银河系

银河星系（古称银河、天河、星河、天汉、银汉等），是一个包含太阳系 的棒旋星系。直径介于100,000光年至180,000光年。估计拥有1,000亿至4,000亿颗恒星，并可能有1,000亿颗行星。太阳系距离银河中心约26,000光年，在有着浓密气体和尘埃，被称为猎户臂的螺旋臂的内侧边缘。在太阳的位置，公转周期大约是2亿4,000万年。从地球看，因为是从盘状结构的内部向外观看，因此银河系呈现在天球上环绕一圈的带状。银河系中最古老的恒星几乎和宇宙本身一样古老，因此可能是在大爆炸之后不久的黑暗时期形成的。在10,000光年内的恒星形成核球，并有着一或多根棒从核球向外辐射。最中心处被标示为强烈的电波源，可能是个超大质量黑洞，被命名为人马座A*。在很大距离范围内的恒星和气体都以每秒大约220公里的速度在轨道上绕着银河中心运行。这种恒定的速度违反了开普勒动力学，因而认为银河系中有大量不会辐射或吸收电磁辐射的质量。这些质量被称为暗物质。银河系有几个卫星星系，它们都是本星系群的成员，并且是室女超星系团的一部分；而它又是组成拉尼亚凯亚超星系团的一部分。整个银河系对银河系外的参考坐标系以大约每秒600公里的速度在移动。银河的某些地区可以看作是宽约30度的弧，画过天空的朦胧光带。然而，肉眼在天空各处看见的个别恒星，全都是银河系的一部分。来自这条带状弧上的光，都是源自银河平面上，肉眼不能解析的恒星和其它天体累积的光亮。黑暗的区域，像是大裂缝和煤袋星云，是来自遥远恒星的光被星际尘埃遮蔽的区域。天空中被银河遮蔽的区域称为隐带。银河有着相对较低的面亮度。它的可见度会被背景光，像是光污染或是来自月球的杂散光，大大的降低。需要每平方秒的亮度比20.2星等更黑暗的天空才能清楚的看见银河。当肉眼可见的极限星等大约在+5.1等可以看见银河，或更好的+6.1等，就可以看见许多的细节。这使得在明亮的都市或郊区很难看见银河，但当月球在地平线下时，在没有光污染的乡村地区看见的银河就非常明显。新的世界地图显示人夜晚天空的人造光源亮度，显示由于光污染的缘故，地球上超过三分之一的人不能在家园看见银河。从地球观看，银河系可见的盘面区域涵盖的面积包括天空中的30个星座。银河中心是银河最亮的区域，其方向在人马座。从人马座，朦胧的白色光带似乎传递到反银心所在的御夫座。光带然后继续其余的路径回到人马座附近，将天球分成两个大致相等的半球。银河盘面相对于黄道（地球绕太阳公转轨道的平面）倾斜约60度。相对于天球赤道，它向北远达仙后座，向南则抵达南十字座，显示地球的赤道平面和黄道相对于银河盘面都有很大的倾斜。银河北极位于赤经 12h 49m，赤纬 +27.4°（B1950），靠近周鼎一（后发座β）；银河南极在玉夫座α附近。由于这种高倾斜度，在一年中不同的时间，银河的弧出现在天空中的位置可以很高，也可以在很低。在地球上的北纬65度到南纬65度之间，银河会一天经过观测者的天顶两次。银河系是本星系群第二大的星系，恒星盘面的直径大约100,000 ly（30 kpc），平均厚度大约1,000 ly（0.3 kpc）。作为有形的银河系大小规模比较，如果太阳到海王星的大小相当于25分的美金硬币（24.3 mm（0.955英寸）），银河系的大小则有如美国大陆。荡漾在银河平坦的盘面上下方，像环状细丝包围环绕着银河系的恒星，可能都属于银河系的本身。如果是这样，这意味着银河系的直径在 150,000～180,000光年（46～55千秒差距）。估计的银河系质量各不相同，取决于使用的方法和资料。最低的估计值范围，银河系的质量是5.8×1011 太阳质量（M☉），略小于仙女座星系的质量。在2009年，使用超长基线阵列发现在银河系外侧边缘的恒星速度达到254 km/s（570,000 mph）。因为轨道速度取决于轨道半径内的总质量，使推测银河系有更大的质量，大约与仙女座星系相当，在距离中心160,000 ly（49 kpc）的距离内，质量是7×1011 M☉。在2010年，测量晕星的径向速度，发现在8,000秒差距内的质量是7×1011 M☉。根据2014年发表的一项研究，银河系的总质量估计为8.5×1011 M☉，这大约是仙女座星系一半的质量。银河系的许多质量似乎是看不见且形式未知，但能和普通物质有引力交互作用的暗物质。暗物质晕相对均匀的分布至距离银河中心10万秒差距处。银河系的数学模型表明暗物质的质量是1–1.5×1012 M☉。最近的研究表明质量范围可以大到4.5×1012 M☉ ，小到8×1011 M☉。银河系所有恒星的总值量估计在4.6×1010 M☉ 至6.43×1010 M☉之间。除了恒星之外，还有包括90%的氢和10%的氦组成的星际气体，其中三分之二的氢是原子形式，其余的三分之一是分子氢。这些气体的质量相当于星系恒星总质量的10%至15% 。额外的星际尘埃占气体总质量的1%。银河系包含的恒星数量在2,000亿至4,000亿颗之间，还有至少1,000亿颗的行星。确切的数值取决于质量非常低的恒星，这些恒星很难被检测得到，特别是距离太阳超过300 ly（90 pc）的。作为比较，邻近的仙女座星系估计拥有1兆（1012）颗恒星。填充在恒星之间空间的，是被称为星际介质的气体和尘埃盘面。这个盘面的半径至少相当程度的对应于恒星盘面的半径，而气体层的厚度从冷气体的数百光年至热气体的数千光年。在银河系的恒星盘面，没有在之外就没有恒星的明确边界。相对的，恒星的密度随着与银河中心距离的增加而递减。大约在距离中心40,000光年（13,000秒差距），每立方秒差距的恒星数量掉落得比半径的增加还快，而其原因还不了解。环绕在星系盘面周围的是球状的星系晕和恒星组成的球状星团，并进一步的向外延伸，但大小受到两个银河的卫星星系，大、小麦哲伦云的限制，它们的最接近银河中心的距离大约是180,000 ly（55 kpc）。因此，这些物体可能是从银河系的附近被逐出的。综合银河系的绝对视星等被估计大约是 -20.9等。经由微引力透镜和观测行星凌日，显示在银河系内的恒星有许多有多颗行星，微引力透镜的测量更显示不被绑定的流浪行星比绑定型星的宿主恒星还要多。银河系的每颗恒星至少拥有一颗行星，就会有1,000亿至4,000亿颗行星；依据开普勒太空望远镜在2013年1月的研究，显示开普勒32有5颗行星。分析开普勒在2013年1月的不同资料，估计在银河系中至少有170亿颗地球大小的系外行星 。在2013年11月4日，天文学家报告，基于开普勒太空望远镜的资料，在银河系的类太阳恒星和红矮星的适居带内，可能有多达400亿颗地球大小的行星环绕着。估计可能有110亿颗行星环绕着类似太阳的恒星运行。2016年的研究显示，最接近的这类行星可能就在距离4.2光年之处。类似地球大小的行星可能比气态巨行星更多。除了系外行星，也发现了在太阳系之外系外彗星，彗星在银河系中可能也很常见。欧洲南方天文台拍摄的360度全景的银河系图（由照片马赛克合成）。银河系的中心在视野的中心，银河的北方朝上。银河系是由被气体、尘埃和恒星组成的盘面，环绕着中央的棒状核心区组成的星系。银河系的质量分布与哈伯星系分类的Sbc极为相似，显示这是一个螺旋臂结构相对松散的棒旋星系。在1990年代，天文学家开始怀疑银河系是棒旋星系而不是一个普通的旋涡星系 。他们的怀疑在2005年被斯皮策空间望远镜的观测证实，这表明银河系中心的棒比之前预想的还大。银河象限，或银河系的四象限，是指银河系被分割成圆的四份的每一部分。在实际的天文学实务中，银河象限的轮廓是根据银河座标系统分割的：以太阳作为投影系统的原点。使用序号来描述象限 －例如"第一银河象限"， "第二银河象限"，或"第三银河象限"。从银河北极鸟瞰，0度经线从太阳开始通过银河中心，各象限如下：太阳距离银心约25,000～28,000 ly（7.7～8.6 kpc）。这个值是以几何为基础的方法，通过测量标准烛光天体，用不同的方法得到这些范围近似但不同的数值。在内部的数千秒差距（大约10,000光年的半径）是非常老的恒星密集区，大致成为球形，被称为核球。由于先前的星系碰撞和合并（英语：Galaxy merger），它曾经被认为没有核球，取而代之的是由核心棒形成的假核球。银河系的中心被标示为称为人马座A*（显著的人马座A星）的强烈电波源。以人马座A*为中心，围绕着的天体运动规律显示该处有个大质量的致密天体。这种质量集中的最好解释就是存在着超大质量黑洞（SMBH，supermass black hole），估计它的质量介于410–450万太阳质量。 超大质量黑洞的吸积率符合估计值量约6995100000000000000♠1×10−5 M☉ y−1的非活跃星系核。观测显示多数的正常星系中心附近都有超大质量黑洞。银河系棒的性质被积极地讨论著，估计她的半长度是1至5 kpc（3,000～16,000 ly），而与从地球观察银河中心的视线方向呈现10-50度的角度。某些作者主张银河系有两根鲜明的棒，另一根位于其他的方向。然而，天琴座RR型变星的观测未能检出明显的棒状结构。棒可能被一个包含银河系很大部分氢分子，称为"5-kpc环"的环包围着。从仙女座星系观察，这个环会是银河系最明亮的特征。来自核心的X射线辐射与包围着棒的大质量恒星和银河脊（英语：Galactic ridge）有着一致的方向 。在2010年，使用费米伽玛射线太空望远镜的资料发现有两个巨大辐射高能量的球形气泡，分别位于银河核心的南部和北部。每个气泡的直径大约25,000光年（7.7千秒差距）；它们在南半球的夜空中延伸至天鹤座和室女座。之后，帕克斯天文台（英语：Parkes Observatory）在电波频率上的观测确定费米气泡的极化和相关联的排放。 对观测的最佳解释是银河系中心640 ly（200 pc）的恒星形成驱动磁化流导致的。后来，在2015年1月5日，据NASA报导，观测到一道来自人马座A*的强烈X射线闪焰，比平时亮了400倍。这不寻常的事件可能是有一颗小行星落入黑洞中，或是人马座A*的气流扰动造成磁场线的纠缠造成的。外面的引力会影响银河棒，银河系盘面中的星际物质和恒星的结构被组合成4条螺旋臂。追踪的电离氢区 和分子云，显示螺旋臂通常含有的星际物质和尘埃密度高于银河系平均值，而且有更高的恒星形成浓度。银河系的螺旋结构还不确定，目前对于银河臂的性质也还没有共识。因为银河系的螺旋臂经常有分支、合并、意外的扭曲，而有程度不一的不规则性，完美的对数螺旋模式只能粗略的描述太阳附近的特征。可能的场景是太阳位在一个突臂或本地臂，强调这一点，并指出这些特征可能不是唯一的，并且存在银河系的其它地方。估计螺旋臂的俯仰角范围为约7°到25°。它被认为有4条螺旋臂，全都开始于银河系的中心附近。这些螺旋臂是依据它们在右图中的的位置命名，它们的名称如下：两条螺旋臂，盾牌–半人马臂和船底–人马臂，在太阳轨道的内侧对银河系的中心有正切的点。如果螺旋臂包含高恒星密度，相较于恒星在盘面的平均密度，那数着咒切点附近的恒星，就可以探测得到。两次近红外光的调查，主要是对红巨星敏感，不受尘埃消光，在盾牌–半人马臂检测到预测的过量，但是在船底–人马臂却没有：盾牌–半人马臂包含的红巨星比预期多了约30%，但另一条臂却欠缺。这样的观测显示银河系只拥有两条主要的螺旋臂：英仙臂和盾牌–半人马臂。其余的螺旋臂含有过量的气体，但是没有多余的老恒星。在2013年12月，天文学家发现，年轻的恒星和恒星形成区域与银河系的4条螺旋臂相匹配。因此，银河系似乎有两条螺旋臂追溯老恒星，及4条螺旋臂追溯气体和年轻的恒星。目前还不清楚对这种明显差异的解释。近3 kpc臂（也称为扩大3kpc臂，或简称3kpc臂）是在1950年代被天文学家范沃尔登（van Woerden）和合作者通过测量氢原子氢线的电波发现的。它被发现从中央的核球已超过每秒50公里的速度在扩张。它坐落在第四银河象限，距离太阳大约5.2Kpc，距离银河中心约3.3Kpc。远3kpc臂是天文学家汤姆爵士（哈佛-史密松 CfA）在2008年发现的。 它坐落于第一银河象限，距离银河中心约3Kpc（约10,000光年）。在2011年发表的模拟显示，银河系可能是与人马座矮椭圆星系反复碰撞而获得其螺旋臂的结构。银河系也被认为包含两种不同的螺旋臂：内部的是人马臂，旋转较快；另一个外层的是船底和英仙臂，旋转的速度较慢，但是缠绕的较密实。在这种情况下，透过不同旋臂的动力学模拟数值建议，外层的模式会形成外假环，这两种系统由天鹅臂连接。在主要的螺旋臂外面是麒麟座环（或外环），是数十亿年前从其他星系撕裂的气体环。然而，科学界的一些成员最近重申了他们的立场，断言麒麟座环的结构只是由银河系扭曲的厚盘产生的高密度区域，银河系盘的结构沿"S"形弯曲。银河的盘面被一个球状的银晕包围着，估计直径在250,000至400,000光年。由于盘面上的气体和尘埃会吸收部分波长的电磁波，所以银晕的组成结构还不清楚。盘面（特别是旋臂）是恒星诞生的活耀区域，但是银晕中没有这些活动，疏散星团也主要出现在盘面上。银河中大部分的质量是暗物质，形成的暗物质晕估计有5.8×1011M☉，以银河为中心被聚集著。新的发现使我们对银河结构与维度的认识有所增加，随着发现仙女座星系（M31）的盘面比以前想像的更远，银河系盘有向外延伸的可能性显而易见。这可由最近新发现的证据支持 : 外环是由天鹅臂延伸出去的。 人马座矮椭球星系的发现，与在环绕着银极的轨道上的星系碎片，说明他因为与银河的交互作用而被扯碎。同样的，大犬座矮星系也因为与银河的交互作用，使得残骸在盘面上环绕着银河。在2006年1月9日，Mario Juric和普林斯顿大学的一些人宣布，史隆数位巡天在北半球的天空中发现一片巨大的云气结构（横跨约5,000个满月大小的区域）位在银河之内，但似乎不合于目前所有的银河模型。他将一些恒星汇聚在垂直于旋臂所在盘面的垂线上，可能的解释是小的矮星系与银河合并的结果。这个结构位于室女座的方向上，距离约30,000光年，暂时被称为室女座星流。在2006年5月9日，Daniel Zucker和Vasily Belokurov宣布史隆数位巡天在猎犬座和牧夫座又发现两个矮星系。太阳（包括地球和太阳系）位在猎户臂靠近内侧边缘的位置上，在本星际云中，距离银河中心7.94±0.42千秒差距 我们所在的旋臂与邻近的英仙臂大约相距6,500光年。 我们的太阳与太阳系，正位于在科学家所谓的星系适居带（英语：Galactic habitable zone）。太阳运行的方向，也称为太阳向点，指出了太阳在银河系内游历的路径，基本上是朝向织女，靠近武仙座的方向，偏离银河中心大约86度。太阳环绕银河的轨道大致是椭圆形的，但会受到旋臂与质量分布不均匀的扰动而有些变动，我们目前在接近近银心点（太阳最接近银河中心的点）1/8轨道的位置上。太阳系大约每2.25—2.5亿年在轨道上绕行一圈，可称为一个银河年，因此以太阳的年龄估算，太阳已经绕行银河20—25次了。太阳的轨道速度是217km/s，换言之每8天就可以移动1天文单位，1400年可以运行1光年的距离。至于银河系的自转方向，很多人误以为那是顺时针旋转，那是误解。因为黄道面与银河系平面有60度角交错，从地球上很难断定银河系之自转轴何者为南，何者为北。海顿天象馆的8.0千秒差距的立体银河星图，正好涵盖到银河的中心。依据欧洲南天天文台研究报告，估计银河系年龄约为136亿岁（1.36×1010年），几乎与宇宙一样老。由天文学家Luca Pasquini、Piercarlo Bonifacio、Sofia Randich、Daniele Galli以及Raffaele G. Gratton所组成的团队在2004年使用甚大望远镜的紫外线视觉矩阵光谱仪进行的研究，首度在球状星团NGC 6397的两颗恒星内发现铍元素。这个发现让他们将第一代恒星与第二代恒星交替的时间往前推进了2至3亿年，因而估计球状星团的年龄在134±8亿岁，因此银河系的年龄不会低于136±8亿岁。银河、仙女座星系和三角座星系是本星系群主要的星系，这个群总共约有50个星系，而本星系群又是室女座超星系团的一分子。银河被一些本星系群中的矮星系环绕着，其中最大的是直径达21,000光年的大麦哲伦云，最小的是 船底座矮星系、天龙座矮星系和狮子II矮星系，直径都只有500光年。其他环绕着银河系的还有小麦哲伦云，最靠近的是大犬座矮星系，然后是人马座矮椭圆星系、小熊座矮星系、玉夫座矮星系、六分仪座矮星系、天炉座矮星系和狮子I矮星系。在2006年1月，研究人员的报告指出，过去发现银河的盘面有不明原因的倾斜，现在已经发现是环绕银河的大小麦哲伦云的扰动所造成的涟漪。是在她们穿过银河系的边缘时，导致某些频率的震动所造成的。这两个星系的质量大约是银河的2%，被认为不足以影响到银河。但是加入暗物质的考量，这两个星系的运动就足以对较大的银河造成影响。在加入暗物质之后的计算结果，对银河的影响增加20倍，这个计算的结果是根据马萨诸塞大学阿默斯特分校马丁·温伯格的电脑模型完成的。在他的模型中，暗物质的分布从银河的盘面一直分布到已知的所有层面中，结果模型预测当麦哲伦星系通过银河时，重力的冲击会被放大和加重。一般而言，根据爱因斯坦的狭义相对论，任何物体通过空间时的绝对速度是没有意义的，因为在太空中没有合适的惯性参考系统，可以作为测量银河速度的依据（运动的速度总是需要与另一个物体比较才能量度）。因为各向宇宙微波背景辐射非常的均匀，只有万分之几的起伏，所以乔治·斯穆特想到一个方法，就是测量宇宙微波背景辐射有没有偶极异向性。在1977年，美国劳伦斯伯克莱国家实验室的乔治·斯穆特等人，将微波探测器安装在U-2侦察机上面，确切地测到宇宙微波背景辐射的偶极异向性，大小为3.5±0.6 mK，换算后，太阳系在宇宙中的运动速度约为390±60 km/s，但这个速度与太阳系绕行银河系核的速度220 km/s方向相反，这代表银河系核在宇宙中的速度，约为600多km/s。有鉴于此，许多天文学家相信银河以每秒600公里的速度相对于邻近被观测到的星系在运动，大部分的估计值都在每秒130～1,000公里之间。如果银河的确以每秒600公里的速度在运动，我们每天就会移动5,184万公里，或是每年189亿公里。相较于太阳系内，每年移动的距离是地球与冥王星最接近时距离的4.5倍。银河在空间中运动的方向是指向长蛇座的方向。虽然从非常久远的古代，人们就认识银河。但是对银河系的真正认识还是从近代才开始。伽利略在1610年使用望远镜首先解析出环带是由一颗颗恒星聚集而成。1750年，英国天文学家赖特认为银河系是扁平的。1755年，德国哲学家康德提出了恒星和银河之间可能会组成一个巨大的天体系统；随后德国数学家郎伯特也提出了类似的假设。到1785年，英国天文学家威廉·赫歇耳绘出了银河系的扁平形体，并认为太阳系位于银河的中心。1918年，美国天文学家沙普利经过4年的观测后，提出太阳系应该位于银河系的边缘。1926年，瑞典天文学家贝蒂尔·林德布拉德分析出银河系也在自转。直到1920年代初期，多数天文学家还认为银河包含了宇宙中全部的恒星。随着1920年天文学家沙普利和柯蒂斯的大辩论，和经由爱德温·哈伯的观测，显示银河只是众多星系中的一个。一般认为，银河系中的恒星多为双星或聚星系统。而2006年的新发现认为，银河系的主序星中有2/3都是单星。世界各地有许多创造天地的神话围绕着银河系发展出来。很特别的是，在希腊就有两个相似的希腊神话故事在解释银河是怎么来的。有些神话将银河和星座结合在一起，认为成群牛只的乳液将深蓝色的天空染白了。在东亚，人们相信在天空中群星间的雾状带是银色的河流，也就是我们所说的天河。Akashaganga是印度人给银河的名称，意思是天上的恒河。依据希腊神话，银河是赫拉在发现宙斯以欺骗的手法诱使他去喂食年幼的赫拉克勒斯因而溅洒在天空中的奶汁。另一种说法则是赫耳墨斯偷偷地将赫拉克勒斯带去奥林匹斯山，趁著赫拉沉睡时偷吸她的奶汁，而有一些奶汁被射入天空，于是形成了银河。在芬兰神话中，银河被称为鸟的小径，因为他们注意到候鸟在向南方迁徙时，是靠着银河来指引的，它们也认为银河才是鸟真正的居所。现在，科学家已经证实了这项观测是正确的，候鸟确实得依靠银河来引导，在冬天才能到温暖的南方陆地居住。时至今日，芬兰语中的银河依然使用Linnunrata这个字。在瑞典，银河系被认为是冬天之路，因为在斯堪的纳维亚地区，冬天的银河是一年中最容易被看见的。古代的亚美尼亚神话称银河系为麦秆贼之路，叙述有一位神祇在偷窃麦秆之后，企图用一辆木制的运货车逃离天堂，但在路途中掉落了一些麦秆。在中国，银河源于一段凄美的爱情故事。王母娘娘拔下头上的金簪一挥，一道波涛汹涌的天河就出现了，牛郎和织女被隔在两岸，只能相对哭泣流泪。他们的忠贞爱情感动了喜鹊，千万只喜鹊飞来，搭成鹊桥，让牛郎织女走上鹊桥相会，王母娘娘对此也无奈，只好允许两人在每年七月七日于鹊桥相会。目前观测认为仙女座星系（M31）正以每秒300公里的速度朝向银河系运动，在30-40亿年后可能会撞上银河系。但即使真的发生碰撞，太阳以及其他的恒星也不会互相碰撞。这两个星系可能会花上数十亿年的时间合并成椭圆星系。而来自美国天文台的发现，史密斯云的边缘已经与银河系的气体发生作用并推开围绕银河的气体。银河系会对它施加一个潮汐力，使其分裂。大约2千万至4千万年之后，史密斯云的核心将会撞击银河系圆盘。