（本文转自公众号“中科院物理所”）
作者：Matt Williams
编译：Camelion
审校：yangfz
图1： 我们的银河系，包含猎户座旋臂、人马座旋臂、英仙座旋臂、矩尺座旋臂，在银心有一个旋棒。我们的太阳在猎户座旋臂的内侧边缘。
作为人类诞生之地，银河系直径大约12万-18万光年，我们的太阳系大约离银心2.7万光年，在一条被称为猎户旋臂的内边缘。这些当然我们从小学都已经很熟悉了。但银河系其实还有许多有趣的花边信息，相信读过这些必将给你留下深刻的印象。
这里说的“弯”不是说它几条旋臂的弯，而是银盘的弯。我们知道银河系是一个直径12万-18万光年的“盘子”，它的中心隆起一个大约1.2万光年的鼓包。这是我们通常的理解。但事实上，这个“盘子”并不是平的，而是和下面这张图片很相似，是弯曲的。
图2：弯曲的漩涡星系 ESO 510-13，和我们的银河系很类似。
为什么银河系会弯曲呢？天文学家认为这主要是由我们银河系的两个邻居——大、小麦哲伦星云——导致的。
图3: 大麦哲伦星云（右上）、小麦哲伦星云（左下）
这两个矮星系，绕着银河系旋转，是我们“本星系群”（本星系群中还有一个和银河系差不多大的仙女座大星云M31（其实是一个星系）以及其它50多个矮星系）的一部分。
图4：本地星系团。中间的一块是以银河系为中心的一群，左上则是以M31为中心的一群。
这两个矮星系就像在进行拔河比赛似的拉扯着我们银河系中的暗物质。这种拉扯会在银河系中产生一种振荡，带动银河系的物质使它们偏离银河盘面。
图5：大小麦哲伦星云与银河系的位置关系
科学家们认为我们银河系90%的物质都是由暗物质所构成，这些暗物质构成了这个有点神秘的“光环”（halo，晕）。这也就是说，所有的“明物质”——即我们能够用肉眼或望远镜看到的那些物质——只构成我们银河系不到10%的成分。显然这里的“光环”并不是我们通常所想的漂浮在天使头上的那种，或者观测到彗星时看到的那种。
图6：银河系晕结构示意图
银河系的晕（接下来用这个词，这在天文上更常用）是不可见的，但其存在却是经过理论和数值模拟证明过的。科学家们通过数值模拟证明，如果没有这些不可见的质量，那么我们的银河系可能就无法聚集成团，也无法解释恒星为什么绕银河系旋转得那么快。
图7：银河系的星系旋转曲线。纵轴是恒星绕银心得旋转速率，横轴是到银心的距离（1pc=3.26光年）。黄点代表太阳，蓝线是观测的旋转速率曲线，红线是基于观测到的恒星和星际气体从理论预测的速率曲线。
星系包含的质量越大，恒星绕中心运行的速度就会越大。（这可以由万有引力定律和牛顿第二定律推导出来）如果我们假设银河系只是由我们现在所看到的物质组成，那么恒星旋转的速率将远小于我们现在所测量到的结果。所以，必须额外加上这些无法看到的质量——又叫做：暗物质，它是一些与普通物质只有万有引力作用而没有电磁作用的物质。
从星系的角度来说，银河系只能算是“中等个子”。我们已知最大的星系（IC 1101）有大约100万亿颗恒星，其他大星系也都在万亿的量级上。而像前面提到的大麦哲伦星云这样的矮星系只包含大约100亿颗恒星。银河系所包含的恒星则大约在1000-4000亿颗。
图8：最大的星系IC1101
图9、最大的星系IC1101与别的星系对比。其中第二个仙女座大星云（Andromeda）和银河系的大小差不多。
但是，当你仰望夜空时，不管你是站在地球的哪个地方，你能看到的星星最多也不过是其中的2500颗左右。原因是：1）如果恒星太远而又不太亮，你就看不到了；2）星际尘埃会吸收掉遥远恒星发出的光线，我们通过可见光只能看到银河系一小块儿区域的恒星。
图10、站在地球上，我们仰望星空
银河系中恒星的数目并不是固定的，因为恒星——和人一样，也是有生有死的。事实上，在星系时间尺度上“时时刻刻”都有恒星通过超新星爆发的形式死去，又有恒星在其遗迹中诞生。
图11、蟹状星云是1054超新星爆发后的遗迹
图12、哈勃望远镜拍摄的猎户座大星云
普通的观测者可能意识不到这一点：银河系中充满着灰尘和气体。在我们的星系中，有10%-15%的明物质（可见物质）是以灰尘和气体的形式存在的，其余的构成了恒星。银河系有大约10万光年那么大，而我们在可见光波段能看到的（我们前面也提到了）只有不到0.6万光年的范围。
图13、你在夜晚看到的所有星星，只是图中黄色圆圈内的一部分。
甚至当夜晚在光污染不是很严重的地方，我们能够分辨出银河系的尘埃。
图14、由星系尘埃产生的黄道光
图15、哈勃望远镜拍摄的马头星云
“厚重”的尘埃云会遮挡可见光，但红外线却能够穿透它。这就使得我们能够利用红外望远镜（例如Spitzer空间望远镜）来研究并绘制银河系。Spitzer能够透过尘埃云，直接观测银河系中心以及恒星形成区上演的壮观景象。
图16、NASA的Spitzer空间望远镜。艺术家的概念图
图17、Spitzer的开光照，IC 1396
图18、螺旋星云。蓝色为3.6-4.5微米波，绿色为5.8-8微米波，红色为24微米波。
图19、MIPS通过24微米波拍摄的仙女座大星云
银河系并不是一直都像现在这样——一个漂亮的、弯曲的漩涡，它以后也不会一直都是这样。它能够变成现在这个尺度和形状，是靠着不断地吞并其他星系，而且现在也仍然在不停地吞并。事实上，现在离银河系最近的大犬座矮星系的恒星正不断地被银河系拉到自己的银盘里。
图20：艺术家想象的麒麟座环。大犬座矮星系大约有10亿颗太阳质量，是离我们最近的星系，但由于银河系尘埃和气体的遮挡，我们最近才发现它。
而我们的银河系在过去已经消化很多这样的星系了，例如人马座矮星系。
图21：人马座矮椭圆星系，我们银河系的一个小的椭圆环形卫星星系，离太阳系只有7万光年。
前面提到的大麦哲伦和小麦哲伦矮星系也都受着银河系的“蛊惑”，向银河系的胃中投来。
目前为止，我们还没有能力飞出银河系的盘面，到它上方去给它拍写真。
我们是生活在银河系盘面里的，在一个离银河系中心大约2.6万光年的地方。我们不可能站在自家屋子里给自己的房子拍一个全景照，同样在我们有能力飞出银河系之前，也不可能拍出一张银河系的照片。这就意味着，你曾经看到的那些据说是银河系的旋涡星系，要么是别的星系，要么就是出自哪位艺术家之手画出来的。
图22：常有人拿着这张图说是银河系，而实际上它是仙女座大星云（M31）。苹果IOS系统自带桌面背景中的一张星系图就是它，不过为了美观他们做了处理。
图23：这张也常被拿来当作银河系，实际它是UGC 12158，和银河系外形上很像。
图24：艺术家的概念图。
其实很多星系的中心都有一个超大质量的黑洞，银河系也不例外。
图25：探测到从人马座A*发出的一个异常明亮的X射线闪耀，推断在银河系中心有一个巨型黑洞。
我们星系中心的这个黑洞被称为人马座A，据估计直径大概有2250万公里（大约相当于水星轨道的直径），但是我们要记着：这是黑洞。有大量的物质被吸向这个黑洞，在它的周围形成一个盘面，称为吸积盘。这个吸积盘上的物质的质量是太阳质量的460亿倍，但却被压缩在地球轨道大小的范围内。
图26：巨型黑洞从邻近恒星吸取物质。艺术家的概念图。
有意思的是，尽管人马座A像其他黑洞一样，要把它附近的所有物质都吸到自己“肚子”里，但却发现在这地方竟然还有恒星不断形成。
图27：艺术家想象的恒星在巨型黑洞产生的风中诞生。
最近根据观测数据计算出宇宙的年龄大约为137亿年。而我们的银河系也已经存在了大约136亿年。
怎么知道银河系的年龄的呢？我们通过寻找星系中最古老的恒星来外推。这些恒星一般都存在于球状星团当中，当我们发现了这些恒星，根据其质量推出其年龄；那么我们就知道了银河系的下限——银河系总要比自己内部的恒星年龄大吧。
图28：球状星团M80。M 80离我们有3万光年，包含成千上万的恒星。
图29：球状星团 M5。据估计有10-50万颗恒星，半径却只有200光年。其年龄约130亿年。
不过尽管银河系内部的成员年龄很大，但直到100亿到120年之前，银河系还没有形成盘面和星系核。另外一点是，星系核比星系别的结构形成的时间要早一些，因为新的研究显示星系盘中恒星的氧丰度与星系核中恒星的不一样。
尽管银河系很大，它也只是一个更大的星系结构的一部分。
我们的近邻包括大麦哲伦星云、小麦哲伦星云、以及仙女座大星云（M31，离我们最近的漩涡星云）。除此之外，还有大约50多个其他星系，它们共同环绕着一个中心运动，形成一团，我们称之为“本星系群”。
图30：本星系群中大约有50多个星系。两个漩涡星系，其余都是矮星系。他们共同围绕一个中心旋转。
但是，本星系群也仍然只是我们近邻的一个小部分。往更远处看，我们发现银河系只是一个更大的星系群——室女座超星系团——的一部分。
图31：室女座超星系团
所谓超星系团，显然要比星系团更大，它包含更多的星系，尺度达到数亿光年。而在超星系团之间巨大的空间里，如果有勇敢无畏的冒险家去探险的话，遇到星系或者物质的可能性将微乎其微。
就室女座超星系团来说，它是由至少100个星系群和星系团组成，集聚在大概33百万秒差距（1.1亿光年）的范围内。在2014年的一份研究中表明，室女座超星系团也只是一个更大的巨超星系团——拉尼亚凯亚（Laniakea）——的一个裂片，该巨超星系团以一个巨吸引子（Great
Attractor）为中心。
图32：拉尼亚凯亚模型图
图33：巨吸引子模拟图
图34：宇宙中部分星系图，黄色部分为拉尼亚凯亚
银河系像宇宙中所有的事物一样，自身也在空间中运动。地球围绕太阳，太阳围绕银河系，银河系作为本星系群的一部分，也在相对于微波背景辐射（Cosmic Microwave Background，CMB，大爆炸之后剩下的辐射）运动。
微波背景辐射是我们用来测定宇宙中物体（例如星系）运动速度的一个方便的参考系。本星系群相对于微波背景辐射的运动速度达到600km/s，或者220万km/h。如此大的速度，在我们这个渺小的地球框架中，难以想象。
总结：从地球到整个宇宙的结构框架。
图35-42: 从地球到整个宇宙的结构框架。
附赠：银河系吹出的大气泡
图43：费米泡（Fermi Bubbles）。在2010年九月，费米伽马射线空间望远镜在银河系发现两个伽马射线和X-射线波段的巨泡，命名为费米泡。费米泡在银河系中心上方和下方分别延伸约2.5万光年。
原文链接：
https://www.universetoday.com/22285/facts-about-the-milky-way/
