臺北市立天文科學教育館

早期銀河結構的推測與限制

前一篇〈夜空中的銀河〉，我們看見夜空中的銀河並不是一條平面的光帶，而是由大量恆星在特定方向上疊加而成、具有深度的結構。既然如此，下一個問題自然是：我們自己，究竟位在這個銀河結構的哪個位置？

當人們逐漸確認銀河是由大量恆星所構成之後，一個幾乎無法迴避的疑問隨之浮現：如果銀河是一個由恆星組成的巨大結構，那麼太陽與地球究竟位於這個結構的什麼位置？只有在釐清自身所在的位置之後，夜空中所見的恆星分布差異，才有可能被正確解讀。也正是在這樣的背景下，人們逐漸形成一種直覺性的想法：既然銀河在夜空中如此顯著地橫跨天空，人類很可能正身處這個恆星系統之內，而非置身其外。然而，這樣的判斷並非建立在直接證據之上，而是源於肉眼觀測所帶來的整體印象，其可靠性仍有待進一步檢驗。

18 世紀末，英國天文學家威廉・赫歇爾（William Herschel）開始嘗試以定量方式處理銀河結構與人類自身位置的問題。當時，多數對銀河的理解仍停留在外觀描述或哲學式推測的層次，赫歇爾則提出可以直接利用觀測資料來推論其空間結構。他的做法是系統性地計算不同天空方向上可見的恆星數量，並比較各方向之間的差異。這項方法建立在一個直觀的假設之上：如果銀河是一個大致對稱的恆星系統，那麼在不同方向上觀測到的恆星數量，應該能反映觀測者在其中的位置。赫歇爾實際在超過 600 個不同天區進行觀測，發現沿著銀河明亮帶狀結構延伸的方向，能看到大量恆星，而在與該方向近乎垂直的方向上，恆星數量則迅速減少。根據這些結果，他推論銀河是一個扁平的整體結構，而太陽似乎位於這個結構的中心附近。這項研究被視為人類首次嘗試以系統性觀測資料描繪銀河整體輪廓，為後續理解銀河的形狀與尺度奠定了重要起點。

圖說：赫歇爾於 1785 年發表的銀河結構示意圖，根據他對天空各方向恆星數量的統計結果繪製而成。圖中呈現出扁平盤狀的銀河輪廓，並將太陽標示在圖中央附近。圖片來源：Herschel 1785

赫歇爾以恆星計數推測銀河結構的方法，其實隱含了一個在當時難以驗證的前提：不同方向上的恆星，都能被同樣有效地觀測到。隨著觀測經驗逐漸累積，人們開始注意到，夜空中某些方向的星光顯得異常黯淡，甚至出現大片恆星稀少的區域。這些現象最初往往被解讀為恆星分布本身的差異，但也逐漸引發新的問題：當某個方向上看到的恆星變少時，究竟代表那裡真的缺乏恆星，還是觀測條件限制了我們所能看到的距離與深度？

進入 20 世紀後，天文學家開始嘗試以新的觀測策略，突破恆星計數法所面臨的限制。1918 年，美國天文學家哈羅・沙普利（Harlow Shapley）將研究焦點轉向球狀星團，試圖藉由這些分布範圍廣泛的恆星系統，推測銀河的整體結構與尺度。球狀星團由大量老年恆星緊密聚集而成，分布位置並不侷限於銀河明亮的盤面附近，而是散布於天空各個方向，較不易受到局部星際塵埃遮蔽的影響。沙普利進一步利用球狀星團中的變星來估算距離，並繪製這些星團在空間中的相對分布。結果顯示，球狀星團並非以太陽為中心呈現對稱分布，而是集中環繞著天空中人馬座方向的一個位置，形成近似球狀的整體結構。這項結果意味著，若球狀星團描繪的是銀河的整體輪廓，那麼銀河的中心應位於該分布的核心，而非太陽所在的位置。沙普利因此提出，太陽只是位於銀河外圍的一處位置，而非整體結構的中心。他同時估算銀河的尺度遠大於先前的認知，雖然其數值在今日看來仍有高估之處，但這項研究首次以觀測證據清楚指出：太陽在銀河中的位置並不特殊，人類並非位於銀河的中心。這徹底改變了人們對銀河結構的理解，也為後續以距離測量與整體分布描繪銀河系的研究奠定了基礎。

圖說：沙普利測定的球狀星團分布圖（側視圖），顯示球狀星團在銀河系內部的垂直分布情形。陰影區域代表銀河盤，太陽系的位置以「X」標示，位於盤面之內但明顯偏離整體分布中心。黑色與白色圓點分別代表位於盤面上方與下方的球狀星團，數量大致相當。圖片來源：Shapley 1918

圖說：沙普利測定的球狀星團分布圖（俯視圖），描繪球狀星團在銀河系盤面上的投影分布。太陽系以小圓圈標示，銀河中心位置以「X」標記。圖中的同心圓以每 10 kpc（約 3.26 萬光年）為間隔，顯示球狀星團的空間尺度與集中方向。這表明銀河中心更接近球狀星團分布的集中區域，而非太陽所在的位置。沙普利估算銀河系的直徑約為 30 萬光年，太陽距離銀河中心約 5 萬光年（為當時的估計值）。圖片來源：Shapley 1918

從赫歇爾到沙普利，觀測結果逐步顯示，太陽並不位於銀河結構的中心，而只是分布於其中的一個位置。這些研究揭示了銀河的整體尺度遠大於早期認知，也標誌著人類開始以整體結構的角度來理解銀河，而不再以自身為中心想像其形狀。

當我們確認自己並不位於銀河的中心時，也意味著觀測視角本身帶來了限制。下一篇〈從銀河到銀河系〉，需要進一步理解的是：我們身處其中的銀河，整體究竟是一個什麼樣的天體系統。