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(shī)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(shī)句做配詩(shī)。)
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(yáng)系內(nèi)，它的疆域以土星為邊界。太陽(yáng)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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夜空中的銀河 |
盛夏的夜空，銀河從北到南橫貫天際。當(dāng)我們的祖先抬頭仰望夜空時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，天上的星星可以分為兩種不同的類型：一種在天空中的相對(duì)位置不會(huì)發(fā)生改變，這種星星在夜空中占絕大多數(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)。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?yáng)的光，它們不是恒星。我們的太陽(yáng)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。
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。什么是光年呢？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。
對(duì)于比較近的天體，可以利用視差法測(cè)定天體對(duì)某條基線所張的角度，稱之為視差角，再利用平面三角公式計(jì)算它的距離。由于恒星距離地球非常遠(yuǎn)，所選擇的基線必須非常長(zhǎng)，否則，恒星對(duì)基線的張角就太小了，無法進(jìn)行測(cè)量。通常使用地球的公轉(zhuǎn)軌道的平均直徑做測(cè)量的基線，這時(shí)，視差角為 1" 的天體距離我們3.26光年，也就是1秒差距。這正是秒差距這個(gè)計(jì)量單位的來源。但是，對(duì)于距離更遠(yuǎn)的天體，這條基線就顯得太短了，在這種情況下，視差法就無能為力了，必須利用其它更有效的方法，才能測(cè)量恒星的距離。天文學(xué)上常用恒星的光譜、造父變星的周光關(guān)系等方法測(cè)定遙遠(yuǎn)天體的距離。
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| 測(cè)定恒星的視差：在相隔半年的時(shí)間間隔中兩次測(cè)定某顆恒星的視線方向與基線的夾角，就可以算出這顆恒星對(duì)地球軌道的張角。 |
在我們的感覺中，天上的星星要比太陽(yáng)暗得多，個(gè)子也比太陽(yáng)小得多。但是，事實(shí)上許多恒星比太陽(yáng)明亮，個(gè)子也要比太陽(yáng)大。我們的錯(cuò)覺是由恒星之間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。
恒星的大小千差萬別，小的只有太陽(yáng)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(yáng)大幾千倍。不過，由于恒星離開我們非常遙遠(yuǎn)，因此，即使是在最大的望遠(yuǎn)鏡中，它們看起來也只不過是一個(gè)發(fā)光的點(diǎn)。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。天文學(xué)上測(cè)定恒星大小的另一種比較可靠的方法是利用雙星系統(tǒng)。由于很難直接測(cè)量恒星的角直徑，到目前為此，只有極少數(shù)恒星的大小能夠被直接測(cè)量出來。
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(yáng)差不多，只有極少數(shù)恒星的質(zhì)量比太陽(yáng)大幾十倍或小幾十倍。絕大多數(shù)恒星的大小和質(zhì)量是用各種天文和物理方法估算出來的。
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上圖：獵戶座alpha，一顆紅超巨星，距離地球600光年，是除太陽(yáng)之外人類直接觀測(cè)到其表面的第一顆恒星。紅超巨星是恒星走近其生命終點(diǎn)的標(biāo)志，是超新星的前身。 下圖：獵戶座。左上角橙黃色的亮星就是獵戶座alpha，中文名叫參宿四。 | ||||
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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”，它們是在夜空中除了恒星這個(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。夜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(yáng)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：它是公元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，是一顆高速自轉(zhuǎn)的中子星，正以每秒30周的轉(zhuǎn)速在旋轉(zhuǎn)。 | ||||
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。 |
實(shí)際上，恒星也在發(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)初才開始發(fā)生改變。
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恒星的自行和視向運(yùn)動(dòng)：恒星的運(yùn)動(dòng)在垂直于和平行于視線方向上的投影。 |
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)生了改變，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。恒星的運(yùn)動(dòng)沿視線方向還有一個(gè)投影，它就是恒星的視向運(yùn)動(dòng)。
從原理上看，測(cè)定恒星的自行很簡(jiǎn)單：只要比較不同時(shí)刻恒星相對(duì)于天空某一固定點(diǎn)的位置——絕對(duì)自行，或者相對(duì)于附近恒星的位置——相對(duì)自行，就可以確定恒星的自行。計(jì)量自行的方法是恒星每年在天空中移動(dòng)的角度，一旦知道了恒星的距離，就可以將移動(dòng)的角度換算成移動(dòng)的距離。不過，由于恒星離開我們的距離很遠(yuǎn)，運(yùn)動(dòng)的速率又不高，由此引起的角度變化很小，因此，測(cè)定恒星自行的工作極為困難。恒星的視向速度可以通過一種叫做多普勒效應(yīng)的現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)光體靠近或者遠(yuǎn)離我們的時(shí)候，它所發(fā)出的光的波長(zhǎng)相對(duì)于靜止光源所發(fā)出的光的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)發(fā)光體靠近我們的時(shí)候，波長(zhǎng)要變短，遠(yuǎn)離的時(shí)候波長(zhǎng)則要變長(zhǎng)。這就是多普勒效應(yīng)。于是，測(cè)量恒星的視向速度實(shí)際上就是要測(cè)量恒星的光譜線相對(duì)于靜止光源的光譜線的偏移，這相較于測(cè)量自行是一件比較簡(jiǎn)單的工作。測(cè)量出恒星光譜線相對(duì)于正常光譜線的偏移，就可以確定恒星的視向速度。測(cè)定視向速度的準(zhǔn)確度與恒星的距離無關(guān)，只取決于光譜的特性以及攝譜儀的成象質(zhì)量。測(cè)定了恒星的視向速度和自行，就可以確定它的運(yùn)動(dòng)速度了。
研究恒星的祖師爺赫歇爾(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(yáng)的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)打破了哥白尼的日心宇宙理論中太陽(yáng)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，而在與銀河垂直和背離銀河的方向上，恒星的數(shù)目稀少。由此可以推斷，包括太陽(yáng)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。由“在與銀河垂直的方向上恒星的數(shù)目稀少”可以推斷，銀河系的外形一定很像一個(gè)扁平的圓盤；由于“在靠近銀河一帶恒星極其密集，而在背離銀河的方向上恒星的數(shù)目稀少”，因此，太陽(yáng)系一定位于銀河系中靠近邊緣的地帶。盛夏時(shí)節(jié)，地球位于公轉(zhuǎn)軌道上靠近銀河系中心的一側(cè)，入夜之后夜空正好就在銀河系中心的方向上，所以我們能夠看到繁星滿天，而在深冬季節(jié)，地球位于公轉(zhuǎn)軌道上靠近銀河系邊緣的一側(cè)，寒夜的星空自然就不會(huì)有太多的星星了。赫歇爾的這個(gè)發(fā)現(xiàn)再一次打破了太陽(yáng)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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我們?cè)谶@里 |
我們已經(jīng)對(duì)夜空中最普遍的一種天體——恒星有了一個(gè)簡(jiǎn)單的認(rèn)識(shí)。然而，這還不是故事的結(jié)束，夜空中還有更美麗的景象等待我們?nèi)ビ^賞。
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