銀河是銀河係在天球上的投影，銀河係是以銀河命名的星係，是一個由眾多恒星構成的天體係統。認識太陽係、地球在銀河係中的位置和運動狀況，要先從認識銀河開始，再從銀河裏的恒星、星座認識銀河係的結構特征、物質組成和運動特征以及演化。
本章首先介紹銀河和銀河係的概念，銀河係的結構特征、物質組成和運動特征，銀河係的演化曆史和未來趨勢；其次介紹銀河係中典型代表星係的形態和結構特征；最後介紹同為銀河係組成部分的銀河星雲特征和類型。
科學家們對宇宙不斷地探索研究結果，讓我們對星空有了越來越多的認識。認識的越多，也會發現未知的更多。許多神秘莫測的現象等待人們去發現、去認識、去研究。那麼就伴隨本章的介紹描述，讓我們一起去穿越宇宙，到“銀河”裏暢遊一番吧。
3.1銀河係及其構成
3.1.1銀河及銀河係
（1）銀河及其傳說
夏日的夜晚，我們在晴朗的夜空中會看到一條淡淡的光帶從東北向南橫貫天穹，宛如一條奔騰的長河，這就是人們常說的銀河。銀河環繞全天空，跨越25個星座，它們是：天鵝、天鷹、狐狸、天箭、蛇夫、盾牌、人馬、天蠍、天壇、矩尺、豺狼、南三角、圓規、蒼蠅、南十字、船帆、船尾、麒麟、獵戶、金牛、雙子、禦夫、英仙、仙後和蠍虎。銀河各段明暗不一，寬窄不等，最寬達30度，最窄隻有4～5度。夏秋之交見到的天鵝、天鷹及天蠍、人馬段比較明亮壯觀。
我國古代稱它為天河、銀河或星河等，歐洲人則稱它為乳白色的道路（milk way）。自古以來，氣勢磅礴的銀河給人類帶了無限遐想。古人不知道銀河是什麼，把銀河想象為天上的河流。世界各地有許多創造天地的神話都是圍繞著銀河而來的，這些神話故事表達了人們對銀河的喜愛。
中國古代視銀河為天河，編造出牛郎織女的浪漫愛情故事。傳說牛郎是南陽城牛家莊的一個孤兒，依哥嫂過活。嫂子馬氏為人刻薄，經常虐待他，他被迫分家出來，靠一頭老牛耕地生活。這頭老牛很通靈性，有一天，織女和諸仙女下凡遊戲，在河裏洗澡，老牛勸牛郎去取織女的衣服，後來織女便做了牛郎的妻子。婚後，他們男耕女織，生了一兒一女，生活十分美滿幸福。不料天帝查知此事，派王母娘娘押解織女回天庭受審。老牛不忍他們妻離子散，於是觸斷頭上的角，變成一隻小船，讓牛郎挑著兒女乘船追趕。眼看就要追上織女了，王母娘娘忽然拔下頭上的金釵，在天空劃出了一條波濤滾滾的銀河。牛郎無法過河，隻能在河邊與織女遙望對泣。他們堅貞的愛情感動了喜鵲，無數喜鵲飛來，用身體搭成一道跨越天河的彩橋，讓牛郎織女在天河上相會。王母娘娘無奈，隻好允許牛郎織女每年七月七日在鵲橋上會麵一次。
希臘神話中，有兩個關於銀河產生的神話傳說。一個傳說是大神宙斯與凡女愛克米拉生子赫爾克裏斯，宙斯趁神後赫拉睡夢時讓赫克裏斯偷吮赫拉的乳汁以得神後的法力。赫拉驚醒，盛怒之下推開了正在吃奶的孩子，乳汁灑向天庭，形成乳白色的光帶——奶之路。另一個說法則是赫耳墨斯偷偷地將赫爾克裏斯帶去奧林匹斯山，趁著赫拉沉睡時偷吸她的奶汁，而有一些奶汁射入天空，乳液將深藍色的天空染白了，於是形成了銀河。
在瑞典，銀河係被認為是冬天之路，因為在斯堪的納維亞地區，冬天的銀河是一年中最容易被看見的。古代的亞美尼亞神話稱銀河為麥賊之路，敘述有一位神祇在偷竊麥稈之後，企圖用一輛木製的運貨車逃離天堂，但在路途中掉落了一些麥稈，因此形成銀河。
（2）銀河係的發現
實際上，銀河就是銀河係在天球上的投影，這條光帶就是我們置身其內而側視銀河係時在可見光波段所看到的、布滿星星的圓麵——銀盤投影。雖然天文學家已經撩開了銀河係的麵紗，但是卻一直難見其廬山真麵目。
銀河係的發現經曆了漫長的過程。17世紀，伽利略首先用望遠鏡觀察銀河。他發現，這是一個恒星密集的區域。後來英國人賴特提出了銀河係的猜想，並具體描繪出了銀河係的形狀。他假定銀河係像個“透鏡”，連同太陽係在內的眾星位於其中。18世紀，英國天文學家赫歇爾父子對賴特的猜想進行了驗證。他們發現銀河係中心處恒星很多，而離中心越遠恒星越少。他們的觀測表明，銀河係確是一個恒星體係，並且其範圍是有限的，太陽靠近銀河係中心。他們估計銀河係的直徑8000光年，厚1500光年，其中有3億顆恒星。1915年，美國天文學家卡普利研究了許多球狀星團的變星，發現太陽並不在銀河係中心，而是距中心約5萬光年，銀河係直徑有30萬光年。其實這些數值偏差太大，因為卡普利在計算距離時未計入星際消光。20世紀60年代，人們測得的銀河係數據是：質量相當於2000億個太陽的質量，直徑10萬光年，厚2000光年，太陽距離銀河係中心2.5萬光年。
3.1.2銀河係的結構特征
銀河係的結構在不同波段可顯示出不同的特征。在可見光波段，人們常把銀河係描述為一個中央凸起（稱為核球）的偏平薄盤（稱為銀盤），呈類透鏡星係或旋渦星係，也有人提出是棒旋星係。
銀河係的結構有幾個主要組成部分：包含旋臂的銀盤、中央突起的核球（包含銀核和銀心）和銀暈（包含外圍的銀冕）部分。
（1）銀盤
銀河係的物質主要是恒星，在可見光波段，密集部分組成一個圓盤，稱為銀盤。銀盤的中心平麵投影到天球上稱為銀道麵，銀道麵與天赤道相交成約63.5度角。
據最新研究資料，銀盤直徑約8萬光年（近年研究為8.5萬光年，早期值是10萬光年），銀盤中間厚、外邊薄，中間的核球直徑約1萬光年，銀盤靠近核球的地方厚3000～6000光年，邊緣僅1000光年。太陽在銀盤中位於距銀心大約2.4萬光年的地方，它到銀盤邊緣的距離為1.6萬～6.4萬光年，太陽附近的銀盤厚度約為3000光年。
銀盤中的物質主要以恒星形式存在，占銀河係總質量不到10％的星際物質絕大部分也散布在銀盤內。恒星主要由星族Ⅰ天體組成，如G-K型主序星、巨星、新星、行星狀星雲、天琴RR變星、長周期變星、半規則變星等。星際物質中，除含有電離氫、分子氫及多種星際分子外，還有10％的星際塵埃，這些直徑在1微米左右的固態微粒是造成星際消光的主要原因。
為了探明銀盤的結構，根據20世紀40年代巴德和梅奧爾對旋渦星係M31（仙女座大星雲）旋臂的研究得出旋臂天體的主要類型，進而在銀河係內普查這幾類天體，發現了太陽附近的3段平行臂。由於星際消光作用，光學觀測無法得出銀盤的總體麵貌。有證據表明，旋臂是星際氣體集結的場所，因而對星際氣體的探測就能顯示出旋臂結構，而星際氣體的21厘米射電譜線不受星際塵埃阻擋，幾乎可達整個銀河係。光學與射電觀測結果都表明，銀盤確實具有旋渦結構。
（2）銀河旋臂
如果有機會從上方俯瞰我們的銀河係平麵，它更像是一隻巨大的“八爪魚”。因為銀河係中的恒星並不是均勻分布的，各種星際物質形成的星雲、開放星團、新星等集合在一起，看上去就像是從銀河係中心向外依逆時針方向延伸出的多條“手臂”，天文學上將它們稱為“銀河旋臂”。
銀河係包括4條大的和2條小的旋臂。太陽係坐落在較短的獵戶座旋臂上，位於英仙座旋臂和人馬座旋臂之間。旋臂是銀河係裏新恒星誕生的搖籃。事實上，銀河係每年都會有約10顆新恒星生成，每100年至少會有一顆恒星老化。新生的恒星就出現在銀河的旋臂上。
在研究銀河係旋臂時，光學方法受到很大限製。人們關於銀河係旋臂的知識主要來源於射電觀測。在太陽附近，射電觀測探測到3段旋臂，即英仙座旋臂、獵戶座旋臂和人馬座旋臂，太陽靠近獵戶座旋臂的內側。20世紀70年代，人們通過探測銀河係一氧化碳分子的分布，又發現了第4條旋臂，它跨越狐狸座和天鵝座，是一條離銀心4000秒差距的旋臂，正以約50千米/秒的速度向外膨脹。現已得知，旋臂是氣體、塵埃和年輕恒星集中的地方。旋臂內主要是極端星族Ⅰ天體，如O型和B型星、金牛座T型變星、經典造父變星、疏散星團、超巨星、星協等。旋臂內還有大量的中性氫、電離氫、分子雲和塵埃。
2008年6月5日，美國天文學家描繪出了銀河係最真實的地圖，最新地圖顯示，銀河係旋臂與之前所觀測的結果大相徑庭，原先銀河係的四個主旋臂，現隻剩下兩個主旋臂，另外兩個旋臂處於未成形狀態。對銀河係的最新探測是用美國航空航天局的尖頭式太空望遠鏡完成的，這種太空望遠鏡可以檢測出紅外光。因為所有發熱物體均可發出紅外線，紅外線光波可以穿過塵埃。用這種方法得到的銀河全景包括80萬張照片，共有1.1億顆星星包含在其中。通過計算星星的數目，科學家們發現，兩條主要的旋臂分別是人馬座旋臂和英仙座旋臂。在這兩條主要的旋臂上，既聚集著年輕明亮的恒星，也聚集著星齡很老的紅巨星。
（3）核球、銀核和銀心
核球是銀盤中心隆起的近似於球形的部分，最新的一些觀測顯示，核球也許不是橢球，而是一條棒。銀核是核球區域恒星高度密集區，銀核為扁球形，赤道半徑約30光年，極半徑約20光年。銀核是一個很特別的區域，它能發出很強的射電、紅外線、X射線和γ射線輻射。
銀心是指銀河係的中心，即銀河係的自轉軸與銀道麵的交點。銀心在人馬座方向。銀心除作為一個幾何點外，它的另一含義是指銀河係的中心區域，半徑隻有11光年左右。太陽距銀心約2.4萬光年，銀心與太陽係之間充斥著大量的星際塵埃，所以在北半球用光學望遠鏡難以在可見光波段看到銀心。射電天文和紅外觀測技術興起以後，人們才能透過星際塵埃獲得銀心的信息。現已得知，不僅大量氣體從銀心外湧，而且銀心處還有一個強射電源，即人馬座A，它發出強烈的同步加速輻射。在星係包括銀河係的演化史上，有過核心激擾活動，這種活動至今尚未停息。
目前，天文學家發現，在銀河係中心有一個超巨黑洞，它的質量約為銀河係總質量的0.5%。多年來，天文學家對一顆名為S2的星體的運行軌道進行了跟蹤研究，最終得出結論：S2附近確實存在一個巨型黑洞。質量是太陽7倍的S2，以1.8億千米/小時的速度每15.2年繞銀河係中心運動一周。之所以如此高速運動，是因為它周圍存在黑洞，“害怕”被黑洞“吞噬”。經過計算，這個黑洞距地球2.6萬光年，質量是太陽的370萬倍。
（4）銀暈
銀暈在銀盤外麵，是一個範圍更大、近於球狀分布的係統。銀暈的直徑逾10萬光年，其中物質的密度比銀盤中的低得多，銀暈主要由亞矮星、貧金屬星和球狀星團等組成，沒有年輕的O型、B型星，有少量氣體。球狀星團在銀暈中有比較廣泛的分布，已發現的200多個球狀星團，有160個分布在銀暈中，是銀暈中最亮的成員。
近年來，根據觀測可見物質的運動推斷，在恒星分布區之外，還存在一個巨大的大致呈球形的射電輻射區，稱為“銀冕”，其半徑可達30萬光年，其性質目前還不了解。
3.1.3銀河係的物質組成
銀河係是太陽係所在的恒星係統。銀河係大約包含2000億顆星體，其中約90%為恒星。恒星的種類繁多，按照恒星的物理性質、化學組成、空間分布和運動特征，可以分為5個星族。最年輕的星族Ⅰ恒星主要分布在銀盤裏的旋臂上；最年老的星族Ⅱ恒星則主要分布在銀暈裏。一般認為，銀河係中的恒星多為雙星或聚星（10個以內的恒星組成的群體為聚星，10個以上的恒星組成的群體為星團）。到2006年，科學家有了新的發現並認為，銀河係的主序星中2/3都是單星，其餘有大量的雙星和1000多個星團。銀河係裏還有氣體和塵埃，其含量約占銀河係總質量的10％，它們分布不均勻，有的聚集為星雲，有的則散布在星際空間。20世紀60年代以來，科學家在銀河係中發現了大量的星際分子，如CO、CH4等。
共生星的發現成了現代宇宙學界的一大奇謎，它是一種在光譜中既出現低溫吸收線又出現高溫發射線的恒星。1941年梅裏爾首先把這種光譜性質很不相同但又互為依存的星取名為共生星，它是一種冷熱共生的天體，它既是“冷”的，隻有兩三千攝氏度，同時又是十分熱的，達到幾十萬攝氏度。這種奇怪現象，讓科學家們困惑不已。
“單星”說認為，這種共生星中心是一個屬於紅巨星之類的冷星，周圍有一層高溫星雲包層，紅巨星是一種處於比較晚期的恒星，它的密度很小，體積比太陽大得多，表麵溫度隻有兩三千攝氏度，可是對於星雲包層高溫的來源，人們無法解釋；“雙星”說認為，共生星是由一個冷的紅巨星和一個熱的矮星（密度大而體積相對較小的恒星）組成的雙星。但是，當時光學觀測所能達到的分辨率不算太高，其觀測手段尚未發展起來，人們通過光學觀測和紅移測量測不出雙星繞共同質心旋轉的現象，而這是確定是否為雙星的最基本物質特征之一；也有天文學家明確反對“雙星”說，他們認為，迄今為止還未能觀測到共生星中的熱星，科學家們隻不過是根據激發星雲所屬的高溫間接推論熱星的存在，從理論上判斷它是表麵溫度高達幾十萬攝氏度的矮星。
現在，大多數天文學家都認為，共生星可能是由一個低溫的紅巨星或超紅巨星和一個具有極高溫度的看不見的極小的熱星，以及環繞在它們周圍的公共熱星雲包層組成。它是一種處於恒星演化晚期階段的天體。天文學家對共生星現象提出了一種理論模型：共生星中的低溫巨星或超巨星體積不斷膨脹，其物質不斷外溢，並被鄰近的高溫矮星吸積，形成一個巨大的圓盤，即所謂的“吸積盤”。吸積過程中會產生強烈的衝擊波和高溫。由於它們距離我們太遠，我們區分不出它們是兩個恒星，而看起來像是熱星雲包在一顆冷星的外圍。
此外，在銀河係的廣袤空間中，還散布著許多奇怪的行星。這些行星級別的天體並不像其他行星那樣圍繞一顆恒星運行，而是直接圍繞銀河係的中心公轉。這種象“流浪漢”一樣的行星在銀河係中並非少數。天文學家們用望遠鏡在銀河係核心的一片區域找到了10顆木星般大小的流浪行星。隨後，科學家們對銀河係中這樣的流星總數進行了估算，他們估計銀河係中大約有4000億顆這樣的行星。這一數字遠遠超過銀河係中主序星的數量，幾乎相當於銀河係中全部恒星數量的兩倍。它可能遍布銀河係。
3.1.4銀河係的運動特征
（1）銀河係的自轉
我們知道太陽係中的每個星體（上至太陽下至火星與木星軌道間的小行星）都在自轉，隻是一些星體比另一些星體轉得快。這就提供給我們一個想法，其他行星一定也在自轉，事實上，甚至整個銀河係也在自轉。
銀河係圓盤形的扁平結構是銀河係中的天體快速轉動的結果。弄清楚龐大銀河係的自轉情況談何容易。天文學家通過多種探測方法，經過半個多世紀的研究，隻能描述出一個大概：在銀河係中心區域是高速的、類似剛體的轉動，即處處以相同的角速度旋轉，線速度隨距中心的距離增大而快速增加；至核球邊緣處速度增大到250千米/秒，再往外則速度降低並略有起伏，到太陽處線速度為220千米/秒。20世紀70年代以來的觀測表明，從太陽處往外，恒星繞銀河係中心公轉的線速度雖略有起伏但總的趨勢是逐漸增加的，到離銀心5.8萬光年處，達到300千米/秒，而且一路增加下去。恒星繞銀河係中心公轉的規律不太像太陽係裏的行星那樣服從開普勒定律——角速度隨著到太陽的距離增大而大大減低，線速度也緩慢減少。對這種情況的解釋是：在銀河係邊緣區域或者在銀暈中，存在大量暗物質。
1964年，國際天文學聯合會確定太陽帶領其行星係統繞銀河係中心轉動的速度的值是250千米/秒，1985年修改為220千米/秒。方向是：從銀道北麵俯視，取順時針方向；與太陽係天體繞太陽公轉及太陽自轉的方向相反，所以又稱為“較差自轉”，周期2.7億年。在繞銀河係中心運轉的同時，太陽係還在銀道麵上下運動，周期為6200萬年。
（2）旋臂的運動
除了恒星等天體繞銀河係中心的運轉，銀河係的旋臂圖案也在銀盤中轉動。相對於旋臂圖案，當由氣體和塵埃物質組成的雲團“衝進”旋臂時，因運動受阻而被壓縮，使雲團受到擾動而出現新恒星孕育的契機。在旋臂中誕生的恒星，如果是大質量的O型和B型星，由於壽命隻有幾千萬年，等不到走出旋臂就消亡了，所以在旋臂以外幾乎看不到它們的蹤影。而像太陽這樣的小質量恒星，壽命在100億年以上，便有著進出旋臂的經曆。我們可推測：太陽已經多次穿越銀河係的旋臂。雖然，我們還不知道旋臂對於地球的環境曾產生什麼影響，但有一些事實或許值得我們思考：恐龍滅絕的時代太陽係處於旋臂之外；而人類形成的年代，太陽係正在旋臂之中。我們現在還在獵戶臂裏，至少還將穿行2000萬年。