去到岸邊，那里的波濤將涌來親吻我們的雙腳，神秘憂郁的星辰會(huì)在我們的頭上照耀。
——阿·普列謝耶夫
(*俄羅斯詩人，1825-1893，柴可夫斯基在他的管弦樂套曲《四季》的《六月：船歌》中用這段詩句做配詩。)
地球是生命的搖籃和棲息地，也是人類的家園。這是一個(gè)曾經(jīng)被看做是宇宙的中心的星球。460年前，哥白尼的一本小冊(cè)子把宇宙的中心讓位給了光輝的太陽，它向世人宣告了地球帝國的終結(jié)。現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，以太陽為中心，包括地球在內(nèi)的幾顆大行星、兩千多顆小行星、六十多顆衛(wèi)星、以及無數(shù)的彗星和宇宙塵埃組成了一個(gè)大家庭，它就是我們熟悉的太陽系。
在18世紀(jì)之前，由于觀測(cè)手段落后，人類對(duì)天空的認(rèn)識(shí)只局限在太陽系內(nèi)，它的疆域以土星為邊界。太陽是宇宙的中心，所有的星星都繞著它旋轉(zhuǎn)。除了幾顆行星之外，天空中其他的星星是什么，人們對(duì)它們一無所知，一般就把它們看做是鑲嵌在天空中的發(fā)光的寶石。它們是些什么東西呢？讓我們來做一番認(rèn)識(shí)吧。
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圖11-1 夜空中的銀河 |
我們抬頭仰望夜空時(shí)，常常會(huì)發(fā)現(xiàn)，天上的星星有兩種不同的類型。一種在天空中的相對(duì)位置不會(huì)發(fā)生變化，這種星星在夜空占絕大多數(shù)。另外一種則在經(jīng)過一段時(shí)間后相對(duì)于前一種星星的背景發(fā)生了移動(dòng)。由于有這樣的區(qū)別，人們把能夠移動(dòng)的星星叫做“行星”，相比之下，那些不動(dòng)的星星就叫做“恒星”。
這是對(duì)恒星的一種樸素的、原始的定義?，F(xiàn)在我們知道，這種定義既不準(zhǔn)確也不科學(xué)。其實(shí)，恒星也發(fā)生變化。在夜空中，不斷有恒星產(chǎn)生、也不斷有恒星死亡。不過，恒星的壽命很長(zhǎng)，距離我們又很遠(yuǎn)，因此，在我們的一生中，甚至在若干個(gè)世紀(jì)內(nèi)也觀測(cè)不到它們的變化。這種情況一直持續(xù)到18世紀(jì)初才開始改變。
哈雷(Edmond Halley，1656~1742)于1718年首先發(fā)現(xiàn)，恒星在天空中的視位置發(fā)生了變化，我們把這種變化叫做恒星的自行，它是恒星的運(yùn)動(dòng)在天空中的投影。研究恒星的開山祖師爺赫歇爾(William Herschel，1738~1822)在對(duì)恒星的自行做了仔細(xì)的研究后發(fā)現(xiàn)，有7顆恒星的自行的趨向是一致的，這種一致性實(shí)際上反映了太陽的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)打破了日心宇宙理論中太陽靜止不動(dòng)的觀念。在花了許多年時(shí)間用他的巨型望遠(yuǎn)鏡巡視天空之后，赫歇爾發(fā)現(xiàn)，恒星在天空中的分布很不均勻，在靠近銀河一帶，恒星極其密集，而在與銀河垂直的方向上，恒星的數(shù)目稀少。通過天文觀測(cè)可以推斷，包括太陽在內(nèi)的天空中所見到的恒星組成一個(gè)龐大的恒星集團(tuán)，這個(gè)恒星集團(tuán)就是我們現(xiàn)在所說的銀河系，它的外形很像一個(gè)扁平的圓盤，太陽位于銀河系靠近邊緣的地方。這個(gè)發(fā)現(xiàn)再一次打破了太陽作為宇宙中心的觀念。我們看到，天文學(xué)的每一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)都使人類更加遠(yuǎn)離宇宙的中心，最終人們發(fā)現(xiàn)，宇宙沒有中心，宇宙中的一切位置都是平權(quán)的。
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圖11-2 我們?cè)谶@里 |
恒星離開我們非常遙遠(yuǎn)。比如說，離地球最近的一顆恒星叫做比鄰星，它離開我們足足有4.2光年。什么叫光年呢？光年是天文學(xué)家用來量度恒星之間的距離的一種單位。1光年等于光在一年中走過的距離。恒星之間的距離非常大，用普通的計(jì)量單位來計(jì)量，數(shù)值極其巨大。對(duì)于剛剛提到的比鄰星，如果用米做距離的計(jì)量單位，數(shù)值高達(dá)1016米。顯然，這樣的單位使用起來極不方便。因此，天文學(xué)家常常用光年這個(gè)更大的單位來量度恒星之間的距離。天文學(xué)家還常用秒差距作為距離的計(jì)量單位，1秒差距等于3.26光年。
在我們的感覺中，天上的星星要比太陽暗得多，個(gè)子也比太陽小得多。但是，事實(shí)上大多數(shù)恒星比太陽明亮，個(gè)子也要比太陽大。我們的錯(cuò)覺是由恒星的巨大的距離造成的。在歷史上，人類的錯(cuò)覺曾經(jīng)多次使我們遠(yuǎn)離宇宙的真實(shí)面貌。
在晴朗的夜晚抬頭望去，天上的星星有明有暗，為了表示這種差別，天文學(xué)引入了星等這個(gè)概念。古代的人們已經(jīng)能夠?qū)⑦@些明暗不一的星星分為六個(gè)等級(jí)，最暗的是6等，最亮的是1等?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，一等星的亮度是6等星的亮度的100倍。這就是說，星等每相差1等，亮度就相差2.5倍。恒星之所以表現(xiàn)為明暗不同，主要的原因是它們本身的實(shí)際發(fā)光能力千差萬別以及與我們的距離各不相同。由于這種亮度和星等是從地球上實(shí)際看到的恒星的明暗狀況，因此就叫做視亮度和視星等。其實(shí)，還有比一等星更亮的星星。為了更精確地描述星星的視亮度，現(xiàn)代天文學(xué)將古人計(jì)算星等的方法加以推廣，引進(jìn)了負(fù)星等和分?jǐn)?shù)星等的概念。
恒星的視星等和視亮度并不能代表它們的真實(shí)亮度。為了比較恒星的真實(shí)亮度，天文學(xué)家常用絕對(duì)星等來代表它們的真實(shí)亮度。假定所有的天體都處于離我們10個(gè)秒差距處，這時(shí)，我們“看到”的“視星等”就是絕對(duì)星等。絕對(duì)星等在一定程度上反映了恒星的真實(shí)亮度。天文學(xué)家還常用光度來表示恒星的真實(shí)亮度。光度就是恒星每秒發(fā)出的總能量，或者說就是恒星的發(fā)光本領(lǐng)。恒星的光度和絕對(duì)星等之間有一個(gè)確定的關(guān)系。
恒星的光度由它們的表面溫度和表面面積決定。表面溫度越高，表面面積越大，恒星的光度就越大。各種恒星的光度差別非常大，天文學(xué)家常把光度大的恒星稱為巨星，光度小的恒星稱為矮星。實(shí)用中常用太陽的光度作為恒星光度的計(jì)量單位。
恒星的大小千差萬別，小的只有太陽直徑的幾十分之一，比如說，20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的中子星，其直徑甚至只有幾十千米，而最大的恒星，其直徑比太陽大幾千倍。由于恒星離開我們太遠(yuǎn)，它的直徑對(duì)我們的張角（角直徑）太小，不能使用地面上常用的三角法直接測(cè)量它們的大小。對(duì)于某些距離較近的恒星，可以利用一種叫做“干涉儀”的儀器測(cè)定它們的角直徑。與恒星的大小比較，恒星的質(zhì)量的差別就比較小。大多數(shù)恒星的質(zhì)量與太陽差不多，只有極少數(shù)恒星比太陽重幾十倍或輕幾十倍。
如果我們仔細(xì)觀察天上的星星，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們除了明暗不同之外，還有顏色的區(qū)別。早在遠(yuǎn)古時(shí)代，人們就注意到了這種現(xiàn)象。實(shí)際上，恒星的顏色反映了它們的表面溫度。當(dāng)然，只有那些自身能夠發(fā)出光和熱的恒星，顏色才能夠反映其表面溫度；對(duì)于那些靠反射恒星的光發(fā)亮的天體，顏色并不能夠反映它們的表面溫度。根據(jù)恒星的顏色確定它們的表面溫度是非常粗糙的。要精確地測(cè)定恒星的表面溫度，必須使用更準(zhǔn)確的方法。
我們已經(jīng)對(duì)夜空中最普遍的一種天體做了一番簡(jiǎn)要的介紹。然而，到目前為止，我們還未對(duì)恒星這個(gè)概念做出明確的界定。那么，什么是恒星呢？
按照現(xiàn)代天文學(xué)的觀點(diǎn)，恒星是能夠靠自身的熱點(diǎn)燃?xì)渚圩兎磻?yīng)并向外發(fā)出光和熱的天體。我們看到行星在夜空中發(fā)光，那是因?yàn)樗鼈兎瓷涮柕墓?，它們不是恒星。我們的太陽是一顆恒星。天空中的星星大多數(shù)是能夠自己發(fā)光和發(fā)熱的，它們是恒星。但也有一些不是。在古人認(rèn)為是恒星的那些天體中，有一些靠反射鄰近恒星的光而被看到，叫做“星云”，它們是除了恒星這個(gè)主要的角色之外的另一些重要的天體。在這些星云中，有一些是還未形成恒星的塵埃團(tuán)，有一些正在準(zhǔn)備加入恒星的行列，而另外一些則是恒星演化到晚期時(shí)留下的殘骸。天空中還有一些天體既不是恒星也不是星云，而是由恒星和星云組成的集團(tuán)。銀河系中的恒星并非全是像太陽那樣，孤零零地獨(dú)處一方。天文觀測(cè)顯示，幾乎有一半的恒星不是孤立的。它們要么雙雙結(jié)伴而行，要么三五成群、甚至成群結(jié)隊(duì)地在太空中漫游。天文學(xué)家分別把這些恒星的集體稱為雙星、星群和星團(tuán)。恒星的這種在物理上的緊密聯(lián)系暗示了它們應(yīng)該具有共同的起源。除了這些用肉眼可以看到的星星外，夜空中還有許多我們看不見的暗天體。這些形態(tài)各異的天體就構(gòu)成了我們這個(gè)多姿多彩的星空世界——銀河系。
 螞蟻星云：中央恒星以每秒1000千米噴射出長(zhǎng)達(dá)數(shù)光年的氣體，形成的星云外形象一只巨大的螞蟻。 | ||||
 蟹狀星云是公元1054年超新星爆發(fā)的遺跡。在星云的中心部分，有一顆脈沖星。這是一顆高速自轉(zhuǎn)的中子星，正以每秒30周轉(zhuǎn)動(dòng)。 | ||||
 在銀河系中，超過200個(gè)球狀星團(tuán)繞中心旋轉(zhuǎn)，NGC104是僅次于人馬座W的第二大亮星團(tuán)。這個(gè)星團(tuán)位于南半球的杜鵑座，又叫做杜鵑座47，距離地球二萬光年。 | ||||
 昴星團(tuán)：一個(gè)反射星云，距離地球 400 光年，俗稱七姐妹。 | ||||
馬頭星云：位于獵戶座，是夜空中最引人注目的星云之一，距離地球1500光年。紅色的部分是星云背后被獵戶座s星照亮的氫云，黑暗部分則是厚厚的塵埃云。 | ||||
圖11-3 美麗的星云 |
人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)絕不會(huì)停留在某一個(gè)層次上太久。從古希臘時(shí)代開始，人類就不斷地努力拓展宇宙的疆域。盡管在中世紀(jì)漫長(zhǎng)的一千多年中，人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)曾經(jīng)停滯過，但是，當(dāng)文藝復(fù)興運(yùn)動(dòng)橫掃了整個(gè)西方世界之后，人類對(duì)宇宙疆域的征伐加快了。當(dāng)伽利略把第一架天文望遠(yuǎn)鏡指向天空的時(shí)候，人們就開始意識(shí)到，天上閃耀著的星星很可能是一些與太陽相似的天體。偉大的布魯諾甚至猜測(cè)，其他的星星上也有可能住著像人類一樣的智能生物。這是哥白尼留給后世的巨大財(cái)富，一種敢于不把人類看做萬物之靈的偉大思想。此后，人們很快就認(rèn)識(shí)到，天上的星星大多數(shù)是與太陽一樣的恒星，它們組成了被稱為銀河系的龐大的恒星集團(tuán)，太陽系在其中只占據(jù)一個(gè)小小的、不顯眼的位置。在銀河系之外，還有一些叫做“星系”的天體，它們是與銀河系相似的、由幾十億到幾千億顆恒星組成的巨大的恒星集團(tuán)。星系的尺度非常巨大，直徑小則幾千光年，大則幾萬光年。我們的銀河系是一個(gè)很普通的星系，銀河系以外的星系叫做河外星系。
對(duì)星系的研究開始于17世紀(jì)，當(dāng)時(shí)，望遠(yuǎn)鏡剛剛被發(fā)明出來。當(dāng)人們把望遠(yuǎn)鏡指向天空的時(shí)候，看到了一些肉眼無法看到的云霧狀的天體，當(dāng)時(shí)把它們稱為星云。到18世紀(jì)，康德(Immanuel Kant，1724~1804)提出這樣的猜測(cè)，認(rèn)為這些云霧狀的天體是像銀河系一樣的恒星集團(tuán)，并給它們起了一個(gè)浪漫的名字：宇宙島。不過，由于這些天體距離我們太遠(yuǎn)，受到觀測(cè)手段的限制，人們一直未能對(duì)上面的說法做出判斷。直到1917年，天文學(xué)家才在一個(gè)名為NGC6946的星云中發(fā)現(xiàn)了一顆新星；緊接著在1924年，美國天文學(xué)家哈勃(Edwin Powell Hubble，1889~1953)測(cè)定了仙女座大星云和三角座星云的距離，最終確認(rèn)了它們是銀河系以外的天體。
對(duì)一種新事物的認(rèn)識(shí)往往是從它的形態(tài)分類開始的。對(duì)星系的研究也不例外。星系的外形和結(jié)構(gòu)多種多樣。1926年，哈勃按照形態(tài)把星系分為橢圓星系、旋渦星系和不規(guī)則星系三大類。后來，天文學(xué)家在這個(gè)分類法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步把星系細(xì)分為橢圓星系、透鏡星系、旋渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系五種類型。
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圖11-4 哈勃的音叉 |
橢圓星系的外形近似于橢圓，用符號(hào)E標(biāo)記，按照橢圓的扁度細(xì)分為八個(gè)類型，分別標(biāo)記為E0～E7。數(shù)字越大，橢圓越扁。旋渦星系的外形象個(gè)旋渦，用符號(hào)S標(biāo)記。從形態(tài)上看，大多數(shù)旋渦星系都有兩條沿相反方向旋卷的螺旋形旋臂。正常的旋渦星系，兩條旋臂直接從星系的核心部分往外伸展。有些旋渦星系在核心部分有一個(gè)棒狀結(jié)構(gòu)，兩條旋臂緊接著棒狀結(jié)構(gòu)往外伸展，這種形態(tài)的星系叫做棒旋星系，用符號(hào)SB表示。對(duì)于旋渦星系，人們還按照旋臂纏繞的松緊程度分為a,b,c三個(gè)類形。有一些星系的形態(tài)處于橢圓星系和旋渦星系的過渡階段，它們比E7星系要扁一些，旋臂的特征剛剛顯現(xiàn)，這種星系叫做透鏡星系。還有一些星系的形狀不能歸并到以上的類型中，它們的形狀沒有確定的規(guī)則，這些星系叫做不規(guī)則星系。
M51是典型的旋渦星系，距離地球約3千萬光年，寬約6萬光年，是夜空中最明亮、最獨(dú)特的星系之一。 | ||||
NGC 1365 是一個(gè)典型的棒旋星系，中間的棒狀結(jié)構(gòu)和兩條伸展的旋臂都非常明顯。 | ||||
仙女座大星云，實(shí)際上是一個(gè)旋渦星系，梅西葉星表中命名為 M31 ，是最鄰近銀河系的星系之一。 | ||||
大麥哲倫云中的死星：大麥哲倫云是我們的鄰星系，距離地球約168,000光年。 | ||||
哈勃望遠(yuǎn)鏡捕獲到一場(chǎng)精彩的宇宙舞會(huì)，小星系ic 2163在大星系ngc2207的引力作用下扭曲得變了形，它拋出的氣體和恒星形成約十萬光年長(zhǎng)的彩帶。這場(chǎng)舞會(huì)將在數(shù)十億年后結(jié)束，最后兩個(gè)星系將成為一體。 | ||||
約一千萬年前，半人馬座A星系經(jīng)歷了一次巨大的爆炸。 | ||||
圖11-5 宇宙島 |
近幾十年，天文學(xué)家還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多特殊形態(tài)的星系。有些旋渦星系具有十分明亮的中心區(qū)域，光譜中有強(qiáng)而寬的發(fā)射線，叫做塞佛特星系；有些星系具有很亮的星狀核心，叫做N星系；有些星系看起來完全像一顆恒星，只有在光譜中才顯示出星系的性質(zhì)，這些星系叫做致密星系；還有一些星系在外形上顯示出有爆發(fā)形成的噴射物，它們以每秒上千千米的速度運(yùn)動(dòng)，這種星系叫做爆發(fā)星系。上述這些星系都是一些內(nèi)部有劇烈活動(dòng)的星系，天文學(xué)家常常把它們稱為活動(dòng)星系。
以上就是我們這個(gè)宇宙大家族中幾個(gè)最基本的結(jié)構(gòu)層次：行星和行星系、恒星、以及星系。
當(dāng)然，宇宙中還有比星系更大的結(jié)構(gòu)，它們就是星系團(tuán)。星系團(tuán)是由若干個(gè)相互有一定力學(xué)聯(lián)系的星系聚集在一起構(gòu)成的集團(tuán)。如果星系團(tuán)的成員星系數(shù)目較少，就叫做星系群。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾萬個(gè)星系團(tuán)，距離我們最遠(yuǎn)的達(dá)70億光年。包括我們的銀河系和仙女座星系在內(nèi)，由40個(gè)成員組成的集團(tuán)叫做本星系群。
小型星系群Hickson，下方是最大的成員HCG87a，該星系是圓盤形的，由于從地球上只能觀察到它的側(cè)面，因此我們看到的是它的邊緣。 | ||||
后發(fā)座星系團(tuán)Coma是致密星系團(tuán)，包含幾千個(gè)星系。照片中所見到的天體幾乎全部是星系。 | ||||
圖11-6 星系托拉斯 |
比星系團(tuán)更大的結(jié)構(gòu)是超星系團(tuán)，它是由若干個(gè)星系團(tuán)聚在一起構(gòu)成的天體集團(tuán)。超星系團(tuán)的尺度大約為100萬秒差距，質(zhì)量在1015~1017個(gè)太陽質(zhì)量之間。包括本星系群在內(nèi)，由室女座星系團(tuán)、大熊座星系團(tuán)等50多個(gè)星系團(tuán)組成的超星系團(tuán)叫做本超星系團(tuán)。
最高的一個(gè)層次就是整個(gè)宇宙了，或者更嚴(yán)格地說是我們觀測(cè)到的宇宙。這個(gè)宇宙大家族擁有幾千億個(gè)像銀河系那樣的恒星集團(tuán)，平均說來，每一個(gè)星系擁有幾千億顆恒星。習(xí)慣上，把觀測(cè)到的宇宙就叫做宇宙，它的典型尺度是150億光年，年齡大約為150億年。通過對(duì)星系和射電源的計(jì)數(shù)以及對(duì)微波背景輻射的測(cè)量，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，從宇宙的尺度上看，物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的分布平均來說是均勻的。
我們已經(jīng)在星空世界中做了一番簡(jiǎn)短的漫游，這是一個(gè)我們從孩提時(shí)代起就對(duì)她充滿好奇心的世界，現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了在那里面有些什么。接下來的一個(gè)問題是，這個(gè)世界是怎樣演變成現(xiàn)在這個(gè)樣子的？這是一個(gè)比“那里有些什么”更重要的問題，也是幾千年來人類的智慧一直想要解答的問題。
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