银河系中心：一个相当于400万个太阳的怪物

棒旋星系

银河系 (包含太阳系的星系)是一个典型的棒旋星系，拥有1000亿到4000亿颗恒星。其直径约为10万光年，盘中平均厚度约为1000光年。太阳位于距银心约2.7万光年的猎户臂内。

中央棒

红外和射电观测揭示了一个长达数秒差距的中央棒，由老年恒星和大量分子气体组成。这种结构影响盘的动力学并将气体引向中心。

银河核及其黑洞

银河系中心是人马座A*，一个超大质量黑洞，其质量由GRAVITY合作组织估计为 \(4.297 \pm 0.012 \times 10^{6} M_{\odot}\)，集中在比金星轨道半径还小的范围内。该估计来自对邻近恒星运动的分析，特别是安德烈娅·盖兹（1965-）和赖因哈德·根策尔（1952-）团队观测了数十年的S2星。这些工作为作者赢得了2020年诺贝尔物理学奖。最近对偏振和红外爆发相对论进动的测量表明无量纲自旋（旋转）参数约为0.9，但该值仍存在不确定性，正在进一步验证中。

中心区域：人马座A

称为人马座A (银河系中心周围的强射电发射区域)的中心区域包含强磁场和致密分子云。X射线和红外发射显示出与黑洞吸积物质相关的周期性活动。

结构和旋臂

银盘结构化为若干旋臂：英仙臂、盾牌-半人马臂、诺玛臂和人马-船底臂。这些臂是密度增加的区域，大质量恒星在此形成。它们的旋转不是刚性的：角速度 \(\Omega(r)\) 取决于银心距 \(r\)。

旋转与暗物质

观测到的恒星速度并不像艾萨克·牛顿（1643-1727）定律所预测的那样减小：它们在核球之外几乎保持恒定。这种现象表明存在一个暗物质 (通过引力效应探测到的假想不可见物质形式)晕，它主导着星系的总质量。

动态环境

银河系与其邻居，特别是麦哲伦云 (银河系的卫星星系小麦哲伦云和大麦哲伦云)，发生引力相互作用。 这些相互作用引起潮汐流和气体流向我们的银盘。在更大的时间尺度上，与仙女座星系（M31）的相遇被认为可能发生，但其结果——合并成巨型椭圆星系或简单飞越——仍不确定（见下文“银河系的未来”一章）。

银河系的奇迹

银心和人马座A*

银河系中心是人马座A*，一个质量达数百万太阳质量的超大质量黑洞。它影响周围恒星和气体云的动力学，并产生X射线和射电辐射，证明了强引力环境中的极端现象。

旋臂和恒星形成区

旋臂是气体和尘埃密度最高的区域。在这些区域，新恒星成团诞生，产生著名的星云，如猎户座星云。这些区域是星系的恒星孵化器，照亮了银河系的银盘，使我们能够追踪恒星的诞生和死亡。

球状星团

球状星团是位于银晕中的数十万颗非常古老恒星的球状集合。它们是银河系青春的见证，保存着第一代恒星的化学记忆。这些星团是我们星系中可观测到的最古老、最迷人的天体之一。

我们的星系，在亚毫米和微波波段

银河系的年表和起源

几乎与宇宙一样古老的诞生

银河系 (包含太阳系的星系)的年龄估计约为136亿年，几乎与宇宙本身一样古老。这意味着我们的星系形成非常早，在大爆炸 (宇宙膨胀起源的宇宙事件)之后不久，当第一批氢和氦云冷却到足以形成稳定原子时。

第一批恒星：星族III

被称为星族III的最早几代恒星由这种原始气体形成。它们质量很大且寿命短，很快作为超新星爆炸。这些爆炸在星际介质中播撒了碳、氧和铁等重元素，天体物理学家将其统称为“金属”。

这种化学富集过程使得更年轻、更稳定的恒星以及类地岩石行星得以诞生。每一代恒星都改变了星系的组成，将几乎纯氢和氦的宇宙转变为日益多样化的环境。

球状星团：星系青春的档案

银晕中的球状星团 (包含数十万颗古老恒星的球形星团)是这一原始时代的直接见证。它们包含非常古老的恒星，有时超过120亿年。作为真正的宇宙档案，它们保存了原始气体化学成分的记忆，使得重建银河系形成的最初阶段成为可能。

银盘的形成

随着时间的推移，晕中的物质在引力作用下凝聚，形成一个巨大的旋转盘。在这个盘中，密度增大的区域产生了旋臂，这些区域至今仍形成最年轻、最明亮的恒星。

正是在其中一个臂中，太阳及其行星系统于大约46亿年前出现。因此，我们的恒星是银河系物质长期转化和循环的结果，这些物质已被前几代恒星所富集。

恒星的化学记忆

通过观察分布在银河系不同区域的恒星的化学成分，天体物理学家可以追溯其历史。贫金属恒星在晕中占主导地位，是遥远过去的遗迹，而盘中的恒星则更丰富，证明了星际物质的持续循环。

因此，每颗恒星都携带着它形成时代的化学印记。通过将这些数据与其在星系中的位置相结合，可以重建银盘和中心核球形成的年代顺序。这个铭刻在星光中的故事，讲述了一百三十多亿年的宇宙演化。

银河系的“贫瘠古老之心”

与盖亚-恩克拉多斯的合并

欧空局盖亚任务的测量和光谱数据，结合中国LAMOST望远镜的观测，使得精确测定银河系约25万颗亚巨星的年龄成为可能。马胜和汉斯-瓦尔特·里克斯于2022年发表的这项分析表明，厚盘的形成始于约130亿年前，即大爆炸后仅8亿年——比先前认为的早了近20亿年。这一强烈的恒星形成阶段与约100至110亿年前，新生银河系与一个现已灭绝的矮星系盖亚-恩克拉多斯（或“盖亚-香肠”）的合并同时发生。

银心的贫金属恒星群

2022年，马克斯·普朗克天文学研究所的一个团队在银河系中心区域发现了一个异常贫金属的巨星群，被称为星系的“贫瘠古老之心”。这些恒星在银盘完全组织化之前就已形成，使其成为银河系中已知的一些最古老天体。利用盖亚DR3数据的最新光谱巡天证实，薄盘轨道上相当一部分贫金属恒星的年龄超过130亿年，这表明盘的形成比经典两阶段（晕→盘）方案所描述的更早、更复杂。

银河系形成年表

从第一批气体云的凝聚到我们太阳系的诞生，此表追溯了130多亿年来塑造银河系的主要阶段。

推测的暗物质被证实

银河系的未来

运动的星系

银河系 (包含太阳系的星系)在宇宙中并非静止不动。它在本星系群 (包括银河系、仙女座和其他邻近星系的本地星系群)中运动，本星系群是由约60个引力束缚的星系组成的集合。其质量最大的邻居仙女座星系（M31）正以每秒约110公里的速度逐渐接近我们。

这种趋近是由于本星系群中两个大旋涡星系之间的相互引力。哈勃和盖亚望远镜的精确测量证实了这条轨迹，使我们能够预测未来数十亿年尺度上的接触。

现在不确定的碰撞

十多年来，基于2012年哈勃研究（仅关注两个主要星系），银河系与仙女座星系在约40至45亿年后的碰撞被认为几乎是确定的。然而，蒂尔·萨瓦拉（赫尔辛基大学）领导的一个团队于2024年在自然·天文学上发表的研究修订了这一方案。通过将测量不确定度以及两个大质量卫星星系——大麦哲伦云（银河系的卫星）和M33（仙女座的卫星）——的引力影响纳入模拟，团队表明本星系群的命运远没有以前认为的那么确定。

在基于最精确的哈勃和盖亚数据模拟的所有方案中，未来50亿年内正面碰撞的概率仅为约2%。将时间窗口延长至100亿年，合并概率达到约50%：用作者自己的话说，这是一个既可能又不可能的情况。当模拟中发生合并时，最常发生在第二次近距离通过时，而非正面碰撞，并且则更可能在70至80亿年后。

如果合并发生：新星系的诞生

如果两个星系合并，恒星本身不会碰撞，因为相隔遥远的距离，但它们的引力场会相互扰动，产生巨大的潮汐波，拉伸旋臂并引发强烈的恒星形成阶段（星暴）。经过数次通过和部分合并后，数值模型显示最终结果将是一个巨大的椭圆星系，绰号米尔科迈达，其核心可能拥有一个由人马座A*和仙女座中心黑洞合并产生的巨型黑洞。旋涡形态将消失，取而代之的是更球状的恒星分布，暗物质将继续确保这个包含数千亿颗恒星的结构体的引力凝聚。

太阳的命运，独立于这一方案

无论合并是否发生，太阳的命运由其自身的恒星演化决定：大约50亿年后，它将耗尽中心氢并转变为白矮星 (红巨星阶段后形成的致密恒星残骸)，远早于可能的星系碰撞的最可能期限。其行星系统的命运将取决于它所处的引力环境：如果避免了与仙女座的相遇，则融入相对不变的银河系；如果合并发生，则在米尔科迈达内漂流。在后一种情况下，模拟显示一些恒星可能在引力相互作用的影响下被抛入星系际空间，而其他恒星将形成外冕和潮汐尾。

尚未书写的未来

银河系的未来历史说明了星系的演化，尽管受精确物理定律支配，在数十亿年的尺度上仍受制于重大的观测不确定性。这远非承认失败，而是说明了科学过程本身：随着哈勃和盖亚数据的完善，模型被重新计算，昨日的确定性变成今日的概率。无论银河系与仙女座合并还是作为孤立旋涡星系继续演化，都不会有人类在那里观察这一结局；只有星光和这段历史的引力痕迹将默默见证我们星系的命运。