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科學家連太陽系都飛不出去,是怎么知道銀河系的形狀的?

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人類尚未飛出太陽系,最遠的探測器“旅行者1號”僅240億公里(0.0025光年),連銀河系的“邊”都沒摸到,卻能描繪出銀河系的螺旋形狀:一個直徑約10萬光年的扁平旋渦。



天文學家目前可以肯定,銀河系是一個棒旋星系直徑約10-15萬光年,厚約1000-2000光年,中央棒狀結構(長約2.7萬光年),延伸出2-4條主螺旋臂(如獵戶臂、英仙臂),太陽位于獵戶臂,距銀河中心約2.4-2.8萬光年,主體是1000-4000億顆恒星、氣體、塵埃和暗物質,質量約1.5萬億太陽質量。



人類在銀河系內部,猶如“只見樹木,不見森林”,銀河系的塵埃和氣體遮擋視線,望遠鏡無法直接拍全景照片,但通過以下方法,科學家拼湊出形狀:

恒星分布與運動:觀測附近恒星的距離、速度和位置,推測整體結構。1918年,哈洛·沙普利通過球狀星團分布,估算銀河系中心在人馬座方向,距太陽約2.5萬光年。2023年,歐洲空間局蓋亞任務測繪30億顆恒星的3D位置和速度,精確勾勒螺旋臂。



無線電與紅外觀測:塵埃擋可見光,但無線電和紅外可穿透。1951年,威廉·摩根用21厘米氫線測中性氫云分布,揭示螺旋臂結構,2024年,中國FAST望遠鏡(“中國天眼”)探測銀河系外緣氫云,確認臂的延伸范圍。

類比其他星系:哈勃和詹姆斯·韋伯望遠鏡拍攝數千旋渦星系(如M51、NGC 1300),其螺旋臂、棒狀結構與銀河系特征吻合。



銀河系形狀的認知離不開望遠鏡的進步,伽利略1609年首次觀測銀河,發現其由無數恒星組成,1920年,沙普利用威爾遜山望遠鏡測球狀星團,奠定銀河系尺寸,1940年代,格羅特·雷伯自制無線電望遠鏡,探測銀河系射電信號,2024年,FAST測1000光年內脈沖星,精確了銀河系磁場模型。



1990年代,斯皮策望遠鏡用紅外穿透塵埃,2023年錢德拉X射線望遠鏡觀測中心黑洞“人馬座A*”,揭示棒狀結構動態,2013-2024年,蓋亞衛星測30億顆恒星的視差和運動,誤差僅微角秒級,繪制銀河系3D地圖,確認4條螺旋臂。



盡管知道銀河系是棒旋星系,但細節仍不清晰,1960年代認為2條臂,2024年蓋亞數據支持4條,但外緣臂數未定,中央棒的長度和角度(20-45度)仍有爭議,2023年JWST觀測暗示棒內有活躍恒星形成,2025年,NASA計劃發射新紅外望遠鏡,模擬銀河系全景。



但是在可以預見的未來,親自飛出銀河系還是不太可能的,因為不論從哪個方向出發,都意味著數千光年的航程,遠超目前的技術極限,也許只有等未來超光速飛船實現后,人類才能真正看到銀河系的上帝視角。

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