书城科普世界未解之谜之宇宙地球之谜
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第7章 神奇的宇宙(7)

大麦哲伦云星系属棒旋星系或不规则星系,质量为银河星系的1/20。小麦哲伦云星系属不规则星系或不规则棒旋星系,质量只及银河系的1/100。麦哲伦云星系中的气体含量丰富,中性氢质量分别占它们总质量的9%和32%,都比银河系大得多。但它们的星际尘埃含量却比银河系少,而属年轻的星族I的天体则很多,有大量的高光度O—B型星;此外,还观测到新星、超新星遗迹,X射线双星等天体。射电资料表明,大小麦哲伦云星系有一个共同的氢云包层;两者之间的中性氢纤维状结构,一直伸展到南银极天区,横跨半个天球,称为麦哲伦气流。它们和银河系有物理联系,三者构成一个三重星系。

由于麦哲伦云星系距离我们太遥远,对它们的范围现在还没有一个精确的数字。估计大麦哲伦云星系的直径可能达到4万光年,接近银河系的一半。麦哲伦云星系的恒星分布密度比银河系低得多。大麦哲伦云星系的恒星总数可能不超过50—100亿个;小麦哲伦云星系则只有10—20亿个。两星系的恒星数量加在一起,只及银河系的1/10。因此,有人把它们说成是银河系的两个卫星。

仙女座星系,又称仙女座大星云。它用肉眼可以看见,亮度为4度,看上去像是一颗暗弱、模糊的星系。

仙女座星系是位于仙女星座的巨型旋涡星系,天球坐标是赤经Ob40mO,赤纬+40°00′(1950.0)。视星等Mv为3.5等,肉眼看去状如暗弱的椭圆小光斑。在照片上呈现为倾角77°的sb型星系,大小是160′×40′,从亮核伸展出两条细而紧的旋臂,范围可达245′×75′。1786年确认为银河系之外的恒星系统。现在测定它的距离为220万光年(670千秒差距)。直径是16万光年(50秒差距),为银河系的一倍,是本星系群中最大的一个。近年来发现,仙女座星系成员的重元素含量从外围向中心逐渐增加。1914年探知它有自转运动。据目前估计,仙女星系的质量不小于3.1×1010对太阳质量,是本星系群中质量最大的一个。

仙女星系中心有一个类星核心,绝对星等队Mv=-11,直径只有25光年(8秒差距),质量相当于107个太阳,即一立方秒差距内聚集1500个恒星。类星核心的红外辐射很强,约等于银河系整个核心区的辐射。但那里的射电却只有银河射电的1/20。仙女星系有两个矮伴星系——NGC221(M32)和NGC205,按形态分类分别为E2和E5。P在本星系群中,仙女星系还和其他星系构成所谓仙女星系次群。

旋涡星系又叫旋涡星云,是旋涡形状的河外星系。旋涡星系的中心区为透镜状,周围围绕着扁平的圆盘。从隆起的核心球两端延伸出若干条螺线状旋臂,迭回在星系盘上。旋涡星系可以分正常旋涡星系和棒旋星系两种。按哈勃分类,正常旋涡星系又分为a、b、c三种次型;A型中心区大,稀疏地分布着紧卷旋臂;B型中心区较小,旋臂较大并较伸展;C型中心区为小亮核,旋臂大而松弛。除了旋臂上集聚高光度O、B型星和超巨星、电离氢区外,同时还有大量的尘埃和气体分布在星盘上,从侧面看去,在主平面上呈现为一条窄的尘埃带,有明显的消光现象。旋涡星系通常有一个笼罩整体的、结构稀疏的晕,叫做星系晕。其中主要的星族II天体,其典型代表是球状星团。一个中等质量的旋涡星系往往有100—300个球星团,不均匀地散布在星系盘周围空间。再往外,可能还有更稀疏的气体球,称为星系冕。旋涡星系的质量(M)为109—1011个太阳质量,对应的光度是绝对星等-15—-20等。

河外星系除上述几种星系外,还发现有大量各种类型的星系。

天文学家估计,在最先进的仪器所观测到的这一部分宇宙里,星系的总数可能高达一千亿个之多。不久以前,美国天文学家宣布发现了迄今为止最大的发光结构——一道由星系组成的长至少有5亿光年、宽约2亿光年、厚约1500光年、距地球2—3亿光年的“宇宙长城”。这座巨大的“宇宙长城”实际是一个巨大的河外星系。

随着太空时代的到来,人们对太空星系越来越感兴趣。如今世界各地已有数百种天文杂志和数千个大大小小的天文学会社团,仅西欧就有数十万业余天文爱好者。世界各国为使自己在开发利用宇宙空间的宏伟事业中处于有利地位,更是加紧探索宇宙中的奥秘。

恒星的产生与演化1955年,前苏联著名天文学家阿姆巴楚米扬提出“超密说”。

他认为,恒星是由一种神秘的“星前物质”爆炸而形成的。具体地讲,这种星前物质体积非常小,密度非常大,但它的性质人们还不清楚。不过,多数科学家都不接受这种观点。

与“超密说”不同的是“弥漫说”,其主旨是认为恒星由低密度的星际物质构成。它的渊源可以追溯到18世纪康德和拉普拉斯提出的“星云假说”。

星际物质是一些非常稀薄的气体和细小的尘埃物质,它们在宇宙中各处构成庞大的像云一样的集团。这些物质密度很小,每立方千米只有10-8—10-4克,主要成分是氢(90%)和氦(10%),它们的温度为-200℃—-100℃。

从观测来看,星云分为两种:被附近恒星照亮的星云和暗星云。它们的形状有网状、面包圈状等,最有名的是猎户座的“暗湾”,其形状像一匹披散着鬃毛的黑马的马头,因此也叫“马头星云”,而美国科普作家阿西莫夫说它更像迪斯尼动画片中的“大灰狼”的头部和肩部。

星云是构成恒星的物质,但真正构成恒星的物质量非常大,构成太阳这样的恒星需要一个方圆900亿千米的星云团。

从星云聚为恒星分为快收缩阶段和慢收缩阶段。前者历经几十万年,后者历经数千万年。星云快收缩后半径仅为原来的百分之一,平均密度提高1亿亿倍,最后形成一个“星胚”。这是一个又浓又黑的云团,中心为一密集核。此后进入慢收缩,也叫原恒星阶段。这时星胚温度不断升高,高到一定的程度就要闪烁身形,以示其存在,并步入幼年阶段。但这时发光尚不稳定,仍被弥漫的星云物质所包围着,并向外界抛射物质。

随着射电技术的不断进步,人们对恒星起源问题有了更深刻的认识,但就研究本身来说还有许多细节不清楚,特别是快收缩阶段,对其物理机制的认识还不全面,还需进行更全面的观测和更深入的研究。

德国大哲学家康德曾提出著名的时空悖论,强调人们关于宇宙有限与无限的理解必然存在着矛盾。

古典力学创立者牛顿设想:宇宙像一个无边界的大箱子,无数恒星均匀地分布在这个既无限又空虚的箱子里,靠万有引力联系着。他的观点引出了有名的“光度怪论”(即奥尔伯斯佯谬):如果宇宙真的是无限的,恒星又是均匀地分布着,那么夜晚的天空将会变得无限明亮。

相对论大师爱因斯坦于1917年提出了有限宇宙的模型,“把宇宙看做是一个在空间尺度方面的有限闭合的连续区”,并从宇宙物质均匀分布的前提出发,在数学上建立了一个前所未有的“无界而有限”、“有限而闭合”的“四维连续体”,即一个封闭的宇宙。根据爱因斯坦提供的这个“宇宙球”模型推想,在宇宙任何一点上发出的光线,都将会沿着时空曲面在100亿年后返回它的出发点。

人类目前的认识,实际上是把宇宙作为在时间上有起点、在空间上有限度的想象模型来对待的。

宇宙的范围究竟是有限的,还是无限的?现实的回答只能是:

人们所能认识的宇宙还是极其有限的,只要人们找不到宇宙可以穷尽的迹象,那么就应该承认,对宇宙范围的探索是没有止境的。

人类对恒星演化过程的了解,要比对恒星起源的认识更为全面和深入。

经过恒星的幼年,恒星才真正成为一颗天体。年轻的恒星仍在收缩,因此温度仍在升高。升到1000万℃以上时,星系核心的氢元素开始进行聚变反应,并释放能量。这样一来,恒星变得比较稳定,并进入“青壮年期”。

人类对恒星的演化过程的科学研究中,最重要的成就是20世纪初丹麦天文学家赫获普龙和美国天文学家罗素对恒星光谱和光度关系的研究,他们将此绘制成图,人们称此图为赫次普龙—罗素图,简称赫罗图。由此图可知,恒星要经过主序星(青壮年)阶段和红巨星(老年)阶段。

赫罗图非常直观,人们借此可发现在观测到的恒星中,有90%是处在主序星阶段(太阳也处在这个阶段)。这个阶段是恒星经历最长的阶段,约几亿年到几十亿年。这时的恒星已不收缩了,燃烧后的能量全部辐射掉。它的主要特征是:大质量恒星温度高,光度大,色偏蓝;小质量恒星温度低,光度小,色偏红。

当恒星变老成为一颗红巨星时,在它的核反应中,除了氢之外,氦也开始燃烧,接着又有碳加入燃烧行列。此时它的中心温度更高,可达几亿度,发光强度也升高,体积也变得庞大。猎户座的参宿四就是一颗最老的红巨星。太阳老了也会变成红巨星,那时它将膨胀得非常大,以至于会把地球吞掉——如果那时人类还存在着,就要“搬家”了,搬到离太阳远一些的行星上去住。

赫罗图的建立,是天体物理学研究取得的重要成就之一。但是由于材料尚不够完善,人们对恒星演化过程的许多细节还不很清楚,如星际物质的化学成分,尘埃和气体的比例,尘埃的吸收能力等,这也使恒星演化理论受到到了一种很大的挑战。

夜晚的天穹,星海茫茫。由于地球的自转,群星同太阳一样,慢慢地东升西落。除了肉眼可见的五大行星(以及彗星、流星)在星空为背景的舞台上往来移动之外,其他众多的星星之间的相对,位置却像是亘古不变的,古人因此称之为“恒”星。随着近代科学的发展,我们终于认识到恒星其实就是“遥远的太阳”。

历史上,东西方人都依据了恒星相对位置不变的特征,把恒星三三两两地组合起来,将星空划分成若干个区域,后来这些区域被称为星座。据《史记·天官书》记载,我国早在周朝以前就将星空划分成三垣28宿。公元前三千年左右,巴比伦人把较亮的星划分成若干个星座。古希腊人在公元前270年前后,以神话中的人物或动物把北天的48个星座命名。南天星座则是在17世纪的环球航行中才逐渐确定的。1841年J·F赫歇尔耳提出了用赤经、赤纬来做星座的界线,精确了星座的划分。1928年国际天文学联合会以古希腊星座为蓝图,确定了现在国标上通用的88个星座,古老的星座中蕴藏着许多美丽的神话,为冷寂的星空增添了人类文化的色彩。

在晴朗的夜晚,人的肉眼能够看到六千九百多颗较亮的恒星。

但是,一个人无论何时只能仰望“半个天”,同时只能看到三千多颗星,其中有部分是恒星。

我们看到的著名的蟹状星云、古姆星云以及幕状星云等皆为恒星爆炸后的遗骸——超新星遗迹。现代粒子物理学家和天文学家正研究当年恒星爆炸的主要原因和条件。超新星是大质量恒星(质量≥10个太阳质量)在晚年发生激烈的、粉碎性的爆炸现象,一般质量较小的恒星并不以超新星爆发终了它的一生。大质量的恒星在晚年为什么会爆炸呢?长期以来科学家们进行了热烈讨论,提出了多种理论,其中较普遍的理论是“核爆炸理论”。

在恒星演化过程的研究中,科学家认为恒星内部的热核反应是一个持续不断的过程。一般先是以氢为“燃料”,即在极高温度下氢原子核聚变过程中释放出巨大能量。恒星的核心部分——星核的氢燃料耗尽后,星核中心收缩释放的引力能使恒星的氢壳层燃烧,同时恒星外层向外膨胀。星核的收缩,还使这个“热核反应炉”升温(可达2亿℃)。这时候,氦开始燃烧,与此同时星核收缩停止。氦燃烧的灰烬是碳和氧。在氦燃料耗尽时,星核又开始收缩。这时的恒星有点像是两个套在一起的球壳——双燃烧壳源,一个是氢壳源,另一个是氦壳源。当星核收缩到一定程度,核内的温度达到8亿℃时,碳开始燃烧。碳燃烧的主要灰烬是氧,氧燃烧后的灰烬是硅。

每当恒星核心一种燃料用完之后,星核缺少能量辐射时便开始收缩,在星核收缩的过程中可释放更多的引力能,因而使星核内部达到更高的温度。一旦达到下一种燃料的点火温度,便开始新的燃烧。恒星在晚年变得越来越不稳定,热核反应一轮接一轮地进行,热核反应的速率也进一步加快,导致整个恒星爆炸,从而形成超新星爆发。

恒星的最高温度在我们能观测到的恒星中,99%以上都和太阳一样,属于主序星的一类。平时人们所说的恒星温度,一般指恒星的表面温度。

任何恒星都具有一种在其自身的引力作用下发生坍缩的倾向,当它坍缩时,它的内部会变得越来越热。可当它的内部温度越来越高时,就会发生一种膨胀的倾向。最后,当坍缩和膨胀达到平衡时,它便达到了某种固定的大小。一颗恒星的质量越大,为了平衡这种坍缩所需要的内部温度就越大,因而它的表面温度也就越高。

太阳是一颗中等大小的恒星,它的表面温度为6000℃。质量比它小的恒星,其表面温度也比它低,有一些恒星的表面温度只有2500℃左右。