第五章 射电望远镜观测和空间天文探测

　　第一节 银河系的旋涡结构

　　著名荷兰天文学家奥尔特，在对银河系的较差自转研究做出独到贡献的基础上，还首先提出了银河系也具有旋臂结构的正确见解。1938年，他根据恒星的空间分布情况，定出在银心方向和反银心方向上各有一个恒星密集带。他认为这两个恒星密集带就是银河系的两条旋臂，而太阳则位于这两条旋臂之间。但是，由于银盘内恒星发出的光受星际介质——气体和尘埃的吸收和散射很严重，所以离太阳愈远的恒星就愈难以看到。这样，由局部旋臂描绘的银河系旋涡结构就很不完善，可以说基本上还是停留在理论假设阶段。

20世纪30年代， 央斯基（K．G．Jansky）首先发现来自银河系中心方向的射电辐射信息，对于用射电天文手段研究银河系整体结构的课题带来了新的生机。因为射电波段（特别是其中的长厘米波段和分米波段）受气体和尘埃的影响很小，我们在多云的阴天看不到太阳的光学圆面但却可以接收到它的射电辐射就是一个明证。由此便可推知，来自银盘内远处的射电辐射应能在地面上观测到。正是基于这种考虑，奥尔特的学生范·德·胡斯特（H．C．Vande Hulst）对银河系内广泛存在的氢做了仔细研究。他想如果原子的两个能级靠得很近（即在能量上相差很小），那么原子从高能级跃迁到低能级应能发射出光子，其波长有可能落在射电波段。处在最低量子态（基态）上的氢原子就有两个非常靠近的能级，这两个能级是由构成氢原子的质子和电子的自旋差别造成的。他认为，这种氢原子超精细结构的高低能级之间的跃迁，应当伴随有波长为21cm的谱线发射。

1951年3月25日，尤恩和珀塞尔（E．M．Purcell）首次检测到银河系内中性氢原子（HⅠ）的21cm波长射电谱线，果然证实了范·德·胡斯特的预言。在此基础上，荷兰和澳大利亚的射电天文小组又经过几年的普查工作，于1958年用这条谱线联合绘出了比较完整的银河系旋涡结构图。用21cm谱线普查的主要结果是：较密的中性星际氢云（HⅠ区）主要沿银河系旋涡结构的旋臂聚集；光学上观测到的电离氢区（H Ⅱ区）可能有类似的分布，但在离太阳很远的地方难以测到；较密的HⅡ区集中在旋臂上意味着热的大质量O型星和B型星也聚集在旋臂上。因为O型星或B型星的紫外辐射能使附近氢云的温度升高以致达到电离的程度。

20世纪60年代中期，J．S．米勒（J．S．Muller）将一个快速的狭缝光谱仪接到基特峰天文台的90cm反射望远镜上，测到36个发射星云（HⅡ区）的光学谱线数据，求出了这些区域的视向速度，这对于描绘太阳附近的银河系旋涡结构有重要作用。但对于远离太阳的银河系发射星云（HⅡ区），则必须用射电方法来探测。幸好 HⅡ区也有落在射电波段的电磁辐射，这对于进一步全面而清晰地描绘银河系的旋涡结构是至关重要的。图5．1是1975年普罗文斯大学绘制的一张银河系旋涡结构图。图中黑圆点代表HⅡ区的光学辐射，它们主要分布在太阳附近；黑方块和黑三角则标志HⅡ区的射电发射，它们大多分布在离太阳很远处。该图以银心为中心，半径4000秒差距以内没有观测数据。图中把各有关观测数据点联结起来的4条曲线，分别表示银河系4条主旋臂的中心线；其中以虚线描画

的曲线则是离太阳很远因而观测数据不多的标志。用“＋”表示的太阳目前大体位于第1和第4主旋臂之间。和初期仅用光学观测资料描绘的结果不同，猎户-天鹅臂在这里只是主联结带，而不是主旋臂。银河系的这种旋涡结构和许多易于观测的河外星系（例如图5．2所示的猎犬座星系M51）很相似，的确表明旋臂是恒星、星际气体和尘埃更为密集的场所。只是图5．2所示的星系的旋转方向正好同图5．1的相反。