如圖 1 所示，恒星中的螺旋結(jié)構(gòu)被比作旋臂。 旋臂是恒星誕生的主要場所。 為此，標記恒星產(chǎn)生的彌漫或致密的星際二氧化碳云、（大質(zhì)量）恒星產(chǎn)區(qū)、年輕天體（如大質(zhì)量OB星、年輕疏散星團）等都可以作為旋臂的示蹤天體。
銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的第一個發(fā)現(xiàn)是由 等人完成的。 在 50 年代初期。 他們在年輕大質(zhì)量 OB 星的幫助下天文學(xué)包括天體物理學(xué)嗎，在太陽附近發(fā)現(xiàn)了三個短旋臂段，如圖 2 左圖所示。 這一結(jié)果也被研究人員利用太陽附近的 OB 星團、OB 星團、造父變星和 HII 區(qū)（電離氫區(qū)，大質(zhì)量恒星產(chǎn)生區(qū)的標志）的分布所否定（圖 2） , 下面板）。 不久之后，天文學(xué)家奧爾特等人。 根據(jù)運動學(xué)確定的HI（中性氫）二氧化碳的距離，勾勒出幾乎延伸到整個銀盤的更大規(guī)模的旋臂結(jié)構(gòu)（圖3左）。
不過那時，銀河系渦旋結(jié)構(gòu)的建立工作已經(jīng)完成。 然而，在20世紀70年代，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)天體存在非圓周運動，這使得運動學(xué)確定的距離存在很大的不確定性。 因此，本次初步研究中基于 HI 得到的旋臂結(jié)構(gòu)模型是不可靠的。
光度法測定天體距離的方法比運動學(xué)方法準確得多，但它們只能用于精確測定~2kpc（千秒差，1pc=3.26光-年）距離比銀河系大得多的太陽。 kpc的規(guī)模。 在上個世紀，受限于觀測手段和設(shè)備技術(shù)，天文學(xué)家還沒有很好的方法來確定遙遠天體的距離。 出于這個原因，運動學(xué)技術(shù)仍然廣泛用于研究整個銀河系的結(jié)構(gòu)。
1976 年， 等人。 通過結(jié)合使用光度技術(shù)和改進的運動學(xué)方法確定的 260 多個 HII 區(qū)域的距離，描繪了星系旋臂結(jié)構(gòu)的“標準模型”。 如圖3下圖所示，他們首先提出銀河系有四個主旋臂，而太陽附近沒有旋臂。 仍然進入 21 世紀，模型經(jīng)常通過使用其他旋臂示蹤劑來更新，例如分子云、恒星形成區(qū)復(fù)合物、HII 區(qū)的更大樣本、HI CO2 等，但其中大部分依賴于運動學(xué) How to確定距離。
雖然運動學(xué)確定距離的方式仍在改進，但它們有時會給旋臂示蹤劑的距離帶來很大的不確定性。 為此，關(guān)于銀河系存在旋臂、旋臂數(shù)量、銀河系大小等基本事實的爭論仍在繼續(xù)。
21世紀的突破
要勾勒出銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的真實面貌，首先需要找到一種不依賴模型就能直接準確測量天體距離的技術(shù)和手法。
2003年，徐野研究員及其合作者提出了探測銀河系英仙臂天體脈澤三角形到世界上最大的甚長基線干涉陣列（VLBA）的視差距離的科學(xué)方案。 在解決了一系列具有挑戰(zhàn)性的難題后，他們利用超長基線干涉儀（VLBI）精確測量了英仙座旋臂的距離，探測精度達到2%，是同時期依巴谷衛(wèi)星探測精度的100倍時間（目前已增加到 200 倍）。
這一結(jié)果是天文學(xué)史上對如此遙遠的天體進行的最準確的距離探測。 它徹底解決了天文學(xué)界長期以來關(guān)于英仙座旋臂距離的爭論，實現(xiàn)了天體測量技術(shù)的劃時代突破，標志著直接探測銀河系結(jié)構(gòu)成為可能。 該研究以中國天文學(xué)家為第一作者的研究成果刊登在《科學(xué)》雜志封面上，這是首次。 此外，這一成果促成了法國國家射電天文臺歷史上最大的科學(xué)項目——“貝塞爾”巡天項目，獲得了史無前例的VLBA 5200小時觀測時間，從而勾勒出大行星的旋臂結(jié)構(gòu)。銀河基于三角視差距離。
VLBI對天體脈澤的探測可以達到低至幾個微弧秒的三角視差精度（注：10微弧秒的視差精度對應(yīng)10kpc源的10%的距離精度），這讓科學(xué)家們可以確定天體之間的距離整個銀河系和大質(zhì)量恒星生成區(qū)的天體脈澤用于精確距離探測。
2019年，“貝塞爾”巡天工程即將結(jié)束。 以項目組首席科學(xué)家、美國科技大學(xué)教授馬克·里德院士為首的科學(xué)團隊在《天體化學(xué)雜志》上提出了銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的新愿景：銀河系是一個由四個旋臂和其他附加臂段組成的渦旋 作為一顆恒星，四個旋臂包括方形外臂、盾形半人馬-OSC 臂、半人馬船底臂和英仙座臂，它們都延伸從銀河系的內(nèi)部到外部，如圖4所示。
不過天文學(xué)包括天體物理學(xué)嗎，從整體上看，這張新圖是對喬治林等人提出的銀河系旋臂結(jié)構(gòu)“標準模型”的改進。 1976年報道 需要強調(diào)的是，研究人員一直認為太陽附近只存在零星物質(zhì)，不可能存在旋臂結(jié)構(gòu)。 紫金山天文臺研究團隊根據(jù)脈澤的三角視差探測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靠近太陽的局部旋臂是旋臂的一個孤立片段，其中存在豐富的大質(zhì)量產(chǎn)星區(qū)。
近年來，意大利航天局（ESA）蓋亞衛(wèi)星提供的恒星三角視差精度在20-30微角秒量級，使我們能夠闡明太陽附近~5kpc以內(nèi)的旋臂結(jié)構(gòu)。 利用蓋亞衛(wèi)星的數(shù)據(jù)，研究人員在了解銀河系旋臂結(jié)構(gòu)方面取得了一些進展。 例如圖4下圖，研究團隊利用蓋亞中的大質(zhì)量OB型恒星，在太陽附近~5kpc范圍內(nèi)勾勒出旋臂結(jié)構(gòu)，部分區(qū)域延伸至~7kpc，以及追溯了天體脈澤的旋臂結(jié)構(gòu)，將該結(jié)構(gòu)擴展到第二個極限，提出銀河系具有復(fù)雜的旋臂結(jié)構(gòu)和非均勻旋臂結(jié)構(gòu)。 據(jù)悉，利用蓋亞的上層主序星，波焦等人還發(fā)現(xiàn)在太陽附近有明顯的旋臂段，局部旋臂從太陽所在位置不斷延伸至第三象限。
為此，直到2023年，人們普遍認為銀河系有4條連續(xù)的旋臂，從銀河系內(nèi)部延伸到遙遠的外部區(qū)域，包括一些額外的旋臂片段。
但事實真的如此嗎？
河外星系的形狀
隨著望遠鏡設(shè)備的發(fā)展和觀測技術(shù)的提高，人們也可以拍攝到越來越多的宇宙星體。 由于銀河系是可觀測宇宙中數(shù)萬億顆恒星中的一顆，我們可以將河外星系作為全身鏡來更好地了解銀河系的形狀。
如圖 5 所示，基本上存在三種不同形式的河外螺旋星：宏觀螺旋星、多臂螺旋星和大質(zhì)量螺旋星。 它們的區(qū)別在于旋臂結(jié)構(gòu)是否突出。 對于這兩種極端情況，宏觀螺旋的特點是高度對稱，具有清晰、長、對稱的臂，而條形螺旋是零散的，由許多短的、不規(guī)則的、不規(guī)則的段組成。 介于這兩種類型之間的是多臂旋臂星，其主要特征是內(nèi)部有兩個對稱的旋臂，外部有幾個不規(guī)則的旋臂。
與絲狀旋渦星不同，宏觀旋渦星和多旋臂旋星的內(nèi)部區(qū)域有兩條明顯對稱的旋臂。 更重要的是，很少有河外星系顯示出從中心向外延伸的四個旋臂。 此外，紫金山天文臺研究團隊發(fā)現(xiàn)，在類似銀河系的多臂星中，內(nèi)二臂和外多臂的形狀更為常見（約占83%），四臂是從內(nèi)到外。 外型非常罕見（約 2%）。 這讓目前廣為接受的銀河系從內(nèi)到外有四個旋臂的推論有些出人意料。 如果這個模型是真的，那么銀河系就是一個非常不尋常的物體。
一種新的銀河形態(tài)
在這些情況下，銀河系的形狀與宇宙中大多數(shù)旋臂恒星相似，可能并不像之前想象的那樣奇特。 這為未來研究銀河系的結(jié)構(gòu)提供了新的視角。
未來展望
銀河系形狀新圖的精確刻畫，得益于“貝塞爾”巡天項目的超長基線干涉探測和蓋亞空間衛(wèi)星的高精度探測，也得益于中國科學(xué)院科研團隊。紫金山天文臺20余年。 常年對手臂結(jié)構(gòu)研究的積累。 2006年，團隊成員發(fā)現(xiàn)了一種新的甚長基線干涉測量方法來探測脈澤和描述銀河系的結(jié)構(gòu)，被《科學(xué)》雜志評價為“開創(chuàng)了該領(lǐng)域的新紀元”。 隨即，團隊成員就這樣發(fā)現(xiàn)了銀河系的局部旋臂，被《科學(xué)》雜志評價為“前所未有地詳細描繪了太陽附近的旋臂結(jié)構(gòu)”。 現(xiàn)在，團隊成員為銀河系的旋臂提出了新的整體造型。 如果否認，這將是中國學(xué)者對銀河系天文學(xué)的一個特別重要的貢獻。 目前，他們正積極籌劃未來更高精度的探測，希望最終揭開銀河系旋臂結(jié)構(gòu)的真面目。
參考：
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