氢原子百科 
银河系（英语：Milky Way Galaxy），是太阳系所在的棒旋星系，其等光直径[注1]D25约为26.8±1.1千秒差距或者87400±3600光年，恒星盘厚度约为1.35kpc(4000ly)。包含1000到4000亿颗恒星、大概相同数量的行星以及大量的星团、星云和各种类型的星际气体与星际尘埃。[1][14][15][4][16]银河系是本星系群中除仙女座星系外最大的星系，从地球上看，是一条模糊的宽约30°的拱形白光带。[17][18]
银河系总质量约为太阳质量的8900亿至1.54万亿倍，[11][19][20]其中90%为未知的不可见的暗物质。[21][22]太阳系位于距银河中心约27000光年的半径处，[23]位于猎户座旋臂的内边缘，猎户座旋臂是螺旋状气体与灰尘的集中区之一，最里面10000光年的恒星形成了一个核球，以及一个或多个从核球向外辐射的条带。银河中心标志是一个人马座A*的强烈射电源，它是一个质量为4.100±0.034万太阳质量的超大质量黑洞。[13][24]此外，银河系有两个最大的卫星星系，分别是麦哲伦星云和小麦哲伦星云，[25][26][27]两个星系的质量约为银河系的2%。[28]周围还有大犬座矮星系、人马座矮椭圆星系等矮星系。[29]
命名与词源
在西方文化中，“银河系”这个名字来源于它的外观，即一条在夜空中拱形的、昏暗的“银河”发光带，是拉丁语vialactea的翻译，源自希腊语γαλαxiίας κύκλος，意思是“乳白色的圆圈”。古希腊语 γαλαxiίας(galaxias)源自词根γαλακτ-,γάλα（“牛奶”）+-ίας（形成形容词），也是“galaxy”的词根，“galaxy”自1848年后出现了涉及包括太阳和所有可见恒星在内的离散恒星集合的技术天文学意义。银河系或“牛奶圈”，只是希腊人在天空中确定的11个“圈”之一，还有黄道带、子午线、地平线、赤道、北回归线和摩羯座、北极圈和南极圈，以及穿过两极的两个色环。[6][7][8][9]
Llys Dôn（字面意思是“Dôn宫廷”）是仙后座的传统威尔士名称。Caer Gwydion（“Gwydion堡垒”）是银河系的传统威尔士名称，[30][31]和Caer Arianrhod（“Arianrhod堡垒”）是银河系的传统名称。[32][33]
形成和演化
136.1亿年前大爆炸后，宇宙充满了均匀的气体——没有恒星，没有星系，但气体中存在微小的扰动，这些扰动开始在重力的作用下生长，银河系开始只是宇宙质量分布中的一个或几个小的超密度区域，其近一半的物质可能来自其他遥远的星系，一些密度过高的球状星团的种子形成了现在银河系中最古老的剩余恒星。[34][35][36]目前，这些恒星和星团构成了银河系的恒星晕，在第一批恒星诞生后的数十亿年内，银河系的质量足够大，旋转速度相对较快。由于角动量守恒，导致气态星际介质从大致球形塌缩成圆盘。因此，后来的恒星，比如年轻的恒星、太阳等就是在这个螺旋盘中形成的。[37][25]
自从第一批恒星开始形成后，银河系开始通过星系合并和直接吸积来自银河晕的气体生长。目前，它正在吸积大麦哲伦星云和小麦哲伦星云两个最大的卫星星系以及周围的几个小星系的物质，在史密斯云这样的高速云中可以观察到气体的直接吸积。[25][26][27]宇宙学模拟表明，110亿年前，银河系与一个被称为海妖的特别大的星系合并。[38][39]但是银河系的性质，例如其最外层区域的恒星质量、角动量和金属丰度表明，在过去的100亿年里，它没有与大型星系合并。在类似的螺旋星系中，最近缺乏重大合并是不寻常的。它的邻居仙女座星系似乎有着更典型的历史，是由最近与相对较大的星系合并而形成的。[40][41]
根据最近的研究，银河系以及仙女座星系位于星系颜色-星等图中被称为“绿谷”的区域是一个由从“蓝云”过渡的星系组成的区域。由于星际介质中的恒星形成气体耗尽，绿谷星系中的恒星形成活动正在放缓。在具有类似特性的模拟星系中，考虑到银河系和仙女座星系之间的碰撞会造成恒星预期形成速度短期增长，恒星形成通常会在从现在起的约50亿年内消失。[42]对与银河系类似的其他星系的测量表明，银河系仍是形成新恒星的最红和最亮的螺旋星系之一，并且只比最蓝的红色序列星系稍微蓝一些。[43]
银河系中最古老的天体之一是球状星团，它为银河系的年龄设定了下限。银河系中单个恒星的年龄可以通过测量钍232和铀238等长寿命放射性元素的丰度来估计，然后将结果与其原始丰度的估计值进行比较，这种技术称为核宇宙年代学。对于凯雷尔之星（CS31082-001）来说，其年龄约为12.5±30亿年；对于BD+17°3248恒星来说，年龄约为13.8±40亿年。[44][45]科学家还在银河系光环中发现了几颗单独的恒星，它们的测量年龄非常接近宇宙的138亿年年龄。2007年，银河晕中的一颗恒星HE1523-0901的年龄估计约为132亿岁，是当时银河系中已知最古老的天体，这一测量为银河系的年龄设定了下限。该测量是使用甚大望远镜的紫外可见阶梯光谱仪，由钍和R过程产生的其他元素引起谱线的相对强度而进行的。这些谱线强度产生了不同元素同位素的丰度，利用核宇宙年代学可以从中估算出恒星的年龄。[46]另一颗恒星HD140283的年龄为14.5±7亿岁。[47][48]
银河系年龄下限由测量白矮星中最冷的温度，并将其与预期的初始温度进行比较来确定。白矮星一旦形成，它就开始经历辐射冷却，表面温度稳步下降。通过该技术，球状星团M的年龄估计为12.7±7亿年，星团中最古老的年龄估计给出了126亿年的最佳拟合，以及160亿年的95%置信上限。[49]2018年11月，天文学家发现了2MASSJ18082002-5104378B恒星，其约有135亿年的历史，是一颗微小的超贫金属(UMP)恒星，几乎完全由大爆炸释放的物质组成，是宇宙中最古老的恒星之一，可能是第一批恒星之一。该恒星的发现表明该星系可能比之前认为的至少早30亿年。[50]
根据自适应光学校正地球大气扭曲的观测结果显示，银河系核球中的恒星年龄约为128亿年。[51]银河薄盘中恒星的年龄也可以使用核宇宙年代学来估计。对薄盘恒星的测量得出薄盘形成于8.8±17亿年前，测量表明，银河晕和薄盘之间的形成存在近50亿年的间断。[52]最近对数千颗恒星的化学特征的分析表明，在10到80亿年前，当星际气体太热而无法形成新恒星时，恒星形成可能在盘形成时下降了一个数量级。[53]
银河系周围的卫星星系并不是随机分布的，而是某个较大系统分裂的结果，产生了直径为500000光年、宽为50000光年的环形结构。[54]星系之间的近距离接触，就像40亿年后仙女座星系预计会发生的那样，撕裂出巨大的气体尾部，随着时间的推移，这些气体会合并形成与主盘成任意角度的环中矮星系。[55]
分布与组成
银河系包含100到4000亿颗恒星以及大概相同数量的行星。[4]之所以没有确定的恒星数量是因为很多恒星质量极低，很难被探测到，尤其是在距离太阳超过300光年的地方更难探测到。作为比较，邻近的仙女座星系估计包含一万亿颗恒星。[56]此外，银河系可能还包含一百亿个白矮星、十亿个中子星和一亿个恒星黑洞。[57][58][59]恒星之间的空间充满了气体和尘埃盘，称为星际介质，该盘的半径至少与恒星相当，[60]而气体层的厚度范围为从较冷气体的数百光年到较热气体的数千光年之间。[61][62]
银河系中的恒星盘没有尖锐的边缘，超出边缘就没有恒星。相反，恒星的浓度随着距银河系中心的距离而减少。由于未知的原因，在距中心约40000光年的半径之外，每立方秒差距的恒星数量随半径下降而急速下降。[63]银盘周围是由恒星和球状星团组成的球形银晕，它向外延伸得更远，但其大小受到两颗银河系卫星轨道的限制，即大麦哲伦星云和小麦哲伦星云，它们最接近银心，距离约为180000ly(55kpc)，[64]在这个距离或更远的距离，大多数光晕物体的轨道都会被麦哲伦星云扰乱。因此，这些物体可能会被从银河系附近喷射出来。银河系的综合绝对星等约为-20.9克。[65][66][67]
引力微透镜和行星凌日观测都表明，与恒星结合的行星可能至少与银河系中的恒星数量一样多，[68][69]并且微透镜测量表明，存在更多未与主恒星结合的其他行星，可能还有星星。[70][71]2013年1月，天文学家通过开普勒太空天文台对行星恒星系统Kepler-32进行研究表明，银河系中每颗恒星至少包含一颗行星，共有100-4000亿颗行星。[72]同年，对开普勒数据的另一项分析估计表明，银河系中至少存在170亿颗地球大小的系外行星。[73]2013年11月，天文学家根据开普勒太空任务数据报告称，银河系内类太阳恒星和红矮星的宜居带内可能有多达400亿颗地球大小的行星在运行。[74][75][76]这些估计的行星中有110亿颗可能围绕类太阳恒星运行。[77]2016年的一项研究表明，最近的系外行星可能距地球4.2光年，围绕红矮星、比邻星运行。[78]此类地球大小的行星可能比气态巨行星数量更多，[69]但是由于其体积小，很难在远距离探测到。除了系外行星之外，“系外彗星”也已被发现，并且可能在银河系中很常见。[79]2020年11月，天文学家估计银河系中存在超过3亿颗宜居系外行星。[80]
太阳位于猎户臂内缘附近的局部气泡的局部绒毛内，在拉德克利夫波和分裂线性结构（以前的古尔德带）之间。[81]太阳以及太阳系位于银河系的银河宜居带区域，在银盘中心平面上方或以北5-30秒差距（16-98ly）处。[82][83][84]基于Gillessen等人对Sgr A*周围恒星轨道的研究，2016年，科学家称，太阳距银河中心的距离约为27.14±0.46kly(8.32±0.14kpc)[85]。并使用恒星轨道分析发现了较小的值25.64±0.46kly(7.86±0.14kpc)。[86]
在距太阳15秒差距（49光年）半径的球体内，大约有208颗亮度超过绝对星等8.5的恒星，密度为每69立方秒差距一颗恒星。另一方面，在距太阳5秒差距（16ly）以内有64颗已知恒星（任何星等，不包括4颗褐矮星），每颗星之间密度差距为每8.2立方秒。这说明了暗星比明亮恒星多得多，在整个天空中，大约有500颗比视星等亮的恒星 ，但比视星等亮的恒星有1550万颗。[87]
太阳路径的顶点或者说太阳顶点，是太阳在银河系空间中运行的方向。太阳银河系运动的总体方向是朝向武仙座附近的织女星，与银河系中心方向成大约60度的天空角度运行。太阳围绕银河系的轨道估计大致呈椭圆形，由于银河旋臂和不均匀的质量分布而增加了扰动。此外，太阳每个轨道大约穿过银河平面2.7次。[88]这与没有拖曳力（阻尼）项的简谐振子的工作方式非常相似，这些振荡被科学家认为与地球上的大规模生命形式灭绝时期相一致。[89]根据CO数据对太阳穿过螺旋结构的影响进行重新分析，但未能找到相关性。[90]
太阳系大约需要2.4亿年才能运动完成银河系的一周（一个银河年），[91]因此，太阳被认为在其一生中完成了18-20圈轨道，自太阳诞生以来完成了1/1250的公转。太阳系绕银河系中心的轨道速度约为220千米/秒（490000英里/小时）或光速的0.073%，太阳以84000千米/小时（52000英里/小时）的速度穿过日光层。按照这个速度，太阳系大约需要1400年才能行驶1光年的距离，或者需要8天才能行驶1AU（天文单位）。[92]目前，太阳系正朝着黄道带天蝎座的方向前进，该方向遵循黄道。[93]
银河系由一个条形核心区域组成，周围环绕着由气体、尘埃和恒星组成的扭曲盘。[94][95]银河系内的质量分布与哈勃分类中的Sbc类型非常相似，它代表旋臂相对松散的螺旋星系。[2]天文学家在20世纪60年代首次推测银河系是一个棒旋星系，而不是一个普通的旋涡星系。[96][97][98]2005年，斯皮策太空望远镜观测证实了上述猜想，该观测显示银河系的中心条比之前想象的要大。[99]
银河中心
银河系中心距离太阳约25000–28000光年，该值是使用基于几何的方法或通过测量用作标准蜡烛的选定天文物体来估计的，并使用不同的技术在该近似范围内产生不同的值。[100][101][23][102][103]在内部几千秒差距（半径约10000光年）内，有一个密集的区域，大部分是古老的恒星，大致呈球形，称为核球。[104]有人提出，由于先前星系之间的碰撞和合并，银河系缺乏核球，只有由其中心棒形成的假核球。[105]
银河中心的标志是一个名为人马座A*的强烈射电源，围绕中心的物质运动表明人马座A*拥有一个巨大而致密的物体，[106]这种质量集中最好的解释为超大质量黑洞(SMBH)，[107][108][109]其质量估计为太阳质量的4.1–450万倍。[109]SMBH的吸积率与不活跃的星系核一致，估计为每年1×10−5个太阳质量。[110]观测表明，大多数正常星系的中心附近都存在超大质量黑洞。[111][112]
银河系棒的性质引起了激烈的争论，估计其半长和方向跨度为1至5kpc（3000-16000ly），从地球到银河中心的视线为10-50度。[113][114]某些作者主张银河系具有两个不同的条带，一个依偎在另一个条带之中。[115]然而，天琴座RR型恒星并没有追踪到明显的银条，[114][116][117]该条可能被一个称为“5kpc环”的环包围，该环包含银河系中存在的大部分氢分子，以及银河系的大部分恒星形成活动。从仙女座星系看去，它将是银河系最亮的地方，从核心发射的X射线与中心条与银河脊周围的大质量恒星对齐。[110][118][119]
2023年6月，天文学家报道使用一种新的级联中微子技术首次探测到银河系银面释放的中微子，创造了银河系的第一个中微子视图。[120][121][122]
银河象限
银河象限或银河系象限是指银河系划分中的四个圆扇区之一。在天文学实践中，银河象限的划分是基于银河坐标系，该坐标系将太阳作为绘图系统的原点。[123]
象限使用序数来描述，例如，“第一银河象限”[124]“第二银河象限”[125]或“银河系第三象限”。[126]从银河北极以0°作为从太阳出发并穿过银河中心的射线观察，象限为：
银河象限银河经度(ℓ)参考资第一名0°≤ℓ≤90°[127]第二名90°≤ℓ≤180°[125]第三名180°≤ℓ≤270°[126]第四名270°≤ℓ≤360°（360°≅0°）[124]
从银河中心以北[注2]观察，银河经度沿逆时针方向（正自转）增加；如果从银河系中心以南[注3]观察，银河经度会沿顺时针方向增加（负旋转）。[127]
螺旋臂
旋臂在银河棒的引力影响之外，是银河系盘中的星际介质和恒星的结构组织而成。[128]螺旋臂通常含有比银河系平均密度更高的星际气体和尘埃，由更高浓度的恒星形成，如HII区域和分子云所追踪。[129]目前，银河系的螺旋结构尚不确定，对于银河系旋臂的性质也没有达成共识。[130]对数螺旋图案只能粗略地描述太阳附近的特征，[131][132]但是星系通常具有意外分支、合并、扭曲的旋臂，并具有一定程度的不规则性。[103][132][133]据观测，人们认为有四个旋臂都始于银河系中心附近。[134]它们的命名如下，手臂的位置如下图所示：
盾牌-半人马臂和船底座-人马臂两个旋臂在太阳围绕银河系中心的轨道内有切点。如果旋臂中的恒星密度高于银盘中恒星的平均密度，则可以通过计算切点附近的恒星来检测到。利用对红巨星敏感并且不受尘埃消光影响的近红外光的两次调查检测到了盾牌座-半人马座臂中比预测的过量丰度，但在船底座-人马座臂中却没有，盾牌座-半人马座臂包含的红巨星占30%，数量比预期的多，但是船底座-人马座臂没有。[135][136]这一观察结果表明，银河系仅拥有两个主要的星臂：英仙座臂和盾牌-半人马臂。旋臂的其余部分含有多余的气体，但没有多余的老恒星。[130]2013年12月，天文学家发现年轻恒星和恒星形成区域的分布符合银河系的四臂螺旋描述。因此，银河系似乎有两个由老恒星追踪的旋臂，以及由气体和年轻恒星追踪的四个旋臂，对于这种明显差异的解释尚不清楚。[137]
20世纪50年代，天文学家van Woerden及其合作者在21厘米无线电测量HI（原子氢）时发现了近3kpc臂，也称为扩展3kpc臂或简称3kpc臂。[138][139]它位于银河系第四象限，距太阳约5.2kpc，距银河中心约3.3kpc，正在以超过50km/s的速度远离中央凸起。2008年，天文学家Tom Dame[注4]发现了Far3kpc Arm，它位于银河系第一象限距离 银河系中心3kpc（约10000ly）。[139][140]2011年发表的一项模拟表明，旋臂结构可能是由于银河系与人马座矮椭圆星系反复碰撞而产生的。[141]
有人认为，银河系包含两种不同的螺旋图案：一种是内部螺旋，由人马臂形成，旋转速度快；另一种是外部螺旋，由船底座和英仙臂形成，旋转速度较慢，旋臂紧密。在这种情况下，根据不同旋臂动力学的数值模拟，外部图案将形成外部伪环，并且这两个图案将通过天鹅臂连接。[142][143]盾牌-半人马臂的致密“脊柱”可能是由被称为“尼斯湖水怪”的长丝状分子云形成，主要旋臂的外侧是麒麟座环（或外环），这是数十亿年前从其他星系撕裂的气体和恒星环。然而，科学界的几位成员最近重申了他们的立场，确认麒麟座结构只不过是银河系向外张开和扭曲的厚盘所产生的密度过高的现象。银河系盘的结构沿着“S”曲线扭曲。[144]
光环
银河系银盘周围环绕着由老恒星和球状星团组成的球状光环，其中90%位于银心100000光年(30kpc)范围内。[145]然而，在更远的地方还发现了一些球状星团，例如距银河中心超过20万光年的PAL4和AM1。大约40%的银河系星团位于逆行轨道上，这意味着它们沿着与银河系自转相反的方向移动。[146]球状星团与行星围绕恒星的椭圆轨道不同，它可以沿着银河系周围的玫瑰花结轨道运行。[147]活跃恒星的形成发生在盘中，特别是高密度区域的旋臂中，尽管圆盘中含有灰尘，会遮挡某些波长的视野，但光晕成分却不会，所以不会发生在光晕中，因为几乎没有冷气体可以塌缩成恒星，疏散簇也主要位于磁盘中。[148][149]
21世纪初，科学家对银河系结构有了新的认识，发现仙女座星系（M31）的圆盘延伸得比之前想象的要远得多。他们推测银河系圆盘延伸得更远，并且该结论得到了外臂证据的支持，天鹅座臂的延伸和盾牌-半人马臂的延伸类似。[150][151][152][153]
斯隆数字巡天对北方天空的研究显示，银河系内有一个巨大而分散的结构，这群恒星的升起接近垂直于银河系旋臂平面，但这似乎不适合当前的模型。还有科学界解释称，是矮星系正在与银河系合并，因为该发现在室女座方向，距地球约30000光年(9kpc)，所以该星系暂定名为室女座恒星流。[154]
气态晕
钱德拉X射线天文台、XMM-牛顿和朱雀提供证据表明，银河系除了恒星晕之外，还存在含有大量热气体的气态晕。光环延伸数十万光年，比恒星光环还要远，接近大小麦哲伦星云的距离。这个热晕的质量几乎相当于银河系本身的质量，其温度在1到250万开氏度（1.8到450万°F）之间。[155][156][157]
外观
银河系是一条模糊的宽约30°的拱形白光带。[17]虽然整个天空中所有肉眼可见的单个恒星都是银河系的一部分，但“银河系”一词仅限于这一条光带。[158][159]其光源来自银河系周围的恒星和位于银河平面方向的其他物质的积累，光带周围较亮的区域呈现柔和的视觉斑块，称为星云，其中引人注目的星云是大型人马座星云，它是银河系中央核球的一部分。[160]光带中的黑暗区域，例如大裂谷和煤袋，是星际尘埃阻挡来自遥远恒星光线的区域。南半球的人们，包括印加人和澳大利亚原住民，将这些地区视为乌云星座。此外，银河系遮蔽的天空区域称为避让区。[161][162]
银河系的表面亮度相对较低，光污染或月光会大大降低其可见度。根据人造夜空亮度图显示，由于光污染，超过三分之一的地球人口无法在家中看到银河系。[163]为了使银河系可见，天空的亮度需要比每平方弧秒约20.2还黑暗。[164]如果极限星等大约为+5.1会更好，处于+6.1时可看见更多细节。[165]所以明亮的城市或者郊区是很难看到银河系的，但当月球位于地平线以下时从旷野观看银河系则非常明显。[163]
尺寸
银河系是中除外最大的星系，但其银盘的大小及其等光直径的定义尚不清楚。据估计，银河系中的大部分直径都在26千秒差距（80000光年）以内，而且相对于指数圆盘与内圆盘刻度长度的外推，最外层圆盘之外的恒星数量呈现急剧减少到非常低的数量现象。[18]
天文学中有多种方法来定义星系的大小，每种方法都会产生不同的结果。最常用的方法是D25标准-等照度，其中B波段[注5]中星系的光度亮度达到25等每平方角秒（mag/arcsec2）。[166]Goodwin等人在1997年的一项估计将其他17个螺旋星系中造父变星的分布与银河系中的分布进行了比较，并对其与其表面亮度的关系进行了建模。假设银河盘由指数盘表示，银河系中心表面亮度(μ0)为22.1±0.3B-mag/arcsec-2，圆盘刻度长度(h)为5.0±0.5kpc(16300±1600ly)。这明显小于仙女座星系的等光直径，并且略低于星系的平均等光尺寸28.3kpc(92000ly)。[167][168][169]该论文的结论是，银河系和仙女座星系并不是最大的螺旋星系。[170]为了比较银河系的相对物理尺度，如果太阳系到海王星的大小相当于美国的四分之一，那么银河系至少大约是最大的南北向毗邻美国的线。[171]1978年的一项更古老的研究给出了银河系的较低直径约为23kpc（75000ly）。[168]
2015年的一篇论文发现，存在一种名为三角座仙女座环(TriAnd Ring)的环状恒星丝，在相对平坦的银道面上方和下方波动，与麒麟座环一起被认为是银河系周围盘振荡和包裹的结果，直径至少为50kpc(160000ly)，[172]它可能是银河系外盘本身的一部分，通过增加到这个尺寸使恒星盘变得更大。[173]2018年的一篇论文后来在一定程度上排除了这一假设，并支持麒麟座环、A13和TriAnd环使恒星密度过高，并发现天琴座RR恒星的速度色散更高，与光环会员资格保持一致的结论。[174]2018年的另一项研究表明，在距离银河系中心26-31.5kpc（84800-103000光年）或更远的地方，很可能存在盘状恒星，远远超出了约13-20kpc（40000-70000光年）距离。据说，这是盘中恒星密度的突然下降，意味着除了属于银晕老群体的恒星之外，预计几乎没有恒星会超过这个极限。[175][176][177]2020年的一项研究预测，银河系暗物质晕的边缘约为292±61kpc(952000±199000ly)，换算成直径为584±122kpc(1.905±0.3979Mly)。[178][179]银河系的恒星盘估计厚度约为1.35kpc(4000ly)。[14][15]
质量
银河系的总质量约为太阳质量的8900亿至1.54万亿倍，[11][19][20]银河系质量根据所使用的方法、数据不同，呈现的结果也不尽相同，恒星和行星只占其中的一小部分。其质量的估计下限范围为5.8×1011个太阳质量，略小于仙女座星系。[180][181][182]2009年，使用甚长基线阵列进行的测量发现，银河系外缘恒星的速度高达254公里每秒。[183]因为轨道半径内的总质量会影响其轨道速度，所以推测银河系质量更大，大约等于7×1011个仙女座星系的质量，在其中心160000ly(49kpc)范围内。[184]2010年，对晕恒星径向速度的测量发现，80千克秒差距内封闭的质量为7×1011个太阳质量。[185]在2014年的一项研究中，整个银河系的质量估计为8.5×1011个太阳质量,[186]但这只是仙女座星系质量的一半。[187]2019年银河系的最新质量估计为1.29×1012个太阳质量。[188]
银河系的大部分质量似乎都是暗物质，是一种未知且不可见的物质形式，与普通物质通过引力相互作用。据推测，暗物质晕相对均匀地扩散到距银河系中心100千秒差距以上的距离。银河系的数学模型表明暗物质的质量为1–1.5×1012个太阳质量。[189][190][191]2013年和2014年的研究表明，质量范围大至4.5×1012个太阳质量，[192]小至8×1011个太阳质量。[193]相比之下，银河系中所有恒星的总质量估计在4.6×1010个太阳质量[194]和6.43×1010 个太阳质量。[195]除了恒星之外，还有星际气体，按质量计算由90%的氢和10%的氦组成，其中三分之二的氢以原子形式存在，其余三分之一为分子氢。银河系星际气体的质量等于其恒星总质量的10%到15%，星际尘埃占气体总质量的1%。[196][197]2019年3月，天文学家报告称，银河系的维里质量为1.54万亿太阳质量，半径约为39.5kpc（130000ly），是早期研究确定的两倍多，这表明银河系中约90%的维里质量星系的质量是暗物质。[11][198]2023年9月，天文学家报告称，根据盖亚航天器的数据确定，银河系的维里质量仅为2.061011个太阳质量，仅为之前研究质量的十分之一。[199]
自转
银河系中的恒星和气体围绕其中心的旋转是有差异的，因此旋转周期会随位置而变化。正如螺旋星系的典型情况一样，银河系中大多数恒星的轨道速度并不很大程度上取决于它们距中心的距离。远离中央核球或外缘的典型恒星轨道速度在210±10公里/秒（470000±22000英里/小时）之间。[200]如果银河系仅包含在恒星、气体和其他重子物质中观察到的质量，则旋转速度将随着距中心的距离而减小。然而，观察到的曲线相对平坦，表明存在无法直接用电磁辐射检测到的额外质量，这种不一致归因于暗物质。[21]银河系的自转曲线与螺旋星系的万有自转曲线一致，是星系中存在暗物质的最好证据。少数天文学家提出，对万有引力定律的修改可以解释观测到的旋转曲线。[201]
速度
狭义相对论指出，空间中不存在可与银河系进行比较的“首选”惯性参考系，但银河系具有相对于宇宙学参考系的速度。比如哈勃流参考系，它是由空间膨胀而产生的星系团视运动。包括银河系在内的各个星系相对于平均流量具有特殊的速度。因此，为了将银河系与哈勃流进行比较，我们必须考虑一个足够大的体积，以便宇宙的膨胀主导局部随机运动。足够大的体积意味着该体积内星系的平均运动等于哈勃流。天文学家认为，以当地共同移动的参考系为准，银河系的移动速度约为630千米/秒（1400000英里/小时）。[202][203]
银河系正朝着巨吸引子和其他星系团的方向移动。[204]本星系群是一个由引力束缚的星系团，其中包括银河系和仙女座星系，是称为本超星系团的超星系团的一部分，其中心位于室女座星系团附近：尽管它们作为哈勃流的一部分正在相互远离，速度为967千米/秒（2160000英里/小时），由于本星系团和处女座星团之间的引力作用，该速度低于预期的1680万pc距离。[205]
另一个参考系由宇宙微波背景(CMB)提供，其中CMB温度受多普勒频移（零偶极矩）影响最小。银河系相对于该坐标系以552±6km/s(1235000±13000mph)的速度移动，朝向赤经10.5°，赤纬-24°（J2000纪元，靠近九头蛇中心）。这种运动被宇宙背景探测器(COBE)和威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)等卫星观测到，因为CMB框架中处于平衡状态的光子在运动方向上发生蓝移并向相反方向红移，所以认为是CMB的偶极子造成的。[206]
仙女座星系
银河系和仙女座星系是一个由巨型螺旋星系组成的双星系统，属于一组由50个紧密结合的星系组成的星系群，称为本星系群，被局部虚空包围，本身是局部片层的一部分，[207]反过来又是本星系群的一部分。本星系群团周围有许多空洞，没有许多星系，“北”是显微镜空洞，“左”是雕塑家空洞，“右”是牧夫座空洞，“南”是坎尼斯大空洞。这些空洞会随着时间的推移改变形状，形成星系的丝状结构。例如，处女座超星系团正在被大吸引子吸引，而大吸引子又构成了一个更大的结构，称为拉尼亚凯亚。[208][209]
目前的测量表明仙女座星系正在以100至140千米/秒（220000至310000英里/小时）的速度接近银河系。43亿年后，可能会发生仙女座星系与银河系的碰撞，具体取决于未知横向分量对星系相对运动的重要性。如果它们发生碰撞，单个恒星彼此碰撞的可能性极低，[210]但相反，这两个星系将在大约六十亿年的过程中合并形成一个椭圆星系，或者可能是一个大的盘状星系。[211][212]
本星系群
银河、仙女座星系和三角座星系是本星系群主要的星系，该星系群共有约50个星系，而本星系群又是处女座超星系团的一部分。处女座超星系团周围有许多空洞，随着时间的推移改变形状，形成星系的丝状结构。例如，处女座超星系团正在被大吸引子吸引，而大吸引子又构成了一个更大的结构的一部分，称为拉尼亚凯亚。[208][213][214]
本星系群中有两个较小的星系和许多矮星系绕着银河系运行。其中最大的是大麦哲伦云，直径为32200光年。[215]小麦哲伦星云是它亲密的伴星。麦哲伦流是一股中性氢气流，从这两个小星系延伸到100°的天空，这条溪流被认为是在与银河系的潮汐相互作用中从麦哲伦星云中拖出的。[216]绕银河系运行的矮星系有大犬座矮星系（最近的）、人马座矮椭圆星系、小熊座矮星系、玉夫座矮星系、六分仪矮星系、天炉座矮星系和狮子座一号矮星系等。银河系最小的矮星系直径只有500光年，其中包括船底座矮人、天龙座矮人和狮子座二号矮人，可能还存在与银河系动态绑定的未检测到的矮星系，2015年，科学家在相对较小的夜空中检测到的九颗银河系新卫星。有一些矮星系被银河系吸收的，比如半人马座欧米茄的祖先。[29]
2006年1月，研究人员报告称，银河系盘面扭曲现已被绘制出来，并发现这是大麦哲伦星云和小麦哲伦星云绕银河系运行时产生的波纹或振动，当它们在银河系中运行时会引起振动。此前，这两个星系的质量约为银河系的2%，被认为太小而无法影响银河系。然而，在计算机模型中，这两个星系的运动会产生暗物质尾流，从而放大它们对银河系的影响。[28]
望远镜观测
1610年，意大利天文学家伽利略·伽利雷（Galileo Galilei）用望远镜研究银河系，发现它是由大量微弱恒星组成的，并且是由地球大气层折射造成。[217][218]1750年，英国天文学家托马斯·赖特（Thomas Wright）在《宇宙的原始理论或新假说》中推测，银河系可能是由万有引力聚集在一起的大量恒星组成的旋转体，类似于太阳系，但它规模更大，并且从其内部的角度来看，其产生的星盘是天空中一条光带。1755年，伊曼纽尔·康德(Immanuel Kant)借鉴托马斯·赖特的早期著作，推测夜空中可见的一些星云本身可能是独立的“星系”，他将银河系和“河外星云”都称为“岛屿宇宙”，这个术语直到1930年代仍然流行。[219][220]
1785年，威廉·赫歇尔(William Herschel)首次尝试描述银河系的形状和太阳在银河系中的位置，通过计算天空不同区域的恒星数量绘制了一张以太阳系靠近中心的星系形状图。[221]1845年，罗斯勋爵建造了一台新的望远镜，能够区分椭圆形和螺旋形星云，他还设法在其中一些星云中辨认出单独的点源，为康德早期的猜想提供了证据。[222][223]
1904年，雅各布斯·卡普坦（Jacobus Kapteyn）在研究恒星自行运动时表示，恒星的自行运动并非是随机的，恒星可以分成两股流，朝几乎相反的方向移动，[224][225]这是银河系旋转的第一个证据。[226]1917年，赫伯·柯蒂斯在仙女座大星云（梅西耶天体31）内观测到了新星S仙女座，之后又发现了11颗新星，他注意到这些新星平均比银河系内的新星暗10星等，最终，他估计有150000秒差距的距离，并成为“岛屿宇宙”假说的支持者，认为螺旋星云是独立的星系。[227][228]1920年，哈洛·沙普利（Harlow Shapley）和赫伯·柯蒂斯（Heber Curtis）之间发生了关于银河系、螺旋星云和宇宙维度性质的大辩论。为了支持仙女座大星云是外部星系的说法，柯蒂斯注意到类似银河系尘埃云的暗带出现，以及显著的多普勒频移。[229]之后，埃德温·哈勃 (Edwin Hubble)使用威尔逊山天文台2.5m（100英寸）胡克望远镜解决了这场争议，他拍摄了天文照片，将一些螺旋星云的外部部分解析为单个恒星的集合，并且识别出一些造父变星，将其用作估计到星云距离的基准。他发现仙女座星云距太阳275000秒差距，距离太阳太远，无法成为银河系的一部分。[230][231]
现代观测
SA航天器盖亚通过十亿颗恒星的视差来提供距离数据，并正在绘制银河系地图，计划于2016年、2018年、2021年和2024年发布四次地图。[232][233]来自盖亚的数据被描述为“变革性的”。据估计，盖亚观测到的恒星数量已从20世纪90年代的约200万颗增加到20亿颗。它将可测量的空间体积半径扩大了100倍，精度扩大了1000倍。[234]2020年的一项研究表明，盖亚检测到星系的摆动运动，这可能是由“圆盘旋转轴相对于非球形光环主轴未对准产生的扭矩，或由吸积物质引起的”在坠落后期获得的光环中，或从附近相互作用的卫星星系及其随之而来的潮汐中获得的光晕”。[235]
伽马射线和X射线探测
自1970年以来，各种伽马射线探测任务发现了大致方向在银河中心位置的511-keV伽马射线，这些伽马射线是由正电子（反电子）与电子而产生的。2008年，人们发现伽马源的分布与低质量X射线的分布相似，该研究表明，这些X射线双星可能正在将正电子（和电子）发送到星际空间，并在那里减速、消失。1970年，根据观测显示，伽马射线探测器发现发射区域宽约10000光年，光度约为10000个。[236][237][238]
2010年，天文学家通过费米伽马射线太空望远镜的数据显示称，在银河系核心的北部和南部探测到了两个巨大的高能伽马射线发射的球形气泡，每个气泡的直径约为25000光年（7.7kpc）（或约为星系估计直径的1/4）；它们在南半球的夜空中一直延伸到天鹤座和处女座。[239][240]随后，帕克斯望远镜在射频下的观测发现了与费米气泡相关的偏振发射。这些观测结果最好的解释为银河系中央640ly（200pc）恒星形成驱动的磁化外流。[241]2015年1月5日，美国宇航局报告称，观测到来自人马座A*的X射线耀斑比平时亮400倍，打破了记录。这一不寻常的事件可能是由坠入黑洞的小行星破裂或流入人马座A*的气体中磁场线的纠缠引起。[242]
学术研究
2019年2月6日，哈勃太空望远镜在银河系“后院”发现一个此前不为人知的矮星系，新发现的恒星系亮度微弱，直径约3000光年，仅相当于银河系一块“碎片”。研究人员将其命名为“Bedin1”，它有长达130亿年的历史，在天文学上相当于早期宇宙的“活化石”，可以帮助揭示宇宙早期演化的奥秘。[243]同年3月，科学家们利用美国国家航空航天局的哈勃太空望远镜和欧洲航天局盖亚任务的观测数据来对银河系质量进行估计，得出的结果是约为1.5万亿太阳质量。[244]
2020年4月11日，从中国科学院国家天文台获悉，研究团队基于国家重大科技基础设施郭守敬望远镜数据，发现了一颗迄今银河系自转速度最快的恒星。这一成果日前在国际学术期刊《天体物理学快报》发表。[245]同年5月，中美科学家绘制迄今最精确的银河系结构图。[246]天文学家发布了一份包含33亿多颗恒星的银河系“巨无霸”星图，对银河系21400次单独曝光产生了超过10TB的数据。[247]
2021年，中国上海天文台的科学家团队使用晕中的热气体作为测量银河系质量的探针，他们研究了热气体晕的空间温度与密度分布，与银河系中各种能量爆发过程的相互作用，并与X射线太空望远镜观测的结果进行比较，最终测量到的银河系质量为太阳质量的1.2万亿倍—3.0万亿倍。[248]2021年6月21日，据每日科技网报道称银河系有一个由几十亿颗恒星组成的棒旋结构，数据和分析发现，自这个棒旋结构诞生以来，它的自转速度下降了四分之一。[249]
2022年1月27日，国际权威期刊《自然》（Nature）杂志在线发表了一项研究成果。通过分析平方公里阵列（SKA）低频先导望远镜的巡天观测数据，中外天文学家首次在银河系发现一颗具有超强磁场的新天体，距离太阳系约4200光年。[250]2022年12月11日，据青海日报消息，银河系内千亿恒星之间的广袤星际空间并非虚无，而是充满了稀薄的星际介质。中国科学家利用“中国天眼”FAST揭示了银河系星际介质前所未见的高清细节，对研究银河系内的星际生态循环具有重要意义。[251]
2023年，基于中国郭守敬望远镜（LAMOST）和美国APOGEE巡天的观测数据，中国天文学家精确测量了距离银河系中心1.6万光年至8.1万光年范围内的恒星运动速度，并估算出银河系的“体重”约为8050亿个太阳质量。相关研究成果发表于《天体物理学报》。[252]2023年，中国科学院紫金山天文台徐烨研究团队与中国科学院国家天文台合作提出对银河系旋臂形态的新认识：银河系更像是一个普通多旋臂星系，由内部对称两旋臂和外部多条不规则旋臂组成，而非之前被广泛接受的四条旋臂均从内到外的特殊形态。该研究结果改变了人们对银河系旋臂结构的传统认知，以“What Does the Milky Way Look Like？”为题在线发表于《天体物理学杂志》(The AstrophysicalJournal)。[253]
历史观点
希腊哲学家德谟克利特（公元前450-370年）提出，夜空中被称为银河系的明亮带可能由遥远的恒星组成。[254]然而，亚里士多德（公元前384-322年）相信银河系是由“一些巨大、数量众多且紧密相连的恒星燃烧的副产品，由于其位于大气层的最外层，因此不会消散，构成了它的大圆圈。并表示银河系的乳白色外观是由于地球大气层的折射造成。[255]新柏拉图主义哲学家小奥林皮奥多罗斯（Olympiodorus the Younger，约公元495–570年）对这一观点持批评态度，他认为，如果银河系位于地球和月球之间，那么它在地球上的不同时间和地点应该会有所不同，并且应该有视差，但它没有，在他看来，银河系是天上的。[256]
根据莫哈尼·穆罕默德的说法，阿拉伯天文学家阿尔哈森（Alhazen，965-1037）首次尝试观察和测量银河系的视差，[257]并表示银河系没有视差，所以它一定远离地球，不属于大气层。[258]波斯天文学家阿布·拉伊汗·穆罕默德·本·艾哈邁德·比魯尼（al-Bīrūnī，973-1048）提出，银河系是“无数星云星体碎片的集合”。[259]安达卢西亚天文学家伊本·巴贾赫（IbnBâjjah，“Avempace”，卒于1138年）提出，银河系是由许多几乎相互接触的恒星组成，由于月下物质的折射作用，看起来是一个连续的图像。14世纪，出生于叙利亚的伊本·卡伊姆提出银河系是“无数微小的恒星聚集在恒星的球体中”。[255][256][260]
神话传说
古代亚美尼亚神话称银河系为“稻草贼之路”。据传说，瓦哈格神从亚述国王巴尔沙姆那里偷了一些稻草，并在寒冷的冬天把它带到了亚美尼亚。当他逃离天空时，他沿途洒落了一些稻草。[261]
在巴比伦史诗《Enūma Eliš》中，银河是由原始咸水巨龙提亚马特的断尾创造出来的，巴比伦民族之神马尔杜克杀死她后将其放置在天空中。这个故事曾经被认为是基于一个古老的苏美尔版本，其中提亚马特被尼普尔的恩利尔杀死。[262][263][264][265]
在希腊神话中，宙斯在赫拉熟睡时将凡间女子所生的儿子赫拉克勒斯放在她的胸前，让孩子喝下她神圣的乳汁而获得永生。赫拉在母乳喂养时醒来，然后意识到她正在哺乳一个未知的婴儿：她将婴儿推开，一些牛奶溢出，并产生了被称为银河系的光带。在另一个希腊故事中，被遗弃的赫拉克勒斯被雅典娜送给赫拉喂养，但赫拉克勒斯的力量使赫拉痛苦地把他从怀里撕下来。[266][267][268]
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- NASA'sFermiTelescopeFindsGiantStructureinourGalaxy — nasa
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- NASA’s Chandra Detects Record-Breaking Outburst from Milky Way’s Black Hole — nasa
- 哈勃望远镜意外发现银河系“新邻居” — 新华网
- 科学家估算出银河系质量 约为1.5万亿太阳质量 — 中国新闻网
- 中国科学院国家天文台发现迄今银河系自转最快恒星 — www.bjnews.com.cn
- 中美科学家绘制迄今最精确的银河系结构图
- 银河系“巨无霸”星图出炉：照片中33亿颗恒星全部可被识别 — 今日头条-南方都市报
- 银河系质量为太阳质量1.2万亿倍—3.0万亿倍 — 上海市科学技术委员会官网
- 科学家首次通过测量证实：银河系在“踩刹车” — 光明网
- 银河系首次发现一颗具有超强磁场的新天体 — 澎湃新闻+新华社
- “中国天眼”获得银河系星际空间高清图像 — 新浪网
- 中国科学家精确测量！银河系“体重”算出来了 — 今日头条-环球网
- 最新研究显示：银河系看起来不再特殊 — 今日头条-人民网
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- 银河系漫游指南的演职员 — 豆瓣电影
- 银河护卫队 Guardians of the Galaxy (2014) — 豆瓣电影
注释
- 等光直径是根据星系表面亮度测量星系大小的传统方法
- 后发座方向距地球数十万光年的视点
- 玉夫座中距离类似的视点
- 天体物理中心 | 哈佛大学和史密森学会
- 445nm波长的光，可见光谱的蓝色部分