[科普中國(guó)]-銀河系結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)介

銀河和銀河系是兩個(gè)不同層次的概念:銀河是晴朗夜空中可以看到的一條形狀不規(guī)則的銀白色光帶，而銀河系則是由眾多恒星構(gòu)成的龐大天體系統(tǒng)。古代哲學(xué)家對(duì)銀河的認(rèn)識(shí)，就其本質(zhì)上說(shuō)只是建立在一些主觀想象的基礎(chǔ)之上，而缺乏科學(xué)依據(jù)。例如，亞里斯多德認(rèn)為銀河只是一種大氣現(xiàn)象，是地球發(fā)出的水蒸氣，而不承認(rèn)是天上之物。第一個(gè)正確認(rèn)識(shí)銀河系本質(zhì)的是古希臘哲學(xué)家德謨克利特，他認(rèn)為銀河是由無(wú)數(shù)個(gè)恒星構(gòu)成的，只是因?yàn)檫@些恒星太暗、太密而無(wú)法加以分辨，于是表現(xiàn)為一條模糊的光帶。1608年，荷蘭人李波爾賽在一次偶然的機(jī)會(huì)中發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡。翌年，伽利略親自動(dòng)手制作望遠(yuǎn)鏡并用于天文觀測(cè)，開(kāi)創(chuàng)了天文觀測(cè)的新時(shí)代。是年冬天，伽利略用望遠(yuǎn)鏡對(duì)銀河進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)銀河并不是一片薄云，而是密密麻麻無(wú)數(shù)個(gè)星星，只是肉眼無(wú)法加以分辨，表現(xiàn)為天空中一條暗淡的光帶，這樣就從觀測(cè)上證實(shí)了德謨克利特的見(jiàn)解。對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)研究是由英國(guó)天文學(xué)家威廉赫歇爾開(kāi)創(chuàng)的。1785年，赫歇爾通過(guò)恒星計(jì)數(shù)得出，銀河系中恒星分布的主要部分為一個(gè)扁平圓盤(pán)狀結(jié)構(gòu)。他在用望遠(yuǎn)鏡所作的1083次觀測(cè)中，共計(jì)數(shù)了117600顆恒星。赫歇爾在恒星計(jì)數(shù)工作的基礎(chǔ)上，再加上若干假設(shè)，從而得出了天文學(xué)史上第一個(gè)銀河系模型(見(jiàn)圖)。不過(guò)，在赫歇爾的模型中太陽(yáng)位于銀河系的中心。1918年，美國(guó)天文學(xué)家沙普利利用球狀星團(tuán)的空間分布，正確地推斷太陽(yáng)并不位于銀河系中心，而是位于比較靠近銀河系邊緣的地方。這時(shí)，距赫歇爾提出第一個(gè)銀河系模型已經(jīng)過(guò)去了130余年。

根據(jù)近代天文學(xué)的觀測(cè)和研究，銀河系是一個(gè)旋渦星系，它的總體結(jié)構(gòu)大體上可以分為4個(gè)部分，即銀盤(pán)、核球、銀暈和暗暈。除暗暈部分外，銀河系的總質(zhì)量約為1.4×1011太陽(yáng)質(zhì)量，其中以恒星形式出現(xiàn)的約占90%，由氣體和塵埃組成的星際物質(zhì)占10%左右。銀河系的年齡估計(jì)為100億年或更老。銀盤(pán)是銀河系恒星分布的主體部分，呈軸對(duì)稱和平面對(duì)稱的扁平圓盤(pán)狀，直徑約為8.2萬(wàn)光年。太陽(yáng)到銀河系中心的距離(銀心距)約為2.6萬(wàn)光年，離銀盤(pán)的對(duì)稱平面(銀道面)不遠(yuǎn)(20～30光年)。銀盤(pán)的厚度是不均勻的，太陽(yáng)位置附近銀盤(pán)的厚度在3300光年左右。除暗暈外，銀河系質(zhì)量的85%～90%集中在銀盤(pán)內(nèi)。核球是位于銀河系中心部分的恒星密集區(qū)，大致呈扁旋轉(zhuǎn)橢球體狀，長(zhǎng)軸為1.3～1.6萬(wàn)光年，厚1.3萬(wàn)光年。核球的質(zhì)量估計(jì)約占除暗暈外銀河系質(zhì)量的5%。核球中主要是一些年老的天體，越接近中心，核球恒星的密集程度越高。在銀河系中心方向觀測(cè)到有一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的強(qiáng)射電源人馬A，它至少含5個(gè)子源，在一個(gè)直徑33光年的子源中有一個(gè)直徑接近5光年的亮核，這就是銀核。銀核的質(zhì)量約為幾百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量，現(xiàn)在普遍認(rèn)為那里有一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，不過(guò)它并沒(méi)有處于劇烈活動(dòng)期。包圍著銀盤(pán)的是一個(gè)由稀疏分布的恒星和星際物質(zhì)組成的區(qū)域，稱為銀暈。銀暈大體上呈球狀，直徑在10萬(wàn)光年左右，范圍比銀盤(pán)大得多，但因?yàn)槲镔|(zhì)分布很稀疏，所以質(zhì)量大約只有銀盤(pán)質(zhì)量的10%。銀暈主要由兩類(lèi)天體組成，即老年恒星和球狀星團(tuán)，此外還有少量的氣體。在銀暈之外有一個(gè)范圍更大的物質(zhì)分布區(qū)，這就是暗暈，又稱銀冕。暗暈的組成成分是目前尚無(wú)法觀測(cè)到的暗物質(zhì)，直徑可能是銀暈直徑的10倍，質(zhì)量可能高達(dá)銀河系其他部分質(zhì)量總和的10倍。暗暈主要是根據(jù)銀盤(pán)天體的運(yùn)動(dòng)學(xué)狀況推算出來(lái)的:如果銀河系的物質(zhì)分布向中心集中，那么離中心越遠(yuǎn)的恒星繞銀心的旋轉(zhuǎn)速度就越慢，而實(shí)測(cè)結(jié)果卻不是這樣。在太陽(yáng)附近以及更遠(yuǎn)的地方，恒星的運(yùn)動(dòng)速度大致保持不變，甚至還略有增加，由此便導(dǎo)出在銀河系外圍必然存在大量暗物質(zhì)的結(jié)論，也就是存在暗暈。

1944年，德國(guó)天文學(xué)家巴德提出了星族的概念，他根據(jù)恒星的物理性質(zhì)、空間分布和運(yùn)動(dòng)特征，把銀河系中的恒星分為星族I和星族II兩大類(lèi)。星族I天體分布在一個(gè)以銀心為中心的扁圓環(huán)狀范圍內(nèi)，年齡較輕，繞銀心的運(yùn)動(dòng)速度大，但速度彌散度小;星族II天體則分布在一個(gè)以銀心為中心的略扁的球體內(nèi)，年齡比較老，繞銀心的運(yùn)動(dòng)速度小，但速度彌散度大。所以，銀盤(pán)中主要是星族I天體，而核球和銀暈內(nèi)主要是星族II天體。銀河系中恒星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)取決于銀河系的引力場(chǎng)，而引力場(chǎng)又取決于銀河系的物質(zhì)分布。銀河系天體的運(yùn)動(dòng)既不是像太陽(yáng)系內(nèi)行星運(yùn)動(dòng)那樣的開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)，也不是剛體自轉(zhuǎn)，而是所謂較差自轉(zhuǎn)，即銀心距不同的恒星有不同的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。1925年，瑞典天文學(xué)家林德伯拉德提出了有關(guān)銀河系自轉(zhuǎn)的正確概念。1927年，荷蘭天文學(xué)家?jiàn)W爾特導(dǎo)出了銀河系較差自轉(zhuǎn)對(duì)恒星觀測(cè)運(yùn)動(dòng)影響的計(jì)算公式。奧爾特-林德伯拉德理論是有關(guān)銀河系自轉(zhuǎn)的一種最為成功的理論，并為大量的觀測(cè)所證實(shí)。銀盤(pán)中星族I天體在近圓軌道上沿同一方向繞銀心轉(zhuǎn)動(dòng)，軌道面與銀道面的交角不大，運(yùn)動(dòng)線速度隨銀心距的變化曲線稱為銀河系自轉(zhuǎn)曲線。太陽(yáng)附近恒星的轉(zhuǎn)動(dòng)速度約為每秒220km，繞銀心一周需2億多年時(shí)間，所以太陽(yáng)自形成以來(lái)已在銀河系中公轉(zhuǎn)了20多圈1。

形狀銀盤(pán)銀河系的物質(zhì)密集部分組成一個(gè)圓盤(pán)，稱為銀盤(pán)。銀河系中，由恒星、塵埃和氣體組成的扁平盤(pán)。銀盤(pán)內(nèi)有旋臂，這是氣體、塵埃和年輕恒星集中的地方。銀盤(pán)主要由星族Ⅰ天體組成，如G～K型主序星、巨星、新星、行星狀星云、天琴RR變星、長(zhǎng)周期變星、半規(guī)則變星等。核球是銀河系中心恒星密集的區(qū)域，近似于球形 ，直徑約4千秒差距，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。核球主要由星族Ⅱ天體組成，也有少量星族Ⅰ天體。核球的中心部分是 銀核。它發(fā)出很強(qiáng)的射電、紅外、X射線和γ射線。其性質(zhì)尚不清楚 ，可能包含一個(gè)黑洞。銀暈主要由暈星族天體，如亞矮星、貧金屬星、球狀星團(tuán)等組成，沒(méi)有年輕的O、B型星，有少量氣體。銀暈中物質(zhì)密度遠(yuǎn)低于銀盤(pán)。

銀暈銀盤(pán)外面范圍更大、近于球狀分布的系統(tǒng)，稱為銀暈，其中的物質(zhì)密度比銀盤(pán)的低得多。銀暈直徑約為九萬(wàn)八千光年，這里恒星的密度很低，分布著一些由老年恒星組成的球狀星團(tuán)。

銀冕也大致呈球形。銀盤(pán)直徑約25千秒差距，厚1～2秒差距，自中心向邊緣逐漸變薄，太陽(yáng)位于銀盤(pán)內(nèi)，離銀心約8.5千秒差距，在銀道面以北約8秒差距處。銀盤(pán)內(nèi)有旋臂，這是氣體、塵埃和年輕恒星集中的地方。核球是銀河系中心恒星密集的區(qū)域，近似于球形，直徑約4千秒差距，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。核球主要由星族Ⅱ天體組成，也有少量星族Ⅰ天體。核球的中心部分是銀核。它發(fā)出很強(qiáng)的射電、紅外線、X射線和γ射線。其性質(zhì)尚不清楚，可能包含一個(gè)黑洞。銀暈主要由暈星族天體，如亞矮星、貧金屬星、球狀星團(tuán)等組成，沒(méi)有年輕的O、B型星，有少量氣體。銀暈中物質(zhì)密度遠(yuǎn)低于銀盤(pán)。銀暈長(zhǎng)軸直徑約30千秒差距，年齡約10年，質(zhì)量還不十分清楚。在銀暈的恒星分布區(qū)以外的銀冕是一個(gè)大致呈球形的射電輻射區(qū)，其性質(zhì)了解得甚少。

歷程對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)的初步描繪在夏季晴朗的夜晚，如果沒(méi)有月亮，你遙望夜空，會(huì)看到有一條銀白色的光帶從東北方向伸向天彎的另一端，這宛若薄紗般的光帶就是銀河。在我國(guó)古代，人們把銀河看作是天上的河流。我們的祖先給它起了許多好聽(tīng)的名字:銀河、長(zhǎng)河、河漢、明河、秋河、銀漢、天漢、星漢等不下二十幾個(gè)。在西方，銀河被稱為“Milk Way”，意即“奶路”，據(jù)古希臘神話，這橫貫天空的奶白色銀河，是天神的妻子—赫拉乳房中噴出的乳汁。

1601年，當(dāng)意大利科學(xué)家伽利略將他發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡第一次指向銀河時(shí)，他發(fā)現(xiàn)這條白茫茫的光帶實(shí)際上是由不計(jì)其數(shù)的恒星所構(gòu)成的。隨著天文望遠(yuǎn)鏡貫穿能力的提高，人們?cè)诟鞣较蛩^察到的恒星越來(lái)越多。但此后的一百多年，人類(lèi)對(duì)銀河系的恒星，一直停留在研究其位置及其位置變化上。直到18世紀(jì)中葉，西方科學(xué)界和哲學(xué)界才開(kāi)始探討恒星宇宙的組成問(wèn)題。1705年，英國(guó)天文學(xué)家丁.賴特(1711一1786年)提出，環(huán)繞天彎的銀河不會(huì)在所有方向上都無(wú)止境地延伸下去，它只是分布在有限的范圍之內(nèi)，他認(rèn)為恒星世界其實(shí)是一個(gè)扁平如透鏡的集團(tuán)，太陽(yáng)為恒星中的一個(gè)成員。1755年，德國(guó)哲學(xué)家康德也論述道:宇宙好比一片汪洋大海，銀河眾星構(gòu)成一個(gè)孤立的恒星集團(tuán)，猶如一座小島—“宇宙島”;在宇宙中還分布著很多這樣的小島。1761年，德國(guó)科學(xué)家蘭勃特(1728一1777年)也闡述了恒星系統(tǒng)的論斷。他們的共同觀點(diǎn)是:恒星宇宙是由值星組成的有限范圍的龐大體系。

第一個(gè)用觀測(cè)事實(shí)求出銀河系的結(jié)構(gòu)模型的是威廉·赫歇爾(1738一1822年)。赫歇爾是通過(guò)業(yè)余自學(xué)進(jìn)行天文學(xué)工作的，經(jīng)過(guò)幾十年堅(jiān)韌不拔的努力，終于成為赫赫有名的天文學(xué)家，被稱為“恒星天文學(xué)之父”。并且他們一家有三人都對(duì)天文學(xué)作出過(guò)卓越的貢獻(xiàn)，赫歇爾的姓氏一時(shí)成為國(guó)際天文學(xué)界所仰慕的對(duì)象。赫歇爾出身音樂(lè)家庭，其兄弟姐妹六人，從小接受音樂(lè)教育，都顯露出音樂(lè)才華。在學(xué)習(xí)音樂(lè)的同時(shí)，其父還教威廉·赫歇爾一些天文學(xué)知識(shí)。1753年，16歲的威廉為減少家庭負(fù)擔(dān)，投身軍樂(lè)團(tuán)成為小提琴和雙簧管演奏員。1757年，即法軍侵入英漢諾威的第二年，身為音樂(lè)家的赫歇爾不堪忍受戰(zhàn)爭(zhēng)之苦，只身渡海，逃亡英國(guó)倫敦，以作樂(lè)師為生。但他白天靠音樂(lè)去謀生，晚上仍堅(jiān)持自修天文學(xué)和進(jìn)行天文觀測(cè)。1772年，他的妹妹卡羅琳·赫歇爾(1750一1848年)來(lái)到了英國(guó)，從此，她一直協(xié)助威廉進(jìn)行天文觀測(cè)，幫他磨制一架又一架望遠(yuǎn)鏡，料理生活，終身不離，甚至一直未嫁。1781年，赫歇爾43歲，在觀測(cè)中，他不期而遇地發(fā)現(xiàn)了天王星，從此他聲名威振，得到了英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的科普利獎(jiǎng)?wù)拢⑹苡⑼鯁讨稳赖膬?cè)封，成為英皇家學(xué)會(huì)會(huì)員，并予以優(yōu)薪和府第，從此他開(kāi)始專職從事天文學(xué)工作。

赫歇爾觀測(cè)用的望遠(yuǎn)鏡都是自己磨制的，為此他的家都成了作坊，為了磨制一架好的望遠(yuǎn)鏡，他不分寒暑，夜以繼日地工作，常常為了趕制望遠(yuǎn)鏡，餓得饑腸轆轆仍不停手，卡羅琳心疼哥哥，就常常一口一口地喂飯給哥哥吃，累了，就躺在工作間休息一會(huì)，卡羅琳為他讀故事以解除疲勞。就這樣，赫歇爾一生共磨制了400多片望遠(yuǎn)鏡片，他制出的反射式望遠(yuǎn)鏡都是當(dāng)時(shí)最好的。美國(guó)著名科普作家阿西莫夫這樣評(píng)論赫歇爾:“在整整一代人的時(shí)間里，赫歇爾和他的大型反射望遠(yuǎn)鏡統(tǒng)治著天文學(xué)。”為了探索恒星系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，赫歇爾兄妹通力合作，用他們自制的貫穿本領(lǐng)空前的望遠(yuǎn)鏡，進(jìn)行系統(tǒng)的巡天觀測(cè)他們把天區(qū)分為683個(gè)取樣區(qū)，對(duì)每個(gè)樣區(qū)的恒星進(jìn)行觀測(cè)，恒星計(jì)數(shù)的極限星等達(dá)到了12等的暗星。年復(fù)一年，日復(fù)一日，他們進(jìn)行著艱難的跋涉，從不放過(guò)任何一個(gè)晴朗的夜晚，甚至通宵達(dá)旦地工作，經(jīng)過(guò)十幾年的工作，他們進(jìn)行了1083次觀測(cè)，共計(jì)數(shù)了117，600顆恒星。他們記錄的大量的數(shù)據(jù)，若是用今天每頁(yè)400字的稿紙抄的話，需要近6000頁(yè)，可見(jiàn)其工作量之巨大。1785年，他們通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得到了銀河系的結(jié)構(gòu)圖(見(jiàn)圖示):銀河系的形狀為扁而平、輪廓參差、太陽(yáng)居于其中央。這樣人類(lèi)第一次用觀測(cè)事實(shí)勾勒了銀河系的圖像，并且首次證明肉眼所見(jiàn)的乳白色銀河和散布在全天的恒星構(gòu)成了一個(gè)巨大的天體系統(tǒng)—銀河系。由于當(dāng)時(shí)還不知任何一顆恒星的距離，赫歇爾就估計(jì)了銀河系直徑和厚度的大致比例。人們稱這一模型為“赫歇爾1785年銀河系模型”。

以后，赫歇爾又經(jīng)過(guò)了35年的觀測(cè)探索，對(duì)銀河系第一模型進(jìn)行了修改，他確認(rèn)銀河系為一扁平的、空間有限的、太陽(yáng)居其中的恒星系統(tǒng)，但由于望遠(yuǎn)鏡的貫穿本領(lǐng)不能窮其邊緣，銀河系的直徑比以前大得多，但不能測(cè)出其大小，后人稱為“赫歇爾1817年銀河系模型”。此后的一個(gè)多世紀(jì)，赫歇爾的研究方法和成果被天文學(xué)界尊為典范，并由此開(kāi)創(chuàng)出一門(mén)新興學(xué)科—恒星天文學(xué)，赫歇爾也被稱為“恒星天文學(xué)之父”。

把太陽(yáng)移出銀河系的中心1906年，荷蘭天文學(xué)家卡普坦(1851年一1922年)提出應(yīng)用現(xiàn)代天文學(xué)方法重新進(jìn)行天文計(jì)數(shù)工作，并將天空均勻劃分為206個(gè)’`選擇區(qū)域”。由于這時(shí)已經(jīng)知道一些恒星的距離，加上運(yùn)用赫歇爾時(shí)代所不具備的天文照相技術(shù)，技術(shù)結(jié)果大大改進(jìn)。1922年，卡普坦提出了銀河系模型，輪廓與赫歇爾的模型相似，但直徑比其大4倍，約為4光年，太陽(yáng)居銀河系中央，距太陽(yáng)越遠(yuǎn)的地方恒星越稀疏?？ㄆ仗鼓Ｐ蛯?shí)際上是赫歇爾模型的定量發(fā)展。對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)做出突破性認(rèn)識(shí)的是美國(guó)天文學(xué)家沙普利。沙普利選擇天文職業(yè)非常富有戲劇性。他出身于農(nóng)民之家，他的父親是一位農(nóng)民兼小學(xué)教員。他在一所農(nóng)村小學(xué)念了5年書(shū)，又學(xué)了一段商業(yè)課程，16歲當(dāng)上了記者，是靠業(yè)余時(shí)間自學(xué)完成中學(xué)課程的。在1907年考進(jìn)密蘇里大學(xué)之前，他熱衷于新聞工作，負(fù)責(zé)報(bào)道爭(zhēng)端和槍殺事件。但他對(duì)新聞界的生活方式感到不滿，尤其是報(bào)道夸大事實(shí)，使他感到厭煩，于是他考慮向其他領(lǐng)域發(fā)展。翻看大學(xué)學(xué)科目錄時(shí)，由于目錄是按英文字母順序排列，因?yàn)樗粫?huì)念考古學(xué)這個(gè)詞，就把它放在一邊，而選擇了下一個(gè)天文學(xué)，他就如此簡(jiǎn)單地步入了天文學(xué)領(lǐng)域，而后又成了著名的天文學(xué)家。由于他的好運(yùn)接踵而來(lái)，被一些老一輩天文學(xué)家稱為天文學(xué)上的“暴發(fā)戶”。他一生幸運(yùn)地得到了幾位一流天文學(xué)家的指導(dǎo)和幫助，首先是西爾斯—密蘇里大學(xué)天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)，他讓沙普利作助手，經(jīng)常點(diǎn)撥和培養(yǎng)他，在1911年沙普利取得碩士學(xué)位之后，西爾斯推薦他到普林斯頓大學(xué)天文臺(tái)工作。在這里，他又遇到了著名的天體物理學(xué)家羅素，在羅素的指導(dǎo)下完成了關(guān)于食雙星的著名學(xué)位論文。

1914年春，沙普利接受海爾(1868一1938)和西爾斯的邀請(qǐng)，去南加利福尼亞州的威爾遜山天文臺(tái)。此天文臺(tái)是海爾于20世紀(jì)早期創(chuàng)建的，很快，它就成為世界上最重要的天文機(jī)構(gòu)之一，是天文學(xué)研究的前沿機(jī)構(gòu)。在那里，世界上最大的2.54米胡克反射望遠(yuǎn)鏡馬上就要落成，它同時(shí)還有一架當(dāng)時(shí)威力強(qiáng)大的60英寸(1.52米)反射望遠(yuǎn)鏡。在去威爾遜天文臺(tái)之前，沙普利專程拜訪了他的導(dǎo)師貝利(Solon Bailey)，當(dāng)時(shí)貝利是歷史悠久的哈佛天文臺(tái)的代理臺(tái)長(zhǎng)，他專攻球狀星團(tuán)中的變星，曾作過(guò)大量的變星觀測(cè)。球狀星團(tuán)是一類(lèi)特殊的恒星集團(tuán)，是由成千上萬(wàn)，甚至幾十萬(wàn)幾百萬(wàn)顆恒星聚集而成球形的星團(tuán)，它的恒星分布密度很大，是太陽(yáng)附近恒星分布密度的50倍，而星團(tuán)中心密度則超過(guò)其1000倍。球狀星團(tuán)中有造父變星，貝利已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些，貝利建議沙普利充分利用威爾遜天文臺(tái)的精良設(shè)備，去發(fā)現(xiàn)球狀星團(tuán)中更多的造父變星。

沙普利認(rèn)真地接受了貝利的建議，他攜新婚妻子一到達(dá)威爾遜天文臺(tái)，就投入了多球狀星團(tuán)中造父變星的觀測(cè)和研究工作。為此沙普利曾說(shuō):’我們的目標(biāo)就是要去做從未做過(guò)的事?！薄耙蔀榭茖W(xué)研究中的領(lǐng)先者，實(shí)現(xiàn)海爾使威爾遜山天文臺(tái)成為一個(gè)著名研究機(jī)構(gòu)的夢(mèng)想”。他花了4年時(shí)間，夜以繼日地工作，拍攝了成百上千張星團(tuán)照片，逐一檢視，又對(duì)造父變星的亮度進(jìn)行測(cè)量，并測(cè)定出其亮度變化周期和平均亮度，然后他用“造父視差法”，定出其光度，求出其距離。接著，他研究了球狀星團(tuán)在天球上的分布，他發(fā)現(xiàn)球狀星團(tuán)相對(duì)于太陽(yáng)的分布不均勻，90%以上的球狀星團(tuán)位于人馬座為中心的半個(gè)天球上，他們的距離較大;10%的球狀星團(tuán)位于另一半球上，他們的距離較近?？茖W(xué)家及哲學(xué)家歷來(lái)都有這樣的觀念，即認(rèn)為自然界是對(duì)稱的，由此，沙普利認(rèn)為球狀星團(tuán)在天球上的分布是均勻的，只是它們的中心不在太陽(yáng)，而在人馬座附近，這才是銀河系的中心。1919年，沙普利提出了他的銀河系模型，銀河系的形狀好似透鏡，其直徑約為30萬(wàn)光年，太陽(yáng)到銀河系中心的距離約為6萬(wàn)光年。幾百年來(lái)人們一直以為太陽(yáng)是宇宙的中心，沙普利以其大膽的勇氣，驚人的想象力和創(chuàng)造力，描繪出了一幅銀河系新的圖景，把太陽(yáng)’請(qǐng)”出了銀河系的中心，揭開(kāi)了天文學(xué)史上新的篇章。德國(guó)天文學(xué)家巴德曾贊賞道:“我一向佩服沙普利的路子，他在很短的時(shí)間里一舉拿下了這個(gè)問(wèn)題，終于得到了銀河系的圖像，把一切老派的銀河系尺度的觀念打垮了?！鄙称绽麑⑻?yáng)放到銀河系的邊緣，就象哥白尼將地球挪出太陽(yáng)系的中心一樣，為建立銀河系正確的圖像跨出了關(guān)鍵性的一步。

1930年，瑞士天文學(xué)家特朗普勒(1886一1956年)在研究了星際消光效應(yīng)之后，對(duì)球狀星團(tuán)的距離進(jìn)行了校正，推算出銀河系的直徑約為10萬(wàn)光年以下，而太陽(yáng)到銀河系中心的距離約為3萬(wàn)光年。

在射電波中回眸銀河系當(dāng)愛(ài)因斯坦和弗里德曼用廣義相對(duì)論方程研究整個(gè)宇宙的時(shí)候，天文學(xué)家還僅僅在人眼直接可以接受的可見(jiàn)光波段觀側(cè)天體。由于在銀河系中的銀道面附近存在者大量的星際塵埃，從而產(chǎn)生的星際消光阻礙了可見(jiàn)光的觀測(cè)，致使人類(lèi)在已經(jīng)能夠看到遙遠(yuǎn)的河外星系的時(shí)候，還未能認(rèn)清人類(lèi)自身所居住的星系—銀河系的真面目。正像宋代著名詩(shī)人蘇東坡所說(shuō)的那樣“橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近高低各不同，不識(shí)廬山真面目。只緣身在此山中?！弊?925年美國(guó)天文學(xué)家哈勃?jiǎng)?chuàng)建了第一個(gè)河外星系的分類(lèi)系統(tǒng)之后，他將星系分為了漩渦、棒旋、橢圓和不規(guī)則四大類(lèi)。然而我們自身所在的銀河系是屬于哪一類(lèi)型的星系呢。

1927年荷蘭天文學(xué)家?jiàn)W爾特(1900一1992年)與瑞典天文學(xué)家B。林德伯萊德合作，發(fā)現(xiàn)了銀河系的旋轉(zhuǎn)。從此開(kāi)始了奧爾特對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)時(shí)間探索。1938年，奧爾特用光學(xué)觀測(cè)的方法，發(fā)現(xiàn)銀河系存在旋渦結(jié)構(gòu)，但由于銀道面附近強(qiáng)烈的星際消光，妨礙了這項(xiàng)研究的深入進(jìn)行。

1931年美國(guó)新澤西州貝爾電話實(shí)驗(yàn)室為橫跨大洋的無(wú)線電電話建造了長(zhǎng)30，5米高3.66米的旋轉(zhuǎn)天線陣。在此工作的無(wú)線電工程師央斯基(K.Gdansky，1905一1950年)在研究噪聲干擾時(shí)，在1.46米的波長(zhǎng)波段，發(fā)現(xiàn)了一種來(lái)源不明的射電噪聲。開(kāi)始他以為此射電噪聲來(lái)自太陽(yáng)，但隨著不斷地跟蹤觀測(cè)，他發(fā)現(xiàn)噪聲源并不完全與太陽(yáng)運(yùn)行同步，而是每天都要提前4分鐘，而恒星時(shí)的周期正好比太陽(yáng)短4分鐘。因此央斯基意識(shí)到噪聲源來(lái)自太陽(yáng)系外星空中的某一固定位置。而此位置正好指向人馬座方向，經(jīng)過(guò)一年的監(jiān)測(cè)，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)他的無(wú)線電陣指向沙普利預(yù)言的銀河系中心方向時(shí)，此射電噪聲最強(qiáng)。故1935年央斯基發(fā)表論文明確斷定，他測(cè)得了來(lái)自銀河系中心的射電輻射，這是人類(lèi)首次探測(cè)到宇宙射電，導(dǎo)致了射電天文學(xué)的誕生。從此沖破了人類(lèi)只能在可見(jiàn)光波段探測(cè)宇宙的歷史，為人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙打開(kāi)了一扇新的天窗，開(kāi)創(chuàng)了用射電波研究天體的新紀(jì))石。

光是什么，現(xiàn)代物理學(xué)告訴我們光是電磁波輻射，而人眼能夠分辨的可見(jiàn)光波段僅占電磁波譜中很窄的一段。天文學(xué)家是通過(guò)探測(cè)宇宙天體所發(fā)生的光輻射來(lái)認(rèn)識(shí)宇宙的，而宇宙天體的光輻射并不局限于可見(jiàn)光波段，其輻射廣布在無(wú)線電波段、紅外、紫外、x射線、，射線等整個(gè)電磁波段上。因此隨著觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)開(kāi)始了全波段的天文觀測(cè)。當(dāng)射電窗口被打開(kāi)以后，已任荷蘭萊頓天文臺(tái)臺(tái)長(zhǎng)的奧爾特立刻意識(shí)到，由于射電波與可見(jiàn)光不同，能夠穿越星際氣體和塵埃的阻礙，對(duì)于研究銀河系的結(jié)構(gòu)，射電波輻射也許能提供全新的圖象。于是奧爾特讓他的學(xué)生范德胡斯特(1918一)從理論上尋找可供觀測(cè)的射電譜線。范德胡斯特做了認(rèn)真的研究，1944年他預(yù)言可以探測(cè)到星際空間含量豐富的中性氫原子的21厘米譜線。1945年，第二次世界大戰(zhàn)剛剛結(jié)束，奧爾特就向荷蘭科學(xué)院建議建造一個(gè)25米的射電望遠(yuǎn)鏡來(lái)探測(cè)這條譜線，但未能實(shí)現(xiàn)。后來(lái)終于于1951年5月，利用從德軍手中繳獲的一個(gè)7.5米雷達(dá)天線改裝成一架射電望遠(yuǎn)鏡，用它觀測(cè)到了來(lái)自銀河系的21厘米譜線的訊號(hào)。比美國(guó)的尤恩和拍塞爾的同一發(fā)現(xiàn)晚了約3個(gè)月。同年6月，澳大利亞的天文學(xué)家克里斯琴森和海特曼也測(cè)到了這條譜線。這三個(gè)測(cè)量結(jié)果、是同時(shí)發(fā)表的，在世界科學(xué)界引起了對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)研究的巨大關(guān)注。

1956年奧爾特建議制造的25米射電望遠(yuǎn)鏡開(kāi)始在特溫格羅天文臺(tái)投入工作，繼續(xù)開(kāi)展銀河系21厘米譜線的系統(tǒng)巡測(cè)，利用中性氫的密度分布研究銀河系的結(jié)構(gòu)。1958年奧爾特領(lǐng)導(dǎo)的射電天文小組與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)組織的射電天文小組，將南北半球的觀測(cè)結(jié)果做了綜合，繪制出了第一幅銀河系21厘米中性氫的分布圖，從中可以清楚地看到銀河系具有渦旋結(jié)構(gòu)。該圖由奧爾特、克爾和韋斯特奧特聯(lián)合發(fā)表于題為