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日志

 
 

宇宙无垠  

2009-03-09 22:26:03|  分类: 天文 |  标签: |举报 |字号 订阅

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宇宙的图像
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尽管人类很自然地会认为地球位于宇宙的中心,然而天文学家要讲述的则完全是另外一回事。事实上地球的地位要低下得多,我们所居住的地球不过是一颗行星,一个小小的蓝色星球,它只是围绕着一颗我们称之为太阳的普通恒星运动的九大行星之一。太阳与它的行星家族,像所有其他已被辨认出来的“太阳系”一样,位于一个被称之为星系的庞大而明亮的恒星集团中。我们所在的星系就是银河系。银河系内约有2000亿颗恒星,它的直径超过10万光年。那么 我们这个小小的太阳系在银河系内究竟占据多大空间呢?如果我们把太阳与九大行星的范围缩小到四分之一英里之内,那么银河系的宽度就相当于美国大陆的四倍。而这只是第一步。实际上,银河系还和邻近的大约30个星系聚集在一起构成一个小集团,称为本星系群。在本星系群附近还有数十个类似的小星系集团。在它们的中心区域有一个由2500多个星系集聚在一起组成的巨大的星系集团——室女星系团。这种成团倾向还在继续。上述所有这些星系和星系团又进一步组成了一个更大的星系系统——本超星系团。在浩瀚的宇宙中包含有数百个这样的超星系团。

巨大的宇宙和微小的原子是大和小的两个极端,而前者正是由后者构成的。实际上,宇宙中的一切,包括人、行星、恒星和星系,都是由原子构成的。原子是物质的基本组分,它小得简直无法想象:在我们这个句子末尾的句号里就可容纳大约10万亿个原子。原子虽小,但也有自己的结构。每个原子的中心都有一个原子核,由我们称之为质子和中子的两种基本粒子所组成,在原子核外还有绕核作轨道运动的带负电荷的电子所形成的电子云。原子看起来似乎是实心的,其实我们物质世界的大部分区域都是空的:假设一个原子核和葡萄一样大小,那么核外的电子云离核就有半英里远。我们太阳系的情况也与此类似。假如太阳是一颗葡萄,地球便是在离这颗葡萄9英尺(约3米)远的轨道上绕其旋转的一颗尘粒。而冥王星,这颗距太阳最远的行星,与这颗葡萄的距离就和一个足球场的宽度同一量级。

正在膨胀的宇宙
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伟大的理论物理学家爱因斯坦在1915年创立他的广义相对论时,已认识到,这将会导致一个震撼人心的预言:宇宙正在膨胀。因为那时,大多数天文学家都相信宇宙一直是现在这种样子,即不随时间而变的。但是一个正在膨胀的宇宙却意味着宇宙必然有一个开端,那就势必会引出这样一个问题,即在宇宙开端之前有物质存在吗?在广义相对论提出之前的几年里,美国天文学家斯莱弗已经测量了附近12个“旋涡星云”的速度,那时人们还以为旋涡星云和银河系里的那些星云一样,都是由星际气体和尘埃组成的呢,但他测量后却意外地发现,这些星云都在远离地球而去,也就是说都在退行。斯莱弗测量星云的速度是依据多普勒效应,即当光源或声源朝向或背离我们运动时,我们接收到的光或声音的波长将随之而变。我们不妨想一想火车从我们身边驶过时汽笛声的变化。当火车向我们驶来时,由于声波被压缩,汽笛的音调会变高;而当火车离我们远去时,声波被拉长,汽笛的音调又逐渐降低。光波的情况与此相同:当一个光源趋近我们时,它所发出的光也会被压缩,波长变短而发蓝;而当光源远去时,发出的光又会因波长变长而稍发红。这一效应被称为“红移”。

1924年,另一位美国天文学家哈勃开始用刚建成的口径100英寸(2.54米)的威尔逊山反射望远镜观测旋涡星云。哈勃在“仙女座大星云”中辨认出了一颗颗的星,并证明了这些星远在100多万光年以外,它们是由恒星组成的一个“宇宙岛”——仙女座大星云的成员,于是仙女座大星云也就被改称为仙女座星系了。

随后,哈勃又观测了其他旋涡星云并测定了它们的红移,这使他发现,在银河系外,四面八方的星系都在远离我们而去,而且星系越远,退行的速度越快。这种星系的速度与距离之间的关系就是众所周知的哈勃定律。

事实上,我们没有任何理由认为银河系是宇宙中独特的一个静止不动的星系。因为当观测者处在任何一个别的星系中观测四周时,都会获得同样的结果——其他所有的星系都在退行。这恰好为宇宙膨胀提供了证据,极好地证实了爱因斯坦关于宇宙的预言。

然而根据爱因斯坦方程,星系本身并不运动,而是星系之间的空间在膨胀。如果宇宙确实是在不断膨胀的话,那么在过去的某个时刻,宇宙就应该是一个点,处于极端高密度的状态。据此,天文学家可以通过测量宇宙膨胀的速率计算出宇宙的年龄。目前估计,宇宙的年龄在120~150亿年之间。我们从哈勃定律可以得出哈勃常数,这个常数就是星系退行速率,因此也是宇宙膨胀速率的量度。不过人们对这个常数的估算值却一直在变,天文学家一次又一次地根据新获得的更加精确的观测结果对这个常数进行修订。当前,哈勃常数的估算值是每百万秒差距(1百万秒差距大约等于326万光年)每秒43英里(70千米)。换言之,一个距离为1百万秒差距的星系将以每秒43英里的速度退行。如果星系的距离远两倍,它的退行速度也要大两倍,其余依此类推。

 

大爆炸宇宙学概说
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也许有人认为,探索宇宙的起源只能作些猜测。但事实上在我们的周围到处都有宇宙创世时留下的蛛丝马迹。这些蛛丝马迹尽管都模糊不清、难以捉摸,然而,一旦天文观测与创造性思维相结合,情况就会变得清晰起来。

如今大多数宇宙学家都认为,宇宙起始于空间、时间、物质与能量的一次突然而猛烈的爆发,并称之为大爆炸。支持这一观点的主要证据是宇宙的膨胀和星系的退行。无论我们处于宇宙何处,都会看到星系在远离我们而去。对于这样一种膨胀可以有两种不同的可能,一种是宇宙中的一切物质都从一个公共的起点出发向外运动,发生了大爆炸,另一种则是在空间膨胀的过程中不断有新的物质在星系际空间产生。这后一种就是所谓稳恒态理论所持的观点。倘若大爆炸确实发生过,我们今天就应该能找到一些与此有关的证据。一个科学的理论往往会比较准确地作出一些预言。大爆炸理论预言,随着原始火球的膨胀和冷却,其“余辉”会充斥整个宇宙,并以温度为华氏-453度——绝对温度零上3度的微波辐射的形式表现出来。

在如此低的温度下,所有分子都停止了运动。3k微波背景辐射的证据于1965年被找到。那年,美国新泽西州霍姆代尔的贝尔实验室里有两位研究人员,彭齐亚斯和威尔逊发现这种辐射,找到了这种宇宙诞生时的遗迹,从而为大爆炸宇宙学在与稳恒态理论的竞争中赢得了一分。大爆炸宇宙学的另一个预言是:在质子,中子和电子从原始火球中凝聚出来时,每产生三个氢原子,就必然同时产生一个氦原子。近来对宇宙中元素相对丰度的测量揭示,宇宙中氢原子和氦原子的比例确实是3:1。这就为大爆炸宇宙理论又赢得了一分。然而,大爆炸宇宙学也遇到过一些困难。它预言了宇宙有一个非常均匀的能量背景,可是正因为它太均匀了,反而无法解释今天我们看到的以星系形式表现出来的物质的迅速结团。不过这个问题在1995年也得到了解决。那年发射的“宇宙背景探测者”卫星所获得的观测资料揭示了早期宇宙中能量分布的细小差异,这足以解释早期宇宙演化中星系的迅速形成(注意,质量和能量是等价的)。大爆炸宇宙学碰到的另一个困难是一些科学家根据自己所作的精密测量揭示,有些恒星的年龄甚至比计算出的宇宙本身的年龄更大,而这显然是不可能的。近来,天文学家通过仔细的观测已经发现,在遥远的宇宙深处恒星的数目猛增,这一现象表明宇宙在不断地加速膨胀。倘若果真如此,那么在大爆炸发生后不久时的宇宙极早期,膨胀的速度一定比现在要慢。这就意味着宇宙的年龄应当比科学家以前的估计值稍大些——实际约为120~150亿年。这就足以使最老的恒星年龄也都包括在此范围内了。然而至今仍然不能说所有的问题都已得到了解决。无论是大爆炸学说还是稳恒态理论,都要求物质从虚无中产生。而这真是太不可思议了,迄今为止这仍然是一个使科学家深感困惑的问题。

星系的形成
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在大爆炸后的10亿年,也就是“宇宙时”的极早期,第一代星系就开始形成了。但直至最近,天文学家仍然难以解释,如此巨大的结构怎么会这么快就形成了呢?要讨论这个问题还得从大爆炸开始说起。在宇宙诞生后的最初瞬间,有一次原始能量的爆发。随着宇宙的膨胀和冷却,引力开始起作用,然后,这个年幼的宇宙进入一个膨胀的短暂阶段——物理学家称之为“暴涨”。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,以致形成了一些“沟”,星系团就是沿着这些“沟”形成的。暴涨转瞬即逝,随即宇宙就又回复到像我们今日所见的那样通常的膨胀速率。在宇宙诞生后的最初一秒钟内,随着宇宙的继续膨胀和冷却,在能量稍稍“稠密”的区域内,大量的质子、中子和电子从背景能量中凝聚出来,经过100秒后,质子和中子开始结合形成氦原子核,当然在此时氢原子核,也就是质子已经存在了。所以在不到两分钟的时间内,构成自然界的所有原子的组分就都产生出来了。大约过了30万年,宇宙已冷却到氢核和氦核可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。大爆炸发生后过了10亿年,氢云和氦云开始在引力作用下集结成团。随着这些云团的成长,初生的星系即原星系开始形成。那时的宇宙比较小,因而一个个原星系彼此之间靠得比较近,相互作用很强。于是,在比较稀薄的较大的云中凝聚出了一些较小的云,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,最终导致原星系的缓慢自转。随着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盘状;其余的大致成为椭球形。最终这些原始的星系获得了足够的物质,在其中形成恒星,并在恒星内部引起核燃烧。宇宙便开始呈现出今天的面貌。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。

银河系
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在偏远乡村的一个晴朗的夜晚,不受城市灯光的影响,周围一片黑暗。当你昂首仰望天空,可以看见成千上万颗星星在夜幕中闪闪发光。然而,这看起来颇为壮观的景象仅仅显现了我们银河系中很小的一部分。如果夜空足够黑,你还能看到头顶上有一条弥漫的光带横贯天穹。这条光带就是我们置身其内而侧视银河系时所看到的它的布满星星的圆面——银盘。银河系内有成百上千亿颗恒星,只是由于距离太远而无法用肉眼辨认出来。由于星光与星际尘埃和气体混合在一起,因此看起来就像一条烟雾笼罩着的光带。千百年来,各文明世界给这条光带取了许多不同的名称。古埃及人称其为鬼魂之路;南非卡拉哈里沙漠的一个游牧部落认为它是夜晚的脊骨;现代天文学家则给它取名为银河系。银河系是宇宙中的一个“岛屿”——我们的家园。银河系是一个巨大的圆盘形的恒星系统,银盘被很大的银晕所包围,银晕中散布着恒星和年龄很老的圆球形的球状星团。银盘本身越向外越薄,中央有个核球。银盘内含有大块的星际尘埃和气体云,它们聚集成颜色偏红的恒星形成区域,从而不断地给星系的旋臂补充炽热的年轻蓝星,组成所谓的疏散星团或银河星团。这是一种结构比较松散的恒星集团。相比之下,球状星团中的恒星分布要密集得多。银河系内有许许多多恒星形成区域,已知的疏散星团大约有1200个。

我们沿着银道面观测时,银河系内的尘埃和气体遮掩了我们的视线,使得我们很难确定银河系的确切形状。然而,近代的一些探测手段可在某种程度上穿越这些“雾障”,揭示出银河系具有的某些出乎人们意料的特征。例如,长期以来人们都以为银河系是一个典型的、属于哈勃分类Sb型的旋涡星系,与M31(仙女座星系)类似。然而,近代观测却发现,它的中央核球是稍带棒形的。这意味着我们的银河系很可能是介于Sb型和SBb型之间的棒旋星系。而且,近代研究还指出,银河系远比我们以往想象的更具有活动性。人们已经观测到有强烈的χ射线和一束束γ射线从它的核心发射出来,在那儿恒星以超过每秒560英里(900千米)的速度围绕着一个看不见的中心区域飞快地旋转——这是在银河系的核心隐藏着一个超大质量黑洞的强有力的证据。

此外,银河系正在“撕扯”着它的两个比较小的邻居——不规则星系大麦哲伦云和小麦哲伦云。由于引力作用,银河系不断地从这两个小星系中曳出尘埃和气体,因此这两个星系中的物质正在逐渐地减少。天文学家估计,在未来的一百亿年里,银河系将会吞没这两个星系中的所有物质,它的这两个近邻将不复存在。

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