給銀河系畫張“半身像”

劉超

銀河系是一個巨大的存在，如果有人從其核心區域的某顆行星上打電話到其黑暗的最外沿的另一顆行星，接電話的人至少需要數萬年才收到那個微弱的通訊信號。除非天行者盧克、汗·索洛和萊婭公主的壽命以千萬年計，否則浪漫、奇幻的《星球大戰》故事完全不可能發生，銀河帝國在巨大的數十萬年計的時延面前只能是一盤散沙。

天文學家要了解如此巨大的恒星系統，揭開它運轉百億年生生不息的原因，要把全部天空各個方向、所有能看到的恒星光芒盡量收集在一起。但這并不簡單。從赫歇爾到沙普利再到現代的無數科學家，都在為認識銀河系不斷努力。近年來，我國的郭守敬望遠鏡（LAMOST）聚焦銀河系，更新著人類對它的認知。比如最近，LAMOST給銀河系銀盤繪制了更精確的“半身像”，發現它比過去認識的還要大。

千億顆恒星的家園

銀河系絕大多數恒星都集中在一個巨大的扁平盤上，它被稱為銀盤。我們的太陽也處于這個盤子上，因此銀盤在地球天空上的投影看上去就是一條銀白色的光帶。盡管幾百年以前天文學家據此猜到了銀河系長得像個盤子，但是對銀盤的大小沒有精確的測量。今天的教科書和科普讀物中最常用的數值是銀盤的半徑大約有5萬光年，這是一個很粗略的估計。而太陽系位于銀盤上較為外部的位置，距離銀河系中心約3萬光年。除了銀盤之外，還有大約十億顆恒星分布在更大的包裹著銀盤的一個橢球或球形空間內，稱為“銀暈”。銀暈的恒星雖少，但是體積要大得多，半徑可能超過了30萬光年。

在銀盤上，恒星的分布是不均勻的，處于銀盤中心的恒星遠遠多于在銀盤外圍的恒星。因此天空上的光之河也不是處處一樣亮，夏天當銀盤的中心區掛在夜空中的時候它就會顯得更亮。這也是我們夏天更容易看到銀河的原因。如果你去南半球旅行，在夏季無月的夜晚，天空上的銀河愈加明亮，因為在南半球的天空可以看到整個銀盤的中心區，而在北方只能看到很小一部分。

看上去似乎南半球的天文學家因地利之便更容易觀察銀河系。實際并不盡然。盡管銀河中心區聚集了大量的恒星，但是要了解它的整體形狀以及在百億年間的長期演化，其外圍的信息是不可或缺的。外圍是指的銀盤的外圍以及銀暈。這樣住在北半球的天文學家也有很多事情可做了。

百名專家聯手揭秘銀河系

最早大規模研究北半球銀河系的結構、并取得卓越成果的是美國的斯隆數字化巡天項目（SDSS），它同時也被譽為世界上最有影響力的天文巡天觀測項目。SDSS帶來了很多關于銀河系的顛覆性認識，其中最為有名的是它首次揭示了銀河系的暈中存在大量的矮星系和潮汐星流結構。

在二十一世紀第二個十年里，國際上接力SDSS的天文巡天項目有很多，其中我國天文學家主導的LAMOST銀河系光譜巡天項目是效率最高的之一。

為了能夠更好觀察銀河系，天文學家需要盡其所能捕捉更多恒星的各種電磁波信號。雖然SDSS獲得了上億顆恒星的亮度和顏色信息，但是只有60萬顆恒星的光譜信息。相比之下，盡管LAMOST巡天僅觀測恒星的光譜，但是它在短短五年時間里已經獲得了將近800萬條恒星光譜，比之前全世界天文學家獲得的恒星光譜總和還要多！

巨大的恒星觀測數目只是萬里長征的第一步，海量數據并不能自動告訴我們銀河系的形狀和性質。科學家還需要細致的數據篩選和嚴謹的統計分析。

數據的分析和統計過程是漫長的，凝聚了很多人的努力，歷時若干年頭。首先，光譜需要做最基本的處理，將其從拍攝的數字圖像中提取出來。LAMOST望遠鏡包含了16臺光譜相機，每臺相機的一幅圖像包括大約兩百條天體光譜，提取并對其做初步處理是一項細致而煩瑣的工作。抽取出每條光譜之后，還要從中估算對應恒星的物理參數，包括恒星表面的溫度、表面重力加速度、包含的金屬成分的比例等。這些信息至關重要，因為下一步，天文學家們需要根據這些信息估計恒星的絕對亮度，再根據其他望遠鏡測量到的視亮度估算它到太陽的距離。

不同恒星的絕對亮度可以相差十個數量級，也即100億倍，但是同一個望遠鏡能觀測到的視亮度范圍僅有幾百倍。這就帶來了一個嚴重的問題，那些望遠鏡捕獲到的很遠的恒星都是絕對亮度很亮的恒星，而對很暗恒星的探測僅局限于很近的距離范圍內。天文學上將這種選擇效應稱為馬奎斯特偏離，它會嚴重影響對銀河系的統計分析。因此接下來，天文學家們就要想方設法改善由此帶來的統計偏差，盡量還原銀河系真實的恒星分布情況，公平地統計很暗和很亮恒星的數目。最終，經過一百多名中外天文學家和工程師的漫長觀測、數據處理和統計分析，銀河系的神秘面紗終于被LAMOST數據逐漸揭開。

一張更精確的結構圖

通過應用復雜統計手段精確清點銀河系外圍恒星的數目，科學家成功繪制出銀盤外圍的空間結構剖面圖。從圖中可以看出，銀盤的恒星數目雖然隨著半徑增加而減少，但并沒有在5萬光年處停下來，而是一直延伸到距離中心6.2萬光年處。這比教科書上一直以來引用的半徑大了約四分之一。

銀河系的疆界因此向外拓展了很多。這就像是我們住在一個房子里很多年，突然有一天推開一扇塵封已久的大門，發現其實我們房子后面還有很大一個后院。這一發現不僅將改寫教科書，還讓天文學家們重新審視星系形成及宇宙演化的一般規律。

除了成功給銀盤繪制一張“半身像”，LAMOST的海量數據還幫助人們進一步測量了銀暈的形狀。研究人員首先從數據中剝離了銀盤上的恒星，然后只使用銀暈恒星繪制出銀河系13萬光年內的三維結構圖。他們驚訝地發現，銀暈具有復雜的構成——內部呈扁球形，外部則逐漸變成球形。這一清晰的觀測證據推翻了前人關于銀暈結構的很多猜測，展現了全新的銀暈圖像。

觀測天文學家對此當然非常興奮，如同在后院挖出了一大塊金子。理論學家就要費些腦筋了，因為他們需要解釋為什么銀暈不是一個簡單的扁球或球形結構，而是保持這樣一個復雜變化的形狀，以及它是否預示銀河系在一百億年以前形成之初時經歷過什么特殊的物理過程。

一幢久居的老屋，表面上你似乎對它的每一塊磚、每一片瓦、每一扇窗都了然于胸。可是當你真正睜開雙眼去看它時，陳舊的老屋里總是給你帶來各種驚喜。銀河系就是這樣的一幢老屋。居住了46億年后，當人類睜開眼認真審視它時，驚喜的發現仍會接踵而來。LAMOST巡天則是那雙明亮的眼睛，在它的審視下，誰能說不會有新的更大的銀河寶藏被它挖掘出來呢？