银河系（英文： The Milky Way Galaxy），是太阳系所在的棒旋星系，其D25等光直径为26.8±1.1 kpc（87400±3600光年），呈现巨大的盘面结构。最近研究表明银河系拥有四条清晰明确且比较对称的旋臂，旋臂处约为 1,000 光年的厚度（在凸起处更多）。银河系暗物质晕也包含一些可见恒星，直径延伸到613kpc（约200万光年）。

银河系在夜空中呈现出一条朦胧的光带，在晴夜质量较好的时候，可以观察到宽约30°，拱起夜空。这条光带的光源来自于银河平面方向上未分辨的恒星及其他物质的累积，光带周围的较亮区域则显示为柔和的光斑，称为恒星云，其中最显著的是人马座大恒星云，它是银河系中心隆起部分的一部分。光带中的呈现为缝隙状和带状的黑暗区域，是由于星际尘埃阻挡了来自遥远恒星的光线造成的，而银河本体所遮挡的天域称为回避带。

银河的表面亮度相对较低，背景光（如光污染或月光）会极大地削弱其可见性。天空的亮度需要低于每平方角秒20.2星等，银河才能被看见。如果极限视星等在大约5.1星等，银河应该可见，并且在6.1星等时展示更多的细节，因此在城市或郊区明亮的灯光下很难看到银河，但在月亮位于地平线以下的乡村地区观测时，银河会非常显眼。人造夜空亮度图表明，全球超过三分之一的人口由于光污染无法在家中看到银河。

从地球观测，银河系经过了25个星座的天区：天鹅座、天鹰座、狐狸座、天箭座、蛇夫座、盾牌座、人马座、天蝎座、天坛座、矩尺座、豺狼座、南三角座、圆规座、苍蝇座、南十字座、船帆座、船尾座、麒麟座、猎户座、金牛座、双子座、御夫座、英仙座、仙后座和蝎虎座。

银河中心位于人马座方向，是银河最亮的地方。从人马座开始，模糊的白色光带似乎绕到御夫座的银河反中心。然后这条光带继续绕过天空的其余部分，回到人马座，将天空分成两个大致相等的半球。银河平面相对于黄道面（地球轨道平面）倾斜大约60°。相对于天赤道，它最北可以到达仙后座，最南可以到达南十字座，这显示了地球赤道平面和黄道面相对于银河平面的高度倾斜。按照B1950，北银河极位于赤经12时49分，赤纬+27.4°，靠近后发座的β星，南银河极则靠近玉夫座的α星。由于这一高倾角，视观察时间和季节的不同，银河弧可能在天空中相对较低或较高。对于大约北纬65°至南纬65°的观察者，银河每天会两次经过头顶。

对于北半球来说，银河夏季星空的重要标志，以及由3颗亮星，即银河两岸的织女星、牛郎星和银河之中的天津四所构成的“夏季大三角”。夏季的银河由天蝎座东侧向北伸展，横贯天空，气势磅礴，极为壮美。而冬季的银河很黯淡（在猎户座与大犬座），但在天空中可以看到明亮的猎户座，以及由天狼星、参宿四、南河三构成的明亮的“冬季大三角”。

早期人类依靠裸眼对银河进行观测和记录。

在中国古代，银河被视为一条想象中的河流，与五行中的水元素紧密相连，并在占卜预测术中发挥作用，这表明古人对银河的认识更多是基于象征和神话，而非科学观测。但对银河系本身的观测，中国的史料记载较少，而西方的观测和记载则相对丰富和齐全。

在《Meteorologica》一书中，阿那克萨哥拉（约公元前500-428年）和德谟克利特（公元前460-370年）曾提出，“由于地球的阴影，银河中恒星的光辉无法直接可见，而其他恒星则是从太阳获得光亮，但它们的光辉被太阳光线遮蔽”。亚里士多德（公元前384-322年）本人认为，“银河是地球上层大气的一部分，与恒星一样，银河是恒星燃烧的副产物，由于它位于大气层的最外层，无法消散，形成了银河的巨大圆形。他认为，银河的乳白色外观是由于地球大气层的折射作用造成的”。

新柏拉图主义哲学家奥林匹奥多罗斯（约公元495-570年）批评了这种观点，称如果银河位于月球以下的区域，它在地球上的不同时间和地点应该呈现出不同的外观，并且应该具有视差，但并不符合事实。他认为银河应该是天体的一部分，这个观点后来对伊斯兰世界产生了影响。

波斯天文学家阿尔比鲁尼（973-1048年）提出，“银河是无数类似星云的碎片的集合”。安达卢西亚天文学家阿威姆佩斯（卒于1138年）提出银河由许多恒星组成，但由于大气层的影响，它看起来像是一幅连续的图像，他引用自己在1106或1107年观察到木星和火星的会合作为证据。波斯天文学家纳西尔丁·图西（1201-1274年）在他的《Tadhkira》中写道：“银河，即星系，是由大量紧密排列的小恒星组成的，由于它们的集中和微小，看起来像云状斑点。正因为如此，它被比作牛奶的颜色。”。伊本·盖伊姆·贾瓦齐亚（1292-1350年）提出，银河是“无数密集在固定恒星天球中的小恒星”。

近代是以望远镜观测实验为主的时代。

1584年，意大利人布鲁诺明确提出宇宙是无限的，恒星都是遥远的太阳，太阳只是无数个恒星中的普通一员。

证明银河系由许多恒星组成的证据出现在1610年，当时伽利略使用望远镜研究银河系，发现它由大量微弱的恒星构成，但他得出了错误的结论，认为银河系的外观是地球大气折射造成的。

在1755年的一篇论文中，伊曼纽尔·康德在托马斯·赖特的早期研究基础上推测银河系可能是一个由大量恒星组成的旋转体，受引力的作用，类似于太阳系，但规模要大得多（现今来看这是正确的观点）。由此形成的恒星盘从位于盘内的角度看，会呈现为天空中的一条带状。赖特和康德还推测，夜空中可见的一些星云可能是类似于银河系的独立“星系”。康德将银河系和“外星系星云”称为“岛宇宙”，这一术语在1930年代之前仍然被广泛使用。

1785年，威廉·赫歇尔首次尝试描述银河系的形状以及太阳在其中的位置，他通过仔细计数可见天空不同区域的恒星数量，绘制了银河系的形状图，认为太阳系接近中心。1845年，罗斯勋爵建造了一台新望远镜，能够区分椭圆形和螺旋形星云。他还成功观察到一些星云中的单个点源，从而支持了康德早期的推测。

1904年，雅各布·卡普泰因研究恒星自行时报告称这些运动并非随机，如当时所认为的那样，恒星可以分成两个几乎相对运动的流。后来人们意识到卡普泰因的数据是证明银河系旋转的首个证据。

1906年，卡普坦为了重新研究恒星世界的结构，提出了“选择星区”计划，后人称为“卡普坦选区”。他于1922年得出与F.W.赫歇耳的类似的模型，也是一个扁平系统，太阳居中，中心的恒星密集，边缘稀疏。在假设没有明显星际消光的前提下，于1918年建立了银河系透镜形模型，太阳不在中心。到20世纪20年代，沙普利模型已得到天文界公认。由于未计入星际消光效应，沙普利把银河系估计过大。到1930年，特朗普勒证实星际物质存在后，这一偏差才得到纠正。

1917年，赫伯·道斯特·卡蒂斯在大仙女星云（M31）观察到了新星S Andromedae，他在搜索照片记录时发现了11颗新星，并注意到它们的平均亮度比银河系内发生的新星要暗10个量级，因此他估算出这些新星距离地球约为150 kpc（约49万光年），遂支持“岛宇宙”假说，即认为螺旋星云是独立的星系。

1920年，哈罗德·沙普利与赫伯·卡蒂斯之间进行了一场关于银河系、螺旋星云以及宇宙尺度的伟大辩论，简称“世纪大辩论”，极大程度地改变了科学界的宇宙观。为了支持关于M31是河外星系的主张，卡蒂斯指出M31具备类似于银河系中尘云的暗带的外观，以及显著的多普勒红移。

这一争议在1923年被埃德温·哈勃通过使用马特·威尔逊天文台的2.5米胡克望远镜得以解决，凭借这台新望远镜的聚光能力，他拍摄出一些螺旋星云外部的天文照片，显示出独立恒星的集合，同时还能识别一些造父变星，作为估算星云距离的基准，最终发现M31距离太阳系约275kpc（约90万光年），由于当时的理论和观测存在误差，这个估计值仍然偏小了，但也远远超出银河系的范围。

1926年，瑞典天文学家林得布拉德分析出银河系也在自转。把对银河系的认识大大向前推进了一步。

1927年，荷兰天文学家奥尔特证明银河系确实在绕中心自转，同时说明银河系的整体不是固体。因此，越靠近中心，自转越快，银河系边缘自转缓慢。

1942年，瑞典天文学家林德布拉德提出“密度波”概念，后来美国科学家提出了系统的密度波理论，初步解释了旋臂的稳定性。

1951年，摩根提出，银河是螺旋形的。根据摩根的说法，银河系有3条炽热恒星群组成的旋臂，分别是英仙座、猎户座和人马座旋臂。关于银河系的旋臂结构，主要有三旋臂和四旋臂两种模型，目前的主流模型是四旋臂，分别是定规座旋臂、半人马座旋臂、人马座旋臂和英仙座旋臂。太阳坐落在位于人马座和英仙座之间的一条小旋臂，称为本地旋臂，位于猎户座旋臂附近。

20世纪70年代期间，人们通过探测银河系一氧化碳分子的分布，意外地发现了银河系的第四条旋臂，它跨越狐狸座和天鹅座。

1971年，英国天文学家林登·贝尔和马丁·内斯分析了银河系中心区的红外观测和其他性质，指出银河系中心的能源应是一个黑洞。

现代的银河系观测主要依托地基和天基的大型巡天设备进行大数据观测。

2003年，升空的斯皮策太空望远镜已对从太阳系的小行星到可观测宇宙边缘的遥远星系进行了逾10年的研究，这是首次在一张巨幅全景图上将所有星辰的图片拼接再现。斯皮策太空望远镜通过红外观测，穿透密集的尘埃并观测到更遥远的银河系中心地带，绘制出一幅更精确的银河系中心带星图，并指出银河系比先前所想的更大。

2004年，天文学家使用甚大望远镜（VLT）的紫外线视觉矩阵光谱仪进行的研究，首度在球状星团NGC 6397的两颗恒星内发现了铍元素。这个发现让他们将第一代恒星与第二代恒星交替的时间往前推进了2~3亿年，因而估计球状星团的年龄在134±8亿岁，因此银河系的年龄不会低于136±8亿岁。

2006年5月9日，天文学家发现了银河系的两个新矮星系。这两个矮星系均为椭球矮星系，分别位于星空中猎犬座和牧夫座的所在方向，均距离太阳约64万光年。矮星系的光度一般不到银河系的10%，牧夫座方向发现的矮星系是迄今已知最暗淡的矮星系，但仍有约10万倍太阳光度。

2008年，科学界在智利欧洲南方天文台花费16年的时间，追踪围绕银心运行的28颗恒星，从而证实了超大质量黑洞人马座A*的存在，其质量是太阳的400万倍，距离地球大约8.15 kpc（约2.66万光年）。

2014年，马修·沃克和他的团队发现银河系的质量仅为仙女座的一半，这个研究结果发表在英国皇家天文学会的月刊上。该研究小组使用了一种全新的方法去测量星系的质量，比以往的测量方法更加精确。

2015年，科学家使用斯隆数字巡天勘测数据分析了银河系边缘恒星的亮度和距离，发现银河系边缘像瓦楞纸板一样存在皱褶结构，凹槽中存在着恒星，从而推断真实的银河系比之前的预想大50% 。同年关于银心的最新观测表明，银河系的最核心部位存在大量白矮星，数量则至少在10万颗左右。在更靠近银心的位置，则由大约70颗较大的白矮星组成。

欧洲航天局的航天器Gaia通过测定十亿颗恒星的视差提供距离估计，并在2016年、2018年、2021年和2024年分别发布四次银河系的巡天数据。Gaia的数据被形容为“具有变革性”。据估计，盖亚将恒星观测数量从1990年代的约200万颗扩展到20亿颗，并将可测量的空间体积扩大了100倍的半径和1000倍的精度。

2020年的一项研究得出结论，Gaia探测到了银河系的晃动运动，这可能是由于“星盘旋转轴与非球形晕的主轴之间的不对齐所产生的扭矩，或在晚期降落过程中获得的晕内聚集物，或来自邻近的交互卫星星系及其随之产生的潮汐”。同年艾丽丝·迪森及其同事利用银河系附近星系，找到了银河系的边界，认为银河系的精确直径为190万光年，误差不超过40万光年。

2022年12月，国家天文台韩金林研究员科研团队利用中国天眼FAST探测了银河系内气体介质，获得高清图像。对银河系逐点巡测、搜寻脉冲星的同时，同步记录了星际气体的谱线数据，并于近期完成了对银河系一个部分的观测，处理了约4.4万条无线电谱线数据，获得了国际上最高灵敏度和清晰度的银河系内氢原子气体的分布结构和电离气体的弥漫特征。

2024年5月，中国科学院国家天文台徐钧博士和韩金林研究员通过分析银河系内的脉冲星和银河系外的射电源法拉第旋转效应分布数据，揭示了银河系的晕中有一个巨大的磁环结构。

我国的郭守敬望远镜（LAMOST）也致力于银河系内的大规模光谱巡天，并精确描绘银河系的结构和演化，这包括银盘的星族、恒星运动和金属丰度分布的研究，以及揭示银河系恒星形成和化学增丰历史等方面。LAMOST通过其高光谱获取率的特点，能够有效探测和研究特殊天体，如高速运动的恒星、疏散星团等。

3.1.1银心

太阳距离银河中心约8.15 kpc（26580光年），这个数值是通过VLT射电干涉观测测量得到的数值，是目前天文学界使用相对较多的数值，而不同的技术方法会得到不同范围的测量值。

银心存在一个名为人马座A*的强烈射电源，2022年5月12日，天文学家发布于2017年4月使用全球射电天文台网络事件视界望远镜制作的人马座A*视界周围吸积盘的第一张影像，确认物体是黑洞，其估计质量为410万至450万倍太阳质量。这是继2019年的M87超大质量黑洞之后，人类确认的第二张黑洞影像。银河系的超大质量黑洞的吸积率与不活跃的星系核一致，估计为每年1×10-5 M☉。甚长基线干涉仪的探测表明，银心射电源的中心区很小，甚至小于十个天文单位，即不大于木星绕太阳的轨道。流入致密核心吸积盘的相对论性电子，在强磁场中加速，产生了同步加速辐射。

一般在星系内圈约几个kpc的半径内，存在一个主要由老恒星组成的密集球状结构，称为核球。经研究发现，银河系缺乏核球，可能由曾经的星系碰撞和合并引起，而目前银心实际上是伪核球，由两个锐角夹角的棒状结构构成。但这种说法仍存在争议，使用RR Lyrae型恒星的观测结果并未明显描绘出银河棒的轮廓，棒结构可能被一个名为“5kpc环”的星流所环绕，环内含有大量的分子氢以及恒星形成活动，如果从M31观察，它将是银河系最亮的特征。

自1970年以来，各种伽马射线探测任务发现511 keV伽马射线来自银河中心的总体方向。这些伽马射线是由正反电子湮灭产生的，伽马射线探测器发现发射该区域大小约为10,000光年，亮度约为10万倍太阳光度。2008年NASA和ESA的卫星共同发现，伽马射线源的分布与低质量X射线双星的分布相似，似乎表明这些X射线双星将正负电子发送到星际空间，它们在减速后湮灭。

2010年，使用费米伽马射线空间望远镜的数据，检测到银心南北两侧存在两个巨大的高能伽马射线发射球形气泡，每个气泡的直径约为7.7 kpc（约25,000光年），它们延伸至南半球夜空中的凤凰座和处女座。帕克斯望远镜此后在无线电频率下的观察识别出与费米气泡相关的偏振发射，最合理的解释是由银河系中心200 pc（640光年）内的恒星形成所驱动的磁化外流。

2012年，钱德拉X射线太空望远镜探测到人马座A*爆发出的明亮的X射线耀斑，亮度是黑洞正常发光的150倍，耀斑爆发时间超过1小时，然后逐渐变暗。2015年，NASA再次观察到来自人马座A*的X射线耀斑，其亮度比平常亮400倍，创造了记录。这一异常事件可能是由于一个落入黑洞的小行星分裂，或是气体流入人马座A时磁场线缠绕所引起的。2019年8月9日，人马座A*的亮度在两小时内增大到原来的75倍。

3.1.2 银盘和旋臂

银盘是银河系的主要组成部分，是由恒星、尘埃和气体组成的扁平盘。在银河系中可探测到的物质中，有九成都在银盘范围以内。银盘外形如薄透镜，以轴对称形式分布于银心周围，其中心厚度约1万光年，不过这是微微凸起的核球的厚度，银盘本身的厚度只有两千光年，直径近20万光年，总体上说银盘非常薄。

2017年底，国家天文台刘超研究员等率先利用LAMOST数据，成功绘制出银盘外围的空间结构剖面图。研究人员分析，银盘的恒星数目虽然在随着银盘半径减少，但并没有在5万光年处停下来，而是一直延伸到距离中心6.2万光年处。以往的研究认为，银盘的半径大约只有14~15 kpc，之后会有一个明显的截断，很多理论研究据此推演银河系的形成和演化历史，尽管有研究在距离银心20 kpc的地方陆续发现了少量的年轻恒星，但是直到这项工作，人们才真正系统地看到了银河系外盘的庐山真面目。

在银河棒的引力影响之外，银河系盘中的星际介质和恒星结构被组织成四个螺旋臂。螺旋臂通常包含比银河平均值更高密度的星际气体和尘埃，以及更高的恒星形成浓度，这可以通过H II区和分子云来追踪。

除了1kpc范围内的银核绕银心作刚体定轴转动外，银盘的其他部分都绕银心作较差自转，即离银心越远转得越慢。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。星际物质中，除电离氢、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，它们大都集中在银道面附近。

银盘主要由星族Ⅰ组成，如G～K型主序星、巨星、新星、行星状星云、天琴座RR变星、长周期变星、半规则变星等。

银河系的旋臂结构为银盘平面上，具体的螺旋结构尚无定论。目前较为完善的旋臂数学模型是对数螺旋，可以粗略描述太阳邻域的特征，其他的误差影响来自于旋臂的分支、合并、意外扭曲和一定程度的不规则性。太阳位于小臂/本地臂的可能情景强调了这一点，并表明这些特征可能并非唯一，且在银河系的其他地方也存在。对螺旋臂的螺距角的估计范围约为7~25°。主流认为银河系具有四个旋臂，均始于银河系中心附近，这些臂的名称如下，臂的位置在图中显示：

其中盾牌-人马座臂和船底-人马座臂，在太阳围绕银河中心的轨道内有切点，它们是银河系中唯二的主要恒星臂，其余的臂包含过量的气体，但没有过量的老恒星。2013年，天文学家发现年轻恒星和恒星形成区域的分布与银河系的四臂螺旋描述相匹配，因此银河系具有两条由年老恒星为主的螺旋臂，以及四条以气体和年轻恒星为主的螺旋臂，但这种明显的差异的解释尚不清楚。

近三千秒差距臂（也简单称为近3kpc旋臂）是由范沃尔登及其合作者，在20世纪50年代通过21厘米射电测量HI（原子氢）发现，发现它以超过50千米/秒的速度从核球向外扩展。近3kpc旋臂位于第四个银河象限，距离太阳约5.2 kpc，距离银心3.3 kpc。而远3千秒差距臂是由汤姆·戴姆在2008年发现，它位于银河第一象限，距离银河中心约3 kpc（约10,000光年）。

2011年的模拟研究表明，银河系可能通过和人马座矮椭圆星系的重复碰撞作用，形成了其螺旋臂结构。银河系可能包含两种不同的螺旋模式：一种是由人马臂形成的内螺旋，旋转较快；另一种是由船底臂和仙女臂形成的外螺旋，旋转速度较慢且臂较紧密。根据不同螺旋臂动力学的数值模拟，这一情景表明，外部模式将形成一个外伪环，而这两种模式将通过天鹅臂相连。

在主要旋臂之外还存在一个外环，可能是数十亿年前从其他星系撕裂得到的气体和恒星所组成的环，然而该观点存在争议，也有理论认为外环是银河系膨胀和扭曲的厚盘所产生的一个过密度结构，而银河系盘的结构沿着S曲线扭曲。

3.1.3 银晕和银冕

银河盘由一个球状晕层围绕，称作银晕。晕层中包含许多古老的恒星和球状星团，其中90%位于距银心30 kpc（约10万光年）以内，然而也有一些球状星团被发现位于更远的地方，比如位于距银心20万光年以上的PAL 4和AM 1。此外约40%的银河系球状星团处于逆行轨道上，即运动方向与银河系旋转方向相反，这些球状星团可以沿着银河系进行玫瑰状轨道运动，与行星绕恒星的椭圆轨道不同。

银晕之外还存在着一个巨大的呈球状的射电辐射区，称为银冕，至少延伸到距银心32万光年远。

尽管盘中含有遮挡部分波长观测的尘埃，但银晕部分并没有这种遮挡。恒星形成活动主要发生在盘内（尤其是高密度的旋臂区域），但在银晕中并没有发生恒星形成活动，因为这里几乎没有足够冷的气体能够坍缩形成恒星，而疏散星团也主要位于银河盘内。

21世纪初，随着发现仙女座大星云M31的盘状结构远超预期和认知，银河系盘状结构延伸到更远处的可能性也在增加。天鹅座臂的延伸和半人马矮椭圆星系的发现，更加支持这种扩展的观点。斯隆数字巡天对北天球的观测显示，银河系中还存在一个巨大而弥漫的结构，分布面积约为满月大小的5000倍，但这种结构似乎无法融入现有的理论模型——该结构被命名为室女座星流，距太阳系约9kpc（约3万光年），它几乎垂直于银河系旋臂的盘面升起，一种可能的解释是，它是一个正在与银河系合并的矮星系遗迹。

银晕除了恒星晕的部分外，钱德拉X射线天文台等还提供了观测证据，证明银河系还拥有一个包含大量高温气体的气体晕，在100~250万开尔文，它的延伸范围远远超过恒星晕，几乎抵达大、小麦哲伦云。这个高温气体晕质量几乎与整个银河系旗鼓相当。

对遥远星系的观测表明，在宇宙形成的几十亿年后，普通重子物质的含量仅为暗物质的六分之一，然而根据对像银河系这样的邻近星系的观测，现代的可观测宇宙中只有大约一半的重子物质得到了确认。因此，如果气体晕的质量确实与银河系质量相当，这可能就是银河系周围重子物质缺失的原因。

2017年，国家天文台研究人员利用LAMOST观测的晕族红巨星，直接绘制出银河系40 kpc内的三维剖面图，从而揭示出恒星晕的复杂构成——内部呈扁球形，外部则逐渐变成球形。恒星数密度则按照单一幂律形式由内向外减少。

2019年8月，中国科学院国家天文台利用LAMOST DR5中K巨星的三维位置和三维速度，在银河晕中找到40余组子结构，包含近2000颗恒星。其中包括大量的人马座星流、麒麟座星环、室女座致密区、孤儿星流等银晕中已知子结构和其他未知子结构的成员星，并第一次给出了银河系晕中大样本子结构的六维参数信息。这些信息更加精确地展现出银河系现在的结构以及其过去的吸积历史。通常星系在发生吸积并合时，会在其周围的空间（晕）中留下原星系的残骸，例如星流、致密区、壳层等子结构。

目前对于这些子结构的恒星六维信息巡天，主要有LAMOST和Gaia的研究内容，此前已经归类发现，子结构中的晕星，成团性在位置和速度空间上明显区别于本地晕星。

3.1.4 翘曲

2019年，中国科学院国家天文台陈孝钿、邓李才研究组和北京大学王舒研究组基于经典造父变星构建了一个稳健的银河系盘模型，给出了银河系翘曲结构的直观三维地图。造父变星是一类中等质量的年轻脉动变星，比太阳重3~20倍，亮约几万倍。由于它们的脉动周期和光度严格相关，因此可以精确测定距离，精度可达3%~5%。

科学家研究发现距离银河系中心越远，造父变星就越偏离银盘面，整体呈S型；同时，从银心向外的翘曲呈现复杂的进动现象。该项工作表明银河系外盘翘曲的起源与巨大的内盘所施加的力矩有关，并且造父变星所示踪的恒星盘与气体盘的结构非常一致，至少向外延伸到约6.5万光年。尽管翘曲现象在河外星系中经常出现，但是理论家们对它是如何形成的莫衷一是，一种可能的解释是外盘受到某种转矩作用而形成。

早在2006年1月，研究人员报告称，银河系盘面中先前无法解释的弯曲实际上是由大麦哲伦星云和小麦哲伦星云在绕银河系运动时引发的涟漪或振动引起的。这两个星系仅占银河系质量的约2%，因此在早先被认为不太可能对银河系产生显著影响，然而在计算机模型的后验中，这两个星系的运动会产生一个暗物质尾流，放大它们对银河系的影响。

2013年12月19日，Gaia空间望远镜在法属圭亚那成功发射升空，飞往距地球150万千米的地日拉格朗日L2点——这是太阳和地球引力的平衡点之一。通过Gaia空间望远镜，人们进一步证实了以前认为是水平的银河系银道面，实际上是一种一头高、一头低的翘曲结构。太阳系所在位置的银盘厚度约为500光年，太阳位置以外翘曲的程度大约是偏离银道面4500光年，在对应另外一端银盘的厚度大约是3000光年。此前有人提出，暗物质、磁场等或是造成这种翘曲结构的原因，但是后来发现，暗物质等因素无法解释这种结构在未来6~7亿年内的运动速度，并且这个速度貌似还在随时间变化。

于是，科学家提出了一个猜想：翘曲结构或许源自银河系与其他星系的碰撞：银河系的一个卫星星系——半人马座矮星系嫌疑最大。此前的研究表明，它的确曾经几次纵穿银河系圆盘，而且可能正在被银河系吸收。此种碰撞对两个星系内的天体均有很大影响。因为天体正面相撞的几率非常小，这种影响主要集中在运动轨道的改变、局部物质密度的扰动等方面。盖亚空间望远镜的观测数据表明，大约在62亿年至42亿年前，人马座矮星系和银河系初次相撞，导致了银河系内气体物质的扰动。

盖亚空间望远镜收集的数据，不仅揭示了人马座矮星系对银河系的影响，碰撞产生的涟漪似乎引发了主要的恒星形成事件。一项新研究揭示了57亿年前的银河系往事——银河系或与半人马座矮星系发生过3次碰撞，第一次碰撞就产生了太阳，因为太阳的年龄与因半人马座矮星系碰撞效应而形成的恒星年龄一致。

3.1.5 旋转曲线和暗物质晕

银河系中的恒星和气体绕其中心进行差异性旋转，这意味着旋转周期随位置而变化，与其他旋涡星系或棒旋星系的典型情况一样，银河系中大多数恒星的轨道速度与它们距中心的距离没有很大关联。远离中央核球或外缘的区域，典型的恒星轨道速度为210±10 km/s ，因此典型恒星的轨道周期仅与所行路径的长度成正比。这与太阳系内的情况不同，在太阳系中，两体引力动力学占主导作用，不同的轨道具有显著不同的速度。但银河系旋转曲线的表现与太阳系大相径庭，靠近银河系中心的轨道速度太低，而在7 kpc距以外的速度则过高，无法与万有引力定律所预测的结果相匹配。

如果银河系只包含观测到的恒星、气体和其他普通重子物质，其旋转速度将随着距中心距离的增加而减小。然而实际观测到的旋转曲线在远处相对平坦，表明存在额外的质量提供旋转速度，但这些质量无法通过电磁辐射被直接探测到——这种现象差被归因于暗物质。并且，银河系的旋转曲线与旋涡星系通用旋转曲线一致，这是证明星系中存在暗物质的最有力证据。然而也有少数天文学家提出，通过修改引力定律也可以解释观测到的旋转曲线。

星系周边的暗物质组成一个巨大而不可见的结构，被称作暗物质晕，其质量远远超过可见光部分的质量。根据现代宇宙学理论，暗物质晕的形成过程遵循层级化或“自底向上”的模式，即较小的暗物质晕通过引力塌缩和合并逐渐形成更大的晕。在这一过程中，密度扰动在达到临界密度后会从宇宙膨胀中反向塌缩，形成维里化的暗物质晕。这些暗物质晕可以通过吸积周围物质或与其他晕合并来增加质量和尺寸，并可能产生子晕。

银河系的暗物质晕形状接近球形的扁椭球，这与银盘翘曲现象有关。通常认为，银盘的翘曲是由于外盘物质的旋转平面偏离了包裹它的暗物质晕的对称平面导致的。这种倾斜的转动银盘就像一个旋转的陀螺，受到暗物质晕施加的引力矩而产生进动。此外，银河系的暗物质晕还包含一些较小尺寸的暗物质团块，称为暗物质子晕，有的还会包裹着一个小质量的矮星系。这些子晕可能会受到中心晕的潮汐力作用，逐渐瓦解并合到中心晕中，从而导致中心晕质量随时间增长。

3.1.6 太阳系位置

太阳系位于猎户座旋臂靠近内侧边缘的位置上，距离银河系中心约2.714±0.046万光年，逆时针旋转，绕银心旋转一周约需要2.2亿年。太阳运行的方向基本上是朝向织女星，靠近武仙座的方向，偏离银河中心大约86度。太阳环绕银河的轨道大致是椭圆形的，但会受到旋臂与质量分布不均匀的扰动而有些变动。目前，太阳位于银河盘中央平面以北或以南5~30 kpc（16~98光年）处，这个位置处于银河系宜居带内。

太阳系大约每2.25～2.5亿年在轨道上绕行一圈，可称为一个银河年。因此以太阳的年龄估算，太阳已经绕行银河18~20圈，在人类起源后已完成了1/1250圈。太阳的轨道速度是217km/s，正朝向黄道星座天蝎座的方向前进，换言之每8天就可以移动1个天文单位，1400年可以运行约1光年的距离。

在距太阳15 pc（约49光年）的球形区域内，绝对星等比8.5星等更亮的恒星约有208颗，恒星密度为每69 pc3一颗(约2360立方光年)一颗。另外在距太阳5pc（约16光年）范围内，已知恒星（不包括4颗棕矮星）有64颗，恒星密度约为每8.2pc3（284立方光年），这说明了暗星远多于亮星：在整个天空中，视星等比4星等更亮的恒星约有500颗，而视星等比14星等更亮的恒星则有1550万颗。

3.2.1 质量

银河系的总质量一般约为8.9×1011~1.54×1012M☉（8900~15400亿倍太阳质量），但恒星和行星仅占其中的一小部分。银河系质量的估计数值，因使用的方法和数据不同而有所差异，估计范围的下限是5.8×1011M☉，略低于仙女座星系M31的质量。2009年使用甚长基线阵列进行测量，发现银河系外缘恒星的速度高达254km/s，由于轨道速度取决于轨道半径内的总质量，这一数据表明银河系的质量较大，约等于仙女座星系的质量，即在距其中心49 kpc（约16万光年）内的质量约为7×1011M☉。而在2019年的估计中，银河系的最新质量约为1.29×1012M☉。

银河系的大部分质量似乎是暗物质，银河系的数学模型表明暗物质的质量为1~1.5×1012 M☉，而2013年和2014年的研究表明质量范围可能高达4.5×1012 M☉，也可能低于8×1011 M☉。相比之下，银河系中所有恒星的总质量估计在4.6×1010 M☉~6.43×1010M☉之间。

2019年3月的研究称，银河系在约39.5 kpc（约13万光年）的半径内约有1.54万亿倍有效太阳质量，比先前研究中确定的质量高出一倍多，表明银河系质量的90%为暗物质。2023年9月又称银河系的有效质量仅为2.06×1011M☉，仅为之前研究质量的十分之一，这一质量由Gaia太空望远镜的数据所确定。

3.2.2 大小

银河系是本星系群中两个最大的星系之一（另一个是仙女座星系M31），尽管人类尚不完全理解其星系盘大小和等光直径的定义。计银河系中绝大多数的恒星大约位于直径26 kpc（约80000光年）内，在此之外恒星数量急剧减少。天文学中定义星系大小的方法有很多，每种方法得出的结果不尽相同。最常用的方法是D25标准，即在B波段（blue的首字母，波长445 nm的蓝光）中，当星系的光度达到25星等/平方角秒时的等光线。

1997年，古德温等人通过对比银河内外的造父变星分布，并模拟它们的光度关系，得出银河系的等光直径为26.8±1.1 kpc（约87,400±3,600光年）。该结论的假设依据是银河系盘具有良好的指数性质，并采用了中心表面亮度（μ0）为22.1±0.3 B星等/平方角秒，以及盘尺度长度（h）为5.0±0.5 kpc（16,300±1,600光年）。这个结果显著小于仙女座星系的等光直径，略低于其他星系的等光尺寸平均值（28.3 kpc，92,000光年）。

银河系和仙女座星系并非大型旋涡星系，也不是已知最大的星系，而是普通规模的平均型旋涡星系。为了比较银河系的相对物理尺度，如果把太阳系内海王星轨道的范围比作一枚直径24.3 mm的硬币，那么银河系约等于美国本土的南北线距离。

2015年发现一个称为三角-仙女座环的星环结构，在相对平坦的银盘上起伏，与麒麟座环一并被认为主要由于银盘的振荡引起，且环绕银河系，直径至少为50 kpc（约16万光年），它们可能是银河系外盘的一部分，从而可能使恒星盘的大小增加至此。但2018年的研究部分否定了该结论，认为麒麟座环、A13和三角-仙女环是从主恒星盘中踢出的恒星过密区域，与RR Lyrae型变星的速度弥散一致，表明它们属于银晕。

同年另一研究显示可能在距银心26~31.5kpc（8.48~10.3万光年）甚至更远的地方存在盘星，这远远超出了恒星密度急剧下降的临界值（约13~20 kpc，约4~7万光年）的范围。

2020年的一项研究预测银河系暗物质晕的边缘约为292±61 kpc（约95.2±19.9万光年），这意味着直径为584±122kpc（约190.5±39.79万光年）。而银河系的恒星盘厚度估计值为1.35 kpc（约4000光年）。

关于银河系的年龄，当前的研究提供了多种估计方法，且不同部分的年龄可能有所差异。通过对银河系中最古老的恒星和球状星团的研究，大部分科学家认为银河系的最古老部分可以追溯到约132~136亿年之前。特别是通过分析恒星中的放射性元素以及球状星团的演化，得出了这一较为精确的年龄估计。

银河系中球状星团是其中最古老的天体之一，因此它们为银河系的年龄设定了下限。通过测量银河系中个别恒星中长寿命放射性元素（如钍-232和铀-238）的丰度，并将其与这些元素的初始丰度进行比较，天文学家能够估算这些恒星的年龄。这种技术称为核宇宙年代学。例如CS 31082-001的年龄估计为约125±30亿年，而BD+17° 3248的年龄则为约138±40亿年。

银河系的主要结构，包括其厚盘和薄盘，形成时间则相对较晚。研究表明银河系的厚盘可能在80~100亿年前形成，而薄盘中的一些恒星群体也显示出更年轻的特征，这说明银河系的形成是一个渐进的过程，最古老的恒星和球状星团较早形成，而盘结构则稍晚。

早期的研究通常估计银河系盘的年龄在60~135亿年之间，误差较大，随着技术的进步和数据的积累，估计范围在逐渐缩小。1998年通过WDLF的理论和实际比较，得出银盘年龄约为80±15亿年。在2018年，Gaia巡天任务数据显示，银河系内的白矮星也可用于星系年龄的估计，通过分析白矮星的冷却过程，球状星团M4的年龄被估算为127±7亿年，并且有至少95%的可能性认为，银河系内环晕的年龄至少为109±4亿年，且部分银盘可能在93亿年前就已经形成，且银河系的年龄上限为160亿年。

银河系的光晕中还发现了几颗年龄接近宇宙年龄的恒星。2007年，银河光晕中的恒星HE 1523-0901的年龄估计为约132亿年，是当时银河系中已知最古老的天体，这一测量为银河系的年龄设定了下限，是通过使用甚大望远镜（VLT）的紫外-可见光谱仪，测量由钍和其他元素相关的光谱线强度来完成的。而另一颗恒星HD 140283的年龄估计为145 ± 7亿年。

因此大多数现代研究倾向于认为银河系的年龄大约在120~160亿年之间，这个范围超出了现代宇宙学估计的宇宙年龄134亿年。这一误差来自于理论模型的差异，核宇宙年代学与宇宙膨胀的年龄估计法并不处于同一适应的模型下。

围绕银河系的卫星星系并不是随机分布的，而是似乎是某个更大系统分裂的结果，形成了一个直径50万光年、宽5万光年的环状结构。像预期在40亿年后与仙女座星系的碰撞一样，星系之间的近距离接触可能会剥离出巨大的气体尾，随着时间的推移这些气体可能会凝聚形成任意角度的矮星系环。

银河系附近有两个较小的星系和多个矮星系围绕运行，其中最大的为大麦哲伦星云，直径为32200光年，以及还有另一个伴星系小麦哲伦星云，它们都属于不规则星系。麦哲伦流是从这两个小星系中延伸出的中性氢气流，横跨天空约100度，这股气流可能是被银河系的潮汐相互作用拖出的。围绕银河系运行的一些矮星系包括大犬座矮星系（距离最近）、人马座矮椭球星系、小熊座矮星系、御夫座矮星系、六分仪矮星系、天炉座矮星系和狮子座I矮星系等，其中最小的矮星系直径仅为500光年，其中包括船底座矮星系、天龙座矮星系和狮子座II矮星系，以及可能仍有尚未探测到的矮星系与银河系动态绑定，这一点被在2015年发现的9颗新卫星星系所证实。而一些矮星系已被银河系吸收，如半人马座矮椭球星系。

200年研究发现，银河系的大多数卫星星系位于一个巨大的盘面中，并朝着相同方向运行，这个令人惊讶的发现进而在2012年被证实：根据标准的宇宙学理论，卫星星系应在暗物质晕中形成，且应广泛分布并随机移动，因此这种差异尚未得到解释。

银河系和仙女座星系M31是属于一个由超过50个紧密结合的星系组成的双螺旋星系系统，称为本星系群，其质心位于银河系和M31之间。本星系群中的全部星系覆盖一块直径大约1,000万光年的区域，本星系群的波速频散为61±8 km/s，本星系群周围则是一个称为本地空洞的区域，本地空洞是本地板的一部分，进而属于室女座超星系团。

现有的测量结果表明，仙女座星系M31正以100~140km/s的速度接近银河系，于是在约43亿年后，银河系和仙女座星系可会发生碰撞，具体取决于尚且未知的侧向运动不定性。即使发生碰撞，恒星之间相互碰撞的可能性也是极低，但最终两个星系将合并成一个椭圆星系，或是一个更大的盘星系，整个过程大约需要60亿年。

本星系群中两个质量最大的成员是银河系与仙女座星系，这两个星系又都各自拥有一个自己的卫星星系系统。银河系的卫星星系包括人马座矮椭球星系、大小麦哲伦星云、大犬座矮星系、小熊座矮星系等；仙女座星系M31的卫星星系又包括M32、M110、NGC 147、NGC 185等。

三角座星系M33是本星系群中第三大的星系，它与仙女座星系M31的伴星系关系尚不清楚，但LGS 3可能是M33的卫星星系。本星系群的其他成员的质量都远远小于这几个大的子群。

室女座超星系团，或称本超星系团，简称LSC或LS，是一个不规则的超星系团，包含银河系和仙女座星系M31所属的本星系群在内，至少有100个星系团与星系群聚集在直径33 mpc（约1.1亿光年）的空间内，是在可观测宇宙中数以百万计的超星系团中的一个。

室女座超星系团是拉尼亚凯亚超星系团的一部分，它也是双鱼-鲸鱼座超星系团复合体的一部分。该星系团的中心区域距离地球有6,000万光年，位于室女座。著名的梅西耶天体M49、M60、M86、M87均位于此。

围绕室女座超星系团的是一些较大的空洞区域，如显微镜空洞、御夫座空洞、牧夫座空洞和大犬座空洞，这些空洞的形状会随时间变化，形成星系的丝状结构。例如，室女座超星系团正向巨引源运动，而巨引源属于拉尼亚凯亚超星系团的一部分。

在巴比伦史诗《创世史诗》（Enūma Eliš）中，银河系是由远古咸水龙女提亚马特（Tiamat）的断尾形成的，在提亚马特被巴比伦国神马尔杜克（Marduk）杀死后，马尔杜克将她的尾巴挂在天空中。这一故事曾被认为基于一个更古老的苏美尔版本，在该版本中，提亚马特是被尼普尔的恩利尔（Enlil）所杀，但现在被认为纯粹是巴比伦宣传者的发明，旨在显示马尔杜克优于苏美尔诸神。

在希腊神话中，宙斯将他与凡人女子所生的儿子赫拉克勒斯（Heracles）放在赫拉的胸前，当时赫拉正在睡觉，以便婴儿能够喝到她的神圣乳汁并成为不朽者。赫拉在哺乳时醒来，意识到自己正在喂一个陌生的婴儿，便将他推开，一些乳汁洒了出来，形成了被称为银河的光带。在另一个希腊故事中，被遗弃的赫拉克勒斯被雅典娜（Athena）带给赫拉哺乳，但赫拉克勒斯太过用力，导致赫拉痛得将他从胸前拽开。

Llys Dôn（字面意思是“多恩的宫廷”）是威尔士传统上对仙后座星座的称呼。至少有三位多恩的孩子也与天文现象有关：Caer Gwydion（“格威迪恩的堡垒”）是威尔士传统上对银河的称呼，而CaerArianrhod（“阿丽安罗德的堡垒”）则指的是北冕座。

在西方文化中，“银河”的名称来源于它在夜空中呈现出的未解析出的“乳白色”光带。这个词是拉丁语“via lactea”的翻译，而拉丁语词源于希腊化时期的希腊语“γαλαξίας”，是“γαλαξίας κύκλος”（galaxías kýklos）的缩写，意思是“乳白色的圆圈”。古希腊语“γαλαξίας”（galaxias）——词根为“γαλακτ-”（乳汁）+ -ίας（形成形容词）——也是“galaxy”（星系）一词的词根，最初是指我们的星系，后来泛指所有类似的星星集合。