心语繁星
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天文星座怎么划分的 人类该如何认识银河系?

1907年3月16日,一个叫斯坦因的英国人操着一口不太流利的中文来到敦煌莫高窟。

他从这里带走了29箱文物,轰动了整个欧洲。

把他带进莫高窟的是一个叫王圆箓的道士。道长偶然间发现了那个如今著名的佛教藏经洞,他振臂高呼弥陀佛真乃佛祖显灵。

为了保护里面的文物,他抱着道教的拂尘开始四处筹钱。

同时,他也很本分的报告给了敦煌县令和甘肃藩台,这些个鱼肉百姓的高官也非常兴奋啊,就问他“里面有黄金嘛?”

王圆箓说:“慈悲,慈悲。没有。”

“那里面有什么呀?”

王圆箓说:“有经书、画卷和刺绣。”

高官们一听,我最不缺的就是这些个玩意,没有黄金你打什么报告。

王圆箓一想你说的也是,福生无量天尊,既然你不急,那我也不急了。

拂尘一撇,他开始放出消息,说“佛教这玩意儿灵啊,管生孩子、管治病。你买不了吃亏,买不了上当。”

这一下子激起了斯坦因的种族天赋,大老远从欧洲闻着味就来了。

斯坦因老师定眼一看,没有一件是现代工艺品,他也非常兴奋啊。

两人一拍即合,倒腾了大量文物拉到英国。后来还引得欧洲好几个探险家来咱们敦煌进货。

这些个高官很快就乐不出来了,因为才不过一个月,孙中山的同盟会就在黄冈敲锣打鼓的发起了第一场起义,全国性的辛亥革命进入倒计时。

斯坦因拉走的这29箱文物里,有5箱是刺绣和字画,其中一件放今天的游戏设定里那叫史诗级神器,在天文学有重要地位的绢本彩绘——中国敦煌星图。

这是中国人1300多年前的智慧结晶,是迄今为止留存最古老的星图,也是世界上最早的星图。

长1.98米,显示了每个农历月有标记和命名的恒星,总计1345颗,分布在257个星官。

现存于伦敦大英图书馆。

中国最早的星图

虽然不是都有中国文物这样长的时间沉淀,但是各国有点年头的星图实际上也非常多。

这就是一个很有意思的现象,不论古今中外,人类用肉眼数星星都心有灵犀的采用了同一种方法——连连看。

全球的观星者,都乐于把随机排列的星星连接成片在区域中计数。

基于某些自娱自乐(自然信仰)的目的,“星座”诞生了。

这就导致一个很搞笑的问题,这些星座要么就是我能看见的你看不见,要么就是他起的名我不喜欢。

我们这说是北斗七星(大熊座的尾巴),法国人管它叫平底锅。

那时候整个地球的天文学派就像肯德基和麦当劳似的——属于不得见的老街坊。

国际天文学联合会为了调和麦乐鸡和肯塔基的矛盾。

1928年,就撮合着各国重新汇编了星座命名,正式公布国际通用天文88星座方案。

说到底,还是各叫各的,不过星座的划分从那天起就非常明确了。

一帮聪明的老头老太太盯着天球仪一拍脑门,想出一个不掉点头发都研究不出来的办法,街东头开肯德基、那街西头就开麦当劳呗,咱们啊,就从天赤道平分南北天。

还有个办法是按黄道来分南北天。黄道就是从地球的视角看,太阳一年经过的路线。

或者,也可以按星座族群分,这一坨那一坨。

总之,不论怎么折腾从今往后都是这88个星座。

标准确定后,这帮人晚上不睡觉在那点兵点将、加减乘除,算出了肉眼可见的星星,一共6974颗。

当然,并不是说每天晚上你都能看到这么多,而是说整个地球肉眼可见的星星数量六千九百多颗。

因为我们生活在南、北半球不同的区域,当我们身处某一个固定点的夜空时,大概只能数出其中的一半,也就是三千多颗。

不知道你见没见过,反正我是多少年没看见这么多星星了。

这就是一个问题啊:6974你听他们说的有零有整的,那今天多一颗明天少一颗怎么办?

我也不睡觉,怎么就没见过三千多颗呢?

这就不得不提到一个重要概念——“星等”

就肉眼观测来讲,更严谨的科学认识不称呼“星星数量”、而是讲“极限星等”。

最早是古希腊天文学家Hipparchus提出,他把观察到的一千多颗恒星根据明暗不同划分成六个等级,并规定发光能力越强的星体,视星等就越低。

星等概念有很高的实用性,但基于视觉感受的规定并不含有数学性质,于是1850年,英国天文学家普森,通过更细致的比较和计算将星等重新量化。

每级之间亮度相差2.512倍,这一量化结果也被称为“普森比例

视星等与星体的光度和观测距离有关,一般认为星等超过6.5则肉眼不可见。

为了衡量那些极亮的天体,又引入“负星等”。比如太阳的视星等就是-26.7。

到这一步,尽管数学表达得到了完善,但物理学意义仍有瑕疵。

银河系的恒星数千亿计,那些比太阳还亮的恒星,就因为距离地球远,视星等就低,这样无法描述恒星本身的亮度。

所以为了更客观的比较天体发光强度,天体学家又要计算出“绝对星等”。

假定把恒星放在距离地球10秒差距(32.6光年)的地方度量。太阳的绝对星等就变成了4.85。

这张表格是比“对应视星等”更亮的星星数量。

不难发现,当引入星等的概念之后,所谓的“星星数量”又变得扑朔迷离起来,这种恰到好处的无以言表也基本解答了我的问题。

所以只在地上数数数,其实很难满足人类的求知欲。

英国有位资深的天文学家叫赫歇尔,他就打算整个大活,绘制了历史上第一张银河系结构图。

威廉·赫歇尔相当朋克,他本来是个玩乐队的德国人,1757年第一次去英国演出就跟拜登赶大集似的——彻底走不动道了。

就非要留在人家那,连英语都是现学的,在英国呆了16年后,1773年他按耐不住又想上天,开始手搓望远镜。

起初是为了自己观测月亮,俗话说兴趣是最好的学习委员,后来凭借剑走偏锋的天赋成功担任英国皇家天文官。

即便这样,他还是舍不得自己的副业,一边专职数星星、一边继续做望远镜。

他做这么多望远镜干嘛呢?卖给同行。

皇家天文官这头衔给他也是有原因的,1781年,赫歇尔在自己家院子里用望远镜发现了一颗青色的行星——天王星。

一开始还不敢确定,毕竟当时刚入行没几年,属于是票友起义,觉得这是颗彗星。

德国天文学家约翰·波得说不对呀,你形容的这像是个行星啊。

第一个收到消息的英国皇家天文学家马斯基林早有同样的判断,也说不对呀,彗星咋没尾巴呢?

后来所有专家都告诉他这尼玛就是颗行星。

哎呦,可了不得了,马斯基林给他回信:“你帮天文学一个忙,给这颗行星起个名字吧。”

赫歇尔老哥比马斯基林大6岁,为了回应这一请求,就非常有眼力见的给行星起了个名字,叫什么呢?

叫乔治,可不是那小粉猪啊。而是为了纪念他的赞助人,也就是乔治三世国王。

美国人闹独立战争就是跟乔治三世打的。

英国人高兴了,可其他国家的天文学家不乐意啊,心想你这不胡闹吗?

为首的有法国天文学家拉朗德,人家也挺讲究,就说“既然是你发现的,还不如叫它赫歇尔呢”。

毕竟1781年那会英法战争如火如荼。

路易十六甚至跟美国结盟,就为了抢乔治三世那点地盘,所以法国人怎么可能让天上挂着英国国王呢,在天王星改名前就一直管那颗行星叫赫歇尔。

而德国那边约翰·波得也给赫歇尔来了个小小的偷袭,成功计算出了天王星的轨道,并且首次提出用乌拉诺斯命名。

别人也跟着闹腾,不如叫这个、不如叫那个。

一直吵到赫歇尔和他的国王都去世了几十年后,1850年,英国人才捏着鼻子把名改了。

最后用的就是约翰·波得那个版本,也是呼声最高的“乌拉诺斯”这一名字。

这是太阳系唯一一个用希腊神话命名的行星。

约翰·波得后来也成了柏林天文台台长,这可能是赫歇尔老乡跟他沾的唯一一点光吧。

赫歇尔当时可不管别人怎么叫,咬牙坚称那颗璀璨的新星就是我们家乔三爷。

你说你身为一个德国人,这也太懂事了。

1782年,也就是第二年,乔治三世亲切地接见了他,任命他为皇家天文官。

赫歇尔这一辈子总共做了400多台望远镜,其中一台还卖到了中国。

但是他最大贡献并不是带货卖望远镜,而是通过观测,发现太阳系正在宇宙中运动,因此也被誉为“恒星天文学之父”,并且还研究了银河系的结构,首次提出银河系应该是个圆盘形状的,也就是前面我们看到的那张图片。

赫歇尔的签名

可能是给国王送了一颗天王星解锁限量版头衔特过瘾,就想给国王全家挨个送一遍。

所以赫歇尔在世的时候还有一大成就就是——找星团。

1782年,也就是担任天文官那年,他开启了一场超级巡天调查,当时天文学界知道的球状星团只有34个。

赫歇尔又额外发现了36个,也难怪人家载入史册了。

最厉害的是什么呢?赫歇尔首次解析出星团由恒星组成,球状星团这个名字就是他创造的。

星团跟恒星的诞生有关,巨分子云在塌缩之前,通过力学、磁场、湍流和旋转保持平衡。

这种平衡常被打破,外部压力使分子云坍缩,碎块继续坍缩碎裂,最终大约有30%到40%的气体可以形成恒星。

同一片新恒星之间会因此存在天然的引力关系,使同一个巨分子云产生的千百颗恒星组成集团,也就是我们看到的疏散星图。

如果没有这样的引力束缚,但同一片成员恒星还以相似轨迹运行,则在观测上称为——星协。

因为引力束缚解除,星协的成员恒星最终会散落在银河系各处。

引力束缚紧密的条件下,恒星会高度集中,组成球状星团。

球状星团的成员恒星年龄更大,这些恒星可能是最早在银河系诞生的古老恒星,相比疏散星团而言,球状星团的数量稀少,起源和演化也暂时没有定论。

M80球状星团

一说起星团就可以联想到整个银河系。为什么呢?看大图我们就知道,银河系哪都有星团。

今天我们知道了有球状星团、有疏散星团。

疏散星团在银盘中容易找到,而球状星团在银晕中容易找到,来看侧面图。

银晕和银盘都是银河系的主要结构之一。

银晕根据密度不同又分层成外晕和内晕。除了球状星团,组成银晕的还有大量星流。

之前就有人问我,说:星流是什么玩意,它怎么跑银盘外边去了。

您还真说对了,它不是跑出去了,它是掉进来了。

之所以在银盘外,正是因为大型星流本就“天外来物”,或者说河外来物。

这也跟它们的形成起源有关,一些小星系靠近巨星系,被天体引潮力瓦解拉长。

恒星排成了一长溜,就跟珍珠串围绕在银河系周围似的,所以叫恒星流。

我翻到了一篇07年的文章,就介绍了当时发现的几个恒星流,文章说数十亿年来,银河系的引力都在将它们慢慢撕裂,产生了长而细的星流。

这样的数量必然十分庞大,像图中标注的人马星流和麦哲伦流,它们就是银河系的典型星流,分别有一亿颗和两亿颗恒星,跨度都超过百万光年。

这种级别的碰撞会让暗物质和常规物质分开,所以星流对我们研究暗物质分布也有帮助。

07年发现的这几串起名叫哀嚎、忘川。

还有的文章管星流这玩意叫昔日星系的幽灵。

你看吧,天文学家也挺恶趣味的。

这些倒霉蛋怎么来的呢,就像地球拥有月亮一样,银河系也有卫星,不过叫卫星星系。

就是指那些受引力影响,围绕着巨星系的小星系,因为它们个头小、光度弱,所以叫矮星系。

矮星系可能就跟咱们刚才提到的球状星团差不多亮,但是它直径更大,让人知道这玩意是个星系。

星系和星团都有可能成为星流。

我们人类找出来的星系最多的就是矮星系,我甚至发现他们还给这些矮星系起了个昵称叫:“hobbit”,你说这玩意霍比特人上哪说理去。

这些矮星系最小的只有银河系的百万分之一,小星系的瓦解就是因为引力的潮汐作用,这样的“吞并”过程持续时间没法估计。

根据记录,小星系也会对银河系的旋臂造成扰动,但是最终的胜利属于银河系。

碰撞和扰动还造成了星系的翘曲结构。

起初的解释是外盘受到某种转矩作用形成,但欧洲航天局得出了最新结论,罪魁祸首是我们周围的这些个矮星系。

再加上观测其它星系的资料累积,让人类注意到翘曲结构也挺普遍。

我们再说回到赫歇尔。

很显然,他虽然是位了不起的天文学家,但只通过地面光学望远镜能观察到的现象还十分有限。

所以我们都知道,赫歇尔、包括后来改良赫歇尔样本的天文学家,他们绘制的银河系并不准确。

赫歇尔从地球观测,对他而言最大的问题当然就出在地球身上。

比如说冷热空气流动、大气湍流剧烈程度,主要影响的就是光学观测视宁度;不同密度的气体、尘埃、水滴等等对光的吸收、散射,又产生了大气消光现象;空气的折射改变星光行进的路径,还会造成蒙气差。

大气影响让星星开始“一闪一闪亮晶晶”。

这些明显不可忽略的因素也成了天文台选址的考量。

不管赫歇尔搓多少望远镜出来,这些问题都不可避免。

同时,气体和尘埃在宇宙中也存在。宇宙尘埃蒙蔽了他们,让他们低估了银河系的恒星数量,误以为太阳在银河系中心,这其实也多少延续了哥白尼的观点,所以才画出一个迷你版银河。

不只赫歇尔,现代天文学家仍然认为银河系神秘莫测的一大原因就是宇宙中的尘埃消光。

尘埃消光并不能支持奥伯斯佯谬,但也是切实存在影响观测的因素。

虽说光不会在真空中衰减,但是光在太空会受到介质的消光和遮挡。

所以想研究银河系,光靠在地上看是看不清楚的。

脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际有机分子,现代天文学的四大发现都和射电望远镜有关,咱们贵州的中国天眼(FAST),那个超级大锅盖,就是全球单一口径最大的球面射电望远镜(500米口径)。

科学就是这么跟接力似的发展起来的。

探索到科学观测这一步,就不得不提到20世纪的美国天文学家——哈勃。

哈勃那个年代比赫歇尔看的更远。

你肯定听说过久负盛名的哈勃望远镜,咱们前面讲赫歇尔的时候,提到了大气对光学观测的严重影响,赫歇尔也只能在自家院子里干瞪眼儿,现代天文学家可算有工具上天了。

这哈勃望远镜就飞到了地球轨道上运行,离开了大气层,所以解析力有了很大提升,可以看到30等星。

美国人为了纪念哈勃,给望远镜起了同一个名字,因为这位老哥在世的时候观测出一个惊为天人的宇宙学成果。

哈勃的人生也很精彩,他的学士学位主修数学和天文学,硕士跑去英国牛津大学读起了法律,博士又回到美国研究天文。

你说多寸吧,他读博士那会正好赶上第一次世界大战,一毕业就拉战场上打仗去了。

打完仗之后,美国威尔逊天文台台长乔治·海尔看这小伙子不错,就聘用了他,哈勃这才彻底安下心来开始专职搞研究。

这位大佬还没研究几年就发现——河外星系,逃跑了。

最重要的是下一句话:“距离银河系越远的星系退行速度越快”。

此前就有天文学家发现星系光谱红移,当时猜测这些星系正在远离我们。

和哈勃同一时期的天文学家勒梅特提出一个观点:星系远离可以用宇宙膨胀解释。

哈勃恰好证实了这一点。

勒梅特提出:宇宙大爆炸起源论可以说明,让天体远离的不是因为斥力,而是因为宇宙空间膨胀,空间的膨胀带动着天体渐行渐远。

就像在气球上画几个标记,往气球里面充气,模拟空间膨胀,气球的膨胀会带动标点远离。

而相对距离越近的天体,远离的速度越慢,越远的星系,退行速度越快。

这就是物理宇宙学中大名鼎鼎的“哈勃定律”。

2018年,国际天文联合会为了纪念勒梅特的正确理论和哈勃的伟大证实,他们又出来投票了,把“哈勃定律”更名为“哈勃-勒梅特”定律。

大到整个银河系,其实也在朝着某个东西移动。

那个引力异常处被叫作巨引源,大概几亿光年外的星系都在受它影响,对它的描述也更多带有神秘色彩。

有人觉得这是个天体、有人觉得这不是个天体,看科学家们吵架比去地中海抓北极熊还有意思,有种扁桃体跟不上脑子的节目效果。

其实都不重要,因为人类目前能研究到的还十分有限。

重要的是,虽说我们整个星系在朝着巨引源方向共动,但是因为空间膨胀我们根本撵不上,这就是哈勃定律显示的结果。

宇宙空间的膨胀使天体远离,那些发光天体的光波被拉的越来越长、频率越来越低,也就是光学“多普勒效应”。早在1848年法国实验物理学家斐索就解释过这种光学现象,因此光学“多普勒效应”也叫“多普勒-斐索效应”。

光波的这种变化会让人感觉到颜色的变化。

恒星远离,光谱谱线朝着红端移动,科学家给这种现象起了个形象的名字:“红移”。

而哈勃-勒梅特定律在天文学中应用,所以也叫宇宙学红移。

哈勃的签名

哈勃定律可以很好的回答奥伯斯佯谬:

即宇宙如果是无限且稳定的,那么每一颗恒星的光亮都应该传递到地球,我们看到的夜空就应该是明亮而非黑暗的。

当时奥伯斯自己的解释是:可能由于宇宙尘埃和气体的阻挡,导致我们的夜空是黑暗的。

但这并不能从本质上作出诠释,根据热力学第一定律,即便有介质阻挡,但阻挡物也该放出辐射,最终辐射是均匀的,而事实上没有这样的现象,所以解释不通。

宇宙大爆炸理论说明宇宙的时间并非无限的,这就导致光线在有限的这段时间里还没能全部传播过来,而哈勃定律又补充说明了,宇宙的膨胀使天体远离,因此天体产生红移且亮度大大降低。

倒推回来,夜空黑暗的现象反而又给宇宙大爆炸理论提供了证据。

天体不止会红移,光谱谱线朝着另一端移动又叫蓝移。

比如著名的仙女座星系,仙女星系是本星系群最大个的仙女,离我们也就二百五十万光年左右。

老早就看营销号闹腾,说仙女座星系和银河系相撞,哎呀完犊子了乱八七糟的。

星系合并有没有这回事呢?确实有这么回事,因为两边的相对速度,这点距离空间膨胀也扯不动了。

就是说离得太近了,速度可以挣脱这点影响。

两边离得越来越近,这大个儿仙女对我们发起了猛烈追求,所以在光谱上是个蓝移星系。但是也不用担心:

第一,现在还没完全算准仙女星系的横向速度;

第二,最新模拟显示侧面碰撞的概率远大于正面碰撞;

第三,即使合并成一个椭圆星系,过程也得持续七十亿年。

况且这种碰撞说的也不是物理碰撞,因为星系的间隙太大了。

相当于你抓一把沙子随机撒在整个太平洋里,过段时间再抓一把石头扔进去,石头根本砸不中你扔的沙子。

更多的考虑是前面说星流时候提到的银盘扰动,还有这一碰撞会挤压形成很多年轻的恒星,没网上传的那么邪乎,到时候咱们的孩子都能推着地球跑了。

不过非常明显的是,得益于这些观测的进步,人类开始有能力认识河外星系,其它星系的情况对我们完善银河系本身的样子有很大帮助。

比如说,现行的银河系“鸟瞰视角”渲染图跟赫歇尔那版完全不一样,大致来说,现在会通过更先进的手段,测出星团间的距离,对恒星和星云的速度进行观察。

建立模型与观测数据相比较,以此推测旋臂等结构。

哈勃在观测其它星系的时候就发明了星系型态分类法,哈勃星系分类法也是目前主流的星系分类法。

因为图示很像音叉,所以又叫哈勃音叉图。

他把星系大致分成旋涡星系、椭圆星系、透镜星系、不规则星系四种,其中旋涡星系根据核球的大小,或者说旋臂“松紧”程度,由大到小分或由紧到松分成了Sa、Sb、Sc三种类型。

核球附近安定的气体和恒星组成了银盘,核球本身是暴烈的产物,是恒星的最紧密聚集处。

银河系就属于Sb型棒旋星系。

我可不是骂人,他们就是这么分的。

2005年观测证实这个棒比预想的还要大。

所以,说银河系是漩涡星系的那起码是05年之前的脑袋,赶快更新一下系统。

而真实的银河系呢,肯定又和人类渲染的每一张俯视图都不一样。

《中国大百科全书·天文卷》是这样介绍银河系结构的:“银河系结构的研究已有近二百年历史,这是近代和现代天文学的活跃领域之一。”

你听听,“活跃领域之一”,多文明的编辑,更直白的说法就是学术争论吵得不可开交,基本是你方唱罢我登场的状态持续到现在。

搞不好你看视频这会天文学家正写稿子骂街呢。

翻译翻译,到底什么叫活跃。

几个月前就有一条关于银河系的新闻:

2023年5月份,一个字面意义上影响世界观的标题上了热搜——“银河系看起来不再特殊。”

这样的标题我见过太多,已经形成了自动免疫,多看了一眼发布主体的认证,我才意识到他们是认真的。

等于说都2023年了,人类还在这重新认识银河系,你就说活跃不活跃吧。

打开报道,从头到尾都在解释这张图片。

中国科学家提出对银河系旋臂的新认识。

我找到了这位科学家发表的原文:

这篇标题为《银河系是什么样子?》的文章,是徐烨团队的最新成果,由《天体物理学杂志》于2023年4月20日正式刊发。

文章主要是讲:类似银河系的多旋臂星系,较为常见的都是内部两旋臂加外部多旋臂的形态,这种形态的星系占了83%。四条旋臂都是从内到外的形态其实是非常罕见的,大约只占了2%。

此前天文学界普遍认为银河系属于后一种特殊形态。

现在徐烨团队更新了人类的认识。银河系看起来“不再特殊”就是在说明这个观点。

同时,我还注意到,世界科技研究新闻信息网也报道了这篇文章。

报道的标题叫《新测量建议重新思考银河系形状》,报道的网址域名也很有意思,取的重点词不是“新测量”。而是——“rethikig”。

能让人类重新思考的这位徐烨,究竟是谁?

打开国内搜索平台查询这个名字,词条显示:徐烨,中科院紫金山天文台研究员,《科学》杂志称“以前所未有的细节”描绘了太阳附近的旋臂结构。

其它形容词也都是诸如“开创了新纪元”、“里程碑”这样的赞美。

太阳附近和整个银河系又有什么关系呢?

为了了解更多细节,我从中科院国家天文台官网里找到了他的名字。

最近的动态正是关于“银河系旋臂结构”的学术报告。

他是国际上首次精确测定银河系英仙臂距离、发现并精确测定银河系本地臂的人。

我尝试着听了这场报告,并且下载了报告的演示文稿。

这位国际上有极高声誉的银河系旋臂结构专家,对银河系的判断竟然是:不确定

你可能早就听说过银河系旋臂有两条、三条、四条。

其实直到今天银河系的旋臂数量、结构、性质都有争议,相关模型有上百种,各种模型的定义也都不同。

什么:3Kpc臂、船底臂、船底-人马臂、人马臂、英仙臂、天鹅臂、天鹅-矩尺臂、矩尺臂、南十字-盾牌臂、半人马臂、盾牌-半人马臂、猎户臂、猎户-天鹅臂等等名称。

别急,我很快给你捋清楚。

首先,把船底臂和人马臂连在一起,靠近银心的部分叫人马臂,向外延伸的部分叫船底臂,所以这整条臂叫船底-人马臂,或者人马-船底臂。

这些名字是怎么来的呢?人马臂部分是因为观测上接近人马座,而船底臂则在船底座方向。

所以老早把星座确定下来还是有很大意义的。

英仙臂,在人马臂和外臂之间,从地球观测在英仙座的位置得名。

天鹅臂和矩尺臂连在一起看,也叫天鹅-矩尺臂,更靠近银心的部分叫矩尺臂,向外延伸的部分叫天鹅臂,同样是根据观测到的位置得名。

盾牌-南十字臂和半人马臂连在一起看,盾牌-南十字臂,也叫盾牌-半人马臂,从靠近银心的盾牌臂向外延伸成半人马臂。名字的来源同理。

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