1.银河的定义

我们所看到的银河，只是银河系在天球上的投影。那么，银河系到底是什么呢？银河系是一个巨大的恒星系统，它是由大约1400亿颗恒星和大量的星际物质组成的庞大的物质体系。

我们所在的太阳系本身就是银河系中的一员，所以我们是看不到银河系全貌的。但我们可以通过计算分析银河系的结构和形状。第一个做这项工作的是英籍德国天文学家赫歇耳，他计算了若干天区内的恒星数目并进行统计研究后，于1785年绘制了最早的银河系结构图。

今天我们知道的银河系总体结构大致是以下这样的。

银河系的主体像个铁饼，叫作“银盘”，直径约为10万光年；银盘的中心平面叫“银道面”；银盘中间鼓出来一大块叫“核球”；核球中间有一个特别密集的区域，它是银河系的中心，叫“银心”。银心直径大约是5光年，这里是银河系中最“秘密”的区域，也是恒星高度密集的区域，它拥有相当于1 000万个太阳的质量。

围绕银心从银盘内甩出了4条“旋臂”，我们人类所在的太阳系就处在其中一条旋臂上。

通常，旋臂内的物质密度比臂间约高出10倍。在旋臂内恒星约占一半质量，剩下的一半物质是气体和尘埃。旋臂的典型厚度只有150秒差距，由于旋臂中多有亮星，其旋涡结构是非常明显的，所以银河系和有类似结构的星系都叫作“旋涡星系”。

银河系由许多次系组成，各个次系在空间分布、时间运动和物理特性方面互有区别。银河系次系可分为三类：第一类是扁平次系，例如O型星次系、B型星次系、经典造父变星次系和银河星团次系等，它们高度集聚于银道面两旁，形成扁平状的系统；第二类是球状次系，如天琴座RR型变星次系、亚矮星次系和球状星团次系等，它们以银河系中心为集聚点，形成球状系统；第三类是中介次系，介于扁平次系与球状次系之间，如新星次系和白矮星次系等。

银河系恒星大部分是成群成团地分布，据统计推算，银河系应有18 000个银河星团和500个球状星团，受观测技术限制，迄今仅观测到球状星团132个，银河星团1 000多个。除了恒星外，银河系内还存有大量的弥漫物质，即气体和尘埃。它们除了聚成星际云，高度集中分布于银道面附近外，还广泛散布在星际空间。银河系的质量为太阳质量的1 400万亿倍，其中恒星约占90%，气体和尘埃组成的星际物质约占10%。

2.深入了解银河系

每颗恒星在太空中的运动都可以分为两部分：一是横越我们视线的运动，即“横向运动”，它可以由恒星“自行”计算出来；二是朝向或离开我们的运动，称为“视向运动”，它可以根据光谱的位移确定。对于不同的恒星，这两种运动的组合情况当然会有所不同。但是，如果观测大量的恒星，就可以发现它们的平均视向运动大致等于其平均的横向运动。

球状星团在天空中的分布之所以看起来偏于一边，是由于地球在银河系中偏于一边的缘故。因此，当我们朝人马座方向看去时，我们的视线要穿过77 000光年的一厚层恒星，而在相反的方向上，则仅需穿过23 000光年厚的恒星。倘若果真如此的话，银河各处又为什么几乎一样亮呢？

原来，在群星之间存在着许多气体和尘埃。它们就像雾一样吸收着光线，使人们看不见它们背后的恒星。这种气体——尘埃云散布在整个银河系内。它们使我们无法看见银河系的中心，当然也无法看见银河系中心的另一侧。事实上，我们看见的仅是银河系中邻近地球的某个范围，而我们自己又正好位于这个范围的中央。这便是银河在各个方向上看起来几乎都一样亮的原因。多亏了球状星团，才使我们即使看不见，也还能推知整个银河系的巨大范围。今天的测量精度进步了很多，现在我们知道：银河系的直径约为85000光年，太阳差不多正好位于银河系的对称平面上，与银河系中心相距约27 000光年。

3.肉眼可见的猎户座大星云

用肉眼可以看到的星云是猎户座大星云。冬夜，猎户座高悬南天，中间三颗恒星排成一条线，十分像猎户的腰带，在腰带下方悬挂的宝刀上，即在猎户座θ星处，有一片模糊的光斑，就是“猎户座大星云”，用望远镜观看，光斑并不像银河系或其他旋涡星系那样分解为颗颗恒星。光谱的观测表明，它真的是一团稀薄的气体，这些气体物质发射出淡绿色的光芒，形成一个不规则的云块，包围在由四颗像宝石一样闪光的恒星组成的不规则四边形之中，构成了星空中最美丽的天体之一。它离我们只有约500秒差距远，直径约有5秒差距（秒差距，最古老的天文学长度单位），主要由电离的氢组成，发射出由氢、氦和氧的发射线组成的光谱。估计猎户座大星云的质量约为太阳质量的300倍。

4.亮星云和暗星云

亮星云在热星照耀下的发光过程大致如下：恒星发出的光子轰击着星云中的原子，低频光子不会产生什么影响，但波长短于9.12×（10 -8 ）米的紫外光子会使氢原子电离，也就是使外围电子与氢原子核分开。电离后，带负电的电子不容易与带正电的离子重新复合，因为星云物质十分稀薄，自由电子往往要奔跑几天甚至几十天才能遇上一个氢离子并与之复合，因此亮星云的周围永远存在着一个由电离氢组成的区域，被称为“电离氢区”。

自由电子与氢离子的复合会发射光子，光子的频率取决于电子达到的能级，如果光子能量较大，它会被另一个氢原子吸收，使后者激发或电离，只有较低能量的光子才能从星云中逃逸出来。因此，每一个紫外光子最后总会变成一个红色光子和一些波长更长的光子，这就是我们观测到的包含氢发射线的星云光谱。上述过程被称为“荧光过程”。

炽热恒星的紫外照射还会加热电离氢区，一般中性氢区的温度为绝对温度100K左右，而电离氢区的温度一般达1万K。在这样的温度下，粒子间的碰撞可以把一些重元素离子激发到亚稳状态，处在高能态的离子是不稳定的，会很快发射光子返回低能态，但在亚稳态发射光子需要长得多的时间。在地球实验室中，即使在理想的真空条件下，粒子间的碰撞仍很频繁，粒子难以有足够长的时间停留在亚稳态，也难以发出相应的谱线。因此，这种谱线被称为“禁戒谱线”。但在星云中物质密度很低，每立方厘米平均只有10个到1 000个粒子，粒子间的碰撞十分稀少。于是，在这种特定条件下，亚稳态可保留足够长的时间，并产生禁戒谱线。结果星云的禁戒谱线可以产生且可以与氢的谱线差不多强，造成这个结果的原因就不难理解。电子使一些重元素离子激发到亚稳态，但同样电子又可以使亚稳态离子经碰撞返回基态，难以长时间维持。因此电子密度足够低是产生禁戒谱线的条件。另外，电子密度低将使它和氢离子复合的过程不易发生，从而减少了氢谱线的强度。因此，虽然星云中氧离子数目比氢离子少1/1 000，但是1927年，鲍恩（I.S.Bowen）却在星云光谱中观测到了与氢谱线差不多同样强的两条电离氧的谱线（4.959×10 -7 米和5.007×10 -7 米）。由于很长时间内人们无法解释这个事实，所以就把它归结为星云中某种神秘元素“NFDD8”发出的辐射。对“NFDD8谱线”的解释再一次证明，“天上”和“人间”由同样的物质组成，遵循同样的物理规律。