书城科普读物探究式科普丛书-浩瀚的宇宙
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第8章 茫茫太空的主角——太空天体(1)

广阔的宇宙天边无际,繁星闪烁,数不胜数。炎炎的夏日夜晚,在我们休憩乘凉之余,当我们把目光投向浩渺无垠的宇宙太空时,看看天幕上缀满了闪闪发光的繁星。我们不禁要问,这些向我们眨眼睛的繁星,到底是什么样的天体呢?它们究竟离我们有多远呢?

其实,这些会向我们眨眼睛的繁星,就是我们常说的恒星。在望远镜中,恒星只是个明亮的光点,就像我们用肉眼所看到的一样,只是更明亮一些。比恒星有趣得多但通常也更难观测的太空天体还有星云、星团和星系。用中等的天文望远镜,我们就可以看到成千上百的像幽灵一般令人难以琢磨的光晕。

一般来说,这些太空天体,都不能够用肉眼见到—能用肉眼或双筒望远镜见到的,只是其中极少的一部分。

望远镜对太空天体所起的作用,与对月球、行星和地面风景所起的作用完全不同。对后者来说,它的主要作用是放大遥远的景致。而对于太空天体,望远镜的主要作用,是为你不敏感的眼睛,收集更多的光线。看不到深空天体的主要原因,不是因为它们太小,而是因为它们太暗。

因此,太空天体观测,拥有其独特的技巧。所有的技巧,都是为了帮助眼睛看到几乎完全黑暗的东西。

影响太空天体观测的一个最重要的因素,就是光污染。在所有我们能列出的天体中,光污染对暗淡的面状天体影响最大。黑暗天空的影响程度,甚至超过了望远镜口径对观测的影响。一架小望远镜,在农村可以看到的暗星云和星系数目,比城市中的大望远镜看到的要多许多。这是因为,城市的空气污染比农村的要严重得多。

有人说,即使住在光污染严重的地区,你仍然可以透过天光看到太空天体,从而得到快乐。要记住,不要因为看似平庸的结果,而责备你自己或是你的望远镜。但更好的选择是,记得把你的望远镜带到乡下别墅里去观测,效果会更好。

太空天体,主要有星团、星云、类星体等。当然这些还可以再细分,如疏散星团、球状星团、弥漫星云、亮星云等。

星星的名字是怎么来的

为了起名的方便,为了易于认识天体的位置及观测天象的变化,古人便把天空中位置邻近的一群星星分组在一起,从而把天空划分成许多区域。这些区域,就是各种各样的“星座”。在国际通用的88个星座中,大约有一半是以动物命名的,有1/4是以希腊神话中的人物命名的,剩下的1/4则是以仪器和用具为名。星星的名字,可以说是千奇百怪,各具特色。

1.镶嵌在天幕上的眼睛—星系

其一,星系是什么?

恒星系,或称星系,是宇宙中庞大的星星的“岛屿”,它也是宇宙中最大、最美丽的天体系统之一。到目前为止,人们已在宇宙中观测到了约1000亿个星系。在它们当中,有的离我们较近,可以清楚地观测到它们的结构;有的非常遥远,目前所知最远的星系,离我们有近200亿光年的距离。

其二,星系是怎么演化的?

按照宇宙大爆炸理论,第一代星系大概形成于大爆炸发生后10亿年。在宇宙诞生的最初瞬间,有一次原始能量的爆发。随着宇宙的膨胀和冷却,引力开始发挥作用,然后幼年宇宙进入一个称为“暴涨”的短暂阶段。原始能量分布中的微小涨落,随着宇宙的暴涨,也从微观尺度急剧放大,从而形成了一些“沟”,星系团就是沿着这些“沟”形成的。哈勃太空望远镜拍摄的遥远的年轻星系照片,其中包含有正在形成中的星系团(原星系)。

随着暴涨的转瞬即逝,宇宙又恢复到通常的膨胀速率。在宇宙诞生后的第一秒钟,随着宇宙的持续膨胀冷却,在能量较为“稠密”的区域,大量质子、中子和电子,从背景能量中凝聚出来。100秒后,中子开始结合成氦原子核。在不到两分钟的时间内,构成自然界的所有原子的成分,就都产生出来了。大约再经过30万年,宇宙就已冷却到氢原子核和氦原子核足以俘获电子,而形成原子了。这些原子在引力作用下,缓慢地聚集成巨大的纤维状的云。不久,星系就在其中形成了。大爆炸发生过后10亿年,氢云和氦云开始在引力作用下集结成团。随着云团的成长,初生的星系即原星系开始形成。那时的宇宙较小,各个原星系之间靠得比较近,因此相互作用很强。于是,在较稀薄较大的云中,凝聚出一些较小的云,而其余部分则被邻近的云所吞并。

同时,原星系由于氢和氦的不断落入而逐渐增大。原星系的质量变得越大,它们吸引的气体也就越多。一个个云团各自的运动,加上它们之间的相互作用,最终使得原星系开始缓慢自转。这些云团在引力的作用下,进一步坍缩,一些自转较快的云团形成了盘状,其余的大致成为椭球形。这些原始的星系,在获得了足够的物质后,便在其中开始形成恒星。这时的宇宙面貌,与今天已经差不多了。星系成群地聚集在一起,就像我们地球上海洋中的群岛一样,镶嵌在宇宙空间浩瀚的气体云中。这样的星系团和星系际气体,伸展成纤维状的结构,长度可以达到数亿光年。如此大尺度的星系的群集,在广阔的空间,呈现为球形。

其三,星系的类别是如何划分的?

宇宙中,没有两个星系的形状是完全相同的,每一个星系都有自己独特的外貌。但是,由于星系都是在一个有限的条件范围内形成,因此它们有一些共同的特点,这使人们可以对它们进行大体的分类。在多种星系分类系统中,天文学家哈勃于1925年提出的分类系统,是应用得最广泛的一种。哈勃根据星系的形态,把它们分成三大类:椭圆星系、旋涡星系和不规则星系。椭圆星系分为七种类型,该分类法只限于从地球上所见的星系外形,原因是很难确定椭圆星系在空间中的角度。旋涡星系分为两族,一族是中央有棒状结构的棒旋星系,用SB表示;另一种是无棒状结构的旋涡星系,用S表示。这两类星系,又分别被细分为三个次型,分别用下标a、b、c表示星系核的大小和旋臂缠绕的松紧程度。不规则星系没有一定的形状,而且含有更多的尘埃和气体,用Irr表示。另有一类用SO表示的透镜型星系,表示介于椭圆星系和旋涡星系之间的过渡阶段的星系。

宇宙中的大部分大星系,都是旋涡星系,其次是椭圆星系,不规则星系占的比重最小。旋涡星系自转得比较快,其盘面中含有大量尘埃和气体,这些物质聚集成能供恒星形成的区域。这些区域发育出含有许多蓝星的旋臂,所以盘面的颜色,看上去偏蓝。而在其棒状结构和中央核球上,稠密地分布着许多年老的恒星。与旋涡星系相比,椭圆星系自转得非常慢,其结构是均匀而对称的,没有旋臂,尘埃和气体也极少。造成这种局面的原因,是早在数十亿年前,恒星迅速形成时,就已经将椭圆星系中的所有尘埃和气体消耗完了。其结果是造成这些星系中无法诞生新的恒星,因此椭圆星系中包含的全都是老年恒星。

在宇宙中,约有10亿个星系的中心有一个超大质量的黑洞,这类星系被称为“活跃星系”。类星体也属于这类星系。

此外,还有一类个子矮小的“矮星系”。这类星系不像大型星系那样明亮,但其数量非常多。银河系附近有许多矮星系,其数量比其他所有类型星系之和都多。在邻近的星系团中,也已发现了大量的矮星系。其中一些形状规则,多半都含有星族Ⅱ的恒星。形状不规则的矮星系,一般含有明亮的蓝星。

星系的形状,一般在其诞生之时就已经确定了,此后一直都保持着相对稳定,除非发生了星系碰撞或邻近星系的引力干扰。

其四,四大星系的种类。

(1)椭圆星系

椭圆星系,也叫做椭球星系,是河外星系的一种,呈圆球形或椭球形。它的中心区最亮,亮度向边缘递减,对距离较近的,用大型望远镜,可以分辨出外围的成员恒星。同一类型的河外星系,质量差别很大,有巨型和矮型之分。其中以椭圆星系的质量差别最大:质量最小的矮椭圆星系和球状星团相当;而质量最大的超巨型椭圆星系可能是宇宙中最大的恒星系统,质量范围约为太阳的千万倍到百万亿倍。椭圆星系的产能效率,远远低于旋涡星系。椭圆星系的直径范围,是1~150千秒差距。总光谱型为K型,是红巨星的光谱特征。颜色比旋涡星系红,说明年轻的成员星没有旋涡星系里的多,由星族II天体组成,没有或仅有少量星际气体和星际尘埃。在椭圆星系中,没有典型的星族I天体蓝巨星。椭圆星系,根据哈勃分类,按其椭率大小分为E0、E1、E2、E3……E7共8个次型,E0型是圆星系,E7是最扁的椭圆星系。

(2)旋涡星系

具有旋涡结构的河外星系,称为旋涡星系。在哈勃的星系分类中,用S代表。螺旋星系的螺旋形状,最早是在1845年观测猎犬座星系M51时发现的。螺旋星系的中心区域为透镜状,周围围绕着扁平的圆盘。从隆起的核球两端,延伸出若干条螺线状旋臂,叠加在星系盘上。螺旋星系,可分为正常旋涡星系和棒旋星系两种。

(3)棒旋星系

棒旋星系是中心呈长棒形状的螺旋形星系。一般的螺旋形星系的中心是有圆核的,而棒旋形星系的中心是棒形状,棒的两边有旋形的臂,向外伸展。

(4)不规则星系

外形不规则没有明显的核和旋臂,没有盘状对称结构,或者看不出有旋转对称性的星系。在全天最亮星系中,不规则星系只占5%。

其五,河外星系。

它们是与银河系类似的天体系统,距离都超出了银河系的范围,因此称它们为“河外星系”。仙女座星系,就是位于仙女座的一个河外星系。河外星系与银河系一样,也是由大量的恒星、星团、星云和星际物质组成的。目前我们观测到的星系,有10亿个之多。

17世纪,人们陆续发现了一些朦胧的天体,于是称它们为“星云”。有的星云是气体的,有的被认为像银河系一样,是由许许多多恒星组成的宇宙岛。由于距离地球太远,观测都分辨不清那些由大量恒星构成的朦胧天体。那么,它们有多远呢?它们是银河系内,还是银河系外的呢?

20世纪20年代,美国天文学家哈勃在仙女座大星云中发现了一种叫做“造父变星”的天体,从而计算出星云的距离,终于肯定它是银河系以外的天体系统,称它们为“河外星系”。

河外星系,简称为星系,是位于银河系之外、由几十亿至几千亿颗恒星、星云和星际物质组成的天体系统。目前已发现大约10亿个河外星系。银河系,也只是一个普通的星系。人们估计,河外星系的总数在千亿个以上,它们如同辽阔海洋中星罗棋布的岛屿,因此也被称为“宇宙岛”。

从河外星系的发现,可以反观我们的银河系。它仅仅是一个普通的星系,是千亿星系家族中的一员,是宇宙海洋中的一个小岛,也是无限宇宙中很小很小的一部分。

椭圆星系内的恒星在运动,星系本身也在自转,星系整体在空间同样在运动。星系的红移现象,就是在星系的光谱观测中,某一谱线向红端的位移。为什么有这种位移呢?这种位移现象说明了什么呢?根据物理学中的多普勒效应,红移表明被观测的天体,在空间视线方向上,正在远离我们而去。

星系在宇宙空间的总体分布,是各个方向都一样,近于均匀。但是从小尺度看,星系的分布又是不均匀的,它与恒星的分布一样,有成团集聚的倾向。大麦哲伦星系和小麦哲伦星系组成双重星系,它们又和银河系组成三重星系,加上仙女座大星系等,构成了本星系群。

对于庞大的天体系统来说,星系也是有形成、发展到衰亡的演化过程。星系从形态序列看,有椭圆星系、旋涡星系和不规则星系。这种形态上的差别,是否代表它们演化阶段的不同呢?谁算年轻?谁算中年?谁算老年?现在仍未有结论,还处于探索之中。

目前,人们已发现10亿个河外星系。最著名的河外星系有:仙女座河外星系、猎犬座河外星系、大麦哲伦星系、小麦哲伦星系和室女座河外星系等。

其六,星系、星团、星云的区别。

星系:在茫茫的宇宙海洋中,有着千姿百态的“岛屿”,星罗棋布,上面居住着无数颗恒星和各种天体,天文学上称之为星系。我们居住的地球,就在一个巨大的星系—银河系之中。在银河系之外的宇宙中,像银河这样的“太空巨岛”还有上亿个,它们统称为河外星系。

星团:在银河系众多的恒星中,除了以单个的形式或组成双星、聚星的形式出现外,也有以更多的星聚集在一起的。星数超过10颗以上,彼此具有一定联系的恒星集团,称为星团。使这些恒星团结在一起的是引力。星团的成员,多的可达几十万颗。它们又可以分成疏散星团和球状星团两类。银河系中,遍布着星团,只是不同的地方,星团的种类也不同。

星云:星云,是一种由星际空间的气体和尘埃组成的云雾状天体。星云中的物质密度,是非常低的。如果拿地球上的标准来衡量,有些地方几乎就是真空。但星云的体积非常庞大,往往方圆达几十光年。因此,一般星云比太阳还要重得多。星云的形状,千姿百态。有的星云形状很不规则,呈弥漫状,没有明确的边界,叫弥漫星云。有的星云,像一个圆盘,淡淡发光,很像一个大行星,所以称为行星状星云。