银河，要怎样才能看透你？（一）

晴朗无月的夏夜，仰望星空，我们会看到一条明暗交织的光带跨越整个夜空，这就是银河，传说中王母娘娘拔出银簪划下的那条隔断织女和牛郎的天河。现在我们已经知道，它是由数千亿颗恒星和数不清的星际物质所组成的一个旋涡星系——宇宙中最优美的一类天体：它们以10万光年以上的规模炫耀着一幅幅海贝般的螺旋图案，由灿烂的蓝色恒星和橙色/暗红色的气体尘埃云所镶嵌的旋臂翻转缠绕，宛如太空中的巨大涡流。

我们的太阳系位于银河系内的一条旋臂上，因此从地球上很难看清楚银河系的旋臂结构，正所谓“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。加之旋臂上天体距离的不确定性，我们甚至对银河系到底有几条旋臂都不能确定。有关银河系的旋臂模型迄今已经超过100多种，这可能是天文学中持续时间最长的问题之一。

夏夜星空肉眼可见的银河（上）；银河系结构示意图（下） | 图源：Desktopsky.com/中国数字科技馆

描绘银河系结构的关键在于找到一把“量天尺”精准测量出其中天体的距离。

视差法：古老但可靠

天体的距离是天文学观测宇宙的最基本参数之一。视差法是天文学中测量距离最古老、最直观、也是最可靠的方法，因为它只需要简单的几何知识，不需要涉及物理。由地球绕太阳的周年运动所引起的天体视位置的变化称为周年视差，测出了天体的周年视差就可以通过简单的几何关系得知天体的距离。

视差法的原理很简单：保持你的右臂伸直，闭上左眼，并竖起大拇指瞄准远处的一个物体。现在，睁开左眼，闭上右眼。发现什么了？没错，拇指相对于远处物体产生了位移。接下来，慢慢收回右臂，同时交替闭上左眼或右眼，有没有发现？随着拇指越来越靠近双眼，这个位移会越来越大。如果能测量这个位移，并知道双眼的瞳距，即可计算出拇指的距离。眼睛所看到物体相对于背景的这种位移就叫视差。

天文学家充分利用地球公转轨道（半径约1.5亿千米）半年前后分距太阳两侧的机会，测量同一颗亮星相对于背景暗弱恒星（通常距离更远）的视差，用以计算亮星的距离。这种方法测得的视差就叫恒星视差，或三角视差。

三角视差方法测量天体距离的原理示意图。| 图源：紫金山天文台

1838年，德国天文学家贝塞尔（F. W. Bessel）成功测得恒星天鹅座61（61 Cygni）的视差（0.28角秒，1度=3600角秒），并计算出它到地球的距离（约100万亿千米或10.3光年），从而成为使用三角视差方法精确测量恒星距离的第一人。

但是对于更遥远的天体，其视差是很小的，比如，一个距离为6500光年（大致为英仙臂的距离）的天体，其视差只有0.5个毫角秒（mas，千分之一角秒）。这相当于从1万千米外看一枚一元钱的硬币（直径25毫米）的张角。

光学观测无法“看穿”那些被恒星遮挡的天体，因此也无法测量被银河系核球所遮挡的背面天体的距离。传统的光学三角视差还因为受到尘埃消光等因素的影响，而只能测量太阳附近300光年范围内天体的距离。即便是像欧洲空间局（ESA）的盖亚（Gaia）号探测器所完成的史无前例的宏伟计划——迄今太阳系附近最大样本（超过十亿颗）恒星的最精确位置、自行（恒星在天空中的移动）和几何距离测量，通过三角视差辅以造父变星（可以简单地通过光度获得距离信息）等其他方法，虽然预言的理论精度能够达到10微角秒（μas，百万分之一角秒），但到2018年4月，第二批释放的Gaia DR2数据也只能精确测量太阳系附近3000光年范围内恒星的距离，对更远的恒星仍然望尘莫及。而对于直径约为10万光年的银盘来说，这只是冰山一角，远不能描绘银河系的整体图像。

好在我们现在已经知道，银河系大量的恒星诞生于旋臂中的致密分子云核“胚胎”，所以通过射电波段对这些分子云核距离的巡天观测，可以很好地弥补光学观测手段的不足，使银河系中更遥远天体距离的精确测定成为可能，从而可以给出更为完整和精确的银河系“地图”。

不过，要想测量整个银河系的结构，必须提高望远镜的分辨率，选择合适的示踪天体。

量天尺：脉泽+VLBA

〇 脉泽 是一种射电波段宇宙激光，主要来自羟基(OH)、水蒸气(H2O)、一氧化硅(SiO)和甲醇(CH3OH)等星际分子的受激辐射，一般具有很高的亮温度（超过亿度甚至万亿度）和很小的空间尺度（毫角秒量级）。它与正在形成恒星的分子云（或称恒星形成区）成协，并能穿透银盘上浓密的恒星、以及气体和尘埃的遮挡而被地球上的射电望远镜观测到。银河系旋臂上聚集了绝大多数的恒星形成区，脉泽因此成为研究银河系旋臂结构的最佳示踪天体。

天文学家们提出用世界上分辨率最高的望远镜-甚长基线干涉阵（VLBA）测量脉泽的三角视差和自行，实现银河系旋臂结构和运动学性质的高精度直接测量。

〇 VLBA 是由横跨美国的10台口径25米的射电望远镜组成的一个功能强大的阵列，它的最长基线可达8611千米，分辨率能够达到0.3毫角秒（mas），相当于人类能够阅读4000千米以外的报纸，类似的望远镜还有欧洲VLBI网（European VLBI network, EVN），日本的VERA（VLBI exploration of radio astrometry），中国VLBI网（Chinese VLBI network, CVN）等。

美国的甚长基线阵VLBA | 图源：NRAO

新纪元：英仙臂距离高精度测量

在观测过程中，天文学家首次将复杂的VLBI相位校准，实时地球大气延迟测量和相位参考技术结合起来，实现技术上的突破创新，使视差的测量精度达到5微角秒（μas），比同时期三角视差测量精度最高的依巴谷卫星提高了200倍，比Gaia DR2数据精度高约10倍，天体距离测量可达6万光年。

2006年，以中国科学家为首的一个国际合作团队运用这项技术首次精确测定银河系太阳系外侧最近的一条旋臂——英仙臂（具体见下篇）的距离为6360±40光年，精度达到2%，这是天文学有史以来对如此遥远天体距离的最高精度的测量，被国际同行评价为开创了天文学中三角视差测量天体距离的新纪元。该研究彻底解决了天文界关于英仙臂距离的长期争论，标志着直接测量银河系结构成为可能。该成果荣登《科学》（Science）杂志封面，成为中国天文学家在《科学》杂志封面的首秀。

《科学》杂志专文评述该工作：“通过脉泽测量能够精确测定天体的距离并且更准确地估计银河系暗物质的比重”“开创了三角视差测量的新纪元”。

（待续）

作者简介

李晶晶：中国科学院紫金山天文台青海观测站副研究员。研究方向：银河系结构的精确测量，银河系分子云与恒星形成。

主编：毛瑞青

审核：徐烨、孙燕

编辑：王科超、高娜

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