世间万物，其结构上所表现的规则性总是相对的，而不规则性才是绝对的，庞然大物银河系亦不例外。自伽利略起，人类认识银河系已有400年历史，并渐而证实银河系内区和外区的大尺度不规则结构。
对称的早期银河系模型
自古以来，银河就以夜空中它的银白色美丽光带吸引了人们的注意，许多诗句和神话即由此问世。古人对银河的认识，本质上来说只是建立在一些主观想象的基础之上，并无科学依据。1609年冬，伽利略首次用望远镜观测银河，发现银河由密密麻麻众多暗星集聚而成，并非是一片发光薄云。他就此正确指出“银河系不是别的，而是由无数颗恒星汇集成的庞大系统”，并强调“我认识到了银河的本质和构成银河的物质”。可惜伽利略没有就此作进一步的探讨，而当时的天文界对之也不感兴趣。伽利略之后，英国人莱特在1750年提出，银河内所有的恒星构成了一个巨大的扁平圆盘状系统，这是天文学家对银河系主体具有盘状外形的首次描述。1755年，著名哲学家康德进一步阐述了银河系的盘状结构，他的解释是当我们沿盘面方向看时，难以计数的恒星便密集成银河，而在朝盘面以外方向观察时，看到的就是一些离散分布的近距离亮星。康德和莱特一样，认为所有恒星都绕银河系中心转动。
不久，英国天文学家威廉•赫歇尔认识到，应该通过实测来确认银河系的真面貌。为此他花了十多年的时间“数星星”，用自己的望远镜作了1083次观测，通过目视方法计数了117600颗恒星。1785年，赫歇尔在上述观测的基础上，再加上若干理论假设，建立了天文学史上的第一个银河系模型。这项工作具有重大历史意义，它证实了银河系的客观存在，人类的视野从太阳系拓展到了比之大得多的银河系。这是继哥白尼日心说之后天文学史上的又一个重要里程碑，赫歇尔因而被誉为“恒星天文学之父”。根据近代天文学的观测研究，银河系曾被分类为漩涡星系，大体上由银盘、核球、银晕和暗晕4部分组成。除暗晕外，银河系总质量约为太阳质量的1400亿倍，其中以恒星形式出现的约占90%，星际气体尘埃物质仅占10%左右。银河系的年龄约为100亿年或更老。
银盘具有扁平圆盘状结构，外形相当有规则：既呈现平面对称形，又是轴对称（即旋转对称）的，其对称面称为银道面，对称轴则过银河系中心且与银道面相垂直。银盘直径约8.2万光年，厚度并不均匀，从中心向边缘渐而变薄，接近核球地方的厚度约为6500光年，在太阳附近厚约3300光年。银盘所包围的中央核球的结构也颇为规则，外形大体上是一个略扁的旋转椭球体，所以也表现为轴对称和平面对称结构，只是尺度（1.3～1.6万光年）比银盘小得多，且远没有银盘那么扁。核球是银河系中恒星分布最为密集的区域，越接近中心恒星密度越高。银盘和核球构成银河系可见部分的主体，外形犹如运动场上的铁饼或“飞碟”。银晕包围着银盘，大体上呈球形，直径约10万光年，但因物质平均密度很低，质量大约只及银盘的10%。银晕之外有一个范围更大的物质分布区，这就是暗晕，主要成分是暗物质，范围尚未有定论。
银河系可见部分主体的结构相当有规则——银盘和核球的外貌都呈现轴对称和平面对称形，而这正是1950年代之前人们关于银河系结构的基本观念。然而，1960年代以来的一些工作表明，银盘和核球并非如此有规则，银河系被重新分类为棒旋星系——中央有棒结构的漩涡星系。
内区的不对称结构
一个椭圆有长、短两根轴，如两轴长度相等，椭圆便退化为圆。椭圆绕其短轴转一圈，所形成的几何体就是扁旋转椭球体。旋转椭球体有三根轴，其中两根轴的长度相等。若三根轴的长度全相等，椭球体便退化为球，而当三轴长度各不相等时则称为三轴椭球体。现在来看银河系核球，如果它的外形是一个扁的旋转椭球体，那么从地球上看它在天球上的投影（即观测表象）应该是一个扁的椭圆。对于分布在这个椭圆形核球内的恒星来说，它们的一些整体物理特征应该是轴对称的，如恒星的数密度分布、辐射强度分布以至运动状态等都应表现出某种轴对称特性，对称轴就是椭圆的断轴。相反，要是实测结果并不显示出这种轴对称分布特征，那么核球中恒星在天球上的分布就不是一个椭圆，进一步可推知核球的形态并不呈旋转椭球体状。要是核球形态可以用一个拉长的三轴椭球体来近似表述，它不具有任何对称性，这样的物质分布结构便称为棒状结构，简称棒结构。
天文学家正是沿着这条思路发现了银河系内区非轴对称的棒结构，具体来说又有以下几条途径：1. 运动学方法。如果银河系内区的物质为轴对称分布，即不存在棒结构，则银道面附近的气体应该绕银河系中心作圆运动，且运动速度与观测方向之间必定存在一种简单关系。要是存在非轴对称的物质分布形态（如棒），则气体绕银河系中心作非圆运动，速度和方向二者的关系会变得较为复杂。可见只要对这种关系作详细分析，便可发现银河系内区是否存在棒结构。这种方法需在射电波段进行，用来显示物质分布踪迹的观测对象（称为示踪天体）是气体。2. 恒星计数法。如银河系内区存在棒结构，且棒与银心的观测视线方向斜交，那么对不同的观测方向来说，恒星数密度会表现出某种系统性的变化。只要建立合理的棒模型并与实测资料进行比较，就可确定棒的长度和位置角（棒的延伸方向与银心方向间的交角）。这一方法需在红外波段进行，这是因为银河系内区方向存在大量的星际尘埃，恒星辐射中的可见光部分被严重削弱（称为星际消光），甚至完全看不到，而红外波段的消光量则要少得多。3. 测光方法。如果某类示踪恒星有大致相同的发光本领（即光度），那么距离越近它们看上去就显得越亮，或者说亮度越大。因此，要是银河系内区存在棒结构，且棒与银心的观测视线方向斜交，那么处于棒结构近端的该类示踪恒星会比远端同类恒星显得更亮些。上述原理可以用来确定棒的长度和位置角，而示踪恒星可有多种。鉴于同样的原因，观测工作亦需在红外波段进行。之外还有其他一些方法，如微引力透镜法等，对此不再一一列举。由以上不同观测方法所得到的棒结构参数并不（也不可能）完全一致，但并无本质分歧。棒结构的存在已是不争的事实，与轴对称的核球相比，它反映了银河系内区物质分布的某种不规则性，银河系应分类为棒旋星系而不是普通漩涡星系。不仅如此，最近更有人发现在上述棒结构内还存在一个尺度仅为1000光年左右的“次棒”，可见银河系内区的物质分布远比单一、对称的核球来得复杂，其结构颇不规则。
外区的不对称结构
现在回过头来考察银河系可见物质中质量最大的部分——银盘。银盘物质主要是恒星，但也聚集了银河系中的大部分气体，它们各自构成所谓恒星盘和气体盘。自赫歇尔以来的270多年间，人们始终以为银盘物质（包括恒星和气体）的大尺度分布非常有规则：总体上具有轴对称和平面对称结构，中间厚而外缘薄，这一观念一直持续到1950年代。
情况在1957年发生了变化。是年，有人通过射电观测发现，在银盘外缘、银心距大于4万光年地方的中性氢（HI）气体并非对称分布于银道面的两侧，而是表现出像裙摆那样翘起的所谓“翘曲结构”：朝南一侧的HI盘物质翘向银道面之下，相反一侧的物质翘向银道面之上。因而，气体盘在总体上并不呈平面状，如从侧向来看，中性氢的分布大体表现为拉长了的S形结构，或者说像一个数学上的积分号。这种S形翘曲结构的观测表象是，随着到银河系中心距离（银心距）的增大，银河系外区气体盘之平均层面到银道面的距离（银面距）也渐而增大。不仅如此，银河系气体盘的外区还表现出所谓“近边增厚”现象——越是靠近盘的外边缘，气体盘的厚度变得越大。上述结果很快为后人多项更详细的研究所证实，并进而发现气体盘S形结构在银道面两侧的翘曲程度是不对称的：随着银心距的增大，北侧的气体盘可以保持不断远离银道面的趋势，银面距可超过1万光年，但南侧却会向内折回银道面附近；而且从银心看去沿不同方向气体盘还表现为在银道面上下交替分布的“扇贝形”结构。除中性氢HI外，自1980年代起电离氢 、分子云和星际尘埃亦被用来探测气体盘外区的物质分布情况，同样也发现银河系气体盘的外区存在翘曲结构和近边增厚现象。近代天体物理学告诉我们，恒星是由星际气体尘埃云在自引力作用下经坍缩而形成的。既然如此，自然会想到恒星盘、特别是其中年轻恒星的分布是否同样会呈现某种翘曲结构？用于研究气体盘结构的示踪天体主要是HI气体，而探测恒星盘的示踪天体便是恒星，其中的首选应该是年轻星。
1970年代起，人们开始利用大质量年轻星样本来探测恒星盘外区的结构。尽管所用样本的星数不等，少则几百颗，最多超过1400颗，但所有研究结果都表明，恒星盘外区确实也呈现非对称的翘曲结构和近边增厚现象，且总体情况与气体盘相近。老年恒星的分布又会如何？与大质量、高光度的年轻星不同，老年恒星的颜色偏红且较暗，为尽可能减小星际消光的影响，观测工作应在红外波段进行，而空间天文的进展为之提供了大批老年示踪恒星。从1980年代末起，对多个红外样本的分析表明，老年恒星盘同样存在与HI物质分布层相类似的S形非对称翘曲和近边增厚现象，可见翘曲是一种长寿命结构；不同的仅表现为与气体盘相比，恒星盘翘曲结构两侧的非对称性差异较不显著。自气体盘翘曲结构发现之日起，人们便从观测和理论两方面来探索其形成机制，而随着恒星盘和尘埃盘翘曲结构的确认，相关研究不断深入和细化。关于银河系翘曲结构如何形成至少已提出了多种可能的机制，如银盘与近邻伴星系的潮汐相互作用，银盘与暗晕的相互作用，以及星系际气体的内落和吸积等。鉴于问题的复杂性，目前对之尚未取得完全一致的共识。银河系物质分布的大尺度不规则性是显而易见的：内区有棒，棒内可能还有次级棒；外区有翘曲，翘曲结构又是非对称的，甚至还呈现近边增厚和扇贝形分布形态——这就是今天人们对银河系结构的一种认识。更多精彩：