銀河系的結構：具有螺旋臂的扁平盤，具有中央凸起
早在幾百年前，探險家們穿越大洋，穿越未知的大陸來繪製地圖，但直到19世紀，愛爾蘭天文學家威廉·帕森斯才發現第一個螺旋星雲M51。
然而，在缺乏現代天文望遠鏡的時代，人們對銀河系多大多遠，具體什麼結構幾乎毫無所知。關於這些問題的辯論一直持續到20世紀初，美國女天文學家亨麗愛塔·斯萬·勒維特發現了造父變星的周光關係後，著名天文學家埃德溫·哈勃利用這一技術，才發現銀河系並不是宇宙中唯一的星系，並且宇宙一直處在膨脹之中，這就是著名的哈勃定律。
繪製銀河系的困難所在在過去半個世紀中，人類派出去的太空探測器已經拍攝了大部分的太陽系。然而，我們對銀河系的實際外觀影象仍然模糊。 原因很簡單：以我們目前的科學技術無法發射一個航天器，經過數百萬年的旅程衝出銀河系，然後回頭拍攝照片。
我們對銀河系外觀知之甚少的另外一個原因是銀河系當中包含大量的塵埃。 灰塵有效地吸收了光，因此，在穿過銀河盤的大多數視線中，我們看不到很遠的地方，因為灰塵會擋住視線。
第三個原因是銀河系的廣大深邃：來自銀河另一側恆星的光要花費超過50000年的時間才能到達地球!這種距離使得我們很難分辨出哪些恆星近，哪些恆星遠。
銀河系北極的銀河系平面圖，顯示了具有測量的三角視差的高品質恆星形成區域的位置
因此，我們還有很多關於銀河系的懸而未解的問題，例如，它有多少個旋臂，最接近太陽的大型結構是否可以算作一條旋臂，以及我們的太陽系在銀河系中的位置等。
不過，科學家們利用來自幾個新研究專案的資料，尤其是“棒旋和螺旋結構遺留”無線電調查專案(BeSSel)，在超長距離的地球天文望遠鏡陣列上獲得了5000小時的觀測時間，最終描繪出了迄今為止銀河系最好的地圖。它揭示出銀河系並不是曾經認為的普通的旋渦星系，而是棒旋星系，其中至少包含四個主要的旋臂以及一些較小旋臂特徵，而太陽幾乎精確地位於銀河系盤的中心平面上。
棒旋星系的代表NGC 1300
通俗來講，棒旋星系是中間具有由恆星聚集組成短棒形狀的螺旋星系。銀河系附近的NGC 1300星系提供了很好的示例。NGC 1300在其中心具有明亮的短棒形狀結構，兩個螺旋臂從短棒形狀的末端開始發端，並緩慢向外延伸。螺旋臂發出藍光，這是由巨大恆星託兒所區域產生的。
70年前，科學家計算了地球到附近一些發光的藍色恆星的距離。在星系地圖上繪製這些點會發現三個螺旋臂的片段，我們將其稱為人馬座旋臂，區域性旋臂和英仙座旋臂。大約在同一時間，從1950年代開始，射電天文學家觀察到了原子氫氣，這種氫氣釋放了21釐米波長的可見光訊號。當這種氣體相對於地球移動時，由於多普勒現象，氫原子的頻率發生了變化，從而使天文學家能夠測量氣體的速度，從而為其在銀河系中的位置提供線索。銀河製圖師使用這種測量方法，從太陽的角度來看，為我們的銀河系採用了便利的座標系。
天文學家一直認為，銀河系也具有棒旋星系特徵。斯皮策太空望遠鏡在十多年前所做的紅外觀測表明，銀河系似乎可能只有兩個旋臂。 但是，最近對集中在其它星系旋臂中的氫原子和一氧化碳原子的無線電波觀測表明，銀河系大致有四個旋臂。
更精確的繪製銀河系隨著更先進的新型望遠鏡的出現，天文學家正在朝著更精確研究有關銀河系的問題的道路上快速前進。蓋亞任務於2013年啟動，旨在測量地球到銀河系中超過十億顆恆星的距離，這無疑將徹底改變我們對銀河系形成中不同恆星種群的理解。 但是，由於蓋亞使用的是被星際塵埃顆粒吸收的光，所以它無法自由探測遙遠的螺旋臂。 而無線電波很容易穿過塵埃，使我們能夠探索整個銀河盤並繪製其結構圖。
現在，繪製銀河系結構圖的兩個主要專案使用的是射電天文學中的一種稱為“超長基線干涉測量”（VLBI）的技術。 比如日本的VERA專案使用四臺射電望遠鏡，它們橫跨日本領土，從該國北部水澤到其最南端石垣島。
“棒旋和螺旋結構遺留”（BeSSeL）專案則使用超長陣列，該陣列包含10架望遠鏡，覆蓋了西半球的大部分割槽域，從夏威夷到新英格蘭再到美屬維爾京群島的聖克魯瓦。由於望遠鏡之間的距離幾乎是地球直徑，因此這些陣列可以獲得遠遠超過任何其它望遠鏡任何波長下的解析度。研究人員必須用所有望遠鏡同時觀察，並用原子鐘將每個站點的計算機磁碟上記錄的資料同步。然後，他們將記錄的資料傳送到一臺專用計算機，該計算機對望遠鏡之間的訊號進行協調。經過校準後，便獲得一張數字影象。
三角測距視差技術原理圖
要繪製出銀河系旋臂這種級別的天體圖，天文學家必須使用三角測距視差技術。通過觀察從地球軌道的相對側觀察恆星位置的偏移或視差角來測量星際距離。 一顆恆星離地球越近，其視差就越大，結合地球與太陽的距離，恆星三角測距視差使天文學家可以使用基本三角函式來計算該恆星與地球的距離。
理想情況下，要繪製旋臂結構圖，天文學家要觀察年輕的大品質恆星。這些短暫的恆星通常與螺旋臂內強烈的恆星形成有關，而且溫度很高，以至於它們使周圍的氣體電離，從而使其發出藍光，並在整個宇宙中形成可見的螺旋臂示蹤信標。但是，由於被困在銀河系的塵埃盤中，我們無法輕易地在整個銀河系中觀察到此類恆星。幸運的是，被這些熱恆星電離的區域外的水和甲醇分子可以是非常明亮的無線電型號源，因為它們發出的自然，大量的輻射訊號，幾乎沒有被銀河塵埃衰減。該輻射是光學鐳射的無線電類似物。在天體物理環境中，這種輻射來自太陽系尺度的氣體雲，其品質與木星相當。在無線電影象中，它們是非常明亮的“斑點”，也是視差測量的理想目標。
目前測繪出的銀河系圖利用Bessel和VERA觀測專案，天文學家已經收集了大約200個基於視差的距離測量結果，用於跨銀河大區域的年輕熾熱恆星。 這些資料使我們可以很好地揭示銀河系四條連續，距離很長的旋臂的面貌。
目前測繪出的銀河系圖
研究顯示，太陽非常接近稱為“區域性旋臂”的位置，這似乎是螺旋臂的一個孤立片段。它的結構類似於其它附屬星系中旋旋臂分支出的較小附屬物。但是，在它的短長度上，有大量恆星形成，其數量可與我們在附近英仙座旋臂的類似長度中看到的相當。
有趣的是，一些天文學家認為英仙座臂是銀河系中兩個主要的臂之一。但是，最新的資料顯示，隨著旋臂向內遠離太陽向內旋轉時，大量恆星的形成會顯著減少，這表明它對於外部觀察者而言似乎不是非常突出的旋臂。
通過使用大量年輕恆星的三維位置並對測得的運動進行建模，天文學家現在可以估算出銀河系基本引數的值。 他們發現：從太陽到銀河系中心的距離為8150±150秒差距（或26600光年）。 這比幾十年前國際天文學聯合會提出的8500秒差距的值還小（秒差距是一個宇宙距離尺度，用以測量太陽系以外天體的長度單位。1秒差距定義為某一天體與1天文單位的對角為1角秒時的距離）。 此外，天文學家還發現銀河系正在以每秒236公里的速度旋轉，這大約是地球繞太陽旋轉速度的8倍。 根據這些引數值，科學家們發現太陽每隔2.12億年就會繞銀河系旋轉一次。 換句話說，上一次我們的太陽系進入銀河系的同一部分時，恐龍尚在地球上漫遊。
眾所周知，銀河系內部具有非常薄且幾乎平坦的平面區域，但太陽相對於該平面的位置一直存在爭議。 之前，天文學家將太陽相對於銀河盤的距離定為高25秒差距（約合82光年），但新的觀測資料修正了這一數字，即，太陽僅比銀河盤高約6秒差距（20光年）。 該距離僅為太陽到銀河系中心的距離的0.07％，這意味著太陽非常靠近銀河系的中平面。
最新的觀測資料還證實了先前的觀察結果，即在銀河系更遠的地方，銀河盤開始在其北側向上彎曲而在其南側向下彎曲，有點像土豆片。銀河系實際上有兩個盤，一個薄的盤嵌入一個較厚的磁碟，就像一塊蛋糕，或者兩個海綿之間有一層磨砂。薄盤的厚度大約為1000光年，而圍繞它的厚盤則有2000光年。這兩個盤在物理上也不同。 薄盤中的恆星往往更年輕，並且其中含有更重的元素，比如鐵。 厚盤比較較古舊，且元素貧乏，但較厚的銀河系圓盤中靠近銀河系中心的恆星比較遠的恆星年輕。
天文學家仍在研究銀河系的厚盤。 目前尚不清楚其形成原因。也許當一個較小的星系與銀河系碰撞併合並時形成了厚盤，或者隨著時間的推移，許多較小的星系合併形成了厚盤。
更多謎團基於視差距離的高品質銀河系恆星形成區域位置，紅點為太陽系中心
儘管我們對銀河系的結構有一些新的更清晰的答案，但我們還面臨很多懸而未解的重要問題。天文學家仍在探究銀河系螺旋臂是如何產生的。
目前存在兩種理論。第一種理論認為整個銀河系尺度上的引力不穩定性會形成持久的螺旋波模式，第二種理論認為，在較小尺度上的引力的不穩定性會隨著時間的流逝而延伸，並放大成旋臂段，然後連線起來形成銀河系長臂。
在前一種理論中，旋臂可以持續數十億年，而在後一種理論中，旋臂的壽命較短，而新的旋臂在銀河系的整個生命中會出現很多次。
由於沒有明確的誕生日期，因此很難推定銀河系的年齡。目前的推測是，隨著宇宙歷史上早先形成的許多較小的原星系發生碰撞和融合，銀河系才逐漸融合在一起。銀河系大概在50億年前就已經被認作是一個大型星系，但它現在看起來可能與當時大不相同，因為大型合併很可能會擾亂任何現有的螺旋結構。
我們對銀河系的最新測繪仍將需要更多的觀察，下一代支援VLBI的射電望遠鏡陣列將為之提供幫助。該陣列目前正在計劃中，包括非洲的平方公里陣列和北美的下一代超大型陣列。兩者都是射電望遠鏡的巨大陣列，預計將跨越整個大陸，並且在10年內可以全面投入使用。
與當前陣列相比，通過大大增加望遠鏡的收集面積，新一代的天文望遠鏡能夠探測到來自恆星的微弱的無線電輻射，因此我們對銀河系中的觀察視線將變得更遠。最終，科學家們能夠更精確的測繪出銀河系的超大型結構。