人类是如何观察到银河系的形状的呢？

经过漫长世纪的，天文学家们逐渐揭开了我们银河系旋臂的神秘面纱，但浩瀚宇宙中仍有许多未知等待发现。

我们所处的银河系最显著的特征便是其独特的旋涡结构。虽然现今的我们对旋臂已有所认知，但过去的历程却充满困难。身处银河系之中，观测其结构犹如身处迷宫之中，使得揭开其神秘面纱充满挑战。

红外波段下拍摄的银河系中心图片揭示了银河系的神秘之处。尘埃和其他吸光物质遮挡了可见光，使得天文学家必须借助红外线来揭开银河系的秘密。版权NASA/JPL-Caltech/S. Stolovy (SSC/Caltech)（图片说明）。

那么，天文学家们是如何揭示银河系的结构的呢？又是如何探测银河系的旋臂和中央棒状结构的呢？关键在于天文学家的坚韧品格和不断完善的探测手段。通过观测光学、射电和红外等不同类型的辐射，天文学家能够辨识出旋臂的不同特征，并最终拼凑出银河系的完整面貌。

银盘是银河系的重要组成部分，其旋转的特性为揭示银河系的结构提供了关键线索。从可见光的观测开始，威廉赫歇尔在18世纪统计了夜空中不同区域的恒星数量，并首次提供了银河系的形状和大小的证据。他发现银河系的盘（银盘）在夜空中聚集了更多的恒星，并注意到星云在各个方向上的分布不均匀。虽然当时的天文学家并不知道这是由于银盘中含有更多的尘埃、恒星和气体阻挡我们的视线所造成的，但这一发现为后续的深入研究奠定了基础。一个多世纪后，天文学家发现银盘在围绕一个中心旋转，这一发现揭示了银河系旋转的特性。直到现在，人马座中的银盘明显比其他部分亮，这意味着银心就在人马座方向。球状星团的位置和运动也为确定银河系中心提供了线索。通过追踪旋臂的年轻蓝色恒星及其周围的气体云（发射星云），天文学家开始寻找旋臂的示踪天体。他们相信旋臂是由穿行于星系盘中的密度波所造成的。这些密度波与银道面中的物质运动速度不同，当恒星、气体和尘埃进入密度波的高密度区时会被挤压，从而触发恒星形成过程。于是天文学家们开始寻找这些旋臂上的示踪天体来研究它们的形成和演化过程。像仙女星系（M31）这样的旋涡星系也为天文学家们提供了宝贵的观测样本以研究旋臂的结构和特征。这些研究不仅有助于我们理解银河系的结构和演化过程也有助于我们揭开宇宙中的其他星系之谜。（图片说明）展示的是和银河系类似的棒旋星系M83的图片揭示了它的旋涡结构同时也暗示了银河系可能的外观如果我们从上往下观察它的话。（版权Unda Hall Library of Science Engineering and Technology）总之宇宙的奥秘是一项充满挑战和惊喜的任务随着科学技术的不断进步和人类对宇宙的认知不断提高我们相信未来的之旅将会更加精彩纷呈。在氢气体云中，年轻的、高温的蓝色恒星发出强烈的紫外辐射，这种辐射能够电离周围的氢气。被电离的氢会释放出特定颜色或波长的辐射，这让天文学家们得以专门寻找这些波段的电离氢。

在1951年，一群杰出的天文学家，包括威廉摩根、斯图尔特沙普莱斯和唐纳德奥斯特布罗克，通过观测发现了银河系的旋臂的直接证据。他们发现了两条平行的电离氢带，这两带分别对应着银河系的不同旋臂。

对于近距离的银河系结构的探测，观测发射星云和蓝色恒星是一种有效的方法。天文学家们知道，银道面中的气体和尘埃会对光线产生阻碍作用。他们需要寻找其他途径来观测银河系中更遥远的部分。

1930年，罗伯特特朗普勒证明，尘埃和气体会影响光线的传播。他通过观测由年轻恒星组成的疏散星团，并采用了两种方法计算它们的距离。他发现，如果银河系中不存在吸光的物质，这两种方法得出的结论应该是一致的。但事实上并非如此，这说明气体和尘埃的存在阻挡了银道面中传播的光线。

被称为星际介质的气体和尘埃，会通过吸收和散射使星光变暗和变红。这是因为可见光的波长与尘埃粒子及气体分子的尺度相当，导致星际介质会散射可见光。波长更长的辐射（如红外和射电辐射）则可以较为畅通地穿过星际介质。天文学家们自然地将视线转向其他波段。

在1944年，亨德里克范德赫尔斯特预测，银河系气体云中的中性氢原子会在特定波长上发射出辐射。这一特定的波长位于21厘米处。假设氢能描绘出银河系的旋臂，天文学家们通过寻找这个“21厘米谱线”就能测量银盘中的氢。

为了进行射电波段的测量，天文学家们选定了一块观测区域，并沿着视线方向进行测量，收集和视线相交的所有天体的信息。由于银盘是转动的，观测到的每片氢云也在运动，它们的发射线在电磁波谱上会产生移动。这就是多普勒效应。就像我们在高速公路上听到的汽车声音变化一样，当汽车靠近时，声音会变得尖锐，远离时则变得低沉。

通过比较测量到的发射线和标准的21厘米谱线，天文学家能够确定氢云的运动速度。仅凭21厘米谱线并不能获取实际距离的信息。这需要结合测量到的速度进一步计算得出。就像任何旋转的扁平天体一样，在银河系中，天体的速度取决于它到银河系中心的距离。

为了确定这些距离，天文学家测量了其他星系中恒星的速度，并将这些速度与它们到星系中心的距离进行比较，得出了“旋转曲线”。然后他们应用同样的方法测量银河系的旋转曲线，虽然难度更大因为他们自己就在银河系中。除了了解速度如何随着距离银心的变化而变化外，天文学家还需要知道太阳到银河系中心的距离，这个距离大约是2.6万光年。有了这些信息以及氢云的速度数据，天文学家就能够确定它们到银心的距离并绘制出它们在银河系中的位置。最终他们发现中性氢确实构成了银河系的旋臂。1953年，奥尔特和范德赫尔斯特公布了他们的射电巡天结果。如同其他的巡天观测一样，天文学家必须谨慎对待这些结果，因为银河系中的某些部分可能存在偏离圆轨道的随机运动。只有综合不同的方法，天文学家才能构建出更准确的银河系结构图。在宇宙的历程中，到了20世纪50年代末，天文学家们开始揭开银河系壮丽旋臂的神秘面纱。他们意识到，我们的银河系并非简单构造，而是拥有若干条尾随于自转之中的旋臂。这些旋臂的结构和形态，与像M51这样的旋涡星系有着明显的差异，比如它的旋臂可能比M101收束得更紧密一些。

通过观察星际介质中的氢分子和一氧化碳，科学家们能够洞察出银河系的内部结构。这些分子以稳定的比例出现，使得天文学家能够通过观测一氧化碳的发射线来探测氢分子的位置。到了20世纪70年代，科学家们开始利用射电技术绘制出银河系的旋臂结构图。尽管有了这些方法，了解银河系的内部结构仍然是一项艰巨的任务。

在过程中，科学家们发现了一些令人惊奇的迹象。在靠近银心的区域，气体表现出了不同寻常的运动模式。这些气体不仅仅围绕银心旋转，还会远离银心移动。这种现象被科学家们称为“3千秒差距膨胀旋臂”。为了解释这一神秘现象，有科学家提出了一个假设：银河系的中心存在一个棒状结构，从中心向两侧延伸出大约10,000光年（相当于3千秒差距）。在这个棒状结构的端点上连接着环状结构或是旋臂。真正揭开银河系中心结构的秘密，则要等到红外卫星升空之后。

随着科技的进步，天文学家们开始使用红外波段进行探测，这一技术帮助他们穿透了银河系的尘埃。特别是美国宇航局的宇宙背景探测器成功地把红外探测器送入太空，拍摄了第一张银河系中央核球的近红外照片。这一突破性的图像揭示了银河系的惊人之处，就像从侧面观察其他旋涡星系一样令人震撼。随后的红外巡天项目则提供了更为锐利的银道面和核球图像。通过这些观测结果，科学家们得以研究银心附近恒星的运动，进一步是什么力量导致了气体的反常运动。

到了20世纪90年代，随着对银心的红外观测结果的分析，科学家们发现核球在某个方向上被拉长了，这暗示了银河系中心的棒状结构确实存在。最近的研究更是确认了这一点，斯皮策空间望远镜的红外观测记录下了大量的源，精确测量了银河系的中心。这些观测结果显示银心某个方向上恒星数量明显增多，预示着棒的存在。更令人惊奇的是，这个棒的长度约为2.8万光年，与太阳到银心的距离相当。

经过数百年的研究，科学家们对银河系的结构有了更深入的了解。他们认为银河系中央存在一个棒状结构，周围环绕着四条旋臂。其中两条旋臂似乎是大旋臂盾牌-半人马臂和英仙臂。这两条大旋臂富含气体和不同年龄的恒星。而人马臂和矩尺臂则主要由气体构成，点缀着少量恒星。然而的研究发现可能只有两条主要的旋臂和两条小旋臂。这些发现为我们揭示了银河系壮丽结构的奥秘。天文学家们利用射电、红外和可见光的观测手段成功拼出了一幅银河系的详图。这一成就标志着人类对宇宙的又迈出了重要的一步。银盘，一个宏大的宇宙舞台，直径延伸至约12万光年之远，其中央的棒状结构更是壮丽，长达2.8万光年。而我们人类所居住的星球，距离银心，那个神秘而深邃的中心点，约有2.6万光年的距离。我们的运动速度相当惊人，每秒行进约220千米，在广袤无垠的银河系中穿梭。

即便我们对银河系有了这样的了解，仍然有许多未解之谜困扰着天文学家们。暗物质，这个笼罩在银河系之上的神秘面纱，它的成分究竟是什么？是何种力量在驱动着它？还有，那隐藏在星辉之下的旋臂数量，我们究竟知道多少？这些悬而未决的问题，如同银河中的点点繁星，闪烁着诱人的光芒，吸引着我们去、去解答。

我们知道银河系之大，近乎无边无际。它的壮丽与神秘并存，就像一个巨大的宇宙画卷在我们面前展开。每一次的，每一次的研究，都像是在揭开这幅画卷的一角。而每一次的新发现，都会让我们对宇宙的理解更加深入。未知的世界总是充满了挑战和惊喜。那些悬而未决的问题，如同银河中的暗物质一样，既是困扰我们的难题，也是驱动我们前进的动力。

无论何时何地，天文学家们都不会缺乏研究的课题。因为宇宙的奥秘无穷无尽，每一颗星星、每一个星系都可能隐藏着未知的答案。我们仍然在不断地、研究、发现，希望能揭开更多关于宇宙的神秘面纱。在每一个挑战背后，都可能隐藏着新的启示和突破。这就是科学的魅力，也是我们对未知世界的向往和追求。