銀河系

銀河系（英文： The Milky Way Galaxy），是太陽系所在的棒旋星系，其D25等光直徑為26.8±1.1 kpc（87400±3600光年），呈現(xiàn)巨大的盤面結(jié)構(gòu)。最近研究表明銀河系擁有四條清晰明確且比較對稱的旋臂1，旋臂處約為 1,000 光年的厚度（在凸起處更多）。銀河系暗物質(zhì)暈也包含一些可見恒星，直徑延伸到613kpc（約200萬光年）2。

銀河系自內(nèi)向外分別由銀心、銀核、銀盤、銀暈和銀冕組成，年齡大概在100億歲左右，其中央?yún)^(qū)域多數(shù)為老年恒星，外圍區(qū)域多數(shù)為新生和年輕的恒星。銀河系約為1.5萬億倍太陽質(zhì)量，包含約1000~4000億顆恒星，且至少有相同數(shù)量的行星3。

銀河系整體作較差自轉(zhuǎn)，在太陽處的自轉(zhuǎn)速度約220km/s，而太陽系位于距離銀心約8.3 kpc（27000光年）的獵戶臂內(nèi)緣，這是氣體和塵埃形成濃集區(qū)之一。銀心存在一個被稱為人馬座A*的強烈射電源，中心存在一個410±3.4萬太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞4。

大、小麥哲倫云以及部分矮星系是銀河系的衛(wèi)星星系，屬于本星系群，本星系群屬于室女座超星系團，繼而屬于拉尼亞凱亞超星系團的一部分5，而銀河系正在通過緩慢地吞噬周邊的矮星系使自身不斷壯大。

外觀

銀河系在夜空中呈現(xiàn)出一條朦朧的光帶，在晴夜質(zhì)量較好的時候，可以觀察到寬約30°，拱起夜空9。這條光帶的光源來自于銀河平面方向上未分辨的恒星及其他物質(zhì)的累積，光帶周圍的較亮區(qū)域則顯示為柔和的光斑，稱為恒星云，其中最顯著的是人馬座大恒星云，它是銀河系中心隆起部分的一部分10。光帶中的呈現(xiàn)為縫隙狀和帶狀的黑暗區(qū)域，是由于星際塵埃阻擋了來自遙遠恒星的光線造成的，而銀河本體所遮擋的天域稱為回避帶11。

銀河的表面亮度相對較低，背景光（如光污染或月光）會極大地削弱其可見性。天空的亮度需要低于每平方角秒20.2星等，銀河才能被看見12。如果極限視星等在大約5.1星等，銀河應(yīng)該可見，并且在6.1星等時展示更多的細節(jié)13，因此在城市或郊區(qū)明亮的燈光下很難看到銀河，但在月亮位于地平線以下的鄉(xiāng)村地區(qū)觀測時，銀河會非常顯眼。人造夜空亮度圖表明，全球超過三分之一的人口由于光污染無法在家中看到銀河14。

從地球觀測，銀河系經(jīng)過了25個星座的天區(qū)：天鵝座、天鷹座、狐貍座、天箭座、蛇夫座、盾牌座、人馬座、天蝎座、天壇座、矩尺座、豺狼座、南三角座、圓規(guī)座、蒼蠅座、南十字座、船帆座、船尾座、麒麟座、獵戶座、金牛座、雙子座、御夫座、英仙座、仙后座和蝎虎座15。

銀河中心位于人馬座方向，是銀河最亮的地方。從人馬座開始，模糊的白色光帶似乎繞到御夫座的銀河反中心。然后這條光帶繼續(xù)繞過天空的其余部分，回到人馬座，將天空分成兩個大致相等的半球16。銀河平面相對于黃道面（地球軌道平面）傾斜大約60°。相對于天赤道，它最北可以到達仙后座，最南可以到達南十字座，這顯示了地球赤道平面和黃道面相對于銀河平面的高度傾斜。按照B1950，北銀河極位于赤經(jīng)12時49分，赤緯+27.4°，靠近后發(fā)座的β星，南銀河極則靠近玉夫座的α星。由于這一高傾角，視觀察時間和季節(jié)的不同，銀河弧可能在天空中相對較低或較高。對于大約北緯65°至南緯65°的觀察者，銀河每天會兩次經(jīng)過頭頂。

對于北半球來說，銀河夏季星空的重要標(biāo)志，以及由3顆亮星，即銀河兩岸的織女星、牛郎星和銀河之中的天津四所構(gòu)成的“夏季大三角”。夏季的銀河由天蝎座東側(cè)向北伸展，橫貫天空，氣勢磅礴，極為壯美。而冬季的銀河很黯淡（在獵戶座與大犬座），但在天空中可以看到明亮的獵戶座，以及由天狼星、參宿四、南河三構(gòu)成的明亮的“冬季大三角”。

觀測歷史

2.1早期探測

早期人類依靠裸眼對銀河進行觀測和記錄。

在中國古代，銀河被視為一條想象中的河流，與五行中的水元素緊密相連，并在占卜預(yù)測術(shù)中發(fā)揮作用17，這表明古人對銀河的認(rèn)識更多是基于象征和神話，而非科學(xué)觀測。但對銀河系本身的觀測，中國的史料記載較少，而西方的觀測和記載則相對豐富和齊全。

在《Meteorologica》一書中，阿那克薩哥拉（約公元前500-428年）和德謨克利特（公元前460-370年）曾提出，“由于地球的陰影，銀河中恒星的光輝無法直接可見，而其他恒星則是從太陽獲得光亮，但它們的光輝被太陽光線遮蔽18”。亞里士多德（公元前384-322年）本人認(rèn)為，“銀河是地球上層大氣的一部分，與恒星一樣，銀河是恒星燃燒的副產(chǎn)物，由于它位于大氣層的最外層，無法消散，形成了銀河的巨大圓形。他認(rèn)為，銀河的乳白色外觀是由于地球大氣層的折射作用造成的19”。

新柏拉圖主義哲學(xué)家奧林匹奧多羅斯（約公元495-570年）批評了這種觀點，稱如果銀河位于月球以下的區(qū)域，它在地球上的不同時間和地點應(yīng)該呈現(xiàn)出不同的外觀，并且應(yīng)該具有視差，但并不符合事實。他認(rèn)為銀河應(yīng)該是天體的一部分，這個觀點后來對伊斯蘭世界產(chǎn)生了影響20。

波斯天文學(xué)家阿爾比魯尼（973-1048年）提出，“銀河是無數(shù)類似星云的碎片的集合21”。安達盧西亞天文學(xué)家阿威姆佩斯（卒于1138年）提出銀河由許多恒星組成，但由于大氣層的影響，它看起來像是一幅連續(xù)的圖像，他引用自己在1106或1107年觀察到木星和火星的會合作為證據(jù)22。波斯天文學(xué)家納西爾丁·圖西（1201-1274年）在他的《Tadhkira》中寫道：“銀河，即星系，是由大量緊密排列的小恒星組成的，由于它們的集中和微小，看起來像云狀斑點。正因為如此，它被比作牛奶的顏色23?！?。伊本·蓋伊姆·賈瓦齊亞（1292-1350年）提出，銀河是“無數(shù)密集在固定恒星天球中的小恒星”。24

2.2近代觀測

近代是以望遠鏡觀測實驗為主的時代。

1584年，意大利人布魯諾明確提出宇宙是無限的，恒星都是遙遠的太陽，太陽只是無數(shù)個恒星中的普通一員。

證明銀河系由許多恒星組成的證據(jù)出現(xiàn)在1610年，當(dāng)時伽利略使用望遠鏡研究銀河系，發(fā)現(xiàn)它由大量微弱的恒星構(gòu)成，但他得出了錯誤的結(jié)論，認(rèn)為銀河系的外觀是地球大氣折射造成的。25

在1755年的一篇論文中，伊曼紐爾·康德在托馬斯·賴特的早期研究基礎(chǔ)上推測銀河系可能是一個由大量恒星組成的旋轉(zhuǎn)體，受引力的作用，類似于太陽系，但規(guī)模要大得多（現(xiàn)今來看這是正確的觀點）。26由此形成的恒星盤從位于盤內(nèi)的角度看，會呈現(xiàn)為天空中的一條帶狀。賴特和康德還推測，夜空中可見的一些星云可能是類似于銀河系的獨立“星系”?？档聦y河系和“外星系星云”稱為“島宇宙”，這一術(shù)語在1930年代之前仍然被廣泛使用。2728

1785年，威廉·赫歇爾首次嘗試描述銀河系的形狀以及太陽在其中的位置，他通過仔細計數(shù)可見天空不同區(qū)域的恒星數(shù)量，繪制了銀河系的形狀圖，認(rèn)為太陽系接近中心。291845年，羅斯勛爵建造了一臺新望遠鏡，能夠區(qū)分橢圓形和螺旋形星云。他還成功觀察到一些星云中的單個點源，從而支持了康德早期的推測。30

1904年，雅各布·卡普泰因研究恒星自行時報告稱這些運動并非隨機，如當(dāng)時所認(rèn)為的那樣，恒星可以分成兩個幾乎相對運動的流。31后來人們意識到卡普泰因的數(shù)據(jù)是證明銀河系旋轉(zhuǎn)的首個證據(jù)。32

1906年，卡普坦為了重新研究恒星世界的結(jié)構(gòu)，提出了“選擇星區(qū)”計劃，后人稱為“卡普坦選區(qū)”。他于1922年得出與F.W.赫歇耳的類似的模型，也是一個扁平系統(tǒng)，太陽居中，中心的恒星密集，邊緣稀疏。在假設(shè)沒有明顯星際消光的前提下，于1918年建立了銀河系透鏡形模型，太陽不在中心。到20世紀(jì)20年代，沙普利模型已得到天文界公認(rèn)。由于未計入星際消光效應(yīng)，沙普利把銀河系估計過大。到1930年，特朗普勒證實星際物質(zhì)存在后，這一偏差才得到糾正。

1917年，赫伯·道斯特·卡蒂斯在大仙女星云（M31）觀察到了新星S Andromedae，他在搜索照片記錄時發(fā)現(xiàn)了11顆新星，并注意到它們的平均亮度比銀河系內(nèi)發(fā)生的新星要暗10個量級，因此他估算出這些新星距離地球約為150 kpc（約49萬光年），遂支持“島宇宙”假說，即認(rèn)為螺旋星云是獨立的星系。33

1920年，哈羅德·沙普利與赫伯·卡蒂斯之間進行了一場關(guān)于銀河系、螺旋星云以及宇宙尺度的偉大辯論，簡稱“世紀(jì)大辯論”，極大程度地改變了科學(xué)界的宇宙觀。為了支持關(guān)于M31是河外星系的主張，卡蒂斯指出M31具備類似于銀河系中塵云的暗帶的外觀，以及顯著的多普勒紅移。34

這一爭議在1923年被埃德溫·哈勃通過使用馬特·威爾遜天文臺的2.5米胡克望遠鏡得以解決，憑借這臺新望遠鏡的聚光能力，他拍攝出一些螺旋星云外部的天文照片，顯示出獨立恒星的集合，同時還能識別一些造父變星，作為估算星云距離的基準(zhǔn)，最終發(fā)現(xiàn)M31距離太陽系約275kpc（約90萬光年），由于當(dāng)時的理論和觀測存在誤差，這個估計值仍然偏小了，但也遠遠超出銀河系的范圍。35

1926年，瑞典天文學(xué)家林得布拉德分析出銀河系也在自轉(zhuǎn)。把對銀河系的認(rèn)識大大向前推進了一步。

1927年，荷蘭天文學(xué)家奧爾特證明銀河系確實在繞中心自轉(zhuǎn)，同時說明銀河系的整體不是固體。因此，越靠近中心，自轉(zhuǎn)越快，銀河系邊緣自轉(zhuǎn)緩慢。

1942年，瑞典天文學(xué)家林德布拉德提出“密度波”概念，后來美國科學(xué)家提出了系統(tǒng)的密度波理論，初步解釋了旋臂的穩(wěn)定性。

1951年，摩根提出，銀河是螺旋形的。根據(jù)摩根的說法，銀河系有3條熾熱恒星群組成的旋臂，分別是英仙座、獵戶座和人馬座旋臂。關(guān)于銀河系的旋臂結(jié)構(gòu)，主要有三旋臂和四旋臂兩種模型，目前的主流模型是四旋臂，分別是定規(guī)座旋臂、半人馬座旋臂、人馬座旋臂和英仙座旋臂。太陽坐落在位于人馬座和英仙座之間的一條小旋臂，稱為本地旋臂，位于獵戶座旋臂附近。

20世紀(jì)70年代期間，人們通過探測銀河系一氧化碳分子的分布，意外地發(fā)現(xiàn)了銀河系的第四條旋臂，它跨越狐貍座和天鵝座。

1971年，英國天文學(xué)家林登·貝爾和馬丁·內(nèi)斯分析了銀河系中心區(qū)的紅外觀測和其他性質(zhì)，指出銀河系中心的能源應(yīng)是一個黑洞。

2.3現(xiàn)代巡天

現(xiàn)代的銀河系觀測主要依托地基和天基的大型巡天設(shè)備進行大數(shù)據(jù)觀測。

2003年，升空的斯皮策太空望遠鏡已對從太陽系的小行星到可觀測宇宙邊緣的遙遠星系進行了逾10年的研究，這是首次在一張巨幅全景圖上將所有星辰的圖片拼接再現(xiàn)。斯皮策太空望遠鏡通過紅外觀測，穿透密集的塵埃并觀測到更遙遠的銀河系中心地帶，繪制出一幅更精確的銀河系中心帶星圖，并指出銀河系比先前所想的更大。

2004年，天文學(xué)家使用甚大望遠鏡（VLT）的紫外線視覺矩陣光譜儀進行的研究，首度在球狀星團NGC 6397的兩顆恒星內(nèi)發(fā)現(xiàn)了鈹元素。這個發(fā)現(xiàn)讓他們將第一代恒星與第二代恒星交替的時間往前推進了2~3億年，因而估計球狀星團的年齡在134±8億歲，因此銀河系的年齡不會低于136±8億歲。

2006年5月9日，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了銀河系的兩個新矮星系。這兩個矮星系均為橢球矮星系，分別位于星空中獵犬座和牧夫座的所在方向，均距離太陽約64萬光年。矮星系的光度一般不到銀河系的10%，牧夫座方向發(fā)現(xiàn)的矮星系是迄今已知最暗淡的矮星系，但仍有約10萬倍太陽光度。

2008年，科學(xué)界在智利歐洲南方天文臺花費16年的時間，追蹤圍繞銀心運行的28顆恒星，從而證實了超大質(zhì)量黑洞人馬座A*的存在，其質(zhì)量是太陽的400萬倍，距離地球大約8.15 kpc（約2.66萬光年）。

2014年，馬修·沃克和他的團隊發(fā)現(xiàn)銀河系的質(zhì)量僅為仙女座的一半，這個研究結(jié)果發(fā)表在英國皇家天文學(xué)會的月刊上。該研究小組使用了一種全新的方法去測量星系的質(zhì)量，比以往的測量方法更加精確。

2015年，科學(xué)家使用斯隆數(shù)字巡天勘測數(shù)據(jù)分析了銀河系邊緣恒星的亮度和距離，發(fā)現(xiàn)銀河系邊緣像瓦楞紙板一樣存在皺褶結(jié)構(gòu)，凹槽中存在著恒星，從而推斷真實的銀河系比之前的預(yù)想大50% 。同年關(guān)于銀心的最新觀測表明，銀河系的最核心部位存在大量白矮星，數(shù)量則至少在10萬顆左右。在更靠近銀心的位置，則由大約70顆較大的白矮星組成。

歐洲航天局的航天器Gaia通過測定十億顆恒星的視差提供距離估計，并在2016年、2018年、2021年和2024年分別發(fā)布四次銀河系的巡天數(shù)據(jù)。36Gaia的數(shù)據(jù)被形容為“具有變革性”。據(jù)估計，蓋亞將恒星觀測數(shù)量從1990年代的約200萬顆擴展到20億顆，并將可測量的空間體積擴大了100倍的半徑和1000倍的精度。37

2020年的一項研究得出結(jié)論，Gaia探測到了銀河系的晃動運動，這可能是由于“星盤旋轉(zhuǎn)軸與非球形暈的主軸之間的不對齊所產(chǎn)生的扭矩，或在晚期降落過程中獲得的暈內(nèi)聚集物，或來自鄰近的交互衛(wèi)星星系及其隨之產(chǎn)生的潮汐”。38同年艾麗絲·迪森及其同事利用銀河系附近星系，找到了銀河系的邊界，認(rèn)為銀河系的精確直徑為190萬光年，誤差不超過40萬光年。

2022年12月，國家天文臺韓金林研究員科研團隊利用中國天眼FAST探測了銀河系內(nèi)氣體介質(zhì)，獲得高清圖像。對銀河系逐點巡測、搜尋脈沖星的同時，同步記錄了星際氣體的譜線數(shù)據(jù)，并于近期完成了對銀河系一個部分的觀測，處理了約4.4萬條無線電譜線數(shù)據(jù)，獲得了國際上最高靈敏度和清晰度的銀河系內(nèi)氫原子氣體的分布結(jié)構(gòu)和電離氣體的彌漫特征。

2024年5月，中國科學(xué)院國家天文臺徐鈞博士和韓金林研究員通過分析銀河系內(nèi)的脈沖星和銀河系外的射電源法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)分布數(shù)據(jù)，揭示了銀河系的暈中有一個巨大的磁環(huán)結(jié)構(gòu)39。

我國的郭守敬望遠鏡（LAMOST）也致力于銀河系內(nèi)的大規(guī)模光譜巡天，并精確描繪銀河系的結(jié)構(gòu)和演化，這包括銀盤的星族、恒星運動和金屬豐度分布的研究，以及揭示銀河系恒星形成和化學(xué)增豐歷史等方面40。LAMOST通過其高光譜獲取率的特點，能夠有效探測和研究特殊天體，如高速運動的恒星、疏散星團等41。

天體性質(zhì)

3.1主要結(jié)構(gòu)

3.1.1銀心

太陽距離銀河中心約8.15 kpc（26580光年），這個數(shù)值是通過VLT射電干涉觀測測量得到的數(shù)值，是目前天文學(xué)界使用相對較多的數(shù)值42，而不同的技術(shù)方法會得到不同范圍的測量值43。

銀心存在一個名為人馬座A*的強烈射電源，2022年5月12日，天文學(xué)家發(fā)布于2017年4月使用全球射電天文臺網(wǎng)絡(luò)事件視界望遠鏡制作的人馬座A*視界周圍吸積盤的第一張影像44，確認(rèn)物體是黑洞，其估計質(zhì)量為410萬至450萬倍太陽質(zhì)量45。這是繼2019年的M87超大質(zhì)量黑洞之后，人類確認(rèn)的第二張黑洞影像。銀河系的超大質(zhì)量黑洞的吸積率與不活躍的星系核一致，估計為每年1×10-5 M☉46。甚長基線干涉儀的探測表明，銀心射電源的中心區(qū)很小，甚至小于十個天文單位，即不大于木星繞太陽的軌道。流入致密核心吸積盤的相對論性電子，在強磁場中加速，產(chǎn)生了同步加速輻射。

一般在星系內(nèi)圈約幾個kpc的半徑內(nèi)，存在一個主要由老恒星組成的密集球狀結(jié)構(gòu)，稱為核球47。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，銀河系缺乏核球，可能由曾經(jīng)的星系碰撞和合并引起，而目前銀心實際上是偽核球，由兩個銳角夾角的棒狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成48。但這種說法仍存在爭議，使用RR Lyrae型恒星的觀測結(jié)果并未明顯描繪出銀河棒的輪廓49，棒結(jié)構(gòu)可能被一個名為“5kpc環(huán)”的星流所環(huán)繞，環(huán)內(nèi)含有大量的分子氫以及恒星形成活動，如果從M31觀察，它將是銀河系最亮的特征50。

自1970年以來，各種伽馬射線探測任務(wù)發(fā)現(xiàn)511 keV伽馬射線來自銀河中心的總體方向。這些伽馬射線是由正反電子湮滅產(chǎn)生的，伽馬射線探測器發(fā)現(xiàn)發(fā)射該區(qū)域大小約為10,000光年，亮度約為10萬倍太陽光度51。2008年NASA和ESA的衛(wèi)星共同發(fā)現(xiàn)，伽馬射線源的分布與低質(zhì)量X射線雙星的分布相似，似乎表明這些X射線雙星將正負(fù)電子發(fā)送到星際空間，它們在減速后湮滅。52

2010年，使用費米伽馬射線空間望遠鏡的數(shù)據(jù)，檢測到銀心南北兩側(cè)存在兩個巨大的高能伽馬射線發(fā)射球形氣泡，每個氣泡的直徑約為7.7 kpc（約25,000光年），它們延伸至南半球夜空中的鳳凰座和處女座53。帕克斯望遠鏡此后在無線電頻率下的觀察識別出與費米氣泡相關(guān)的偏振發(fā)射，最合理的解釋是由銀河系中心200 pc（640光年）內(nèi)的恒星形成所驅(qū)動的磁化外流。54

2012年，錢德拉X射線太空望遠鏡探測到人馬座A*爆發(fā)出的明亮的X射線耀斑，亮度是黑洞正常發(fā)光的150倍，耀斑爆發(fā)時間超過1小時，然后逐漸變暗。2015年，NASA再次觀察到來自人馬座A*的X射線耀斑，其亮度比平常亮400倍，創(chuàng)造了記錄。這一異常事件可能是由于一個落入黑洞的小行星分裂，或是氣體流入人馬座A時磁場線纏繞所引起的。552019年8月9日，人馬座A*的亮度在兩小時內(nèi)增大到原來的75倍。

3.1.2 銀盤和旋臂

銀盤是銀河系的主要組成部分，是由恒星、塵埃和氣體組成的扁平盤。在銀河系中可探測到的物質(zhì)中，有九成都在銀盤范圍以內(nèi)。銀盤外形如薄透鏡，以軸對稱形式分布于銀心周圍，其中心厚度約1萬光年，不過這是微微凸起的核球的厚度，銀盤本身的厚度只有兩千光年，直徑近20萬光年，總體上說銀盤非常薄。

2017年底，國家天文臺劉超研究員等率先利用LAMOST數(shù)據(jù)，成功繪制出銀盤外圍的空間結(jié)構(gòu)剖面圖。研究人員分析，銀盤的恒星數(shù)目雖然在隨著銀盤半徑減少，但并沒有在5萬光年處停下來，而是一直延伸到距離中心6.2萬光年處。以往的研究認(rèn)為，銀盤的半徑大約只有14~15 kpc，之后會有一個明顯的截斷，很多理論研究據(jù)此推演銀河系的形成和演化歷史，盡管有研究在距離銀心20 kpc的地方陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了少量的年輕恒星，但是直到這項工作，人們才真正系統(tǒng)地看到了銀河系外盤的廬山真面目。

在銀河棒的引力影響之外，銀河系盤中的星際介質(zhì)和恒星結(jié)構(gòu)被組織成四個螺旋臂。螺旋臂通常包含比銀河平均值更高密度的星際氣體和塵埃，以及更高的恒星形成濃度，這可以通過H II區(qū)和分子云來追蹤。

除了1kpc范圍內(nèi)的銀核繞銀心作剛體定軸轉(zhuǎn)動外，銀盤的其他部分都繞銀心作較差自轉(zhuǎn)，即離銀心越遠轉(zhuǎn)得越慢。銀盤中的物質(zhì)主要以恒星形式存在，占銀河系總質(zhì)量不到10%的星際物質(zhì)，絕大部分也散布在銀盤內(nèi)。星際物質(zhì)中，除電離氫、分子氫及多種星際分子外，還有10%的星際塵埃，這些直徑在1微米左右的固態(tài)微粒是造成星際消光的主要原因，它們大都集中在銀道面附近。

銀盤主要由星族Ⅰ組成，如G～K型主序星、巨星、新星、行星狀星云、天琴座RR變星、長周期變星、半規(guī)則變星等。

銀河系的旋臂結(jié)構(gòu)為銀盤平面上，具體的螺旋結(jié)構(gòu)尚無定論56。目前較為完善的旋臂數(shù)學(xué)模型是對數(shù)螺旋，可以粗略描述太陽鄰域的特征57，其他的誤差影響來自于旋臂的分支、合并、意外扭曲和一定程度的不規(guī)則性58。太陽位于小臂/本地臂的可能情景59強調(diào)了這一點，并表明這些特征可能并非唯一，且在銀河系的其他地方也存在60。對螺旋臂的螺距角的估計范圍約為7~25°。61主流認(rèn)為銀河系具有四個旋臂，均始于銀河系中心附近，62這些臂的名稱如下，臂的位置在圖中顯示：

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其中盾牌-人馬座臂和船底-人馬座臂，在太陽圍繞銀河中心的軌道內(nèi)有切點，它們是銀河系中唯二的主要恒星臂，其余的臂包含過量的氣體，但沒有過量的老恒星63。2013年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)年輕恒星和恒星形成區(qū)域的分布與銀河系的四臂螺旋描述相匹配64，因此銀河系具有兩條由年老恒星為主的螺旋臂，以及四條以氣體和年輕恒星為主的螺旋臂，但這種明顯的差異的解釋尚不清楚65。

近三千秒差距臂（也簡單稱為近3kpc旋臂）是由范沃爾登及其合作者，在20世紀(jì)50年代通過21厘米射電測量HI（原子氫）發(fā)現(xiàn)66，發(fā)現(xiàn)它以超過50千米/秒的速度從核球向外擴展。近3kpc旋臂位于第四個銀河象限，距離太陽約5.2 kpc，距離銀心3.3 kpc。而遠3千秒差距臂是由湯姆·戴姆在2008年發(fā)現(xiàn)，它位于銀河第一象限，距離銀河中心約3 kpc（約10,000光年）67。

2011年的模擬研究表明，銀河系可能通過和人馬座矮橢圓星系的重復(fù)碰撞作用，形成了其螺旋臂結(jié)構(gòu)68。銀河系可能包含兩種不同的螺旋模式：一種是由人馬臂形成的內(nèi)螺旋，旋轉(zhuǎn)較快；另一種是由船底臂和仙女臂形成的外螺旋，旋轉(zhuǎn)速度較慢且臂較緊密。根據(jù)不同螺旋臂動力學(xué)的數(shù)值模擬，這一情景表明，外部模式將形成一個外偽環(huán)69，而這兩種模式將通過天鵝臂相連70。

在主要旋臂之外還存在一個外環(huán)，可能是數(shù)十億年前從其他星系撕裂得到的氣體和恒星所組成的環(huán)，然而該觀點存在爭議，也有理論認(rèn)為外環(huán)是銀河系膨脹和扭曲的厚盤所產(chǎn)生的一個過密度結(jié)構(gòu)71，而銀河系盤的結(jié)構(gòu)沿著S曲線扭曲72。

3.1.3 銀暈和銀冕

銀河盤由一個球狀暈層圍繞，稱作銀暈。暈層中包含許多古老的恒星和球狀星團，其中90%位于距銀心30 kpc（約10萬光年）以內(nèi)73，然而也有一些球狀星團被發(fā)現(xiàn)位于更遠的地方，比如位于距銀心20萬光年以上的PAL 4和AM 1。此外約40%的銀河系球狀星團處于逆行軌道上，即運動方向與銀河系旋轉(zhuǎn)方向相反74，這些球狀星團可以沿著銀河系進行玫瑰狀軌道運動，與行星繞恒星的橢圓軌道不同75。

銀暈之外還存在著一個巨大的呈球狀的射電輻射區(qū)，稱為銀冕，至少延伸到距銀心32萬光年遠。

盡管盤中含有遮擋部分波長觀測的塵埃，但銀暈部分并沒有這種遮擋。恒星形成活動主要發(fā)生在盤內(nèi)（尤其是高密度的旋臂區(qū)域），但在銀暈中并沒有發(fā)生恒星形成活動，因為這里幾乎沒有足夠冷的氣體能夠坍縮形成恒星76，而疏散星團也主要位于銀河盤內(nèi)77。

21世紀(jì)初，隨著發(fā)現(xiàn)仙女座大星云M31的盤狀結(jié)構(gòu)遠超預(yù)期和認(rèn)知78，銀河系盤狀結(jié)構(gòu)延伸到更遠處的可能性也在增加。天鵝座臂的延伸79和半人馬矮橢圓星系的發(fā)現(xiàn)，更加支持這種擴展的觀點。斯隆數(shù)字巡天對北天球的觀測顯示，銀河系中還存在一個巨大而彌漫的結(jié)構(gòu)，分布面積約為滿月大小的5000倍，但這種結(jié)構(gòu)似乎無法融入現(xiàn)有的理論模型——該結(jié)構(gòu)被命名為室女座星流，距太陽系約9kpc（約3萬光年），它幾乎垂直于銀河系旋臂的盤面升起，一種可能的解釋是，它是一個正在與銀河系合并的矮星系遺跡80。

銀暈除了恒星暈的部分外，錢德拉X射線天文臺等還提供了觀測證據(jù)，證明銀河系還擁有一個包含大量高溫氣體的氣體暈，在100~250萬開爾文81，它的延伸范圍遠遠超過恒星暈，幾乎抵達大、小麥哲倫云。這個高溫氣體暈質(zhì)量幾乎與整個銀河系旗鼓相當(dāng)82。

對遙遠星系的觀測表明，在宇宙形成的幾十億年后，普通重子物質(zhì)的含量僅為暗物質(zhì)的六分之一，然而根據(jù)對像銀河系這樣的鄰近星系的觀測，現(xiàn)代的可觀測宇宙中只有大約一半的重子物質(zhì)得到了確認(rèn)83。因此，如果氣體暈的質(zhì)量確實與銀河系質(zhì)量相當(dāng)，這可能就是銀河系周圍重子物質(zhì)缺失的原因。

2017年，國家天文臺研究人員利用LAMOST觀測的暈族紅巨星，直接繪制出銀河系40 kpc內(nèi)的三維剖面圖，從而揭示出恒星暈的復(fù)雜構(gòu)成——內(nèi)部呈扁球形，外部則逐漸變成球形。恒星數(shù)密度則按照單一冪律形式由內(nèi)向外減少。

2019年8月，中國科學(xué)院國家天文臺利用LAMOST DR5中K巨星的三維位置和三維速度，在銀河暈中找到40余組子結(jié)構(gòu)，包含近2000顆恒星。其中包括大量的人馬座星流、麒麟座星環(huán)、室女座致密區(qū)、孤兒星流等銀暈中已知子結(jié)構(gòu)和其他未知子結(jié)構(gòu)的成員星，并第一次給出了銀河系暈中大樣本子結(jié)構(gòu)的六維參數(shù)信息。這些信息更加精確地展現(xiàn)出銀河系現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)以及其過去的吸積歷史。通常星系在發(fā)生吸積并合時，會在其周圍的空間（暈）中留下原星系的殘骸，例如星流、致密區(qū)、殼層等子結(jié)構(gòu)。

目前對于這些子結(jié)構(gòu)的恒星六維信息巡天，主要有LAMOST和Gaia的研究內(nèi)容，此前已經(jīng)歸類發(fā)現(xiàn)，子結(jié)構(gòu)中的暈星，成團性在位置和速度空間上明顯區(qū)別于本地暈星。

3.1.4 翹曲

2019年，中國科學(xué)院國家天文臺陳孝鈿、鄧?yán)畈叛芯拷M和北京大學(xué)王舒研究組基于經(jīng)典造父變星構(gòu)建了一個穩(wěn)健的銀河系盤模型，給出了銀河系翹曲結(jié)構(gòu)的直觀三維地圖。造父變星是一類中等質(zhì)量的年輕脈動變星，比太陽重3~20倍，亮約幾萬倍。由于它們的脈動周期和光度嚴(yán)格相關(guān)，因此可以精確測定距離，精度可達3%~5%。

科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)距離銀河系中心越遠，造父變星就越偏離銀盤面，整體呈S型；同時，從銀心向外的翹曲呈現(xiàn)復(fù)雜的進動現(xiàn)象。該項工作表明銀河系外盤翹曲的起源與巨大的內(nèi)盤所施加的力矩有關(guān)，并且造父變星所示蹤的恒星盤與氣體盤的結(jié)構(gòu)非常一致，至少向外延伸到約6.5萬光年。盡管翹曲現(xiàn)象在河外星系中經(jīng)常出現(xiàn)，但是理論家們對它是如何形成的莫衷一是，一種可能的解釋是外盤受到某種轉(zhuǎn)矩作用而形成。

早在2006年1月，研究人員報告稱，銀河系盤面中先前無法解釋的彎曲實際上是由大麥哲倫星云和小麥哲倫星云在繞銀河系運動時引發(fā)的漣漪或振動引起的。這兩個星系僅占銀河系質(zhì)量的約2%，因此在早先被認(rèn)為不太可能對銀河系產(chǎn)生顯著影響，然而在計算機模型的后驗中，這兩個星系的運動會產(chǎn)生一個暗物質(zhì)尾流，放大它們對銀河系的影響84。

2013年12月19日，Gaia空間望遠鏡在法屬圭亞那成功發(fā)射升空，飛往距地球150萬千米的地日拉格朗日L2點—