探索银河系的秘密，看不见的大质量恒星，是怎么形成的

说实话，在看到银河系拥有1000亿颗恒星的时候还是非常吃惊的，但是联想到银河系的直径足足有十几万光年。那么银河系的密度其实并不是太大。为什么会这样说呢，其实我们可以从以下三个原因来解释这一点。

银河系的直径。

在我们通过望远镜进行探测的功能当中，发现银河系的直径其实远超当初我们定义的10万光年。太阳系处在银河系的第三悬臂之上，距离银河系的中心不远不近。在夜晚的时候，当我们遥望星空的时候发现那些闪光点都是恒星。虽然银河系里边儿拥有1000亿颗恒星，但是放在十几万光年的银河系里边儿却并不会太过于密集。

如何定义恒星密度。

为什么我说银河系的恒星密度其实非常低，这主要是因为我们的银河系在整个宇宙当中其实是一个非常基本的星系。在银河系之上还有星系团，超星系团以及星系组。他们构成的宇宙远超过我们的想象，而银河系在漫长的形成过程当中，其实都是由最中心的一个黑洞来负责运转的。这就导致了在银河系的中心地带，恒星的数量远远超过边缘地带。

银河系如何划分？

前边我们也说了，在银河系的中心地带，恒星的密集度是非常高的。甚至于有一些星星根本就没有行星的存在，整个星系只有一颗恒星，因为恒星的密度太高，导致这些恒星都在漫长的发展过程当中被这些恒星给吸收。其实我们完全可以用太阳系来作为一个判断的标准。要达到太阳系这样规模的恒星系其实并不多。在太阳系的外围恒星非常少，可以算作是恒星疏散区，而太阳系以内的地区恒星又比较密集，算是高密度地区。

是黑洞，根据史瓦茨半径，黑洞的最低体积、密度比为：R/M=2G/C^2又因为球体的质量与密度和半径的关系为：M=4nuR^3/3 （n圆周率、u为物质平均密度）因此，黑洞的半径与最低密度的关系为：R^2=3C^2/8Gnu=1·61*10^26（1/u）具体推论：1、已知地球的密度为：u=3·34*10^6 千克/立方米，代如上式得：R=6·94*10^9 米也就是说：当象地球这样密度的物质，只要堆积成一个半径为七百万公里的球体（比太阳半径大不到11倍），其表面将使光无法逃逸。2、设宇宙的半径为150亿光年，即：1·42·*10^24 米，代入半径与密度的关系得：u=1·14*10^-11 千克/立方米也就是说：假如我们的宇宙密度达到1·14*10^-11 （千克/立方米），它才能弯曲成一个超级球体。3、已知我们宇宙的平均密度约为：1*10^-28 千克/立方米，代如得：R=1·27*10^27 米=1113亿光年也就是说：假如我们目前对宇宙密度的观测是基本对的，那么，宇宙的半径需要有1113亿光年大，它才能弯曲成一个超级球体。

水星的小档案

平均日距 57,910,000 千米

直径 4,878 千米

质量 3.30e23 千克

密度 5.43 gm/cm

重力 0.376 G

公转 87.97 地球天

自转 58.65 地球天

水星是最靠近太阳的行星，由於水星距离太阳实在太近了，表面温度很高，太空船不易接近，在地球上也不容易观测，因为可观测的时间都集中在清晨太阳出来的前几分钟，和夕阳落下后的几分钟，时间不容易掌握，而且，在背景亮度尚高的情况下，要去找一颗比月亮大不了多少的水星，实在不是件轻松的事水星是最靠近太阳的行星，所以它运行的速度比其他行星都快，每秒的速度接近48公里，并且不到88天就公转太阳一周。水星非常小（九大行星中 仅有冥王星比它小），是由岩石构成的，表面布满被流星撞击而形成的环形山和坑洞，另外有平滑，稀疏的坑洞平原。水星表面另外还有山脊，这是行星在40亿年前核心逐渐冷却与收缩所形成的，因此表面起伏不平。水星自转的速度非常缓慢，自转一周将近59个地球日，所以水星的一个太阳日（从日出到另一个日出）差不多要176个地球日—相当於水星一年88日的两倍长。水星的表面温度很悬殊， 向阳面高达摄氏430度，阴暗面则在摄氏零下170 度。当黑夜降临时，由於水星几乎没有大气层温度下降很快。大气成分包括由太阳风所捕捉到的微量氦和氢，或许还有一点其他的气体。

金星的小档案：

平均日距 108,200,000 km (0.72 AU)

直径 12,103.6 km

质量 4.869e24 kg

密度 5.24 gm/cm

重力 0.903 G

公转 224.7 地球天

自转 243 地球天

金星是太阳系第二颗行星，全天最亮的行星就是金星，通常是在清晨或傍晚才看得到，最亮时的亮度可超过 -4，有如一盏挂在山边的路灯，一般的望远镜即可观测，常可看到如月球的盈亏现象。在古代的西方世界，金星代表著美丽的女神金星是一颗岩石构成的行星，也是距离太阳第二远的行星。金星在绕太阳公转的同时也缓慢的反方向自转，因此使它成为太阳系中自转周期最长的行星，大约需243个地球日。

金星比地球稍微小一点，内部构造或许也类似。金星是除了太阳与月球外，天空中最亮的天体，这是因为它的大气层能强烈的反射阳光。大气层的主要成分是二氧化碳，它能在温室效应下吸收更多的热，因此，金星成了最热的行星，表面高温度可达摄氏480度。厚的云层内含有硫酸的小滴，并由风以每小时接近360公 里的速度吹向行星各处。虽然金星需要243个地球日才能自转一周，但高速的风只需4个地球日就把云吹得环绕行星一圈。高温、酸云和极高的大气压力，（大约是地球表面的90倍），显示金星的环境恶劣。

地球的小档案：

平均日距 149,600,000 km (1.00 AU)

直径 12,756.3 km

质量 5.976e24 kg

密度 5.52 gm/cm

重力 1 G(9.8 m/s2)

公转 365.26 地球天

自转 1 地球天

美丽的地球，生命的奇迹，是宇宙的巧合或是上帝的杰作？地球是太阳系第三颗行星，有一卫星称为月亮，地球大气层的保护及距离太阳位置的适当，是生命起源的重要条件。

地球是距离太阳第三远的行星，也是直径最大和比重最大的岩石行星，同时也是唯一 己知有生命存在的行星。地球内部的岩石和金属显示它是一颗典型的板块组成，由於板块推挤，因此交界处会发生地震和火山等活动。地球的大气层和同一张保护层，它能阻挡来自太阳有害人体的辐射，并防止流星撞击行星表面，除此之外，还能积存足 够的热，防止气温急遽下降。地球表面有百分之七十为水所包围，其他行星的表面都未发现这类液态形式的水。地球有一个天然卫星——月球，它大得足以把这两个天体视为一个双行星系统。

火星的小档案：

平均日距 227,940,000 km (1.52 AU)

直径 6,794 km

质量 6.4219e23 kg

密度 3.94 gm/cm

重力 0.38 G

公转 686.98 地球天

自转 1.026 地球天

恒星的质量是恒星的标量，是恒星构造和演变的决策要素。运用双星的路轨健身运动是明确恒星质量最压根、最靠谱的方式。一般恒星质量在0.05～120个太阳质量。大部分恒星在太阳质量的0.1～10倍，处在银河系悬臂中的大部分大恒星，质量大多数在6～60倍。假如质量再大的恒星，它就很不稳定，无法存有。假如恒星质量过小，它的管理中心温度和工作压力不足，无法造成长久高效率核反应给予动能，即不可以变成具备恒星特性的星体。

如今已经知道质量较大的恒星之一如HD93250星，它的质量大概是太阳质量的120倍。HR2422双星的主星和伴星质量大概全是太阳的59倍，角宿一双星的主星质量约为太阳的10倍，五车二双星中两星质量各为太阳的2.7和2.6倍，天狼星主星质量为太阳的2.1倍。

质量最少的恒星是鲸鱼座的VV星，它是一对双星，大的一个质量是太阳质量的8％，小的一个仅有太阳质量的4％，这一小的早已失去做为恒星的资质。75％的白矮星质量为太阳的0.45～0.65倍，很多红矮星的质量不上太阳的一半甚至低于太阳的1／10。由此可见，在恒星全球里，太阳质量也垂直居中等影响力。自然，现阶段已精确测到质量的恒星还很少，也有很多科学研究工作中要做。

以容积除质量就获得均值密度。恒星中间的直径相距1亿倍左右之上，而恒星中间的质量相距仅几千倍。不难看出，恒星质量区别比体积差别小得多。不难想象恒星中间的密度区别是何其令人震惊了。地球上的密度是水的5.5倍，太阳的均值密度则仅有水的1.41倍。比太阳早的主星序的恒星的密度都低于1，比太阳晚的矮星密度都超过1。

做为恒星全球中的猿巨人红超巨星，他们的容积比太阳大上百万、几亿倍，而质量却只比太阳大几十倍，他们的均值密度只是为水的上百万、干万乃至亿分之一，其较稀水平显而易见了。比如，仙王座VV红超巨星的均值密度基本上跟试验室的真空泵相差无异。在恒星全球中，密度大得令人震惊的就是中子星和白矮星，白矮星密度达101Kg／米3，1立方分米那样的化学物质的净重就会有好几十吨，他们的体型小得十分，质量却和太阳旗鼓相当。中子星的密度达10117～1018Kg／米3，它是试验室没法做到的超密态。

古人云：不识庐山真面目，只缘身在此山中。人类身处银河系，又是如何得知银河系的全貌呢？科学家是怎样做到的？

其实答案可能出乎你的意料，因为银河系的形状是科学家猜出来的。

一、什么是银河系？

银河系就是太阳系所处的星系，古代人们又叫它为银河、天河、天汉等，这是一个直径在10万光年到18万光年之间的棒旋星系。

银河系内大约有一千亿至四千亿颗恒星，以及大约一千亿颗行星，其中太阳系位于距离银河系中心大约两万四千光年至两万八千光年的位置。因为我们身处银河系，所以在地球上看银河系，呈现带状，仿佛天上的星河。

科学家为了方便研究银河系，把银河系按照物质密度主要划分为4条螺旋臂，也就在位于这4条螺旋臂上的星际物质密度要高于银河系密度的平均值，由于银河系会变化，所以这种划分并非永久的，只能粗略描述银河系。

这4条主悬臂分别为英仙臂、人马-船底臂、矩尺臂和盾牌-半人马臂。

太阳系就位于猎户臂，猎户臂是夹在英仙臂、人马-船底臂之间的小支臂，距离银心约2万6千光年。这就是银河系的基本情况，可以看到，人类的确身处太阳系，却知道了银河系的模样。

但这个模样并非最终版，目前来说，随着科技进步，人类对银河系的了解也是在逐步深入，所以也有报道说发现了银河系的新旋臂，这点我们不必大惊小怪，因为人类对银河系的认识还未停止，我们要学会用动态的眼光去看待。

二、人类如何认识银河系的？

因为人类身处太阳系，所以很难得知银河系真正的模样，为了得到银河系的形状，科学家费了很大功夫。

1906年，荷兰天文学家卡普坦号召全世界天文学家联合起来“数星星”，人们当时对银河系非常好奇，尽管是战争年代，世界各地天文学家还是非常努力，把大量数据发给了卡普坦。

经过统计计算，就得到了著名的“卡普坦宇宙”模型。

这是一个直径大约5万5千光年，厚度为1万1千光年的透镜状星系，其中太阳位于中心附近，距离银心2000光年。目前已知银河系至少10万光年，所以卡普坦宇宙模型要比实际宇宙小约一半，原因星际尘埃会遮挡星光，造成星际红化现象，当时还不知道这一点。

星际红化就好比傍晚的太阳发红一样，这是因为星光多次穿过星际尘埃后，波长短的蓝光被消耗掉了，只剩下波长较长的红光，而星光的亮度，正是天文学家用来估计星星距离的方法，原理也很简单，就是越远越暗。

除了星际红化现象，卡普坦宇宙中太阳系距离银心仅2千光年，而实际上太阳系距离银心约2万6千光年，卡普坦宇宙也太不准了吧！

这也正常，毕竟卡普坦收集的数据都是别人给的，所以质量无法保证。

1918年，美国天文学家沙普利用威尔逊山天文台2.5米望远镜，当时是世界最大望远镜，观察了约100个球状星团，他发现，如果假设太阳系位于银心附近，那么球状星团的分布就是不均匀的，如果把太阳系放一边，球状星团的分布就均匀了。

沙普利模型的意义在于否定了太阳系位于银河系中心，而之前的科学家一直把太阳系当作银河系中心，这是不是感觉跟地心说到日心说很像呢？

遗憾的是，沙普利仍未考虑到星际尘埃遮光的影响，所以他实际上估算的太阳系距离银心为5万光年，比真实的2万6千光年左右仍大。星际尘埃遮光问题，后来被天文学家特朗普勒解决了，至此，人类对银河系的形状，以及太阳系跟银河系的关系就大致清楚了。

三、为何说银河系外视角的形状是猜出来的？

要知道银河系的真正“外貌”目前来说是不可能的，这就好比人站在树林中，却想得到树顶的照片一样，如果人们没有飞出银河系，自然永远无法得知银河系的外视角照片。

虽然无法直接得知，但是我们确定了银河系属于棒旋星系，而且我们可能观察到其他类似的棒旋星系，所以就能猜出来银河系从外面大致看上去什么样了。

比如上图的波江座星系NGC 1300，就是一个类似银河系的棒旋星系。

如何正确“猜”出来银河系的外视角照片呢？科学家利用欧洲航空局的盖亚探测器，对银河系内上十亿的恒星进行观测，确定它们的位置、距离，然后就能得知它们在银河系中的分布，进而再次基础上绘制出银河系的外貌，这就好比人虽然没有飞到空中，却依然能绘制出空中视角的地图一样。

我们下一次见到银河系的外视角照片时，心里就知道了，实际上这都是科学家基于数据合理猜测出来的，这种“照片”其实是不存在的，我们人类能看到的，仅仅是一个条带状的分布，那才是真正的银河系照片。

在太阳系中，有9颗行星、60多颗卫星和数十万颗小行星等。据估计，总共有几百万个天体。人类不可能知道还有其他科学家抛出两个宇宙或多重宇宙论，即这个宇宙可能与另一个宇宙相连。在银河星系中，大约有1000万颗恒星，至于银河，市中心，则不在本次统计范围内。在像银河系统这样的星系中，宇宙中有数亿个。

一、银河星系只是一个星系 

银河星系只是一个星系，在银河星系之外还有大约50亿个星系。连同我们自己的银河系统，它被统称为总星系。

宇宙是无限的，不断膨胀的，所以可能有无限多的星系。

人类进步的脚步从未停止，所以，如果按照哈勃理论假设宇宙有边界，估计有几百亿个星系。

因为每个星系有一千多亿颗恒星，况且星系中还有星云、中子星等天体，很难给出一个确切的数字。

二、银河系一模一样的星系不存在 

宇宙中有很多星系，但银河系专指我们的星系，所以只有一个星系。

宇宙中可能有很多类似银河系的星系，但不可能有和银河系一模一样的星系。

就算有也不会叫银河系，因为银河系只是人类给自己的星系起的名字。

银河系的形成是宇宙中一个有星系核的星系，当它赶上另一个有星系核的星系时。

三、宇宙存在2万亿个星系 

天文学家曾根据哈勃观测到的星系密度估计宇宙中有超过2万亿个星系

目前人类发现和观测的行星大约有1250亿颗，每个星系都有数百到数万亿颗类似太阳的恒星。

我们的银河系中大约有400亿颗行星，八大行星是木星、土星、天王，海王星、地球、金星、火星和水星。

银河系究竟有多大？这个问题一直困扰着什类。根据现代的科学研究表明，银河系主要由银盘（包括旋臂）、核球、银晕，以及外围的银冕，等部分构成。

银河系的主体为银盘，它的外型呈扁盘状，银河系内的大多数星云和恒星都集中在这个扁盘内，银盘的直径大约达到8万~10万光年，中间部分较厚，厚度约12000多光年，周围渐渐变薄，到太阳系附近便只剩一半厚度了。

由于巨大的银河系本身也要进行自转，所以银盘中的亿万颗星球环绕银河系中心做着旋转运动，四条旋臂从银盘中心向外弯屈伸展出来，看上去就像急流中的漩涡。这里所说的旋臂实际上是恒星，尘埃和星际气体的集中区域，但这物质密集的悬臂并不是固定不变的，恒星一直在旋臂上进进出出，只是他们能够在运动中基本做到“收支平衡”，所以旋臂的形状看上去始终保持不定。

银河系中央部分是一个核球，核球内密集着恒星，核球的直径在1.2万 1.5万光年之间，略呈椭圆形。由于大量的星云和气体尘埃阻挡住了观测的视线，因而，科学家们对核球方向的天文观测十分困难，所以人们至今对他的了解还比较少，但确信无疑的是，核求内的恒星分布式十分密集的。

银晕是在银盘外围的一个巨大包层，由稀疏的恒星和星际介质组成。它的体积至少要比银盘大50多倍，但质量却只占银河系的1/10，由此可见其物质密度非常稀薄。事实上，除了那些极其细薄的星际气体外，球状星团是银晕中的主要物质。

直到20世纪70年代中期，科学家们才发现了银冕，银冕处于银河系的最外围，它的氛围可远及50多万光年以外，比银河系的主体部分还要大。但银冕内基本上没有恒星，而是由极细薄的气体组成，所以很难准确的测出银冕的真正范围。

银河系的总体结构是：银河系物质的主要部分组成一个薄薄的圆盘，叫做银盘，银盘中心隆起的近似于球形的部分叫核球。在核球区域恒星高度密集，其中心有一个很小的致密区，称银核。银盘外面是一个范围更大、近于球状分布的系统，其中物质密度比银盘中低得多，叫作银晕。银晕外面还有银冕，它的物质分布大致也呈球形。观测到的银河旋臂结构2005年，银河系被发现以哈柏分类来区分应该是一个巨大的棒旋星系SBc(旋臂宽松的棒旋星系)，总质量大约是太阳质量的6,000亿至30,000亿倍。有大约1,000亿颗恒星。从80年代开始，天文学家才怀疑银河是一个棒旋星系而不是一个普通的螺旋星系。2005年，斯必泽空间望远镜证实了这项怀疑，还确认了在银河的核心的棒状结构与预期的还大。银河的盘面估计直径为100,000光年，太阳至银河中心的距离大约是26,000光年，盘面在中心向外凸起。银河的中心有巨大的质量和紧密的结构，因此强烈怀疑它有超重质量黑洞，因为已经有许多星系被相信有超重质量黑洞在核心。就像许多典型的星系一样，环绕银河系中心的天体，在轨道上的速度并不由与中心的距离和银河质量的分布来决定。在离开了核心凸起或是在外围，恒星的典型速度是每秒钟210～240公里之间。因此这星恒星绕行银河的周期只与轨道的长度有关，这与太阳系不同，在太阳系，距离不同就有不同的轨道速度对应著。银河的棒状结构长约27,000光年，以44±10度的角度横亘在太阳与银河中心之间，他主要由红色的恒星组成，相信都是年老的恒星。被观察到与推论的银河旋臂结构每一条旋臂都给予一个数字对应(像所有旋涡星系的旋臂)，大约可以分出12段。相信有四条主要的旋臂起源自银河的核心，它们的名称如下：2 and 8 - 3kpc 和 英仙臂 3 and 7 - 距尺臂 和 天鹅臂 (与最近发现的延伸在一起 - 6) 4 and 10 - 南十字座 和 盾牌臂 5 and 9 - 船底座 和 人马臂 至少还有两个小旋臂或分支，包括：11 - 猎户臂 (包含太阳和太阳系在内 - 12) 在主要的旋臂外侧是外环或称为麒麟座环，这是天文学家布赖恩·颜尼 (Brian Yanny)和韩第·周·纽柏格(Heidi Jo Newberg)提出，是环绕在银河系外由恒星组成的环，其中包括在数十亿年前与其他星系作用诞生的恒星和气体。银河的盘面被一个球状的银晕包围著，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份波长的电磁波，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，形成的暗银晕估计有6,000亿至3兆个太阳质量，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，比早先经由仙女座星系(M31)的盘面所获得的更多。最近新发现的证据，证实外环是由天鹅臂延伸出去的，明确的支持银河盘面向外延伸的可能性。人马座矮椭球星系的发现，与在环绕著银极的轨道上的星系碎片，说明了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著银河。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在线，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，暂时被称为室女恒星喷流。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了两个矮星系。

银河系中恒星的密度在不同的地点会有极其显著的变化,例如银心区和球状星团中的恒星密度会很高,而在银河系的外围密度会很低。若仅限于太阳附近16光年以内的邻域中,大约每284立方光年会有1颗恒星。