人類已經拍攝了無數個星系的照片，但卻從來沒有一張照片能讓我們看清銀河到底是什麽樣子。我們身處銀河系的內部，就像是1084年身處廬山的蘇軾，根本看不清銀河的模樣。那我們究竟是如何知道它到底是長什麽樣子的呢？我們看到的那些銀河螺旋的照片又是怎麽來的呢？
我們只能拍到銀河的側面
在地球上，我們只能拍攝到的銀河側面，就像下面這張：
這張魚眼照片拍攝於智利海拔5000米高的查南托峰上，這裏的的空氣既幹燥又幹凈，是地球上觀測銀河最好的位置之一（中國南京天光所在海拔4000米的南極昆侖站也安裝了南極巡天望遠鏡，也是因為那裏海拔高、空氣幹燥潔凈）。在這張全景照片上，似乎整個銀河都被拍攝到了。但實際上，包括銀河中心在內的另外一大半銀河都隱藏在模糊的塵埃之後而無法觀測到。（中心左上方那顆明亮而巨大的亮點，其實是我們太陽系內的木星。）你能僅透過這樣的照片得知銀河是什麽樣子的麽？
看見銀河
遠古時代的人類就對頭頂氣勢磅礴的銀河有了極大的興趣，但從認為銀河是女神赫拉的乳汁或河水 [1] 到對銀河有科學的認識，還是從望遠鏡發明後才開始的。17世紀的伽利略透過自制望遠鏡驚訝的發現，原來公元前四世紀古希臘哲學家德謨克利特關於銀河構成的觀點是正確的，銀河其實是由無數恒星組成的。然而直到這時，人類都不曾真正認識到銀河的形狀。 （這裏補充一下，本文的銀河指的並不是銀河系而僅指銀河的盤狀結構，我們夜間看到的絕大多數星星都在銀河系內）
18世紀，經典天文學進入了蓬勃發展的時代．英國音樂家威廉·赫歇爾（就是發現天王星的那個英國皇家天文學會第一任會長，玩音樂的人裏天文學的最好的）用自制的望遠鏡對銀河系恒星進行了1083次觀測，他借助這枚當時世界上最大望遠鏡共計數了117600顆恒星，發現越接近銀河恒星越密，銀河平面上恒星最密，而垂直於銀河平面的恒星較少。他用統計法首次確認了銀河是一個扁平狀圓盤結構。
到了1845年，愛爾蘭一個名叫威廉·帕森思的有錢地主斥巨資建造了1.8米口徑的望遠鏡。他借助這個維多利亞時代最牛望遠鏡觀測到了正對著我們的M51星系並手繪了一幅螺旋狀的圖，這是人類第一次看到星系的螺旋結構。
即便是這樣，人們也沒有認識到，銀河系可能也會是這樣的。當時人們甚至並不認為這是星系結構，而把這類螺旋體當做了恒星形成早期的「原恒星」階段。後來在許多天文學家的努力下，包括沙普利、伊斯頓、哈伯、林德布拉德等一眾大牛，借助非常有限的觀測數據提出了各種銀河系結構模型，人們才逐漸認識到銀河有可能是螺旋狀的。他們透過研究其它旋渦星系，總結出旋臂的兩個特征：有大量新恒星誕生、並且有氫的集聚。如果假設這些特征同樣適用於銀河的話，那就可以確認銀河系是不是有旋臂結構了。
到了21世紀，現代大規模巡天計劃相比傳統的望遠鏡能更短的時間內獲取海量的天體觀測數據， 中性氫原子21厘米譜線 也使得對銀河系結構和演化進行全面的研究成為可能。比如20世紀50年代，天文學家就對銀河系內的鷹星雲（就是有創造之柱的那個）、歐米伽星雲、三葉星雲和礁湖星雲中的一些恒星進行了距離測量，從而加深了對人馬臂的了解。20世紀下半葉，大量的天文工作者透過不斷的觀測，為我們銀河系的螺旋結構提供了海量的新證據。在我的之前的一篇被知乎日報收錄的回答中曾提過，人類透過大量的觀測和計算，事實上已經確切的知道銀河系是一個棒旋星系。
雖然我們現在已經知道銀河是一個中間厚、邊緣薄的扁平盤狀螺旋體，但我們並不清楚俯視銀河時的具體模樣。天文學家甚至都不太確定銀河到底是兩條、四條還是六條旋臂（目前主流觀點認為是四條）。2004年的時候天文學者認為發現了一條新外臂new outer arm，2008年又有一條旋臂Far 3kpc Arm被確定下來，到了2018年才算是比較準確的掌握了銀河系眾多恒星的形成年代 [2] ，最近幾年各國的天文學家團隊都在追蹤銀河系旋臂中年輕恒星的位置變化，從而幫助人類更確切地知道這些旋臂的位置和準確數量。這還需要更大量的觀測數據支持。中國團隊就在今年還有新的觀測結果發表，這個後面再說。
困難在哪兒？
我們的地球位於銀河系的獵戶座大旋臂上。我們知道，銀盤上特別是旋臂上都是大量擁擠的恒星、塵埃和氣體，星際消光非常嚴重。所謂「星際消光」，指的是遙遠天體發出的電磁波被星際彌漫物質（比如前面提到的星際氣體或塵埃）部份吸收、散射，造成光度減弱的一種現象。只透過單一光學觀測很難透過彌漫在銀河中塵埃雲全面了解它的真實結構。就像我們來到一個人頭攢動的廣場邊上，很難透過擁擠的人群看到廣場另一側是什麽樣子。同樣道理，使用光學望遠鏡很難看清銀河的遠端，也就無法準確測量地球與那些遙遠恒星的距離，也就無法給他們定位從而繪制出銀河地圖來。
看不見可怎麽辦？
1931年，美國貝爾實驗室專門負責搜尋和鑒別電話幹擾訊號的無線電工程師卡爾·央斯基(Karl Guthe Jansky)偶然發現有一種每隔23小時56分04秒出現最大值的無線電幹擾，研究發現是來自銀河的射電輻射，從此開創了用射電波研究天體的新紀元。一般在可見光觀測受到很大限制的時候，天文學家就會想到動用紅外線（射電波的一種）來觀測。
這是因為紅外波段具有可見光觀測無法比擬的巨大優勢：幾乎不受星際消光的影響（具體原因就略了，有人想了解再補充吧）。因此紅外波段的觀測成為人類進一步認識銀河結構（特別是銀心方向的盤和核球結構）的重要手段。（哦對了，紅外線也是威廉·赫歇爾發現的）
射電望遠鏡收集射電光的方式其實和光學望遠鏡沒什麽太大的差別。但由於波長更長，所以望遠鏡要做得更大（望遠鏡的分辨率與入射光波長成反比 ，與口徑成正比）。像美國一般會用被稱為甚長基線陣列的望遠鏡組（共10個，從紐咸西州到夏威夷再到處女群島）、廣域紅外線巡天探測衛星(WISE)和斯皮策等有紅外觀測能力的望遠鏡 [3] ，中國會用青海的13.7米毫米波射電望遠鏡和貴州的那個FAST天眼（全球最大的單口徑望遠鏡）等。
定位
有了射電望遠鏡，我們看到的不再是無法分辨的朦朧光帶了，塵埃背後的眾多恒星現在都清晰可見。現在我們知道它們確切的方位了，如果我們知道組成銀河的每顆恒星離地球的距離，那我們就知道了它相當於地球的三維座標，那麽我們自然就可以繪制出銀河的三維地圖了。可是，我們怎麽知道這些繁星離我們多遠呢？
這就要用到一種被稱為三角形測量的方法。簡單的說，當地球位置的變動時，地球上觀測到的恒星相對於較遠的星空的位置就會有一個非常非常小的角度偏移（假設太陽與這個恒星沒有相對的橫向速度）。利用地球繞太陽執行的公轉軌域的直徑作為基線（等邊三角形底邊），恒星偏移的角度做為等邊三角形的頂角，這樣用初中知識就能算出這個恒星到地球的距離了。
這就像測量土地或高山的測量員一樣，如果知道基線和角度，就可以計算距離（實際上的計算涉及的計算要復雜的多，包括先分類，再利用恒星光譜庫確定光譜光度型並得到絕對星等 [4] ，最終得出測光距離。這裏就不寫公式 [5] 了）。其實同理可知，這樣不僅可以測量恒星的位置，還可以測量它移動的速度。當我們把銀河中的每個恒星都確認了位置和速度，就可以利用電腦將數據轉化為平面圖，並且知知道它們是如何旋轉的了。尤其是那些非常年輕的明亮的恒星，周圍有氫氣和微量的水組成的氣體雲，可以用更多的波段來定位其位置（因為新的恒星主要誕生在旋臂上）。
就像早期探險家繪制新大陸地圖一樣，天文學家不斷的觀測，不斷的耐心細致地填補空白。
同時，天文學家還是會利用很多其它星團和星系，來推測銀河的結構。比如借助較年輕的疏散星團來確定銀河系的旋臂結構和旋轉曲線 [6] 。另一方面，由於銀河系的直徑距離超過10萬光年，我們觀測到的數據和實際的數據就會產生很大的時間跨度。也就是說，6萬光年外的恒星，是它6萬年前的樣子。當我們觀測到它時，它早已不在那個位置有6萬年了。我們就必須要透過建模來彌補距離產生的誤差，從而得到大致的形狀。
中國的新發現
以上所有的資訊，都有可能會被新的觀測所重新整理。就在上個月（2021年8月20日），上面說的「中國天眼」就在銀河的邊緣（距銀心7萬多光年）新發現了一個長達1.63萬光年、寬675光年的像「蒲棒」一樣的巨纖維結構，同時也發現了盾牌-半人馬臂的延伸部份。為銀河的圖畫又添了一筆。
盡管如此，現在的人類仍然不是十分確切的知道銀河中間的棒狀物和臂狀體、以及隆起物和中心超大質素黑洞是如何共同作用形成銀河系的。
接下來的十年，也許我們會了解銀河更多一點。
結語
磅礴恢宏的銀河系的巨幅影像，像一團橢圓的光環，映在人類小小的眼瞳深處。宇宙廣博宏大，銀河系也不過是一粒渺茫而細微的塵沙，而人類連滄海一粟都算不上。對於億萬年生生不息的浩大宇宙來說，戰爭與和平，生死與愛恨，那些讓我們傾盡一生去探索和追求的東西，都發生在恢宏的銀河圖景中一個比灰塵還要小的微不足道的暗淡藍點上的一瞬。
人類像蜉蝣一般生活在這片廣闊的太空中，但我們所擁有的生命，對於這個蒼茫荒涼的宇宙來說，卻堪稱神跡。人類用有限而不息的生命，不斷的睜眼看著宇宙，努力地去理解它，去描繪它，甚至想去征服它。 [7]
參考
- ^ 亞裏斯多德還認為銀河只是一種大氣現象，是大地發出的水蒸氣
- ^ 由歐洲南方天文台（ESO）領導的國際天文學家團隊統計
- ^https://www.jpl.nasa.gov/news/charting-the-milky-way-from-the-inside-out
- ^ Bahcall J.N., Soneira R.M., 1980, ApJS , 44, 73
- ^http://batc.bao.ac.cn/work/work9.htm
- ^https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-degree-domestic_mphd_thesis/020314316559.html
- ^ 向阿西莫夫致敬
