时候经过这么辛勤的工作，那么赫歇耳构造出银河系的模型，这个银河系的模型，就是高度跟宽度的比，应该是四比一这么一个比例。也就是说长的方向是四的话，厚度的方向就是一，四比一这么一个银河系。在这个银河系的太阳，是在银河系中心的附近。到了1785年这样一个时候，真正是从银河，就是从河流这个概念变成了一个系，就是恒星所组成的一个系统。那么这个系统就是我们今天所要给大家讲的，就是银河系其实认识的过程是挺不容易的，我们从想像一个美丽的传说到真正变成一个恒星的系统，中间几乎经过两千多年，我们才走到这一步。 我们认识银河系其实是比较困难的，为什么呢？我用了一句话借用苏轼的诗，我们“难识银河真面目，只缘身在此河中。”因为我们自己在银河系里头，我们来认识这个银河系是很困难的。我打一个比方，比方说我们自己是一个智能的红细胞，我们在身体里头可以随着血液去循环，我们这个智能的红细胞，我们可以认识自己的器官。但是你要问它，说这个人到底是什么样？它说不出来，因为它在人的身体里头。我们现在认识银河系的困难也在这儿，我们自己在里头，我们不知道它什么形状？那么现在这张图就是我们看到的河外星系，其他的星系。它是一个漩涡状的，那么我们就可以来反推自己的银河系是一个漩涡状的星系。这个旋涡状星系它有多大呢？直径大概是13万光年，太阳距离银河系的中心是两万七千光年。那么银河系呢，它的主要结构就是说有一个核心，叫做银心。那么这个核球以外有一个银盘，也就是刚才我们说的这个盘面的结构，这个银盘有13万光年直径。然后，外围是叫银晕。 那么银河系它是有旋臂的，什么叫旋臂？银河系的核心，这个盘的结构不是像铁饼那么一个板块，而是什么呢？就是里头是漩涡的，这种漩涡结构，大家可以想到如果我们自己在银河系里头你要想看到旋臂的话，那是非常困难的，大家现在晚上看到银河，你要想把看到的这个银河想像成一个恒星的系统这已经是比较困难了。如果你还想在这个里头找到旋臂的话，那就更困难了。为什么呢？因为我们的银河系里头还有暗的物质，看不见。它挡住你的光，所以你看不见。你看不见的话，这时候你要想认识后面的星，就很困难。但是难不住天文学家，还是有很多很聪明的天文学家，他们怎么办呢？他们在别的星系里头，就是离开我们银河系，我们看到了别的星系。在别的星系里头也有这样的漩涡星系，那么这个漩涡星系它这个旋臂上是一些什么星呢？是一些蓝颜色的很热的星，而这些星只能在旋臂上出现。这些天文学家就受到启发，我观测这个银河系里头这些温度特别高的星，就是发蓝颜色、发白颜色的星。观测的结果呢，找到了旋臂。这是一个美国天文学家叫摩根，找到这个旋臂已经要到1951年以后了。所以我们认识银河系其实是在20世纪才有比较大的进展，就是我们认识到这个旋臂的存在。 在20世纪50年代还有一个进展，我们要值得提一下，就是我们的射电天文学。射电天文学就是用无线电望远镜，来接收来自天体的无线电波。那么接受无线电波，我们就可以来分析这个天体的情况了。而在这个银河系的旋臂上，它发射一种特别的无线电波，这个波长是21厘米。如果说你能够有一个射电望远镜，你能观测21厘米的这么一个波段的观测的话，那么你就能解开银河系旋臂之谜。那么经过了天文学家的观测，证实光学的观测是对的。于是我们认识到了银河系其实跟别的漩涡星系一样有旋臂。在20世纪20年代，还观测了很多漩涡星系。那么这个时候就提出两个问题来，一个问题是什么呢？说这些漩涡星系是在银河系里头，还是在银河系之外？这是一个问题。第二个问题，说我们观测到的这些漩涡星系，它基本上都不在银河附近，是离开银河比较远的地方。那么这是为什么？天文学家沙普利的解释，说这些星云其实都在银河系里头。但是，美国天文学家柯蒂斯他不是这么认为，他认为这些漩涡星系一定是离开银河系比较远的。于是呢，就重点观测了一个星系叫仙女座星云，那么仙女座星云当时柯蒂斯估计它有五十万光年这么远。五十万光年这么远的话，银河系大小是十万光年左右，那么五十万光年肯定在银河系之外了。但是沙普利不同意，所以这一场辩论，在天文学上叫做伟大的辩论。为什么叫伟大的辩论呢？我们来想，我们刚才讲了，太阳现在已经不在银河系的中心了，现在进一步发现是什么意思呢？其实银河系在众多的星系里头，也是一个很普通的漩涡星系。就是我们在银河系之外，还有很多很多的漩涡星系。所以这样一个结果意味着什么呢？就是说不但太阳不在银河系的中心，而且银河系也绝不是宇宙的中心，宇宙中间存在着很多很多类似于我们银河系的这样一个星系。所以这样讲的话，大家就明白了，就是说我们生存在一个很大的恒星系统里头，这个恒星系统叫做银河系。但是这个银河系其实在宇宙中间还是一个很普通的星系。 那么这个漩涡星系它为什么会有旋臂，那么就是有一种理论认为在银河系里头它有一个密度波。而这个旋臂就生存在密度波密集的时候，就是这个密集的这个波在传到旋臂这个地方的时候，就形成了恒星密集的旋臂。实际上我们现在，太阳，有时候就在旋臂里头，有时候就出去了。那么有没有观测证据呢？我们有观测证据，什么样的观测证据呢？我们知道太阳系中间，有九大行星，那么九大行星中间的空隙里头是什么呢？我们过去讲，说是行星际物质，就是行星际有一些物质。当太阳在银河系的旋臂里头穿梭的时候，我们知道银河系旋臂里头那些物质它就会进入到太阳系。因此我们在太阳系里头，实际上就发现了很多不是太阳系的物质，而是行星际的物质在太阳系里头。而现在就是说，太阳在旋臂里头有时候就是穿进去，有时候穿出来，这个就叫做密度波理论。 有了这个密度波，它可以给我们很好地回答一下为什么会形成这个旋臂？但是这个旋臂，还有非常有意思的事情。是什么呢？就是旋臂是银河系里头新的恒星诞生的摇篮，就是说我们每年银河系都会有新的恒星生成。好像它也是不断地在有新的生成、有老的死去。那么死去的这些老化的星呢，每一百年至少会有一颗星老化，但是新生的星每年大约会有十颗左右在新生。那么这样一些新生的星出现在什么地方呢？就出现在银河的旋臂上，因为什么呢？因为旋臂刚才我们讲了在密度波走到这样的时候，它压缩这些星系的物质，使得恒星的形成成为可能。我们现在呢就是讲到了银河的旋臂，那么银河还有一个要讲的是什么呢？这个银河刚才讲的，说太阳在银河系里头有运动。那么银河系本身自己有没有运动呢？我们天文学家说话需要靠观测，我们需要靠观测事实来说话。 当我们观测恒星的时候，我们会有一些新的发现。就是说观测了很多星，我们测量这个星，它的运动。它在天空横的方向上这种运动我们叫做自行。还有一种运动，是在我们视线方向上的运动。大家可以想，如果一辆汽车跟你的视线方向是一致的，它在运行的时候其实你很难估计它离你多远，或者说它走得多快，你看不出来。就是汽车迎面而来，或者说背向你去的时候，你看不出它走得多快。但是这个纵的方向，就是向着我们视线方向的运行，我们也有办法来观测。什么办法呢？我们常常在外头旅行的人们你有没有这样一个经验，当你坐火车的时候，那么在火车运行的过程中，如果说前方有一列火车跟你迎面而来的时候。大家听到这个声音就是越来越尖锐，就是这个火车的声音越来越尖锐。当这个车互相离开的时候，你听到声音是越来越钝，也就说在运动的两列车互相听起声音来它的频率会变化。 同样的道理，我们在观测一颗恒星的光的时候，我们把这个光分解成光谱。我们在观测它的光谱的时候发现，这个谱线会有一种运动。它的运动就会表示出来这个光的频率的变化，当这颗星接近我们的时候，它应该是比较尖锐。那么也就是说，它会发蓝颜色，就是更向蓝走一点。如果说它背向我们去的时候，它会钝一点，向红的方向走一点。所以这种速度我们叫做视向速度，就是眼睛看出去的视向速度，当我们分析天体运行的各种速度的时候，经过了多少年分析以后，我们发现其实银河系是在转动的。我们太阳附近的这个银河系转动的速度有多快呢？每秒钟220公里，这是一个很高的速度。大家想一想，我们发一个人造卫星，只要每秒8公里，它就可以围着地球转了，也就是说只要有一个8公里的速度它就可以出去了。但是我们太阳在银河系这一部分的旋转速度，是每秒钟220公里，是一个很高的速度。那么这样高速度的一个运行呢，就使得我们知道银河系本身也是在转动。关于转动呢，常识告诉我们，我们认识这种现象，比方说我们地球围着太阳转，金星、火星、木星、土星都在围着太阳转。那么这时候在描述这些行星围绕太阳运动的时候，我们有一个规律，我们叫做开普勒定理。也就是说围着它有一定的规律来运行，那么服从这个开普勒定理的一种运行是随着距离的不同速度不一样。但是在银河系里头呢，它既不是一个刚体的运行，就是说不像铁饼这么旋转，不是说大家连在一块的，不是这种旋转方式，又不是像太阳系里头行星围绕太阳这么旋转。它是在不同的地方运动的速度不一样，为什么呢？大家可以想到，我们太阳系的天体在运行的时候，你围绕的中心是一个太阳，就这么一个天体。而银河系里面不但围绕银河系的核心，而且银河系，比方说太阳距离银河系的核心还有两万七千光年，在这两万七千光年的距离内还有很多的星，这些星它的质量都会汇聚到银河系中心来计算。也就是说，如果说离开太阳更远的星，那么它中心的质量就会更大。因为什么呢？我们太阳以内的这些星质量也就都算进去了，所以这个质量在不断地变化，核心部分的质量在不断地变化。它们互相有一个不一样的速度，所以比较复杂。但是我们现在认识到了什么呢？银河系是由恒星构成的一个庞大的集团，那么它至少有一千多亿颗星。那么这样一些星，组成这么一个集团。它还在不断地旋转，而这种旋转随着距离银河系核心的部分，远近的不一样，它旋转的速度也不一样。我们知道测量太阳附近这样的速度，大概是在每秒钟220公里这么一个速度。知道银河系在旋转，又知道银河系本身是一个漩涡星系，它有很多旋臂。这个旋臂非常有意思，是我们银河系里头恒星诞生的一个场所，这是我们讲到了银河系的外围部分。 那么我们要讲到银河系的核心部分，这个核球也还是比较大的。因为银河系的核球非常密集，我们需要看人马座，就是沿着人马座方向看，需要在夏天看。夏天在银河系的南边，看南方天空就可以找到人马座。我们可以看到那个地方非常地亮，这个亮表示那个地方是银河系的中心。那么银河系中心它应该是有一个比较大的黑洞，为什么呢？黑洞大家知道，黑洞它本身的质量非常大，这个质量大到什么程度呢？这个光只进不出，它可以把外头的物质吸进去。但是呢，连光都从它本身，黑洞里头跑不出来，因为它的引力太大了。那么银河系中心，应该有这么一个庞大的黑洞来维持着银河系庞大的引力。那么我们有什么证据来证明银河系核心呢？有可能有黑洞，而且是一个比较大的黑洞。主要的就是说在银河系的核心部分，我们可以观测到强烈的X射线辐射，而且红外辐射也特别强。它是什么意思呢？就是说当物质高速旋转接近黑洞的时候，被黑洞吞掉的时候，这个时候它由于运动的速度非常高，它会辐射X射线。而且它周围星的运动速度都是非常快的，就是在银河系核心部分，运动速度非常快。所以我们想，银河系的核心那么它应该是有一个黑洞。 现在，我们已经知道银河系在整个宇宙里头是一个很普通的星系。是宇宙中间的一个“星岛”，很普通。那么现在我们讲，说这个银河系它是孤零零的吗？它是不是更复杂呢？实际上我们在观测银河系的时候，我们发现银河系的周围还有一些别的星系。那么这样的话，我们银河系到底势力范围有多大呢？或者说我们银河系这样一个引力的范围能大到多么大呢？至少是在89万光年，接近100万光年。我们刚才讲的，说银河系大小是13万光年，现在差不多一百万光年这么范围之内，都是银河系的势力范围。也就是说，银河系这个漩涡星系，它还有很多伴侣，它们共同构成了这么一个庞大的恒星集团。那么银河系将来还是会发生一些变化，也就是这些个伴侣，它会在银河系强大的引力下，逐渐地向银河系靠拢。 比方说像麦哲伦云，就以每年一千公里的速度，在向着银河系靠近。那么也许在几十亿年以后，麦哲伦云也会和银河系相撞的。那么这是我们银河系本身，它还有一个空间的范围，还有一些伴侣。在银河系里头呢，如果说我们能够观测到银河系，能够分析出银河系是个什么结构来。我们刚才讲了，是因为在银河系里头有那么一个太阳，而在太阳周围有一颗行星叫做地球，这个地球上它有高级智慧生命，就是我们人类自己。我们能够观测星空，不但解开银河系之谜，而且我们可以解开银河系以外还有哪些星系跟我们银河系是有关系的。那么这么说，就提出这么一个问题来，在银河系里头还有没有跟我们地球一样的有高级智慧的这种生命存在呢？如果再往大了说的话，那么在银河系以外，其他的漩涡星系有没有智慧生命存在呢？那么它们之间有没有可能进行交流呢？这是大家非常关心的一个问题。那么我们首先说，在太阳系里头地球这么一个特殊的环境里头，能够形成人类这种高级智慧生命，其实不是很容易的。如果说你按照康德的那种哲学的一种推理方式来推理的话，你可以这么想，我们太阳在银河系里头是很普通的一颗星。它就是一个中等大小的一个黄色的星，这样的星在银河系里头很多。那么既然在太阳周围有智慧生命，我们就可以想到，就是温度不高也不低的那些恒星周围也有可能有智慧生命，这是顺理成章的一件事情。但是当你真正去分析我们地球上的生命跟其他行星对比的时候，大家就会想到，其实也不那么简单，并不是说任何一个类似太阳的恒星周围就一定会有智慧生命。 所以这样的话，就是说实际上分析起来，我们对比太阳系，智慧生命并不是那么容易产生。所以银河系尽管有很多跟太阳相同的星，并不是说，这些星周围就一定会有智慧生命。至于说银河系它是怎么生成的？应该说是在宇宙那次大爆炸过程中产生的，和其他星系一样的一个产生过程。当然这个产生过程，现在仍然是科学研究里头一个非常热门的话题，因为现在并没有解决，就说是到底这个星系怎么就形成了？至少我们可以这么说，就是在大爆炸以后，在宇宙中间已经形成了原子，出现了核，由于它质量的一些不稳定性，就是在宇宙中存在着一些不稳定性，那么它有些聚集。庞大的物质聚集在一起，逐渐地形成了这么一个星系。那么我们现在的观测，可以这么讲，我们已经观测到了在宇宙中间不均匀性的一些信息。比方说发射了卫星，它在观测微波背景的时候，已经观测到它有些不均匀的东西。那么这种不均匀的东西，会导致早期的宇宙里头它有些不稳定性，会导致星系的产生。应该说我们银河系也是那个时候的一个产物，所以这个银河系呢，我们自己在银河系里头来研究银河系的时候，就帮助我们来认识其他的星系。通过这样一些星系我们来解开宇宙之谜，就是说宇宙到底是怎么形成的？它会向哪个方向去？你要想解决这么一个最大的问题，你首先得踏踏实实把我们的银河系认识清楚。

银河系算大吗？

银河系有多大？

银河系究竟有多大？

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