太阳家族所属的部落——银河系

在晴夜仰望穹空，会看到一条由点点星光组成的亮带，百姓称之为“天河”。中国人家喻户晓的牛郎织女的故事，说的就是在这河的两侧的牛郎星和织女星，在七月七日由喜鹊搭桥过河相会。这“天河”就是我们要讨论的银河系。它是由许许多多的恒星组成的一个扁平的漩涡状的星系，太阳是其中之一。由于太阳带着它的行星运动于其中，因此在地球上看到的“天河” 随着季节的变化而变化着方位。农村的谚语说：“天河吊角穿棉裤棉袄，天河顺街管卖布的叫爹”，说的是银河的方位指示季节的变化。地球在直径约100 亿公里的太阳系中作为一个较小的伴星已不怎么显耀，在直径大到光都要跑上 100 万亿年（即 1015 光年）的银河系里，只不过是一粒微不足道的尘埃。

认识银河的历程

银河星系是个古老的星系，据今已有百亿年的历史。但是对银河星系的认识几个世纪前才真正开始。15 世纪中叶，德国大主教尼古拉（1401—1464）曾经猜测，在无限的宇宙空间，散布有许多的恒星，每一个恒星都是一个遥远的太阳。17 世纪初，伽利略（1564—1642）第一次用天文望远镜看到肉眼看不到的许多恒星，并发现了银河，观察到银河是由无数个恒星组成的。从那时候起，人们的眼界开阔了，不再认为尼古拉的猜测荒唐可笑了，但仍认为恒星是固定在遥远的天体上的光点。

1717 年，英国天文学家发现了恒星的自行。这个发现动摇了那种认为恒星是固定的传统观念。之后，布拉得雷（1693—1762）在测量天体光行差时得到一个结论：即使最近的一个恒星，它与地球的距离也大于 6～8 光年。这个结论也支持了认为恒星是一个遥远太阳的看法。

18 世纪 20～30 年代，瑞典的斯维登堡（1688—1772 年）推测：恒星都是人们所熟悉的银河星系的成员。英国天文学家赖特（1711—1786）在其著作《新颖的宇宙理论或新宇宙假说》（1750 年）中提出，天上所有的恒星和银河星系共同构成了一个巨大的天体系统。这个系统的形状像一个“磨盘”，它的直径比它的厚度大得多。

威廉·赫歇尔（1738—1822）的工作对认识银河系有决定性的影响，他出生于乐师家庭，长大后成了军乐队的队员。由于他不习惯军队生活，19 岁那年逃率军队，单身到英格兰岛，仍以乐师为业，业余时间学习天文学。1772 年，他在妹妹的协助下，自己磨制了几架反射式望远镜，开始在晴夜观测天空。1781 年，他发现了天王星，因此获得英国皇家学会的科普利奖章，英皇乔治三世接见了他，并赦免他逃离军队的罪过，还任命他为皇家天文学家。从此威廉·赫歇尔开始进行了大量的天文学的观察工作，以探索银河系的结构。他用自制的口径为 46 厘米的反射望远镜观察银河系。在缺少有关恒星资料的情况下，他根据自己的观测作出了如下修订：①宇宙空间是完全透明的，使用望远镜能够看到银河系最外沿的恒星；②恒星在空间的分布是均匀的，在某一大区恒星越密集，就表明这个方向上恒星延伸越远；③一切恒星的光度都一样，恒星亮度不同只是由于离我们远近不同而已。后来知道，这些假定与银河星系的真实情况不符，但是他在银河系结构上所建树的功勋是不可磨灭的。这假定的不正确在于，由于银河星系存在许多主要由碳、铁等元素及其他微粒组成的星际尘埃，它们大部分集中在银道面附近，其吸光作用使银河星系变得不透明，因此观察到的恒星光度也就不能完全反映恒星的光度。

为克服光学望远镜的缺点，改进天文观测工具，红外天文观测和射电天文观测技术应运而生。这两项技术的发展为天文学家在地球上观测银河星系提供了手段。天文学家对银河星系的结构较过去有了比较清晰的认识，探明了以前不清楚的许多问题，如发现银核中心还有许多电离云，在距银心 1.30

×104 光年处有氢流膨胀臂，这个膨胀臂内包含的 6×107 个太阳质量的中性

氢以 53 公里/秒的速度涌向太阳系。在银心另一侧的氢臂内，有大约相同质

量的中性氢臂以 135 公里/秒的速度离银心而去；在距银心 2.28×102 光年处有激烈扰动的电离氢区以高速度向外扩张；银核中心不仅有大量的气体外流，而且还有强烈的射电源，射电源的中心部分不大于 1496×106 公里。

银河系的结构

银河系之所称之为“河”，是因为抬头所见只是一条巨大的星带。我们“身在其中”难窥其全貌，看到的只是它在天球上的视像。若能飞出银河系，在它的上空观看，它很像饶钹。身处银河系中地球上的人，达到这种认识是不容易的。丰富的想象和推测需要大量的观测来检验。最早系统观测银河的是赫歇尔父子。父亲威廉·赫歇尔对北半球天空的 1083 个天区进行观测，计

数了 11 万多颗恒星。儿子约翰·赫歇尔对南半球天空的 2299 个天区进行观

测，计数了 70 余万颗恒星。我们今天对银河系结构的了解是赫歇尔及其后继者们辛勤劳动的奉献。

银河星系是由 1400 亿颗恒星、星际尘埃及气体组成的一个巨大恒星系统，其总质量为 1.4×1011 太阳质量。其所占的空间尺度为 1015 光年。银河星系的形状像一个中间偏厚的扁平的圆盘，绕着自身的旋转轴不停地运动。如果我们能站在其上空俯视银河系，它的运动形式似水中漩涡，这个漩涡包含若干个旋臂，所以银河系叫漩涡星系（见图 4）。

图 4 银河系形象（据冯庆辉，1994）

组成银河星系的恒星、星际尘埃的 90％都集中在这个圆盘上，太阳系也在其中，被称为银盘。银盘的直径约为 10 万光年。银盘中间厚，边缘薄。中

间凸起的部分呈扁球状，称为核球。核球的直径大约 1 万光年。核球的中央

部分称为银核。银核的直径大约 3 光年，约由 100 万颗恒星组成。银河系的自转轴通过银核的中心。银盘的中心平面称为银道面。银道面的附近有许多由碳、铁元素组成的固体颗粒，即星际尘埃。银道面与自转轴的交点称为银心。

包围银盘的是球形的银晕，其外边界到银心约为 200 万光年。在这个区域里聚集了许多已有百亿年寿命的星球。球形银晕的外围是一个延伸到银河边界的球形的银冕。在银冕内弥漫着能发射 X 射线的气体，还弥漫着许多星云、暗云和分子云等气体物质，其密度很低，约 10-24 克/厘米 3，总质量为银河物质的百分之几。

在银道面内有沿着旋臂方向平行分布的磁场，其强度约为（1～3）×10-6高斯。银河系中的星球一般沿磁力线方向排列的。

银河星系还能产生一种从 108 电子伏特到 1020 电子伏特的高能粒子射线。这些粒子射线的主要成分是质子和 a 粒子。能量低于 1019 电子伏特的粒子射线是各向同性的，充满空间，各处的强度相等。到达地球附近的宇宙射线的能量密度约为 10-19 焦耳/立方厘米。

太阳系作为银河星系的一个成员，位于银盘上，距银心 3 万光年（见图5）。太阳系与其他恒星一起在银河星系中不停地运动着。太阳系除自身的运动之外，还要绕银心旋转，并在银道面上周期性地往返移动。太阳系与其他恒星之间的相互作用也使太阳系产生局部的运动。通过天文观测推算，太阳系绕银心运动的轨迹是一个椭圆形。太阳系绕银心公转一周所用的时间称为银河年。银河年的长短是通过推算估计的。这种推算需要知道太阳系运行轨道的近银心点、远银心点或椭圆轨道的偏心率。由于方法和数据不同，差别颇大。有的学者估计一个银河年约为 2.5 亿（太阳）年，有的估计为 3 亿年。太阳系在银道面上下往返的周期也是一个可观的天文数字，有的学者估计为

图 5 银河旋臂结构（据中国科技大学天体物理组，1978）

2.38 亿年，也有的学者估计为 0.77 亿年，目前的认识现状不能令人满意。

在一个银河年的漫长的时间里，银河星系内的恒星可能会发生许多变化，如一些老的恒星可能会消失，新的恒星可能出现，恒星间的距离也会发生变化等。银河星系的这些变化，对地球将会有什么样的影响，这是近几十年来一些地质学家关心的问题。