中国国家天文：银河系到底有几个盘

揭开银河系的秘密 　　古人早就注意到，晴朗的夜空中横亘着一条不规则的银白色光带，这就是银河，希腊神话中把它取名为“奶路”。鉴于银河的神秘性，在各个民族中诞生了许多美丽动人的诗句和神话故事。不过在现代大都市中，由于灯光的严重污染，年轻人往往不知道银河为何物。
　　古代哲学家早就开始思考银河的本质，但由于缺乏科学依据，这种思考往往只是一些主观臆想，如亚里士多德(Aristotle，公元前384年?公元前322年)把银河看作为一种纯粹大气现象，不承认它是天上之物。第一个正确认识银河本质的当推古希腊哲学家德谟克利特(Democritus，公元前460年?公元前370年)，他天才地猜想银河由无数恒星构成，只是因为这些恒星太暗、太密而无法加以分辨，结果便表现为一条模糊的光带。德谟克利特的见解同样没有科学上的根据，因而即使在科学界，很长时间内关于银河的本质并没有形成正确的认识。
　　1608年，荷兰眼镜商人利伯希(H.Lippershey)在一次偶然的机会中发明了望远镜。这一消息为伽利略得知后，这位意大利著名科学家马上意识到望远镜的发明对天文观测的重要性，他立即亲自动手制作和改进望远镜，并随即把它用于观测天体和天象，很快做出了一系列重大的天文发现，如看到月球上的环形山、太阳黑子和木星的4颗大卫星，发现了金星的位相变化等。
　　1609年冬，伽利略用自己的望远镜对银河进行观测，发现在望远镜的视场中银河展现为无数个密密麻麻的星星。伽利略对这一发现所作的结论是，“我认识到了银河的本质和构成银河的物质。
　　长期以来困扰哲学家们的所有争论业已得到解决，我们终于可以从令人厌烦的舌战中解脱出来。银河不是别的，而是由无数颗恒星汇集而成的庞大系统。” 这样就从观测上证实了德谟克利特的见解。不过可惜的是伽利略没有就此作深入的探讨，当时别的天文学家对此也不太感兴趣。
　　伽利略之后，英国人赖特(T.Wright)于1750年指出，银河和所有的恒星构成了一个巨大的扁平圆盘状系统，这是天文学家对银河系外形的首次描述。1755年，普鲁士哲学家康德(I.Kant)更进一步就银河系的盘状结构提出了自己的观点，康德的解释是当观测者沿着盘面看时，为数众多的恒星便无法分辨，并密集成天穹上的景观——“奶路”，而在朝着盘面以外的方向观察时，所看到的就是离散分布的一些近距离亮星。不仅如此，康德和赖特一样，认为所有恒星都绕着银河系中心转动。不过在那个年代，天文学家所关心的主要是太阳系内天体，而不是范围大得多的银河系。
　　探究银河系结构的关键性实测研究是由英国天文学家、天王星发现人威廉·赫歇尔(W.Herschel)开创的。赫歇尔出生于德国，年轻时是一位音乐家。1785年，赫歇尔通过恒星计数得出，银河系中恒星分布的主要部分为一个扁平圆盘状结构。他用望远镜通过目视方法计数了117600颗恒星。老赫歇尔在这些恒星计数工作的基础上，再加上若干假设，得出了天文学史上第一个真正意义上的银河系模型。由于赫歇尔的工作，使人类的视野从太阳系扩展到银河系中的广袤恒星世界，因此他被后人誉为“恒星天文学之父”。1834年?1838年间，他的儿子约翰·赫歇尔(J.Herschel)又把工作扩展到南半球，在好望角计数了70000颗恒星。
　　照相术的发明为天文观测提供了强有力的工具，荷兰天文学家卡普坦(J.C.Kapteyn)率先利用照相方法进行恒星计数，为此他花费了大约40年的时间，并建立了自己的银河系图像。在卡普坦的图像中，银河系表现为一种由恒星组成的盘状结构，直径5.5万光年，厚度为1.1万光年，其中包含了474亿颗恒星，这已经比较接近银河系的实际情况。不过在赫歇尔和卡普坦的银河系图像中，太阳被错误地放在银河系中心或中心附近。1917年，美国天文学家沙普利(H. Shapley)证实了太阳并不在银河系中心，而是位于比较靠近银河系边缘的地方。这一结论为认识太阳在银河系中的位置，以及进一步研究银河系的结构和运动，奠定了正确的科学基础。
　　一个典型的旋涡星系
　　根据近代天文学的观测研究，银河系是一个旋涡星系，总体结构大体上由银盘、核球、银晕和暗晕4个部分组成。除暗晕外，银河系的总质量约为1.4×1011太阳质量，其中以恒星形式出现的约占90%以上，而由气体和尘埃组成的各类星际物质不超过银河系总质量的10%，星际物质密度比较高的地方便形成星际云。据估计，银河系的年龄约为100亿年或更老。
　　银盘是银河系恒星分布的主体，外形呈轴对称和平面对称的扁平圆盘状，犹如运动场上的铁饼，直径约为8.2万光年。太阳到银河系中心的距离(银心距)约为2.6万光年，离银盘对称平面仅有20光年?30光年。银盘厚度并不均匀，近中心处厚，边缘部分薄，除暗晕部分外，银河系总质量的85%?90%集中在银盘内。根据星系的哈勃分类法，银河系是一个Sb或Sc型的旋涡星系，这种旋涡结构表现为在银盘中存在若干条旋臂，它们是气体、尘埃和年轻恒星的集中分布区。旋臂的实际形状很复杂，有的地方会分叉，形成所谓支臂。
　　核球是银河系中恒星分布最密集的区域，大体上呈扁球状，长轴1.3万光年?1.6万光年，厚1.3万光年。核球质量约占除暗晕外银河系质量的5%，其中主要是一些老年天体，越接近中心，恒星的密集程度越高。核球中有一个很强的射电源人马座A，结构很复杂，至少含有5个子源，在射电辐射最强的2个子源中有一个子源的直径为33光年，该子源中更有一个直径近5光年的亮核，这就是银核。天空中银核所在的位置就是银河系中心的方向。银核的质量约为几百万太阳质量，天文学家普遍认为那里很可能有一个超大质量黑洞，不过并没有处于剧烈活动期，所以银河系是一个普通星系，而不是活动星系。
　　银晕包围着银盘，这是一个由稀疏分布的恒星和星际物质组成的区域，大体上呈球形，直径在10万光年左右。尽管它的范围比银盘大得多，但因为物质分布的平均密度很低，质量大约只及银盘的10%。银晕物质主要表现为老年恒星和球状星团，还有很少量的气体。
　　在银晕之外有一个范围更大的物质分布区，这就是暗晕，又称银冕。通常认为暗晕的组成成分主要是暗物质，直径可能是银晕直径的10倍，质量可能高达银河系其他部分质量总和的10倍。不过，由于暗晕的主要成分是暗物质，目前尚不能直接观测到，它是根据一些实测结果间接地推测出来的，因而对于暗晕的大小、质量和性质都尚未有明确的定论。
　　银河系厚盘的发现
　　除暗晕外，银河系中的物质主要以恒星形式分布在银盘中，在银盘对称平面(银道面)附近，单位体积内的恒星数(恒星数密度)最高，随着离银道面距离(银面距)的增大，恒星数密度渐而降低。银盘范围内恒星数密度D随银面距z的变化规律D(z)，大体上可以用指数函数D(z)=D0e-z/h来表示，其中e=2.7182??为自然对数底，D0是银道面上(z=0处)的恒星数密度，h称为标高。标高的含意是，银面距每增大h秒差距，恒星的数密度便减小到1/e。利用实测资料确定函数的具体形式(D0和h的值)，便成为研究银河系结构和恒星分布的主要内容之一。自赫歇尔时代以来，天文学家一直认为银盘中恒星只具有单一的指数分布结构——银盘，仅此而已。
　　1 9 8 3 年， 两位英国天文学家吉尔莫(N.Gilmore)和莱德(G.Reid)经过详细的研究后首次明确提出，银盘中的恒星可以分属于薄盘和厚盘两种形态不同的结构。他们发现，恒星在垂直银道面方向上的分布需要用2个指数成分来表述：在银面距z≤1000秒差距范围内，银盘恒星可以用一个指数分布来描述，标高约为300秒差距, 这就是薄盘，也就是原来意义上的银盘。另一方面，在银面距z=1000秒差距?5000秒差距范围内的恒星主要属于第二个指数成分，标高约为1450秒差距, 称为厚盘。不过，构成薄盘和厚盘的恒星在空间分布上并不是截然分开的，而是互相套叠在一起，其间并没有任何使之一分为二的边界，这正是厚盘结构不容易发现的主要原因。在靠近银道面处，主要是薄盘恒星，如太阳附近区域内厚盘恒星仅占恒星总数的2%左右。由于薄盘恒星的标高比厚盘恒星小得多，随着银面距的增大，薄盘恒星的数密度迅速减小，因而在远离银道面的地方就以厚盘恒星为主了。
　　属于薄盘和厚盘的恒星，在物理学和运动学性质上有着明显的差异。厚盘恒星的年龄不小于80亿年，绝大部分大于100亿年，而薄盘恒星的年龄则普遍小于80亿年。在化学组成上，厚盘恒星中原子量比氢和氦重的所谓“金属元素”的相对含量(称为金属丰度)比较低，而薄盘恒星的金属丰度比较高。在运动学状态方面，与厚盘相比，薄盘恒星绕银心的转动速度比较大，但不同恒星之间在运动速度上的差异比较小，显得较为“步调一致”。
　　随着银河系厚盘的发现，原来关于银河系恒星分布的3成分(核球+银盘+银晕)模型，应代之以4成分(核球+薄盘+厚盘+银晕)模型。今天，银河系厚盘的存在，已经为天文界所普遍接受。不仅如此，在一些河外旋涡星系中也发现了存在厚盘的观测证据。因此，至少对一部分星系来说，厚盘很可能是星系结构中普遍存在的一种成分，它的形成和性质必然与星系演化过程密切相关。
　　在更为细致的研究中，人们又进一步把薄盘恒星区分为年轻薄盘和老年薄盘两种成分。其中，所谓“老年薄盘”就是原来意义上的薄盘，而属于年轻薄盘的恒星的空间分布更要“薄”一些，标高仅为100秒差距。构成老年薄盘的恒星主要是一些暗星，绝对星等M>4，而属于年轻薄盘的则大都是比较亮的恒星，M≤4，年龄小于30亿年。在太阳附近的薄盘恒星中，属于年轻薄盘的约占20%，而老年薄盘恒星则占了80%。
　　除了恒星外，银河系中还存在大量的气体尘埃物质，其中尘埃约占10%，密度高的地方便表现为各类星云。气体尘埃物质主要集聚在银道面附近，在空间分布上也呈现盘状结构，这就是气体盘。在讨论与银河系结构和演化有关的问题时，气那么，银河系总共有几个盘呢？就目前的认识来看，至少应该有4个，即厚盘、老年薄盘、年轻薄盘和气体盘，而其中前3个都是恒星盘。任何关于银河系形成和演化的理论研究(模型)，必须对此给出合理的解释。
　　厚盘是怎样形成的
　　自厚盘发现以来，结合银河系的演化，天文学家提出了若干种不同的厚盘形成理论，如薄盘和厚盘依次形成的坍缩机制，银河系与伴星系交会或并合使银盘增厚，厚盘通过对物质的直接吸积而形成，薄盘天体的运动学扩散并生成厚盘等。所有这些理论可以分为两大类，即“先厚后薄”机制，以及与之相反的“先薄后厚”机制。
　　在上面提到的几种理论中，属于“先厚后薄”的是坍缩机制，其余几种都是“先薄后厚”机制。对此，人们的认识还没有取得完全的一致，因为往往一种机制能说明一些观测特征，但却不能解释另一些观测特征。
　　坍缩机制认为，厚盘和薄盘是银河系在演化过程的前后两个阶段中相继形成的两种结构：原星系云先是通过坍缩形成厚盘恒星，之后剩余的气体通过内落，进一步坍缩并形成薄盘。初始坍缩可以是一种快过程，也可能是一种受压力支撑的慢坍缩。在快坍缩机制中，形成厚盘的时间大约只有4亿年，薄盘在这之后开始生成，约需经历6亿年时间。慢坍缩机制认为银河系的形成大约需要几十亿年时间，在这过程中厚盘先生成，然后再生成薄盘。
　　随着星系并合现象的普遍发现，一种目前比较流行的观点认为，由于银河系与某个伴星系并合，早期形成的薄盘恒星因受到剧烈的引力扰动、扩散而形成厚盘。这里又有两种不同的途径，一种认为需要通过银河系与伴星系发生实际上的并合，另一种则强调并不一定要求伴星系直接落入银盘，银河系与伴星系的一次密近交会同样可以形成厚盘。
　　与剧烈的并合机制不同，物质的直接吸积是一个缓慢过程，而厚盘的形成便是吸积过程的产物。这种理论认为，银河系本身就是由许多比较小的成分通过某种随机方式形成的。首先形成银晕结构，过了几十亿年后才形成薄的气体盘。早期形成的薄恒星盘通过不断吸积小的伴星系而形成厚盘。
　　早在1950年代初就已发现，不同恒星之间在运动速度上的差异随着恒星年龄的增长而变大，这个过程称为恒星的运动学扩散。这里所谓的“扩散”是指原来在银道面附近作圆轨道运动的恒星，由于某种原因变为在与银道面斜交的椭圆轨道上运动。造成扩散的原因可能有银河系旋涡结构状的物质分布对恒星运动轨道的扰动，分子云对恒星运动的引力作用，大质量银晕天体(如球状星团)在运动过程中穿越银盘时对银盘恒星运动状态的影响等。这类运动学扩散的长期效应，使早期形成的薄盘中恒星各奔东西，最终形成现在所观测到的厚盘。
　　在上述各种厚盘形成理论中，人们比较倾向于“先薄后厚”的并合机制，以及可能还有“先厚后薄”的快坍缩机制。鉴于厚盘对银河系以至河外星系的结构和演化研究至关重要，有关盘结构的讨论已成为天体物理中的一个热点。就目前来看，有些问题还没有完全弄清楚。比如，不同星系中的厚盘是否会有不同的形成过程？一种以上的机制是否会在不同的程度上同时对厚盘的形成发挥作用？等等