描绘我们的银河系后院

拉德克利夫波 |一项新技术以三维的形式呈现银河系，揭示了以往从未看到的结构，比如拉德克利夫波——呈正弦曲线排列的恒星育婴室。

在晴朗而黑暗的夜晚，我们不止一次仰望天空，看到一片朦胧的光带划过天空——这正是从侧向看到的我们的家园星系——银河系的盘状结构。银河系的恒星盘形似一个薄煎饼，在盘的中心有一个凸起的核球。这个煎饼的跨度有10万光年，而在大约距中心一半的地方，我们的太阳就深嵌其中。因此，我们看到的天空只是银河系结构的超近距离内部视图。

由于我们被限制在地球这个特定位置，一直以来关于银河系结构的鸟瞰图都源于艺术家的印象创作，展示了我们脑海中认为银河系从外部看起来的样子。这些艺术家的印象是根据天文观测煞费苦心地重建出来的。

所有的天文学家都同意我们的星系呈现出一个典型的风车形态——有几条旋臂围绕着中心核球。然而，尽管这些艺术家的印象画看起来非常清晰，但事实上，对于许多细节我们并不确定。天文学家甚至还在争论：究竟是多少条旋臂形成了这种模式，它们的精确结构到底是什么样的。

更有甚者，对于我们本该最了解的银河系部分——我们的太阳目前所处的太阳邻域——依然存在类似的不确定性。简单地说，我们对于远在数千万光年之外其他星系结构的认知，比我们对距离太阳几千光年以内的银河系的结构要清晰得多。

了解我们银河系的结构就是解析它的历史，尤其是银河系里最年轻恒星的历史。作为一名银河系制图师，我和我的合作者为绘制太阳邻域的恒星育婴室而开展了工作。我们的研究揭示了迄今为止从未见过的巨大气体结构；迫使我们修正了银河系结构图中距离最近的一条旋臂的形状；并为我们了解在我们所生存的银河系一角，幼年恒星是如何形成的提供了新的线索。

为了将夜空的二维图像转换成银河系的三维模型，我们首先需要知道天体的距离。然而，自从天文学诞生以来，距离的测量始终是个挑战。关于精确距离的必要性，我最喜欢的例子是1920年发生在天文学家哈洛·沙普利和希伯·柯蒂斯之间的大辩论。他们在争论被称为“旋涡星云”的天体是小而近还是大而远——因为对距离的混淆会导致对大小的混淆。

柯蒂斯认为，太阳位于一个小银河系的中心附近，而旋涡星云则是银河系外的星系。与之相反，沙普利认为旋涡星云是附近的气体云，宇宙中只存在一个非常大的星系，而太阳离它的中心很远。在接下来的十年里，新的观测在很大程度上解决了这场争论，并证明了这两位天文学家皆是对错参半。在20世纪20年代中期，埃德温·哈勃观测并分析了最近的旋涡星云——仙女星云中的造父变星。他推断这个星云比沙普利提出的银河系范围要远得多。正如柯蒂斯所说，仙女星系必须是一个独立于我们银河系的外部星系。但历史最终证明，无论在银河系的巨大尺寸还是太阳更接近其外围的位置上，沙普利理论都是赢家。

/最近的恒星育婴室

一个世纪之后的今天，尽管有一整个小领域的科学家都在致力于确定不同天体的距离，围绕这场大辩论的许多问题仍未得到解决。有些天体，比如哈勃的造父变星，比其他天体更容易测量距离。2018年，我开始为一类具有独特挑战的天体测定距离：星际气体云。这些巨大的气体云占据了银河系内恒星之间的空间。

尘埃分布图 |确定尘埃和恒星形成云团的距离，可以使天文学家绘制出它们在我们附近区域的分布，正如图中所示。

我们的目标是太阳系附近的星际气体云。这些近邻的云之所以引起人们的兴趣，是因为它们是距离我们最近的恒星形成地：它们含有足够稠密的“口袋”，可以在自身引力下坍缩并产生新的恒星。考虑到它们距离很近，这些星际云告诉了我们很多关于恒星和行星形成过程复杂性的知识。恒星育婴室也是银河系旋臂结构的最佳示踪体之一，因为致密气体聚集之处会造成旋臂上物质的“交通堵塞”。

离开精确的距离，即使是这些星际气体云最基本的性质，比如它们的大小或质量，也很难确定，更不用说它们在星系中的分布了。为了帮助天文学家更好地理解恒星是如何形成的，我开始测绘离我们最近的气体云的距离，而我得到的测量精度比以往任何时候都更精确。

但这些云只不过连续分布的氢气和氦气（所谓星际介质）中出现的致密斑点。我们要如何为没有有限边界或清晰边缘的结构确定距离呢？为了完成这项任务，我需要盖亚（Gaia）空间项目的帮助。

/一场关于三维尘埃绘图的革命

2013年启动的盖亚项目的主要目标之一，是通过提供超过10亿颗恒星（约占银河系恒星总数的1%）的精确距离，揭示我们银河系的三维结构。上世纪90年代早期的“依巴谷”卫星项目提供了距离太阳几百光年内10万余颗恒星的距离，而盖亚现在测量恒星距离的精度达到以前的200倍，同时还覆盖了银河系更大的天区范围。

盖亚提供了恒星的距离，而我想找到恒星之间物质的距离。解决这个难题的关键是星际介质的组成。星际介质中大约99%的质量被氢气和氦气占据，但还有大约1%是尘埃：由硅和碳等重元素组成的微小的煤烟颗粒。由于一种叫作红化的效应，尘埃对我们如何看待夜空能够产生巨大的影响，由于红化效应，尘埃对蓝光的吸收和散射多于红光。这种效应使恒星看起来比在我们和它们之间没有尘埃的情况下更红（类似的效应也会导致落日呈现红色）。一颗恒星变红的程度取决于它发出的光在到达我们的望远镜之前经过了多少尘埃。

从历史上看，天文学家认为尘埃是一种令人讨厌的烟状物质，它模糊了我们对宇宙的看法。不过，对我来说，尘埃不是讨厌的东西，而是一件好事，因为每颗变红的恒星的颜色中都包含了它的星光在到达地球的途中穿过了多少尘埃的信息。多亏了盖亚，现在我们知道了许多恒星的距离。这样，每一颗恒星都有助于揭示尘埃云的距离，因为尘埃必须比恒星离我们更近，我们才能观察到这种红化的影响。恒星的颜色和距离可以告诉我们星际云的距离，这种想法催生了一种被称为三维尘埃测绘的技术。

中间地带 |尘埃使恒星的颜色变红，就像我们的大气层使落日变红一样。由于天文学家推断出恒星的颜色（此处全部显 示为黄色）以及它们的距离，我们就可以推断出我们和这些恒星之间存在多少尘埃，以及这些尘埃距离我们有多远。

恒星以三维的形式分散在尘埃云中，但在星云的二维图像中，所有的东西都被投射到平坦的天空上。然而总体来说，尘埃云后面（距离较远）的恒星的颜色会比云前面（距离较近）的恒星更红。如果我们把这片天区中恒星的颜色和盖亚测定的它们的距离结合起来，就会发现在某个距离上出现了红色的跳变，而该跳变对应的就是那团尘埃云的距离。

实际上，情况要复杂得多，因为在没有尘埃的情况下，并非每颗恒星的本征颜色都是一样的。然而，得益于大型测光巡天的精度（它为不同波段的恒星颜色采样提供了限制），数据科学技术和大量的计算时间，现在我们有可能解释这些效应。虽然在盖亚之前就存在三维尘埃分布图，但天文学家仅仅用到了恒星的颜色。这些分布图的分辨率很低，因为你只能从恒星的颜色中挤出那么多关于距离和尘埃的信息。而盖亚的距离测量不是基于恒星的颜色，加上它的测量结果极大地提高了分辨率——几乎在一夜之间将我们的精度提高了五倍。随着2018年4月盖亚在第二次数据发布中释放了大量恒星的距离，我们第一次得到了所有必要数据，从而得以精细地绘制近邻恒星育婴室的距离。

/拉德克利夫波的发现

在道格·芬克贝纳（Doug Finkbeiner）领导的三维尘埃测绘小组的支持下，我与博士生约书亚·斯佩格（Josh Speagle）合作，在那个夏天开发了我们新的基于盖亚数据的三维尘埃测绘流水线，并将其应用于附近的恒星育婴室。然而，直到那年秋天晚些时候，当我们开始与维也纳大学的若昂·阿尔维斯（João Alves）合作时，我们才注意到一种模式。

隐藏在盘面内|从远离银河系中心的平面上，是看不到拉德克利夫波的。只有当天文学家绘制出附近区域恒星育婴室（红色圆圈）的三维分布图时，拉德克利夫波的形态才能得以显现（并非所有展示出来的育婴室都处在拉德克利夫波中）。

彼时，若昂正利用他的学术休假研究盖亚数据，注意到一个关键问题，并来找我讨论。他一直在钻研之前的三维尘埃图（那些只基于恒星颜色的分布图），并认为他看到了猎户座星云和第二个恒星育婴室——大犬座OB1（CMa OB1）之间极其微弱的某种物理联系。

通过将新的距离转换成该区域最新的三维气体分布图，我们发现这两个育婴室确实是相连的，形成了一个3000光年长的纤维状弧，从薄饼银盘的中点（CMa OB1附近）开始，一直向下延伸到银盘下方500光年处的猎户座。

但我们并没有止步于此。在接下来的几个月里，我们绘制了越来越多的纤维分布图，直到最终揭示了它的完整形状：一条在银盘内外起伏的长达9000光年的波，成千上万的新恒星正在其中形成。这个结构被命名为拉德克利夫波，以纪念若昂作为拉德克利夫研究员的经历，它包含了太阳附近的大部分恒星育婴室，连接着跨越如此大天区的气体云，天文学家从未预料到它们之间会存在联系。这条波的质量大约是太阳的300万倍，它也代表了我们银河系中已知的最大相干气体结构。

太阳与这个庞然大物的最近距离大约有400光年——也就是说这条波就位于我们银河系的鼻子前面。虽然用自家后院的望远镜就可以在天空中看到拉德克利夫波中的许多区域，但我们却直到今天才发现它，这要归功于盖亚让我们得以通过三维尘埃映射使距离分辨率得到大幅提升。有了精确的距离，我们终于可以把天空的二维视图转换为整个太阳系近邻区域恒星形成的三维视图。

俯瞰 |从这个角度俯瞰银河系的拉德克利夫波，可以看到它的线性形状。太阳是拉德克利夫波旁边的黄色星星（非等比例）。

那么问题来了，鉴于恒星育婴室是银河系旋臂结构的绝佳示踪体，这种波状结构与艺术家绘制的银河系印象图中看到的近邻旋臂之间存在着怎样的关系呢？事实证明，至少在我们的三维尘埃图所能看到的范围内——拉德克利夫波是离太阳最近的旋臂的气体储存库，被称为近域旋臂。

我们的太阳大约在1300万年前穿过拉德克利夫波，而现在它（随机地）位于本地泡的中心。恒星形成的动态特性意味着银河系远离我们而去的那一部分在1300万年后可能会变得无法辨认。艺术家今天的印象画并不能描绘未来的银河系。

之前依赖于散布在银河系各处的恒星育婴室形成的图像表明，从侧面看时，近域旋臂坐落在银河系像煎饼一样的银盘内。当从银盘上方看时，它呈弧形，有点像面糊中的巧克力漩涡。从侧面看，拉德克利夫波不是平坦的，而是在银盘中心平面的中点上下起伏，振幅约为500光年。这个幅度大约是天文学家传统上假设的银河系致密气体盘厚度（基于对整个银河系的平均得出的结论）的三倍，恒星就是从这些气体盘中形成的。从俯瞰的角度看，拉德克利夫波不是弯曲的，而是直的，长度是宽度的25倍。事实上，在大尺度上，所有的旋臂也许都可以由一系列这样的线性截面组成。只有当它们连在一起时，它们才会形成一个弯曲的形状，就像一列长列的货车在轨道上转弯一样。不用说，我们现在需要艺术家创作一幅新的银河系后院印象画。

骨架|形成恒星的云团，曾经被认为大致是球形的，但事实并非如此。这些充满尘埃的气体区域排列成细长的纤维。利用三维尘埃分布图，作者及合作者绘制了英仙座分子云的分布图，以二维（左）和三维（右）的方式将该区域可视化。云团的“脊”上 密度最大，脊上的点按距离由从近（蓝紫色）到远（黄橙色）的不同颜色表示。

/从距离到形状

三维尘埃绘制革命的发展速度远远超出我的预期。由于数据科学技术方面的进步，该领域的研究重心已经从能够确定云团的距离转变为能够勾勒出云团的形状。我们现在不仅能知道云团在哪里，还能知道它们的样子。

最近，我们首次对拉德克利夫波内外的致密云团进行了三维分析，发现它们并不是传统上认为的球形，而是呈纤维状。我们发现，这些延展开的云团反过来似乎与超新星制造出来的稀薄气体空腔密切相关。当我们将这些纤维的方向与超新星周围的空腔壁相匹配时，我们发现最近的云团覆盖在这些空腔的边界上。就像扫雪机在叶片边缘扫起并压实积雪一样，这些超新星扫过周围的气体，疏散空洞，导致密度更大的气体在它们的表面堆积起来。

我们的太阳恰好穿过其中一个被超新星扫过的空洞的中心，这个空洞被称为局部气泡。我们发现这个气泡实际上还在膨胀，在拉德克利夫波最近的区域扫过并压缩气体。

事实上，这样的气泡无处不在——在波浪中和波浪周围，而且大小不一。那些在波浪内部的人创造出它的气体，而那些在波浪外部的人把它推到这边那边。整个波浪看起来像有洞的奶酪串。

这意味着附近的恒星形成云不仅位于拉德克利夫波中，而且还位于气泡的表面。因此，恒星死亡很可能在形成恒星诞生的过程中发挥了作用——不管超新星是否最终导致了引力波的整体波动。

/隐藏的银河系

尽管这些令人兴奋的发现离地球很近，但太阳系附近终究只是银河系这个庞大大都市中的一个小郊区。我们银河系大约90%的区域还没有被三维尘埃测绘完全解析出来，包括位于银河系中心另一侧那整整一半银河系。如此遥远的距离在很大程度上超出了当前可见光观测的范围，即使是像盖亚这样强大的卫星也无能为力。

为了解开隐藏的银河系，我们必须将希望寄予下一代天文台，包括计划于2026年底至2027年初发射的南希·格蕾丝·罗曼空间望远镜。罗曼望远镜的视野比哈勃空间望远镜大100倍，并配备了红外摄像机，可以穿透银河系尘埃盘窥探星系中心，罗曼望远镜将为理解银河系的结构和动力学性质打开一扇全新的大门。我和其他许多银河系天文学家都无比期待利用罗曼望远镜对银盘进行一次全面的巡天观测。这样的巡天将获取数百亿颗恒星的颜色，也将获得其中一部分恒星的精确距离——这是为银河系尚未探索的90%的区域建立可靠的三维尘埃分布图两个必要的关键因素。

哥白尼原理告诉我们，我们并不是宇宙的特殊观测者，所以我们不可能恰好躺在银河系中唯一一个充满气泡的、呈正弦波状的恒星育婴室旁边。肯定还有更多这样的星球等着我们去发现。有了罗曼望远镜这样的下一代空间望远镜，我们一定能够找到它们。

——选自《中国国家天文》杂志2025年3月刊

作者简介 /

凯瑟琳·祖克尔（Catherine Zucker），马萨诸塞州剑桥市的天文学家。她将数据科学、数据可视化和大规模地面与空间巡天相结合，以更好地理解我们称之为家 园的银河系。

译者简介 /

李海宁，中国科学院国家天文台研究员，主要从事银河系考古研究。曾翻译包括《天文学百科》在内的多部科普书籍。