银河系结构图。郑兴武 马克·里德供图
近日，中外科学家绘制出目前最精确的银河系结构图，明确银河系是一个具有4条旋臂的棒旋星系。
银河系结构是天文学中长期悬而未决的重大科学问题。美国、德国和中国的天文学家主导成立了“银河系棒和旋臂结构遗珍巡天”重大科学计划，经过十余年研究最终破解。这是人类继认识地球和太阳系后，跨入巨大银河系的关键一步。
历经17年，美国、德国和中国天文学家主导的重大科学研究团队绘制出迄今最精确银河系结构图，清晰地展示银河系是一个具有4条旋臂的棒旋星系。
美国哈佛—斯密松天体物理中心资深天文学家、美国科学院院士马克·里德和南京大学天文与空间科学学院教授郑兴武联合撰写的《银河系新视野》，刊登在近日的《科学美国人》杂志上，成为封面文章。这项研究是人类继认识地球和太阳系后，跨入我们居住的巨大银河系的关键一步。
距离遥远 观测困难
一直未能看清银河系结构
银河系结构是天文学中长期悬而未决的重大科学问题。
早在1785年，英国著名天文学家赫歇尔通过恒星记数的方法，第一次提出银河系是一个由亿万颗恒星组成的扁平系统。但长期以来，这个扁平的恒星系统的内部结构一直没有人弄清楚。
郑兴武解释，是因为银河系太大了，现代研究表明它的直径约为10万至18万光年，太阳系离银河系中心很远，且位置接近银道中心面，因此我们所看到的旋臂都重叠投影在天球上而无法分辨，同时我们又无法离开银河系，到几百万光年以外的宇宙空间来回眸银河系，恰如“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。
天文学家也发现，如果能精确地测定旋臂上足够多的天体到太阳的相对距离，即便身在银河系内部，也完全能从内到外勾画出银河系的旋臂结构。于是，寻找能有效勾画出银河系结构的示踪天体或者信标，又能精确测量它们距离，成为天文学家破解这个难题的唯一途径。
然而，在银盘上分布着浓密的尘埃气体，对银河系旋臂上天体的光学辐射产生非常严重的遮挡。当人们到无光污染的大草原仰望天空，用肉眼就可以发现银河中心有一个暗带，即便使用大光学望远镜也只能看清太阳系周围的天体，远远小于银河系的大小。这是光学天文无法完全探索银河系结构的原因。
真正广泛深入地观测和研究银河系的结构得益于20世纪50年代射电和红外天文学的兴起。射电和红外辐射能穿透银道面上浓密的尘埃，使我们看到银河系边缘的天体。经过近半个世纪的观测和研究，天文学家普遍认为银河系是一个棒旋星系。
不过，由于离我们最近银河系旋臂的距离大约为6000光年，直接精确测量这些射电和红外源的距离非常困难，天文学家往往借助于一些天体物理模型，间接测量它们的距离。近代天文学研究表明，这些间接测量的方法有很多问题。这也导致了银河系结构的一些最基本的问题仍然没有得到解决。
国际合作 数据共享
天文学家合力破解难题
为加深对银河系结构的认识，21世纪初，美国、德国和中国的天文学家主导成立了由8个国家22位天文学家参加的“银河系棒和旋臂结构遗珍巡天”重大科学计划，简称贝塞尔计划，以纪念德国天文学家贝塞尔在1938年第一次测量了恒星的距离。
贝塞尔计划用等效口径为8000多公里的甚长基线干涉阵，采用几何三角视差方法直接测量大质量恒星形成区中脉泽源的距离和自行。为了确定银河系结构，科学家希望有一种能穿透银河系盘中浓密尘埃、能测量银河系边缘结构的极亮天体。这种天体就是大质量恒星形成区中的脉泽源，是一种亮温度超过亿度、甚至万亿度的宇宙激光点源。
从2003年到2019年贝塞尔重大研究计划基本结束，研究团队测量了银盘上163个大质量恒星形成区中脉泽源的距离和自行，结合国际上其他团组测量的37个脉泽源，共获得了银河系中近200个大质量恒星形成区的距离和自行。
“为了测量一个脉泽源的距离和它的自行，在地球上由10个天线组成的甚长基线干涉阵，在一年内至少要观测5次，每次观测时间约为5小时，每一小时的观测约需要20个小时的时间进行数据处理和写报告。在十余年中，我国贝塞尔课题组成员大部分时间都在默默地观测和数据处理中。”郑兴武介绍，国际团队成员处理后的数据，均进行了共享。
据介绍，研究团队对大质量恒星形成区在银盘上的螺旋形位置分布的突跳和间断进行分析和弥补。最终，从研究团队所测量大质量恒星形成区的精确位置，清晰地勾画出4条主旋臂，分别是英仙臂、人马—船底臂、矩尺臂和盾牌—半人马臂。再结合红外、一氧化碳和大量年轻天体的观测资料，最终绘制出银河系结构图。
在天文学家观测到的宇宙较亮的河外星系中，旋涡星系约占整个星系数的80%，而棒旋星系约占旋涡星系的2/3，银河系是宇宙中普通的一个星系，4个旋臂分布相对比较对称。相比较于不规则星系，我们居住的银河系是一个旋臂匀称美丽的星系。该项研究成果彻底解决了银河系究竟有几条旋臂这一天文学中长期争论而未解决的重大科学问题。它为现代天体物理学具有挑战性的研究课题之一，即银河系乃至星系的形成研究提供了重要观测依据。
“银河系棒和旋臂结构遗珍巡天计划”给出了太阳系在银河系中有关它的位置和运动的重要信息。从主要由中国天文学家观测和研究的结果分析，表明太阳系不在4条主旋臂上，而非常接近于独立于这4条主旋臂的一条本地臂附近。这条本地臂的形状和其包含丰富的大质量恒星形成区可与其他4条主旋臂类似，或许不是一个孤立的臂段，而极有可能是邻近英仙臂和人马—船底臂的一部分。
接力参与 成果迭出
助推人才培养和学科发展
在由美国、德国和中国的天文学家为主导的贝塞尔计划中，中国天文学家起着重要作用，计划中有一半成果来自中国团队。中国成员来自南京大学、紫金山天文台、上海天文台和国家授时中心。
2003年，中外科学家合作取得里程碑式的成果，也是促成贝塞尔计划的开创性工作。2013年，贝塞尔计划中以紫金山天文台研究人员为首的科研团队，发现并精确测定了距离地球最近的银河系本地臂的形态和运动学性质。2016年，紫金山天文台研究员徐烨、李晶晶博士发现了一座“桥梁”，从本地臂延伸至人马臂，长度大约有1.2万光年，是迄今发现的银河系内最长的一个旋臂次结构。同时结合其他观测证据，他们率先提出，银河系不是以前公认的单纯由宏伟、规则的螺旋形主旋臂组成，而是类似于一些河外星系，在主旋臂间有着很多次结构的复杂棒旋涡星系。
截至2019年底，在贝塞尔计划的163个目标脉泽源中，中国天文学家观测分析了其中85个源。贝塞尔计划在国际知名的天文和天体物理刊物上发表了35篇论文，其中中国天文学家发表了16篇。
此外，上海天文台研究员张波、国家授时中心研究员吴元伟、南京大学胡波博士的观测和研究，都对绘制出银河系结构图做出了重要贡献。“参加这一重大科学计划将助推我国甚长基线天体测量学科的发展，培养出一批年轻天文学家，走在国际甚长基线天体测量学科的最前列。这个基础学科的发展还可能为精密天体测量的实际应用提供技术方法支撑。”郑兴武说。
你了解太阳所产生的巨大能量是真的吗？
你知道吗，人类当代文明和经济发展很大程度上是建立在化石能源开发利用的基础之上，然而地球上不可再生的化石能源储量日益减少，我们必须要将我们的注意力转向可持续再生能源开发上，比如太阳能等。 太阳是万物之母，能源之“源”，它为地球提供着巨大的能量，能量以电磁波的形式向四周放射，这种现象被称为太阳辐射。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳，比如说太阳维持着地表温度，促进了地球上的水、大气运动和生物活动，太阳直接为各种生物的生长发育提供光、热资源等。 绿色植物、藻类和光能自养微生物通过吸收太阳的光能，把二氧化碳和水制造成有机物质并释放氧气，这一过程称作为光合作用。光合作用对于人类和整个生物界而言都有着十分重要的意义,其主要功能是使绿色植物制造有机物。可以说，通过光合作用制造的有机物养活了地球上几乎所有的生物。其次，光合作用的功能还能使绿色植物将太阳能转化为化学能并储存在植物中，煤炭、石油、天然气等燃料中所含有的能量，归根到底都是古代的绿色植物通过光合作用储存起来的。第三，光合作用使大气中的氧和二氧化碳的含量保持相对稳定。因此，光合作用也被称为地球上最重要的化学反应。 除植物外，科学家还发现了自然界中的无机矿物转化太阳能系统，提出太阳光不仅作用于地表生物发生“经典光合作用”，也一直作用于地表矿物发生“非经典矿物光合作用”。 此项发现大大拓展了我们对自然界太阳能利用途径的新认识。 环顾我们的四周，太阳能的重大作用无处不在，其中太阳能电池的应用最为人们所熟悉。有人研发了可贴在衣服上的太阳能电池，以期测量人体的血压和体温，以及作为与衣服一体化的薄型智能手机等机器的电源；太阳能电池、太阳能汽车、太阳能充电道路等都在改变我们的衣食住行，为我们的生活提供了极大的便利。 本文由石家庄市藁城区第九中学地理一级教师王亮进行科学性把关。 本作品为“科普中国-科学原理一点通”原创，转载时务请注明出处。
摧毁一颗行星需要多少能量？
据国外媒体报道，从奥德朗星（Alderaan）到奇基米星（Kijimi），西斯的君主们显然很喜欢把行星炸成碎片。那么，《星球大战》里的末日武器究竟有多强大呢？ 在电影《星球大战：天行者崛起》中，最终秩序想给银河系里的每个人一个教训。于是，在银河皇帝帕尔帕廷的命令下，一艘绪斯同级歼星舰从太空发射了一束超级强大的光束，炸毁了奇基米星。 你是否也在想：炸毁一颗行星需要多少能量？当然，这只是一个学术问题，即使并不真实，但计算起来仍然很有意思。 行星爆炸的视频分析 首先，我们需要估算行星炸开后其碎片进入太空的速度。我们可以通过跟踪视频分析应用程序做到这一点。具体的想法是，先从电影中挑选出一些特定的片段，然后在视频的每一帧中映射它们的位置。 这个位置是用像素来测量的，但是我们可以将其缩放到场景中一个已知的对象上，从而转换成距离。然后，我们可以从帧速率中得到时间数据，在这种情况下是每秒24帧。假设场景是以正常速度拍摄的（即不是慢动作），那每一帧就代表1/24秒。有了位置和时间数据，我们就可以计算速度了。 为了修正距离比例，这里将使用奇基米星本身的大小。这个星球有多大？谁也不知道，我们假设它的半径是1k，其中K =奇基米星的半径。是的，用我们正在测量的东西来定义单位看起来很傻，但其实在科学中一直都是这么做的（在人们知道地球到太阳的实际距离之前，该距离被设定为1个“天文单位”）。 还有一个问题。我们只能测量物体垂直于摄像机（即画面平面）移动的速度。为什么？假设有一大块碎片朝摄像机的方向斜着飞来，那么在每一帧中，它会稍微向一侧移动，从而变得稍微大一些。但如果只画出该碎片的像素位置，就会低估它经过的距离和速度。 考虑到这一点，我们可以挑选三块碎片，它们从行星的边缘（如摄像机中所看到的）开始以不同的方向向外扩散。跟踪应用程序随后给出了碎片行进距离（从行星中心测量的每个物体的径向位置）与时间的关系图。 可以看到，它们基本上都是直线运动，每条直线的斜率（位置变化/时间变化）是径向速度，单位是K/s。绿色和蓝色物体的速度非常相似，大约是0.3K/s；红色物体开始是0.24K/s然后下降到0.08K/s。这可能是软件的误差；当一堆东西在周围乱飞时，很难在视野中追踪物体。在后来的一张照片中也观察到了一些碎片，发现它们的速度大约是0.4K/s。因为不同的物体以不同的速度运动，所以可以用0.3K/s作为一个粗略的平均值。 跟踪应用程序随后给出了碎片行进距离（从行星中心测量的每个物体的径向位置）与时间的关系图 是快还是慢？这取决于K的值，如果这个行星和地球一样大，那么K就是637万米。用这个来转换速度单位，得到的行星碎片速度就是每秒190万米。这是超级快的速度，但仍然只是光速（3亿米/秒）的0.6%（这是好事，因为当物体接近光速时会发生奇怪的事情）。 当然，如果行星的半径大于地球半径，那碎片速度会更高。这可能吗？在我们的太阳系中，地球是最大的岩石行星，人们可以在上面行走。像木星这样的行星要大得多，但它们没有一个结实的岩石表面，因此在它们爆炸时不会喷射出岩石碎片。 在太阳系之外，大多数已知的系外行星是像木星这样的气态巨行星，它们的密度很低，表明并非由岩石构成。不过，科学家也发现了一些类地行星。其中最大的一颗是开普勒-20b（Kepler-20b），其半径是地球的1.87倍。以这个尺度来测量视频，计算得到的碎片速度可达350万米/秒——仍然远低于光速。 这需要多少能量？ 现在我们可以回答你的问题了。让我们从三个粗略的近似值开始。假设这颗行星和地球一样大，半径为637万米。我们也用地球的质量，5.97210^24 kg，并假设密度是均匀的（当然实际并非如此）。 最后，我们假设所有的行星碎片都以50万米/秒的平均速度被抛出。这比视频测量结果慢多了。为什么要降低速度呢？因为视频中追踪到的可能是最快的碎片，处于爆炸的前沿。 根据这个平均速度估计，现在可以计算出爆炸的总能量，即所有飞行碎片的动能（K）（抱歉，这里用K来表示两种不同的东西）。这个总动能是m（行星的总质量）和v（碎片运动的平均速度）的函数： 利用地球的质量和对碎片速度的较低估计（50万米/秒），可以得到7.46510^35焦耳的能量。举个例子，如果你从地板上抓起一本物理课本放在桌子上，那需要10焦耳的能量。想象一下，就在10后面加上35个0……这的确是一个很大的数字。 歼星舰的武器有多强大？ 功率的定义是能量变化的速率，用公式表达即： 如果能量以焦耳为单位，时间以秒为单位，那么功率的单位就是瓦特。所以让我们回顾一下视频，估计一下歼星舰把所有这些能量送到地球上所需要的时间。在这里，假设时间间隔大约为10秒。 顺便说一下，这并不是激光武器，尽管Wookieepedia（一个提供《星球大战》虚构世界信息的网络百科全书）称它为“超级激光”。但如果是激光，那它将是隐形的。你可以在地球上看到激光束，因为光线会被灰尘粒子和其他东西反射，而在太空中，不会有任何东西散射光束，因此也不会有任何东西进入你的眼睛。你只会看到星球突然爆炸。 不管怎样，在10秒的时间内，能量变化是7 x 10^35焦耳，这就意味着功率是7 x 10^34瓦。 作为比较，你可以想象自己能利用所有来自太阳的辐射。这将是相当困难的，因为太阳向各个方向发光。你得在太阳周围装上一个巨大的球形太阳能电池板，就像戴森球一样。假设你可以做到，那么太阳的总输出功率将是3.8 x 10^26瓦。 没错，这意味着歼星舰的武器比我们的太阳还要强大1亿倍（10^8倍）。换句话说，最终秩序的那些星际飞船拥有数以亿计个太阳的能量。这确实是一个令人生畏的对手。但你知道汉·索罗会说什么吗？“永远别跟我说几率。”（任天）
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