既然人类只能看到很小范围夜空，银河系的形状是如何确定的？
曹越，不破小子
天文学的发展历程，就是一步步拓宽我们视野的历程。
现在想象一下你穿越回几百年前，你能用的观测手段就是肉眼和简陋的望远镜，你怎么产生“银河系”这个概念？怎么得到银河系的结构？又怎么知道你在银河系的什么位置？这些问题正是当时天文学家所面临的。下面我们来回顾下这些聪明的天文学家是怎么一步步得到对银河系的认识的。
如果只用肉眼观察银河系，全天能够看到的恒星大概只有 6000 多颗（当然不可能在一个晚上同时看到）。除此以外就是一条长长的乳白色的带子——银河，你无法用肉眼分辨出这是什么。这几乎就是你能得到的全部信息了。
1609 年，意大利天文学家伽利略发明了人类历史上第一台天文望远镜。透过他的望远镜，这条乳白色带子的神秘面纱被揭开，它是由无数肉眼无法分辨的恒星形成的。至此，人们明白了银河实际上和我们看到的恒星在本质上是相同的，它们共同组成一个系统——银河系。
1687 年，牛顿发表了著名的万有引力定律。1775 年，德国哲学家康德发表了《自然通史和天体论》一书，在此基础上提出大胆的猜想：1、既然银河系存在引力，并能稳定存在，那么它必然是一种旋转着的盘状结构，来防止其塌缩。2、宇宙中可能不止银河系一个这样的盘状结构，而是一个个分布在空间的“宇宙岛”（island universe）。
大胆的猜想需要观测的支撑。为了搞清银河系的形状，英国天文学家 William Herschel 发明了一种独特的“数恒星”方法。首先他提出 3 大假设：
1. 我们可以看到银河系最边缘的恒星；
2. 银河系中的恒星是均匀分布的；
3. 每个恒星的亮度基本相同。
这样，我们在某一个方向看到的恒星数量，正比于我们与这个方向银河系边缘的距离的立方。我们只要数出每个方向恒星的数量，就能画出银河系形状了，很方便吧！
图：“数恒星”法示意
William Herschel 据此画出了银河系的形状是这个样子的：
图：William Herschel 的银河系，中间亮点是太阳
你可能会一脸蒙蔽：这哪里是我看到的银河系呀！的确，他的结果与现在相比有很大误差，原因是他的 3 个假设都是错误的。但是，他的模型至少可以看出银河系的扁平结构，“数恒星”法也是一种开创性方法，这在当时都是有进步意义的。顺便说一句，William Herschel 就是那个发现天王星的人。
后来，随着观测技术的不断提升，人们对银河系的认识也越来越清晰。1906－1922 年， 荷天文学家 Jacobus Kapteyn 花了 16 年时间，研究了特定的 200 天区， 通过分析其中恒星的个?数、 视亮度和自行， 得到银河系是旋转着的扁平结构。
细心的读者可能发现了：我们处于银河系中，永远看到的是银河系的测面，那么那些正面图像的旋臂结构是怎么来的呢？（首先说明一点：你能看到的所有银河系正面图像，都不是真实照片。因为你只有跳出银河系拍摄，才能得到这样的照片，而我们飞的最远的探测器：旅行者 1 号才刚刚走出太阳系，所以肯定是不可能啦！）
在 1920 年代以前，人们认为的整个宇宙还仅限于银河系，而对银河系以外一无所知。其实，人们已经发现了一些漩涡状的天体结构，只是不知道它们是银河系以内的天体，还是银河系以外的另一个星系。经过 1920 年天文学界的大辩论，直到 1923 年，美国天文学家哈勃测定了仙女座星云 M31 的距离，发现距离远大于银河系直径，从而认定 M31 是一个独立的星系。
图：1845 年 Lord Rosse 手绘的 M101 星云，当时还不知道这是一个星系
现在，我们有了众多星系的正面图像，就很容易猜测银河系正面应该是什么样子，再结合观测就可以得到银河系正面的模拟图。
于是，我们终于知道了教科书上的以下内容：银河系是一个漩涡星系，直径 10 万光年，厚度数千光年，太阳位于距离银河系中心 26000 光年处。
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@曹越的答案前半段说对了，后半段没有说出来。实际上银河系以外的星系也有很多种不同的形态，包括旋涡星系、椭圆星系等等，只靠观察河外星系是没法知道银河系的结构的。
以 William Herschel 为代表的“数星星”是个极其繁琐而不讨好的方法。在历史上，不少天文学家为了探明银河系的结构，沿着这个思路一条道走到黑。
在 20 世纪初期，天文界公认还是相信荷兰天文学家雅各布·卡普坦（J.C.Kapteyn）基于“数星星”得到的结论。但他当时还不知道银河系中存在大量的星际物质，它们吸收了部分星光（即星际消光），所以卡普坦给出的银河系明显偏小了，长宽只有 4000 x 1000 pc（秒差距），并且认为太阳系就是银河系的中心。
奥尔特（1900-1992）
卡普坦去世以后，受其影响，他的学生奥尔特（Jan Oort）继续从事银河系结构的研究。奥尔特已经意识到广泛存在的星际尘埃会严重影响恒星计数的结果，他决定换个方法，就是从恒星的距离、视向速度来研究银河系的自转。当时瑞典天文学家林德布拉德（Bertil Lindblad）刚刚发现了银河存在自转，离银河系中心越远的恒星，绕银心旋转的速度越慢。奥尔特顺着这个思路，发现太阳并非位于银河系中心，而是距银心有 3 万光年的距离，绕银心公转一圈需要 2 亿年。虽然并没有勾画出银河系的外貌，但已经比卡普坦的银河系模型进步很多了。
格罗特·雷伯的首台射电望远镜，位于美国伊利诺伊州惠顿市
1937 年，美国工程师格罗特·雷伯（Grote Reber）在自家后院建立了世界上第一台射电望远镜，随后几年里完成了人类历史上第一次无线电波段的天空扫描。奥尔特立即注意到了雷伯的结果，意识到射电天文学的巨大潜力，但是第二次世界大战的爆发让很多研究停滞了。二战结束后，奥尔特和另一位荷兰天文学家范得胡斯特（van de Hulst）合作，决定采用中性氢原子发出的波长 21 厘米的无线电波探索银河系的结构。氢元素是宇宙中数量最多的元素，银河系也不例外。银河系中大部分空间都是低温空旷的区域，其中的氢原子几乎不发出可见光，却可以发出 21 厘米波。与可见光不同，21 厘米波能够轻易穿透星际物质云。奥尔特和同事们在荷兰 Kootwijk 竖起了一个直径 7.5 米的天线，选择了银道面上的 54 个天区进行采样观测，相互之间间隔 5 度。1952 年，他们初步完成了观测，由奥尔特在罗马举行的国际天文学联合会（IAU）大会上公布了他们探测到的银河系旋臂结构：
圆代表以银心为中心到太阳的大圆。瞻仰原文请移步：1954BAN....12..117V Page 117
荷兰地处北半球，有将近一半的银河系是看不见的。随后的几年，他们又在澳大利亚悉尼附近的 Potts Hill 建立了一面 11 米直径的天线，进行南半球的观测。1958 年，奥尔特、克尔（Kerr）、韦斯特豪特（Westerhout）三人发表了论文，首次将南北半球的观测结果合并在一起，拼成了人类历史上第一幅接近完整的银河系旋臂结构图，今天在几乎每一本天文学教科书上都能找到。
太阳位于靠近上方的放射性中心处，下方扇形的空白区域是被银河系中心挡住的部分。瞻仰原文请移步：1958MNRAS.118..379O Page 379
那么为什么威廉·赫歇尔(William Herschel)提出的恒星计数方法行不通呢？这是因为，旋涡星系的旋臂是通过“密度波”的机制形成的，就像高速公路上拥堵的汽车。旋臂并非刚性结构，而是恒星在绕转过程中比较集中的区域，是“动态”的。在旋臂的后方，不断有恒星进入旋臂，在旋臂的前方，不断有恒星离开旋臂。
在旋臂上，恒星的密度较高，星际尘埃和气体受到挤压，形成了大量的恒星形成区（下图中粉色的区域），其中明亮的蓝白色 O、B 型恒星不断形成，才使整个星系显出明亮的“旋臂”的结构。普通的恒星计数中大部分都是太阳这样的主序星，因为恒星一生中绝大部分时间位于主序，所以在任一时间看来，主序星的数目比较多。此外红巨星的数目也很多，因为它们很明亮，在很远的距离上都能看见。但不幸的是，我们今天已知这两种恒星都难以绘制银河系的旋臂结构。银河系盘中弥漫的尘埃会让远处的恒星看上去比实际距离更远，并在某些区域会严重低估恒星的数量，这就是为什么赫歇尔当年绘制的银河与实际情况相差十万八千里。旋臂结构只有用中性氢、大质量和年轻的 O、B 型恒星、电离氢区、巨型的分子云才能很好的追踪。赫歇尔、卡普坦等早期的探索者在银河系结构这个问题上都误入了歧途。
上图：旋涡星系 M83
1990 年代以后，天文学家逐渐怀疑银河系不是一个旋涡星系，而是一个棒旋星系，这个观点在 年得到有力的证实。这就是另外一个故事了。下图是用欧洲南方天文台 VISTA 望远镜的巡天数据生成的银河系旋臂示意图，其中同心圆的中心是太阳的位置。可以看到，银河系不仅包含中心的两个棒状结构（分别称为银河系棒 Galactic bar，和长棒 Long Bar），还包含几条大的旋臂（英仙臂、盾牌 - 南十字臂、船底 - 人马臂、矩尺臂），还有几个小旋臂（3kpc 臂），旋臂上还有分叉，太阳就位于其中一个分叉——猎户臂上。
所以，在探索银河系的旋臂结构这个话题上， @曹越的回答和本文连起来才是相对完整的答案。
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