編者按：「仰望星空 逐夢蒼穹」，中科院之聲與中科院紫金山天文台聯合開設「天市垣」欄目，和大家一起聊聊最近天上發生的那些事兒。
「不識廬山真面目，只緣身在此山中」，這句詩用來解釋天文學家對銀河繫結構的探索所遇到的困惑再合適不過了。儘管天文學家可以清晰地看到幾十億光年外的星系的形態，但是對我們的家園星系究竟有幾條旋臂卻仍不清楚。
紫金山天文台青海觀測站夜空中的銀河系
近日，中國科學院紫金山天文台徐燁研究員團隊與國家天文台科研人員合作提出了對銀河系旋臂形態的新認識：銀河系可能由內部兩條對稱旋臂和外部多條不規則旋臂組成，而非之前人們廣泛接受的四條旋臂均從內到外的特殊形態。該研究結果挑戰了人們對銀河系旋臂結構的傳統認知，使我們的星系不再特殊。相關成果以 What Does the Milky Way Look Like? 為題，在線發表於《天體物理學雜誌》（The Astrophysical Journal）。
銀河系是我們的家園，是宇宙中數萬億個星系的一員，也是當前人類已知的唯一存在智慧生命的星系。銀河系在宇宙中是特殊的還是普通的？這是天文學家痴迷於研究的問題。
早期研究
確定銀河系的旋渦結構一直是天文學中的一個難題。這是因為銀河系是一個盤狀旋渦星系，而我們恰好處於銀河系的盤中，沿觀測視線總是疊加著多種結構特徵，使得準確分解這些結構和描繪實際的旋渦結構非常困難。
1610年，「現代科學之父」伽利略開闢了銀河系科學研究的先河，發現銀河系是由大量恆星組成的。在那之後，有關銀河系大小的爭論持續了數百年。直到20世紀20年代，在「星系天文學之父」哈勃探索了仙女座大星雲之後，天文學家才推測我們的銀河系可能是類似河外星系M51（圖1）的一個旋渦星系。
圖1 河外星系M51（圖片來源：SPA-2）
如圖1所示，星系中的螺旋形結構被稱作是旋臂。旋臂是恆星形成的主要場所。因此，標示著恆星形成的瀰漫或緻密的星際氣體雲、（大質量）恆星形成區、年輕天體（如大質量O-B型星，年輕疏散星團）等等，都可以作為旋臂的示蹤天體。
人類第一次發現銀河系存在旋臂結構的工作是摩根等人在1950年代初完成的，他們利用年輕大質量O-B型恆星在太陽附近發現了三個短的旋臂段，如圖2左圖所示。這個結果也被研究人員使用太陽附近OB-星集、OB-星團、造父變星、HII區（電離氫區，大質量恆星形成區的標誌）的分布所證實（圖2右圖）。不久之後，天文學家奧爾特等人基於運動學方法確定的HI（中性氫）氣體的距離繪製了幾乎延伸到整個銀盤的更大尺度的旋臂結構（圖3左圖）。
在那時，似乎構建銀河系旋渦結構的工作已經被完成了。然而，20世紀70年代，天文學家發現天體具有非圓運動，這使得運動學方法確定的距離具有很大的不確定性。因此，這些早期研究中基於HI獲得的旋臂結構模型並不可靠。
光度學確定天體距離的方法比運動學方法準確得多，然而它們只能用於精確確定距離在太陽∼2kpc（千秒差距，1pc = 3.26光年）範圍內的天體，這遠小於銀河系幾十kpc的尺度。在上個世紀，受觀測手段和設備技術的限制，天文學家並沒有很好的方法確定遙遠天體的距離。因此，運動學方法仍然廣泛被用於研究整個銀河系的結構。
1976年，喬治林等人通過綜合使用光度學方法和改進的運動學方法確定的260多個HII區的距離，繪製了銀河系旋臂結構的「標準模型」。如圖3右圖所示，他們首先提出銀河系有四條主旋臂，而太陽附近不存在旋臂。一直到21世紀，該模型經常通過使用其他旋臂示蹤劑來更新，如分子雲、恆星形成區複合體、更大的HII區樣本、HI氣體等，不過其中大部分都依賴於運動學確定距離的方法。
儘管運動學確定距離的方法一直在改進，但它們有時會在旋臂示蹤劑的距離上產生很大的不確定性。因此，關於銀河系中旋臂的存在、旋臂的數量和銀河系的大小等基本事實的爭論一直在繼續。
21世紀的突破
要描繪銀河系旋臂結構的真實面貌，首先必須要找到一種不依賴模型而能直接地、精確地測定天體距離的技術和方法。
2003年，徐燁研究員和合作者向世界上最大的甚長基線干涉陣（VLBA）提出了測量銀河系英仙臂上天體脈澤三角視差距離的科學建議書。在解決一系列挑戰性難題後，他們使用甚長基線干涉儀（VLBI）精確測定了英仙臂的距離，測量精度高達2%，這是同時期依巴谷衛星測量精度的100倍（目前已提高到200倍）。
該結果是有史以來天文學中對如此遙遠天體精度最高的距離測量，徹底解決了天文界關於英仙臂距離的長期爭論，實現了天體測量技術的劃時代突破，標誌著直接測量銀河繫結構成為可能。該研究被《科學》（Science）雜誌以封面形式發表，這是以中國天文學家為第一作者的研究成果首次出現在該雜誌的封面上。更進一步地，該結果推動了美國國立射電天文台史上最大的科學項目——「貝塞爾」巡天項目，獲得了VLBA空前的5200小時的觀測時間，旨在基於三角視差距離描繪銀河系旋臂結構。
VLBI測量天體脈澤可以達到低至幾個微角秒的三角視差精度（註：10微角秒視差精度對應於10 kpc的源的距離精度為10%），讓科學家能夠對整個銀河系中與大質量恆星形成區成協的天體脈澤進行精確的距離測量。
2019年，「貝塞爾」巡天項目接近尾聲。以項目組首席科學家、美國科學院院士馬克·里德教授為首的科學團隊在《天體物理學雜誌》呈現了銀河系旋臂結構新視野：銀河系是由四旋臂和其它的額外臂段構成的旋渦星系，四旋臂包括矩尺-外臂、盾牌-半人馬-OSC臂、人馬-船底臂、英仙臂，它們都從銀河系內部延伸到外部，如圖4所示。
不過，整體上而言，這個新圖景是對1976年喬治林等人提出的銀河系旋臂結構的「標準模型」的改進。此外，需要特別指出的是，研究人員長期以來一直認為太陽附近只有零星物質存在，不可能存在旋臂結構。而紫金山天文台研究團隊基於脈澤的三角視差測量結果發現，太陽附近的本地臂是一條孤立的旋臂段，上面存在豐富的大質量恆星形成區。
近年來，歐洲空間局（ESA）的Gaia衛星提供的恆星的三角視差具有20–30微角秒量級的精度，這使我們能夠揭示太陽附近∼5kpc內的旋臂結構。研究人員使用 Gaia衛星數據在銀河系旋臂結構方面取得了一定進展。例如，如圖4右圖所示，研究團隊利用Gaia中的大質量O-B型星描繪出太陽附近∼5kpc 範圍內的旋臂結構，部分區域延伸至∼7kpc，將天體脈澤示蹤的旋臂結構延伸到第四象限，並提出銀河系具有複雜旋臂結構和且旋臂結構不均勻的觀點。此外，波焦等人使用Gaia中的上主序星也發現太陽附近存在明顯的旋臂段，本地臂從太陽位置不斷向第三象限延伸。
因此，直到2023年，人們普遍認為銀河系有四條連續的旋臂，從銀河系內部向外延伸到遙遠的外部區域，還包括一些額外的旋臂段。
然而，真的是這樣嗎？
河外星系的形態
隨著望遠鏡設備的發展和觀測技術的提升，人們能夠為宇宙中越來越多的星系拍攝圖像。因為銀河系是可觀測宇宙中數萬億個星系中的一員，我們可以把河外星系作為一面鏡子，更好地了解銀河系的形態。
如圖5所示，河外旋渦星系基本上有三種不同的形態：宏象旋渦星系、多旋臂旋渦星系和絮狀旋渦星系，它們的區別在於其旋臂結構是否突出。對於兩個極端的情況，宏象旋渦星系具有高度對稱的特徵，具有清晰、長而對稱的旋臂，而絮狀旋渦星系是零散的，由許多短的、不規則的、成片的片段組成。位於這兩種類型之間的是多旋臂旋渦星系，其主要特徵是內部有兩條對稱的旋臂、外部有幾條不規則的旋臂。
與絮狀旋渦星系不同，宏象旋渦星系和多旋臂旋渦星系的內部區域都有顯著的兩條對稱旋臂。更重要的是，幾乎沒有河外星系顯示出從中心延伸到外部區域的四條旋臂。更進一步地，紫金山天文台研究團隊發現：在類銀河系的多旋臂星系中，較為常見的是內部兩旋臂和外部多旋臂的形態（約占83%），四條旋臂均從內到外的形態是非常罕見的（約占2%）。這使得當前廣泛認可的銀河系有四條從內到外的旋臂的結論有些令人驚訝。如果這個模型是真的，銀河系將是一個非常不尋常的星系。
一個新的銀河系形態
基於目前所能獲得高精度天體測量數據，包括VLBI技術得到的2百多個天體脈澤，Gaia衛星中的2萬多顆O-B型恆星和近1千個年輕疏散星團，研究團隊重新審視了銀河系的旋臂形態。除了這些能夠定位旋臂的「燈塔」，研究人員還考慮通過星際氣體、恆星形成區、恆星、塵埃等識別的旋臂切點來對旋臂進行約束。最終的研究結果如圖6所示，銀河系更像是一個多旋臂形態的旋渦星系，其內部由英仙臂和矩尺臂兩條旋臂對稱向外延伸，在外部分叉並形成包括半人馬臂、人馬臂、船底臂、本地臂和外臂等多條長而不規則的旋臂段。
在這種情況下，銀河系的形態與宇宙中大多數多旋臂星系的形態相似，它可能不像以前人們認為的那樣獨特。這為未來研究銀河繫結構提供了一種新的見解。
未來展望
此次銀河系形態新圖景的精確描繪得益於「貝塞爾」巡天項目等的甚長基線干涉測量及Gaia空間衛星的高精度測量，更得益於紫金山天文台研究團隊20多年來對銀河系旋臂結構的長期研究的積累。2006年，團隊成員找到了甚長基線干涉測量脈澤描繪銀河繫結構的新方法，被《科學》雜誌評價為「開創了這個領域的新紀元」。隨後，團隊成員用這個方法發現了銀河系本地臂，被《科學》雜誌評價為「以前所未有的細節描繪了太陽附近的旋臂結構」。現在，團隊成員提出了銀河系旋臂新的整體形態。如果得到證實，這將是中國學者對銀河系天文學的一個非常重要的貢獻。目前，他們正在為將來更高精度的測量做積極準備，希望最終揭開銀河系旋臂結構的廬山真面目。
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論文連結：
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/acc45c
來源：中國科學院紫金山天文台
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