□作者: 趙君亮

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　　摘 要銀河系是宇宙中數以百億計星系中的一員.自威廉•赫歇爾以來，人們對銀河系結構和運動狀態的認識已有200多年歷史，而有關銀河系起源和演化的探索則只是在最近半個多世紀內才成為天文學的研究熱點.文章在簡述銀河系認識史的基礎上，對有關銀河系形成和演化這一重要天體物理問題做了概要的評述，其中包括銀河系厚盤的發現及其可能的形成機制.
　　
　　1 銀河系的研究簡史﹪
　　
　　早在15世紀中期，法國大主教尼古拉就已猜測夜空中的眾多繁星都是十分遙遠的太陽.1584年，意大利思想家布魯諾（Bruno G）進一步明確提出宇宙無限的概念，並認定太陽只是一顆普通的恆星.不過，鑒于這些天才的猜測缺乏實測科學依據的支持，學者們並沒有給以充分的關注. ﹪
　　對銀河系本質的認識首先歸功于望遠鏡的問世.1608年，荷蘭人利伯希（Lippershey H）在一次偶然機會中發明了望遠鏡.1609年，伽利略率先把自制的望遠鏡對準銀河，他發現銀河實際上由無數顆恆星構成，只是因為這些星星既多又暗，且密集在一起，肉眼無法加以分辨，在晴朗夜空中形成了一條模糊而又不規則的銀白色光帶——銀河.1750年，英國天文學家賴特（Wright T）正確指出，銀河和天空中所有的恆星構成一個扁平狀的巨大恆星系統，但他並沒有給出觀測證據.﹪
　　首先通過實測探究銀河系結構的是著名英國天文學家、天王星發現人威廉• 赫歇爾（Herschel W）.從1770年代起，赫歇爾開始用恆星計數方法研究銀河系結構.在幾十年內所作的1083次觀測中，他總共計數了117,600顆恆星，就當時的條件來說工作量非常大，赫歇爾為之付出了極大的心血.1785年，赫歇爾在觀測的基礎上加上若干理論假設，建立了天文學史上的第一個銀河系模型(見圖1).﹪
　　
　　
　　赫歇爾的工作具有重大歷史意義，它證實了作為一個恆星系統的銀河系的客觀存在，使人類的視野從太陽系範圍大大地拓展了.這是繼哥白尼建立日心說之後，天文學發展史上的又一個重要里程碑，赫歇爾因此被後人譽為恆星天文學之父.在赫歇爾的模型中，太陽仍然位于那時所認識的宇宙範圍——銀河系的中心.基于赫歇爾當時在天文界中有著很高的聲望，這一不正確的概念維持了130余年.﹪
　　1830年代發明了照相術，荷蘭天文學家卡普坦（Kapteyn J）首先意識到這可以為天文學家提供一種全新的觀測手段，他正確地認定，借助照相方法重做恆星計數工作，可望得出比赫歇爾更好的結果.經過不懈的努力，卡普坦于1922年發表了他的銀河系模型︰銀河系主體具有盤狀結構，直徑5.5萬光年，厚1.1萬光年，包含了474億顆恆星；太陽位于靠近盤中心的位置上，離中心約為2000—2300光年，世人稱為“卡普坦宇宙”.遺憾的是，盡管卡普坦曾正確認識到“太陽到系統的中心必定有相當大的距離”，但他最終還是放棄了.﹪
　　正確判定太陽在銀河系中位置的工作是由美國天文學家沙普利（Shapley H）完成的.1918年，沙普利研究了69個球狀星團的空間分布，發現有90%位于銀河系中心方向一側，並根據球狀星團分布這種“一邊倒”的觀測現象，正確推斷太陽並不居于銀河系中心，而是處在比較靠近銀河系邊緣的位置上，這一結論為深入研究銀河系結構奠定了基礎.在沙普利的模型中，太陽位于距銀河系中心約5萬光年處，而全部球狀星團涉及的空間範圍約為30萬光年，這個數字實際上是偏大了.這時，距赫歇爾提出的第一個銀河系模型已過去了130余年.﹪
　　根據近代天文觀測和研究可知〔1,2〕，銀河系是一個旋渦星系，年齡估計在100億年以上，總體結構大體可分為4部分(見圖2—圖4)，即銀盤、核球、銀暈和暗暈.銀河系總質量（指不計暗暈部分，下同）約為1.4×1011太陽質量，其中以恆星形式出現的約佔90%，由氣體和塵埃組成的星際介質佔10%左右.﹪
　　
　　銀盤是銀河系中恆星和星際介質分布的主體，集中了銀河系質量的85%—90%.銀盤呈軸對稱和平面對稱的扁平圓盤狀，直徑8.2萬光年.太陽到銀河系中心的距離（銀心距）約為2.6萬光年，離銀盤對稱平面（銀道面）僅為20—30光年.銀盤中心厚，邊緣薄，太陽附近銀盤厚度約3,300光年.﹪
　　核球是位于銀河系中心部分的恆星密集區，大致呈扁旋轉橢球體狀，長軸約1.3—1.6萬光年，厚1.3萬光年左右.核球質量約佔銀河系質量的5%，主要成分是老年天體，且越接近核心區，恆星密度越高.銀河系中心附近有一個至少含5個子源的強射電源人馬A，明亮的銀核即位于其中的1個子源內，直徑接近5光年，質量約是太陽質量的幾百萬倍.一種流行的觀點認為，在銀核位置上有一個超大質量黑洞，不過目前它並沒有處于劇烈活動期. ﹪
　　
　　包圍著銀盤的是一個物質平均密度比銀盤低得多的區域，稱為銀暈，大體上呈球狀，直徑約10萬光年.銀暈涉及的範圍比銀盤大得多，但因物質分布非常稀疏，故質量大約只及銀盤的10%.銀暈中主要有兩類天體，即老年恆星和球狀星團，此外還有極少量的氣體.﹪
　　銀暈外有一個範圍更大的物質分布區，這就是暗暈，其成分是暗物質，尺度可能是銀暈的10倍，質量可能高達銀河系其他部分質量總和的10倍.暗暈的存在是根據觀測資料間接推定的︰如果銀河系物質主要集中在銀盤和銀核，則離中心越遠處，恆星繞銀心的轉動速度越慢，而實測結果卻大相徑庭——在太陽附近以及更遠的地方，恆星轉動的速度大致保持不變，甚至還略有增加.由此推斷在銀河系外圍必定存在大量性質尚不很清楚的不發光暗物質，它們構成了暗暈.﹪
　　
　　2 兩種可能的演化途徑﹪
　　
　　在沙普利之後的幾十年時間內，隨著天文觀測研究工作的深入，特別是射電天文手段的面世，人們對銀河系結構取得了較為全面的認識，開始探究銀河系的運動學和動力學狀態，並進而探討銀河系的形成和演化機制. ﹪
　　銀河系天體的運動狀態取決于銀河系引力場，也就是取決于銀河系的物質分布狀況.恆星在銀河系內的運動形式既不像太陽系中行星的開普勒運動，也不是角速度處處相同的剛體自轉，而是所謂“較差自轉”，即不同銀心距的恆星有不同的轉動角速度.這一概念首先是由瑞典天文學家林德伯拉德（Lindblad B）于1925年提出的，兩年後經荷蘭天文學家奧爾特（Oort J H）的工作而得以完善.在上述工作基礎上，奧爾特于1932年建立了第一個近代銀河系模型，並開創了用動力學方法解釋恆星運動學狀態的研究途徑，稱為奧爾特-林德伯拉德理論〔3〕.﹪
　　1944年，當時正在美國工作的德國天文學家巴德（Badde W）明確提出星族的概念，即根據銀河系物質的物理化學性質、空間分布和運動特征，把銀河系天體區分為星族I和星族II兩類.星族I天體的年齡較輕，大致分布在以銀心為中心的一個扁圓環狀範圍內，它們繞銀心的運動速度較大，但速度彌散度較小；星族II天體年齡比較老，分布在一個以銀心為中心的略扁的球形天區內，這類天體繞銀心的運動速度較小，但速度彌散度卻比較大.銀盤中天體以星族I為主，核球和銀暈內主要是星族II天體. ﹪
　　目前所觀測到的銀河系的物理、化學、分布、運動學特征以及星族的客觀存在，是100多億年前銀河系形成以及嗣後長期演化的結果.為了探究這一漫長過程中所發生的真實情況，首先必須建立合理的銀河系理論模型，並對觀測事實做出有效的解釋.迄今已提出的這類模型可謂名目繁多，大體上可以根據模型試圖解釋的主要觀測事實，分為質量模型、恆星計數模型、運動學模型、動力學模型以及化學演化模型等幾大類.如質量模型是要對銀河系及其各個成分的密度分布做出說明，使模型預期值與一些觀測量（如太陽附近的總面密度等）相一致；恆星計數模型應該對銀河系不同位置處恆星絕對星等的分布給出合理解釋；運動學模型涉及恆星的空間運動，不僅要求能說明恆星數密度與絕對星等之間關系，而且要對不同位置上的恆星速度分布做出預言；而化學演化模型則要通過研究物質化學成分的歷史演變蹤跡，來探索銀河系形成和演化的線索.﹪