如何描繪出銀河系（Milky Way）的形狀

如何描繪出銀河系（Milky Way）的形狀
臺北市立南湖高級中學董家莒教師 / 國立台灣師範大學地球科學系陳林文教授責任編輯

赫歇爾兄妹首先嘗試測量銀河系的形狀，他假設太陽及其他恆星都隸屬於一個有邊界的大型恆星系統，並將天空劃分為683個區域後，計算每一個區域內的恆星數量。恆星較少的方向，表示系統的邊界離地球比較近；恆星較多的方向，表示系統的邊界離地球比較遠。如此便可知道星系在各個方向的邊界，進而將形狀描繪出來。

在二十世紀初時，卡普坦（J. C. Kapteyn）在分析過去所記錄的恆星距離資料後，認為銀河系是半徑約32000光年，厚度6500光年的盤狀恆星分布系統，太陽位於系統的中心附近。

夏普利認為整個宇宙就是們銀河系，而銀河系的中心應該在球狀星團集中的地方。他以球狀星團中變星發光強度與光變週期的關係，量測每一個球狀星團的距離。另外，距離較遠的變星因為亮度愈來愈暗而不易觀測，而改用球狀星團的視角來測量，因此在球狀星團的大小大致相同的假設下，以及運用較近球狀星團的觀測結果，便可由較遠球狀星團的視直徑來估計其距離。視直徑愈小，表示球狀星團距離愈遠。他因而可標示出銀河系的大小與中心位置，以及銀暈和銀核兩部分。

然而1924年美國天文學家哈柏利用變星測量仙女座大星雲的距離時，發現它遠超過銀河系的邊界，而且它是與銀河系類似的恆星系統。而後，其他科學家也陸續發現銀河系之外仍有其他許多星系，故認清銀河系只是宇宙中的一份子。

天文學家觀察具有漩渦臂的星系時，發現許多星系的漩渦臂都有年輕的O、B型亮星，所以推測銀河系漩渦臂的位置也會有O、B型亮星。因此利用年輕O、B型恆星當指標，找出了太陽附近的三條漩渦臂，即英仙臂、獵戶臂及人馬臂，而太陽即在獵戶臂的內側。

恆星誕生於氫分子雲塌縮，因此恆星誕生的地方必定聚集很多星際介質；而用來標示漩臂的年輕O、B型亮星，即為星際介質較集中之處。星際介質中含量最多的氫原子所發出的21公分波長的無線電波譜線便可以作為漩渦臂的指標，而且它可穿越星際物質。所以利用21公分譜線來觀測銀河系，即可找出漩渦臂的所在位置。

對銀河系中心的觀測大致上以紅外線和無線電波為主，因為星際物質對這兩個波段的影響較少。無線電波的觀測發現，銀河系核心有很強的無線電波源及環狀的氣體分子雲，且中心附近有三個小漩渦臂，將物質帶入銀河系核心。紅外線觀測發現，追蹤距離核心僅17光時的S2恆星之運動，發現以每秒5000公里高速公轉，證明受到強大天體的重力作用，此天體極小且緻密，是超過兩百萬個太陽質量的黑洞。

參考資料：
成功大學物理學系教學網頁http://sites.ncku.edu.tw/
http://sprite.phys.ncku.edu.tw/~htsu/astro_ge/09_01_milkyway_s.pdf