银河是银河系在天球上的投影，银河系是以银河命名的星系，是一个由众多恒星构成的天体系统。认识太阳系、地球在银河系中的位置和运动状况，要先从认识银河开始，再从银河里的恒星、星座认识银河系的结构特征、物质组成和运动特征以及演化。
本章首先介绍银河和银河系的概念，银河系的结构特征、物质组成和运动特征，银河系的演化历史和未来趋势；其次介绍银河系中典型代表星系的形态和结构特征；最后介绍同为银河系组成部分的银河星云特征和类型。
科学家们对宇宙不断地探索研究结果，让我们对星空有了越来越多的认识。认识的越多，也会发现未知的更多。许多神秘莫测的现象等待人们去发现、去认识、去研究。那么就伴随本章的介绍描述，让我们一起去穿越宇宙，到“银河”里畅游一番吧。
3.1银河系及其构成
3.1.1银河及银河系
（1）银河及其传说夏日的夜晚，我们在晴朗的夜空中会看到一条淡淡的光带从东北向南横贯天穹，宛如一条奔腾的长河，这就是人们常说的银河。银河环绕全天空，跨越25个星座，它们是：天鹅、天鹰、狐狸、天箭、蛇夫、盾牌、人马、天蝎、天坛、矩尺、豺狼、南三角、圆规、苍蝇、南十字、船帆、船尾、麒麟、猎户、金牛、双子、御夫、英仙、仙后和蝎虎。银河各段明暗不一，宽窄不等，最宽达30度，最窄只有4～5度。夏秋之交见到的天鹅、天鹰及天蝎、人马段比较明亮壮观。
我国古代称它为天河、银河或星河等，欧洲人则称它为乳白色的道路（milkway）。自古以来，气势磅礴的银河给人类带了无限遐想。古人不知道银河是什么，把银河想象为天上的河流。世界各地有许多创造天地的神话都是围绕着银河而来的，这些神话故事表达了人们对银河的喜爱。
中国古代视银河为天河，编造出牛郎织女的浪漫爱情故事。传说牛郎是南阳城牛家庄的一个孤儿，依哥嫂过活。嫂子马氏为人刻薄，经常虐待他，他被迫分家出来，靠一头老牛耕地生活。这头老牛很通灵性，有一天，织女和诸仙女下凡游戏，在河里洗澡，老牛劝牛郎去取织女的衣服，后来织女便做了牛郎的妻子。婚后，他们男耕女织，生了一儿一女，生活十分美满幸福。不料天帝查知此事，派王母娘娘押解织女回天庭受审。老牛不忍他们妻离子散，于是触断头上的角，变成一只小船，让牛郎挑着儿女乘船追赶。眼看就要追上织女了，王母娘娘忽然拔下头上的金钗，在天空划出了一条波涛滚滚的银河。牛郎无法过河，只能在河边与织女遥望对泣。他们坚贞的爱情感动了喜鹊，无数喜鹊飞来，用身体搭成一道跨越天河的彩桥，让牛郎织女在天河上相会。王母娘娘无奈，只好允许牛郎织女每年七月七日在鹊桥上会面一次。
希腊神话中，有两个关于银河产生的神话传说。一个传说是大神宙斯与凡女爱克米拉生子赫尔克里斯，宙斯趁神后赫拉睡梦时让赫克里斯偷吮赫拉的乳汁以得神后的法力。赫拉惊醒，盛怒之下推开了正在吃奶的孩子，乳汁洒向天庭，形成乳白色的光带——奶之路。另一个说法则是赫耳墨斯偷偷地将赫尔克里斯带去奥林匹斯山，趁着赫拉沉睡时偷吸她的奶汁，而有一些奶汁射入天空，乳液将深蓝色的天空染白了，于是形成了银河。
在瑞典，银河系被认为是冬天之路，因为在斯堪的纳维亚地区，冬天的银河是一年中最容易被看见的。古代的亚美尼亚神话称银河为麦贼之路，叙述有一位神祇在偷窃麦秆之后，企图用一辆木制的运货车逃离天堂，但在路途中掉落了一些麦秆，因此形成银河。
（2）银河系的发现
实际上，银河就是银河系在天球上的投影，这条光带就是我们置身其内而侧视银河系时在可见光波段所看到的、布满星星的圆面——银盘投影。虽然天文学家已经撩开了银河系的面纱，但是却一直难见其庐山真面目。
银河系的发现经历了漫长的过程。17世纪，伽利略首先用望远镜观察银河。他发现，这是一个恒星密集的区域。后来英国人赖特提出了银河系的猜想，并具体描绘出了银河系的形状。他假定银河系像个“透镜”，连同太阳系在内的众星位于其中。18世纪，英国天文学家赫歇尔父子对赖特的猜想进行了验证。他们发现银河系中心处恒星很多，而离中心越远恒星越少。他们的观测表明，银河系确是一个恒星体系，并且其范围是有限的，太阳靠近银河系中心。他们估计银河系的直径8000光年，厚1500光年，其中有3亿颗恒星。1915年，美国天文学家卡普利研究了许多球状星团的变星，发现太阳并不在银河系中心，而是距中心约5万光年，银河系直径有30万光年。其实这些数值偏差太大，因为卡普利在计算距离时未计入星际消光。20世纪60年代，人们测得的银河系数据是：质量相当于2000亿个太阳的质量，直径10万光年，厚2000光年，太阳距离银河系中心2.5万光年。
3.1.2银河系的结构特征
银河系的结构在不同波段可显示出不同的特征。在可见光波段，人们常把银河系描述为一个中央凸起（称为核球）的偏平薄盘（称为银盘），呈类透镜星系或旋涡星系，也有人提出是棒旋星系。。
（1）银盘
银河系的物质主要是恒星，在可见光波段，密集部分组成一个圆盘，称为银盘。银盘的中心平面投影到天球上称为银道面，银道面与天赤道相交成约63.5度角。
据最新研究资料，银盘直径约8万光年（近年研究为8.5万光年，早期值是10万光年），银盘中间厚、外边薄，中间的核球直径约1万光年，银盘靠近核球的地方厚3000～6000光年，边缘仅1000光年。太阳在银盘中位于距银心大约2.4万光年的地方，它到银盘边缘的距离为1.6万～6.4万光年，太阳附近的银盘厚度约为3000光年。
银盘中的物质主要以恒星形式存在，占银河系总质量不到10％的星际物质绝大部分也散布在银盘内。恒星主要由星族Ⅰ天体组成，如G-K型主序星、巨星、新星、行星状星云、天琴RR变星、长周期变星、半规则变星等。星际物质中，除含有电离氢、分子氢及多种星际分子外，还有10％的星际尘埃，这些直径在1微米左右的固态微粒是造成星际消光的主要原因。
为了探明银盘的结构，根据20世纪40年代巴德和梅奥尔对旋涡星系M31（仙女座大星云）旋臂的研究得出旋臂天体的主要类型，进而在银河系内普查这几类天体，发现了太阳附近的3段平行臂。由于星际消光作用，光学观测无法得出银盘的总体面貌。有证据表明，旋臂是星际气体集结的场所，因而对星际气体的探测就能显示出旋臂结构，而星际气体的21厘米射电谱线不受星际尘埃阻挡，几乎可达整个银河系。光学与射电观测结果都表明，银盘确实具有旋涡结构。
（2）银河旋臂
如果有机会从上方俯瞰我们的银河系平面，它更像是一只巨大的“八爪鱼”。因为银河系中的恒星并不是均匀分布的，各种星际物质形成的星云、开放星团、新星等集合在一起，看上去就像是从银河系中心向外依逆时针方向延伸出的多条“手臂”，天文学上将它们称为“银河旋臂”。
银河系包括4条大的和2条小的旋臂。太阳系坐落在较短的猎户座旋臂上，位于英仙座旋臂和人马座旋臂之间。旋臂是银河系里新恒星诞生的摇篮。事实上，银河系每年都会有约10颗新恒星生成，每100年至少会有一颗恒星老化。新生的恒星就出现在银河的旋臂上。
在研究银河系旋臂时，光学方法受到很大限制。人们关于银河系旋臂的知识主要来源于射电观测。在太阳附近，射电观测探测到3段旋臂，即英仙座旋臂、猎户座旋臂和人马座旋臂，太阳靠近猎户座旋臂的内侧。20世纪70年代，人们通过探测银河系一氧化碳分子的分布，又发现了第4条旋臂，它跨越狐狸座和天鹅座，是一条离银心4000秒差距的旋臂，正以约50千米/秒的速度向外膨胀。现已得知，旋臂是气体、尘埃和年轻恒星集中的地方。旋臂内主要是极端星族Ⅰ天体，如O型和B型星、金牛座T型变星、经典造父变星、疏散星团、超巨星、星协等。旋臂内还有大量的中性氢、电离氢、分子云和尘埃。
2008年6月5日，美国天文学家描绘出了银河系最真实的地图，最新地图显示，银河系旋臂与之前所观测的结果大相径庭，原先银河系的四个主旋臂，现只剩下两个主旋臂，另外两个旋臂处于未成形状态。对银河系的最新探测是用美国航空航天局的尖头式太空望远镜完成的，这种太空望远镜可以检测出红外光。因为所有发热物体均可发出红外线，红外线光波可以穿过尘埃。用这种方法得到的银河全景包括80万张照片，共有1.1亿颗星星包含在其中。通过计算星星的数目，科学家们发现，两条主要的旋臂分别是人马座旋臂和英仙座旋臂。在这两条主要的旋臂上，既聚集着年轻明亮的恒星，也聚集着星龄很老的红巨星。
（3）核球、银核和银心核球是银盘中心隆起的近似于球形的部分，最新的一些观测显示，核球也许不是椭球，而是一条棒。银核是核球区域恒星高度密集区，银核为扁球形，赤道半径约30光年，极半径约20光年。银核是一个很特别的区域，它能发出很强的射电、红外线、X射线和γ射线辐射。
银心是指银河系的中心，即银河系的自转轴与银道面的交点。银心在人马座方向。银心除作为一个几何点外，它的另一含义是指银河系的中心区域，半径只有11光年左右。太阳距银心约2.4万光年，银心与太阳系之间充斥着大量的星际尘埃，所以在北半球用光学望远镜难以在可见光波段看到银心。射电天文和红外观测技术兴起以后，人们才能透过星际尘埃获得银心的信息。现已得知，不仅大量气体从银心外涌，而且银心处还有一个强射电源，即人马座A，它发出强烈的同步加速辐射。在星系包括银河系的演化史上，有过核心激扰活动，这种活动至今尚未停息。
目前，天文学家发现，在银河系中心有一个超巨黑洞，它的质量约为银河系总质量的0.5%。多年来，天文学家对一颗名为S2的星体的运行轨道进行了跟踪研究，最终得出结论：S2附近确实存在一个巨型黑洞。质量是太阳7倍的S2，以1.8亿千米/小时的速度每15.2年绕银河系中心运动一周。之所以如此高速运动，是因为它周围存在黑洞，“害怕”被黑洞“吞噬”。经过计算，这个黑洞距地球2.6万光年，质量是太阳的370万倍。
（4）银晕
银晕在银盘外面，是一个范围更大、近于球状分布的系统。银晕的直径逾10万光年，其中物质的密度比银盘中的低得多，银晕主要由亚矮星、贫金属星和球状星团等组成，没有年轻的O型、B型星，有少量气体。球状星团在银晕中有比较广泛的分布，已发现的200多个球状星团，有160个分布在银晕中，是银晕中最亮的成员。
近年来，根据观测可见物质的运动推断，在恒星分布区之外，还存在一个巨大的大致呈球形的射电辐射区，称为“银冕”，其半径可达30万光年，其性质目前还不了解。
3.1.3银河系的物质组成
银河系是太阳系所在的恒星系统。银河系大约包含2000亿颗星体，其中约90%为恒星。恒星的种类繁多，按照恒星的物理性质、化学组成、空间分布和运动特征，可以分为5个星族。最年轻的星族Ⅰ恒星主要分布在银盘里的旋臂上；最年老的星族Ⅱ恒星则主要分布在银晕里。一般认为，银河系中的恒星多为双星或聚星（10个以内的恒星组成的群体为聚星，10个以上的恒星组成的群体为星团）。到2006年，科学家有了新的发现并认为，银河系的主序星中2/3都是单星，其余有大量的双星和1000多个星团。银河系里还有气体和尘埃，其含量约占银河系总质量的10％，它们分布不均匀，有的聚集为星云，有的则散布在星际空间。20世纪60年代以来，科学家在银河系中发现了大量的星际分子，如CO、CH4等。
共生星的发现成了现代宇宙学界的一大奇谜，它是一种在光谱中既出现低温吸收线又出现高温发射线的恒星。1941年梅里尔首先把这种光谱性质很不相同但又互为依存的星取名为共生星，它是一种冷热共生的天体，它既是“冷”的，只有两三千摄氏度，同时又是十分热的，达到几十万摄氏度。这种奇怪现象，让科学家们困惑不已。
“单星”说认为，这种共生星中心是一个属于红巨星之类的冷星，周围有一层高温星云包层，红巨星是一种处于比较晚期的恒星，它的密度很小，体积比太阳大得多，表面温度只有两三千摄氏度，可是对于星云包层高温的来源，人们无法解释；“双星”说认为，共生星是由一个冷的红巨星和一个热的矮星（密度大而体积相对较小的恒星）组成的双星。但是，当时光学观测所能达到的分辨率不算太高，其观测手段尚未发展起来，人们通过光学观测和红移测量测不出双星绕共同质心旋转的现象，而这是确定是否为双星的最基本物质特征之一；也有天文学家明确反对“双星”说，他们认为，迄今为止还未能观测到共生星中的热星，科学家们只不过是根据激发星云所属的高温间接推论热星的存在，从理论上判断它是表面温度高达几十万摄氏度的矮星。
