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威尼斯人:中科院沈俊太带我们飞出银河系 看银河系真正的模样

时间:2018/9/20 13:50:44  作者:  来源:  查看:27  评论:0
内容摘要: 小时候我们都喜欢抬头仰望星空,深邃的夜空中,繁星点点勾起我们无限的遐想。我们身处银河系之中,却有着“不识庐山真面目,只缘身在此山中”的苦恼。在中科院SELF讲坛,中科院上海天文台的沈俊太老师带我们一起“飞”出银河系,看看银河系真正的模样,在银河酒吧里,让我们吃着花生米听银河系的...
 小时候我们都喜欢抬头仰望星空,深邃的夜空中,繁星点点勾起我们无限的遐想。我们身处银河系之中,却有着“不识庐山真面目,只缘身在此山中”的苦恼。在中科院SELF讲坛,中科院上海天文台的沈俊太老师带我们一起“飞”出银河系,看看银河系真正的模样,在银河酒吧里,让我们吃着花生米听银河系的故事。

沈俊太,中国科学院上海天文台星系动力学团组首席研究员沈俊太,中国科学院上海天文台星系动力学团组首席研究员
  以下内容为沈俊太演讲实录:

  大家好,我是来自中科院上海天文台的沈俊太,非常高兴来到SELF讲坛。今天我想给大家讲一讲关于银河系的一些事情。


  这是一张星空的照片。我想请问在座的各位,有谁真的看到过银河?好像非常少,这也很正常,因为上海的天光有点儿太亮了,而且有雾霾,所以我们看不清楚星空。

  如果我们到附近的高山上去看,星空是非常漂亮的。银河就是图片里这条明暗交错的暗带,银河系就是太阳所在的星系。

  太阳和其他的恒星,并不是均匀分布在整个宇宙中,而是成为一个一个的集体,再分布在整个宇宙中。就像人类并不是均匀地分布在地球的表面上,我们集中居住在城市里,城市之间的地带人非常少。

  我们刚才说银河系就是图片中的这条暗带,那我想请问一下在座的各位,这些不在这条暗带里边的恒星,属不属于银河系?其实这些星星离我们都非常近,都属于银河系。


  如果我们把银河系想象成一个盘子,所有我们肉眼能看到的星星都在图中这个小红圈里边,所以我们就会觉得这些银河系内的恒星好像是分布在四面八方,但其实它们都在银河系里边。


  这是另外一张非常漂亮的星空,是在智利5000米的高山上拍摄的,那是世界上最好的观测台址之一。我们可以看到照片中除了繁星点点,还有一些其他的天体。在人类学会使用望远镜之后,我们对这些天体有了更深入的了解。


  比如仙女座大星云、M33星云。还有其他的一些天体,比如说球状星团,非常漂亮,它是1万颗恒星聚集在一个非常小的空间形成的。那么这些天体(星云和星团)在银河系之内吗?我把这个问题的答案留在后边。

  我们生活在银河系里,很自然地,我们想知道银河系的全貌是什么样子。我们都知道苏东坡的这首诗“不识庐山真面目,只缘身在此山中”。正因为我们生活在银河系里,我们反而很难看到银河系的全貌。

  也许有人就想,我们造一艘宇宙飞船,飞出整个银河系,我们不就能看到它的全貌了吗?现在人类造出的距离地球最远的飞行器叫做旅行者一号,它现在的运行速度是6万公里每小时。我们知道中国的高铁最高速度是300-350公里/小时,这种宇宙飞船比我们的高铁快200倍。如果我们乘坐这艘宇宙飞船,从北京到上海只需要一分钟!

  那如果我们乘坐旅行者一号飞出银河系,大家猜猜要多长时间?5000万年!我们人类只有五千年有文字的历史,显然这是天方夜谭,我们不可能飞出银河系去看银河系的全貌。但我们依然可以问这些问题,银河系真实的模样是什么样子?银河系是不是独一无二的?为什么银河系会演化成现在的样子?天文学家一直也在追问这些问题的答案。


  大约250年前,英国的天文学家赫歇尔首次勾勒出了银河系的大小。在这个图中我们可以看到,他认为太阳在银河系的中心附近,银河系是一个扁平状的结构,它的直径是6400光年,厚度是1300光年。


  又过了一百多年,美国的著名科学家夏普利通过研究球状星团的空间分布,发现太阳其实并不在银河系中心,推翻了有500年历史的日心说,这是我们人类认知宇宙历史上的一个巨大的飞跃。


  这个图里有很多小圆圈,每个小圆圈代表1个球状星团,每个球状星团内包含了1万到10万颗恒星,它很亮,所以我们能在很远的地方看到它。图中黄色的小星星代表太阳,当时夏普利做了一个非常大胆的假设,他假设球状星团就是银河系的一个子系统,那么球状星团的中心就应该是银河系的中心,但是通过测量,他发现太阳并不在这些球状星团的中心,所以他就大胆地推测,太阳并不在银河系的中心。

  而且他认为银河系就是整个宇宙,我们刚才看到的那些漂亮的旋涡星云,都在银河系之内。当然,并不是每一个科学家都赞同夏普利的观点。1920年,美国科学院就爆发了一场关于宇宙尺度的大辩论,一派以夏普利为代表,一派以柯蒂斯为代表。


  夏普利这一派认为银河系非常之大,它就是整个宇宙,旋涡星云就是处于银河系内的气体云。另一派的观点则认为,旋涡星云在银河系之外,它们是恒星系统,不是气体云,而且每一个星云就像银河系一样,是一个岛宇宙,整个宇宙是由很多银河系这样的岛宇宙构成。如果说宇宙是一个大洋,那么每一个星云都像银河系一样,是一个漂浮在大洋上的岛屿。

  当时这场论战并没有胜利方,主要是因为当时没有很好的观测设备,我们的科学知识也很欠缺。那么请大家想一想,怎么才能最好地回答这个问题?假如我们有一把量天尺,可以精确地测量离我们最近的星云的距离。如果这个距离大于当时已知的银河系尺度,它们就在银河系之外,反之就应该在银河系之内。


  那个时候,大家已经开始意识到,有一种非常有意思的变星,可以作为一个很好的量天尺。这种变星叫做造父变星,变星就是这个星星的亮度在天空中发生周期性的明暗变化。通过测量造父变星的光变周期,我们就可以推出它本身的光度,知道它本身的光度以后,通过和视亮度比较,我们就可以测出距离来。

  就好比我们知道一根蜡烛本来是多亮,如果我们看到它很亮,说明它离我们很近,如果看到它很暗,说明它离我们的距离非常远。

  四年之后,哈勃果然在仙女座大星云发现了这一类造父变星。哈勃是非常著名的天文学家,现在在地球之外飞行的一个太空望远镜,就是以他的名字命名的,哈勃太空望远镜。左边这个图就是哈勃正在用望远镜进行观测,他用的是当时刚刚落成的世界上最大的望远镜虎克2.5米望远镜。


  有了这个观天利器,哈勃就非常详细地研究了仙女座大星云,他发现其中有很多造父变星。他假设这些造父变星都属于仙女座大星云,就可以通过造父变星的距离推出仙女座大星云离我们的距离。他推出这个距离大概是100万光年,远远大于当时已知的银河系的尺度30万光年。所以他就证明了仙女座大星云在银河系之外,银河系并不是整个宇宙。

  在哈勃之后,我们逐渐意识到星系是宇宙的基本组元,宇宙中有无数像银河系一样的岛宇宙星系。星系还可以被细分为几类,左边这张图是椭圆星系,右边是旋涡星系,旋涡星系像一个盘子一样,这是从正面看过去的样子,它有很漂亮的旋臂结构。


  旋涡星系又可以被细分为两类,一类叫做正常的旋涡星系,另一类叫做棒状旋涡星系。那我们的银河系属于哪一类星系?为了回答这个问题,我们再重新检视一下在可见光波段我们看到的银河系。


  我们可以看到银河系上有很多暗带,这些暗带为什么是暗的?因为银河系中有很多尘埃,尘埃会遮挡我们的视线,就像雾霾一样,尘埃背后的这些东西被尘埃挡住,在天空上显现出来是暗区。


  为了解决这个问题,我们可以去红外波段看一看,这是在红外波段看到的银河系。红外波段的光的波长比可见光要长,所以这些光可以穿透尘埃,让我们看到背后的恒星,于是这些暗带都消失了。我们看到的是一个扁的盘状结构,所以银河系是一个旋涡星系。另外我们会注意到银河系的中心有一个很亮的东西,这个物体叫做核球,大约有1/3的恒星都位于这个核球,所以它非常重要。

  这是我们从侧面看到的银河系,那么银河系的正面图是什么样子?我们前面提到,我们在银河系之内,很难看到它的全貌,那我们该怎么办?有一个办法,我给大家做一个类比,假如世界上没有镜子,你不知道自己长什么样子,但你可以去看一看你的兄弟姐妹、亲戚朋友的样子,推算你自己长什么样子。假如他们有一个鼻子两只眼睛,那你可能也是一个鼻子两只眼睛。


  所以我们可以到银河系之外去寻找灵感。这是银河系的一个兄弟姐妹,叫做UGC 6093。它是一个旋涡星系,有很漂亮的旋臂,而且中心有一个长条形的棒。除此之外,它还有一个非常亮的中心,叫中心核球。这个星系的核球和我们银河系的核球是不是一回事儿?


  关于核球,天文学界有个经典理论,他们认为旋涡星系的核球都是在星系并合的过程中产生的。如果有一大一小两个星系,大的会把小的吃掉,形成一个更大的旋涡星系,中心形成一个核球。


  那么经典理论也适用于我们的银河系吗?我现在想提醒大家关注这两点。第一,银河系中心核球的左边看起来要比右边要大一些;第二,这个核球看上去不是我们从侧面看到的椭球形结构。所以我在美国做博士后的时候,就对这个问题产生了兴趣,回国以后,我就开展了这个课题的研究。


  我们提出了一个假设,也许银河系的核球并不是星系并合产生的,而是银盘自发产生的。为了证实这个假设,我们首先需要做一些公式的推导,然后把我们的理论放到计算机里,让计算机模拟每一颗恒星的运动,最后我们可以构建一个关于银河系的模型,然后把这个模型和我们现有的观测相比较,看二者是否符合。

  这是我们的一个模型,最开始银河系是没有棒的,它是一个圆盘,逐渐地,它会获得一个旋转的棒。这个棒形成之后,大家看侧面,银河系好像有一个波浪形的不稳定性。这种不稳定性饱和以后,中心就变得非常厚。所以我们认为核球就是侧面看到的银河系的棒。


  我们的模型和当时的观测结果吻合得非常好,左边的图是关于核球形态的比较,大家会看到左边的核球要大一点,右边的核球要小一点。因为棒的朝向和我们视线方向有个角度,我们在左边看到的是棒的近端,在右边看到的是远端,所以近端就显得比远端大一些。更重要的是,我们的模型和银河系的运动学的数据吻合得非常好,我们的模型可以很好地解释这些观测的数据点。


  我们的工作也促进了科学界对银河系的深入理解,这是艺术家根据科学数据绘制的一张银河系的正面俯视图,在这幅图中,下面那个点就是太阳系。如果把银河系比作上海市,银河系的中心就是上海的人民广场,但太阳并不在银河系的中心,太阳在郊外,大概是虹桥机场的位置。在银河系中心有一个长条形的棒,英文是Bar。Bar还有一个意思,酒吧,在城市的什么地方最容易找到酒吧?城市的中心。


  我们的观点就是我们看到的银河系的核球,其实就是从侧面看到的银河系的棒。上图就是一个典型的银河酒吧,有很多外星人在喝酒。什么东西和酒最搭配?花生米。我们竟然真的在银河系的中心发现了一颗花生米。


  我们认为银河系本来的形状就是一个类似于花生状的结构。左边这个动图,其实并不是核球在转,而是我们的视角在转,给人一种三维的感觉。而且银河系中的核球在其他的星系里也可以看到,最右边这个图的左下方,就有一个包含了花生状核球的星系,它长得非常像花生。


  在这个酒吧里,我们还发现了其他非常有意思的吃的东西。花生核球里面,恒星有非常独特的运行轨道,左边的图是恒星的运行轨道,上面是俯视图,下面是侧视图,从侧面看过去,这个恒星的运行轨迹非常像一个香蕉。

我们还发现了一些像椒盐卷饼一样的恒星轨道。我们还发现了一些像椒盐卷饼一样的恒星轨道。

  我们的研究正式发表以后,得到了科学界的很多关注。出人意料的是,我们的工作竟然也引起了神学界的关注。这是美国一个基督教网站头条的截图,标题是“银河系不是一个平常的星系”,所以银河系必须是神创造的。这个人是多伦多大学的天体物理博士,但后来他致力于从科学发现里寻找神创论的迹象,这是他们对我们的论文的一个引用。


  但其实他们只看到了我们论文的摘要,就特别激动地写下了那个头条,其实我们在论文的正文里明确地写道,我们的银河系其实并不是一个独特的星系。银河系从侧面看上去,就很像上图的NGC 4565。 

  在科学界一般来说,如果我们的工作得到其他人的引用或评价,我们都会感到非常开心、骄傲,但我们的工作竟然得到了神学界的引用,是一种很尴尬的感觉。

  相信大家通过我讲的内容,对科学研究的方法有了大概的了解。科学研究总是先从观测或实验事实出发,然后提出假设和模型。首先,你的理论必须能够解释现有的观测结果,但最重要的是,你的理论还要给出一些我们没有观测过的预言,观测学家再沿着这个方向去观测、去做实验。如果你的预言得到了证实,那么恭喜你,你的理论通过了新一轮的考验。但如果这些预言没有得到证实,就表明你的模型需要修改,甚至是错误的,需要提出一套新的模型。就像夏普利推翻了日心说,但他也被哈勃证明他的很多观点是错误的。我们关于银河系模型做的这些工作,也许过几年会被其他人证明是错的,我们的科学研究总是这样一个螺旋式上升的过程。

  在研究星系和宇宙的过程中,我总是被一句话打动,“宇宙最不可理解之处,就在于它竟然是可以被理解的”。我们渺小的人类,只有几千年有文字的历史,科学萌芽也仅仅只有几百年的时间,我们竟然可以了解到这么多关于宇宙的奥秘,这本身就是一件非常令人吃惊的事情。

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