人类已经拍摄了无数个星系的照片，但却从来没有一张照片能让我们看清银河到底是什么样子。我们身处银河系的内部，就像是1084年身处庐山的苏轼，根本看不清银河的模样。那我们究竟是如何知道它到底是长什么样子的呢？我们看到的那些银河螺旋的照片又是怎么来的呢？
我们只能拍到银河的侧面
在地球上，我们只能拍摄到的银河侧面，就像下面这张：
这张鱼眼照片拍摄于智利海拔5000米高的查南托峰上，这里的的空气既干燥又干净，是地球上观测银河最好的位置之一（我国南京天光所在海拔4000米的南极昆仑站也安装了南极巡天望远镜，也是因为那里海拔高、空气干燥洁净）。在这张全景照片上，似乎整个银河都被拍摄到了。但实际上，包括银河中心在内的另外一大半银河都隐藏在模糊的尘埃之后而无法观测到。（中心左上方那颗明亮而巨大的亮点，其实是我们太阳系内的木星。）你能仅通过这样的照片得知银河是什么样子的么？
看见银河
远古时代的人类就对头顶气势磅礴的银河有了极大的兴趣，但从认为银河是女神赫拉的乳汁或河水 [1] 到对银河有科学的认识，还是从望远镜发明后才开始的。17世纪的伽利略通过自制望远镜惊讶的发现，原来公元前四世纪古希腊哲学家德谟克利特关于银河构成的观点是正确的，银河其实是由无数恒星组成的。然而直到这时，人类都不曾真正认识到银河的形状。 （这里补充一下，本文的银河指的并不是银河系而仅指银河的盘状结构，我们夜间看到的绝大多数星星都在银河系内）
18世纪，经典天文学进入了蓬勃发展的时代．英国音乐家威廉·赫歇尔（就是发现天王星的那个英国皇家天文学会第一任会长，玩音乐的人里天文学的最好的）用自制的望远镜对银河系恒星进行了1083次观测，他借助这枚当时世界上最大望远镜共计数了117600颗恒星，发现越接近银河恒星越密，银河平面上恒星最密，而垂直于银河平面的恒星较少。他用统计法首次确认了银河是一个扁平状圆盘结构。
到了1845年，爱尔兰一个名叫威廉·帕森思的有钱地主斥巨资建造了1.8米口径的望远镜。他借助这个维多利亚时代最牛望远镜观测到了正对着我们的M51星系并手绘了一幅螺旋状的图，这是人类第一次看到星系的螺旋结构。
即便是这样，人们也没有认识到，银河系可能也会是这样的。当时人们甚至并不认为这是星系结构，而把这类螺旋体当做了恒星形成早期的「原恒星」阶段。后来在许多天文学家的努力下，包括沙普利、伊斯顿、哈勃、林德布拉德等一众大牛，借助非常有限的观测数据提出了各种银河系结构模型，人们才逐渐认识到银河有可能是螺旋状的。他们通过研究其它旋涡星系，总结出旋臂的两个特征：有大量新恒星诞生、并且有氢的集聚。如果假设这些特征同样适用于银河的话，那就可以确认银河系是不是有旋臂结构了。
到了21世纪，现代大规模巡天计划相比传统的望远镜能更短的时间内获取海量的天体观测数据， 中性氢原子21厘米谱线 也使得对银河系结构和演化进行全面的研究成为可能。比如20世纪50年代，天文学家就对银河系内的鹰星云（就是有创造之柱的那个）、欧米伽星云、三叶星云和礁湖星云中的一些恒星进行了距离测量，从而加深了对人马臂的了解。20世纪下半叶，大量的天文工作者通过不断的观测，为我们银河系的螺旋结构提供了海量的新证据。在我的之前的一篇被知乎日报收录的回答中曾提过，人类通过大量的观测和计算，事实上已经确切的知道银河系是一个棒旋星系。
虽然我们现在已经知道银河是一个中间厚、边缘薄的扁平盘状螺旋体，但我们并不清楚俯视银河时的具体模样。天文学家甚至都不太确定银河到底是两条、四条还是六条旋臂（目前主流观点认为是四条）。2004年的时候天文学者认为发现了一条新外臂new outer arm，2008年又有一条旋臂Far 3kpc Arm被确定下来，到了2018年才算是比较准确的掌握了银河系众多恒星的形成年代 [2] ，最近几年各国的天文学家团队都在追踪银河系旋臂中年轻恒星的位置变化，从而帮助人类更确切地知道这些旋臂的位置和准确数量。这还需要更大量的观测数据支持。中国团队就在今年还有新的观测结果发表，这个后面再说。
困难在哪儿？
我们的地球位于银河系的猎户座大旋臂上。我们知道，银盘上特别是旋臂上都是大量拥挤的恒星、尘埃和气体，星际消光非常严重。所谓「星际消光」，指的是遥远天体发出的电磁波被星际弥漫物质（比如前面提到的星际气体或尘埃）部分吸收、散射，造成光度减弱的一种现象。只通过单一光学观测很难透过弥漫在银河中尘埃云全面了解它的真实结构。就像我们来到一个人头攒动的广场边上，很难透过拥挤的人群看到广场另一侧是什么样子。同样道理，使用光学望远镜很难看清银河的远端，也就无法准确测量地球与那些遥远恒星的距离，也就无法给他们定位从而绘制出银河地图来。
看不见可怎么办？
1931年，美国贝尔实验室专门负责搜索和鉴别电话干扰信号的无线电工程师卡尔·央斯基(Karl Guthe Jansky)偶然发现有一种每隔23小时56分04秒出现最大值的无线电干扰，研究发现是来自银河的射电辐射，从此开创了用射电波研究天体的新纪元。一般在可见光观测受到很大限制的时候，天文学家就会想到动用红外线（射电波的一种）来观测。
这是因为红外波段具有可见光观测无法比拟的巨大优势：几乎不受星际消光的影响（具体原因就略了，有人想了解再补充吧）。因此红外波段的观测成为人类进一步认识银河结构（特别是银心方向的盘和核球结构）的重要手段。（哦对了，红外线也是威廉·赫歇尔发现的）
射电望远镜收集射电光的方式其实和光学望远镜没什么太大的差别。但由于波长更长，所以望远镜要做得更大（望远镜的分辨率与入射光波长成反比 ，与口径成正比）。像美国一般会用被称为甚长基线阵列的望远镜组（共10个，从新罕布什尔州到夏威夷再到维尔京群岛）、广域红外线巡天探测卫星(WISE)和斯皮策等有红外观测能力的望远镜 [3] ，中国会用青海的13.7米毫米波射电望远镜和贵州的那个FAST天眼（全球最大的单口径望远镜）等。
定位
有了射电望远镜，我们看到的不再是无法分辨的朦胧光带了，尘埃背后的众多恒星现在都清晰可见。现在我们知道它们确切的方位了，如果我们知道组成银河的每颗恒星离地球的距离，那我们就知道了它相当于地球的三维坐标，那么我们自然就可以绘制出银河的三维地图了。可是，我们怎么知道这些繁星离我们多远呢？
这就要用到一种被称为三角形测量的方法。简单的说，当地球位置的变动时，地球上观测到的恒星相对于较远的星空的位置就会有一个非常非常小的角度偏移（假设太阳与这个恒星没有相对的横向速度）。利用地球绕太阳运行的公转轨道的直径作为基线（等边三角形底边），恒星偏移的角度做为等边三角形的顶角，这样用初中知识就能算出这个恒星到地球的距离了。
这就像测量土地或高山的测量员一样，如果知道基线和角度，就可以计算距离（实际上的计算涉及的计算要复杂的多，包括先分类，再利用恒星光谱库确定光谱光度型并得到绝对星等 [4] ，最终得出测光距离。这里就不写公式 [5] 了）。其实同理可知，这样不仅可以测量恒星的位置，还可以测量它移动的速度。当我们把银河中的每个恒星都确认了位置和速度，就可以利用计算机将数据转化为平面图，并且知知道它们是如何旋转的了。尤其是那些非常年轻的明亮的恒星，周围有氢气和微量的水组成的气体云，可以用更多的波段来定位其位置（因为新的恒星主要诞生在旋臂上）。
就像早期探险家绘制新大陆地图一样，天文学家不断的观测，不断的耐心细致地填补空白。
同时，天文学家还是会利用很多其它星团和星系，来推测银河的结构。比如借助较年轻的疏散星团来确定银河系的旋臂结构和旋转曲线 [6] 。另一方面，由于银河系的直径距离超过10万光年，我们观测到的数据和实际的数据就会产生很大的时间跨度。也就是说，6万光年外的恒星，是它6万年前的样子。当我们观测到它时，它早已不在那个位置有6万年了。我们就必须要通过建模来弥补距离产生的误差，从而得到大致的形状。
中国的新发现
以上所有的信息，都有可能会被新的观测所刷新。就在上个月（2021年8月20日），上面说的「中国天眼」就在银河的边缘（距银心7万多光年）新发现了一个长达1.63万光年、宽675光年的像「蒲棒」一样的巨纤维结构，同时也发现了盾牌-半人马臂的延伸部分。为银河的图画又添了一笔。
尽管如此，现在的人类仍然不是十分确切的知道银河中间的棒状物和臂状体、以及隆起物和中心超大质量黑洞是如何共同作用形成银河系的。
接下来的十年，也许我们会了解银河更多一点。
结语
磅礴恢宏的银河系的巨幅图像，像一团椭圆的光环，映在人类小小的眼瞳深处。宇宙广博宏大，银河系也不过是一粒渺茫而细微的尘沙，而人类连沧海一粟都算不上。对于亿万年生生不息的浩大宇宙来说，战争与和平，生死与爱恨，那些让我们倾尽一生去探索和追求的东西，都发生在恢宏的银河图景中一个比灰尘还要小的微不足道的暗淡蓝点上的一瞬。
人类像蜉蝣一般生活在这片广阔的太空中，但我们所拥有的生命，对于这个苍茫荒凉的宇宙来说，却堪称神迹。人类用有限而不息的生命，不断的睁眼看着宇宙，努力地去理解它，去描绘它，甚至想去征服它。 [7]
参考
- ^ 亚里斯多德还认为银河只是一种大气现象，是大地发出的水蒸气
- ^ 由欧洲南方天文台（ESO）领导的国际天文学家团队统计
- ^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
