葉 瞄
直到20世紀20年代,天文學家才開始意識到:我們的太陽和其周圍的恒星構成了一個“宇宙島”,而在宇宙中像這樣的“島”多得難計其數(shù)。如今,隨著過去幾十看中天文觀測技術的日新月異,人類對自己所在的“宇宙島”——銀河系的地理狀況越來越熟悉。我們已經知道,在銀河系中,至少有1萬億個星球,數(shù)十億個奇異的行星系統(tǒng),100萬個黑洞和一個喜怒無常的獨霸整個銀河系的超級黑洞?,F(xiàn)在,就讓我們用想象力來做一次銀河系的“大自然探索之旅”。
置身銀河系中.你是很難對自己周圍的情況一殼無余的,這是因為銀河系的大部分空間都充斥著星際塵埃。不過,銀河系的神秘面紗正在被逐漸揭開,在過去幾十年中,天文學家一直在勞神費事地繪制銀河系地圖,試圖查明銀河系的結構。這項任務可謂艱苦卓絕但同時也回報巨大。
天文學家現(xiàn)在已經知道,我們的“宇宙島” 銀河系其買是一個由星球、氣體和塵埃組成的密集“圓盤”,其直徑為大約10萬光年,即光在13萬年中走過的距離,眾所周知光速為每秒30萬千米,由此可見銀河系有多么巨大。在銀河系這張“圓盤”的兩邊各有一個凸出的星群,直徑各為12000光年??瓷先ィ@兩個星群就像是兩只背靠背的巨型煎蛋。疏松分布的古老恒星的微弱光暈和緊密排列的球狀星團,環(huán)繞著整個銀河系??偟厮闫鸩?,銀河系里有至少2500追億顆恒星,最多可達10000億顆恒星。
這幅壯麗的銀河系圖畫最初“顯現(xiàn)”于1923年,當時,美國天文學家埃德溫·哈勃第一個確定了仙女座星云中的恒星與地球之司的距離。在天文望遠鏡中,遙遠的仙女座星云只是一團便嘲的光圈。哈勃的觀測顯示,這團星云買際上是一個由許多顆恒星組成的“宇宙島”。這就暗示銀河系也是一個“宇宙島”。
從那以后的觀測一直表明,我們的銀河系有著明亮的旋臂,這些旋臂圍繞銀盤旋動的大量恒星組成。
現(xiàn)在我們還無法跑到銀河系外面從遠處去看銀河系是什么樣子,但是可以推測它很可能是一只巨大的太空轉輪、如此巨大的旋轉星系真是不同尋常,與銀河系相比,其他絕大部分的星系都顯得太小、太暗弱、太不起眼。
銀河系圖畫至今還不完整,事買上,盡管科學家探索宇宙所用的方法越采越高明,盡管天文學家已經在銀河系進行了孜孜不倦的大量艱難探索,但我們仍然對自己所在的這個星系的結構所知甚少,要想徹底揭示銀河系的奧秘,現(xiàn)有的技術還明顯不夠。
不過,以現(xiàn)有的知識,再加上你的想象力,我們還是可以來一次銀河系的探索之旅。
外星生命
我們的太陽所在區(qū)域距離銀河系的中心(簡稱“銀心”)大約20000光年,剛好是銀河系半徑的一半多一點點。太陽系中之所以會有生物存在,可能并非偶然。科學家相信,一顆行星上要想演化出生物來,很可能需要大量比氫和氦更重的元素,這樣才能產生擔負著各種生理功能的名種分子,而越靠近銀河系中心的地方所具有的重元素也就越豐富。所以,有可能演化出生物的行星不可能距離銀心太遠。另一方面,高等生物需要至少幾十億年時間才能進化出來,因此具演化區(qū)也必須距離銀心足夠遠,否則就會被銀心經常爆發(fā)的超新星害慘,這定因為超新星爆發(fā)會產生大量“遠程炸彈”。
2004年,一位科學家進行的研究結果顯示小,位于銀河系半徑剛過半位置的“生物可居住地帶”實際上可能窄得驚人。他們運用電腦進行的模擬和計算表明,可能演化出復雜生物的環(huán)行區(qū)域只能位于距離銀心22000至30000光年之間,也就是只占整個銀盤面積的110。
黑洞
毫無疑問,銀河系中最怪異的“居民”就足黑洞。幾百年來,人們一有在猜測宇宙中存在密度非常非常大的物體,它們無比巨大的引力會陽止包括光線在內的一切物質逃離自己的束縛,從而在時間一空間中形成“裂縫”黑澗。一直到了20世紀,科學家才開始確信黑洞的存在。比如,當一顆質量非常巨大的恒星在其生命盡頭發(fā)生爆炸后,會留下一個質巷為太陽3倍以上的核,沒有任何的已知力量能陽止這個核坍縮成一個黑洞。
不僅如此,黑洞在銀河系中可能司空見慣,因為銀河系中每100年就會發(fā)生一兩次超新星爆發(fā)、具中大部分爆發(fā)按理說都能形成黑洞。如此算來,銀河系中的黑洞數(shù)量應該在1000萬個??墒牵覀冊鯓硬拍芸匆娺@些完全黑暗無光的黑洞呢?盡管黑洞自身不發(fā)光,但是假如黑洞處于一個雙星系統(tǒng),即有一顆伴星(相伴的恒星)環(huán)繞黑洞在近距離運行,那么這個黑洞周圍的區(qū)域就可能會是明亮的,因為黑洞的引力會扯掉伴星的一些物質,從而圍繞黑洞形成個旋轉的圓盤。圓盤距離黑洞足夠近時,就會發(fā)出×射線。
20世紀70年代,×射線太空望遠鏡問世,天文學家迅速發(fā)現(xiàn)了第一個黑洞雙星系統(tǒng)的候選者,天鶿座× 1,它距離地球大約8000光年,
除了×射線外,還有一個信號可以證明這個黑洞的存在:由于受黑洞引力的影響,具明亮的伴星在微微搖晃,從伴星的搖晃程度可以看出,具身旁的暗星質量至少是太陽的7倍。這么沉重而又如此黑暗的家伙,只能是一個黑洞。
從那以后,天文學家又在銀河系中發(fā)現(xiàn)了大約100個其他的黑洞。根據(jù)美國宇航局的錢德拉×射線望遠鏡的觀測結果,科學家于2005年1月宣布.幾萬個致密的天體正在靠近銀心的地方繞行,具中的許多天體都可能是黑洞。這些黑洞可能是在距離其現(xiàn)在的位置很遠的地方形成的。理論認為,在數(shù)十億年的漫長歲月里,那些沉重的黑洞會逐漸沉向銀心.與此同時它們將鳩占雀巢——把相對輕質量的恒星驅正王到遠處。(壓題圖為著名的“螺旋星云”,實際上是一團直徑為2.5光年的巨型氣云,它的前身是一顆與太陽相似的恒星)
超級黑洞
在銀河系的中心,躺著一個巨大的魔鬼。通過觀察在銀河系中心附近運行的恒星的速度,天文學家看出在銀心潛伏著一個超級黑洞——其質量竟然是太陽的300萬倍。正因為這個魔鬼的引力是如此巨大,所以在它周圍半徑約為770萬千米的范圍內,包括光線在內的一切物質都無法逃出這個十分廣袤的“超級禁區(qū)”。770萬千米有多長?是地球與月球之間自線距離的20倍。
天文學家發(fā),大多數(shù)(假如不是全部的話)星系中都潛藏著一個超級黑洞。但這些黑洞的來源在還是個謎。它們可能是在還沒有恒星出現(xiàn)的原始喑宇宙時期,由巨型氣云坍塌而形成的原始星系,也可能形成于已經存在的星系中,不過開始時只有小型黑洞,然后大量的小型黑洞大因某種原因聚合形成超級黑洞。朝向超級黑洞運行的恒星、氣體和塵埃放出極大量的能量,為一系列超級明亮的“活躍星系”提供能源。然而奇怪的是,銀河系中的超級黑洞看上去沉睡不醒、黯淡無光。會不會是這個魔鬼饑腸轆轆卻找不到果腹的東西呢?恰恰相反,銀河系里可供它享用的“美食”豐富得很??墒?,銀河系超級黑洞的亮度僅為其他許多星系中超級黑洞亮度的100萬分之一。這是為什么?
天文學家于2005年初宣布,他們已經找到了證據(jù),可以證明銀河系超級黑洞的“不活躍”狀態(tài)只是暫時階段。2003年,一顆叫作“英特格拉爾”的人造衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了從人馬座B2星云發(fā)出的超高能×射線。人馬座B2星云位于銀河系超級黑洞的一側,距離這個超縱黑洞大約350光年。這個發(fā)現(xiàn)證明.就在350年前,從地球上看去,銀河系超級黑洞的亮度也是今天的100萬倍。
看來唯一可行的解釋就是:假如你在300至400年前(也就是大物理學家牛頓和伽利略生活的年代)在地面觀察銀河系中心的超級黑洞,它在短波的波段肯定是十分顯眼的:所以,假如牛頓或者伽利略當時已經發(fā)明了像現(xiàn)在這么先進的伽馬射線望遠鏡,他們就一定會欣賞到銀心的驚人表演;在這場明亮的“大秀”上演350年后,其明亮的輻射才到達人馬座B2星云,我們也才得以看見這場表演的“尾聲”。
銀河系超級黑洞在天文學上相對的近期——350年前仍然是一個“活躍星系”,這暗示將來它很可能會再度大放光芒、大紅大紫。(右上角題圖為“蟹狀星云”,它是一次超新星爆發(fā)后的余燼)。
“巨無霸”恒星
在銀河系中有比太陽大幾千倍的恒星。隨著望遠鏡技術的發(fā)展在近年來的突飛猛進,銀河系中的“巨無霸”們已漸漸“浮出水面”。2005年1月,天文學家宣布他們又發(fā)現(xiàn)了4顆已知最胖的恒星。
迄今為止已經發(fā)現(xiàn)的“巨無霸”恒星(并非按照大小順序排列)是:人馬座KW星、仙王座V354星、天鵝座KY星和仙王座Mu星。通過測量這4顆恒星的亮度和溫度.天文學家估計它們的大小都在太陽的1500倍以上。不過.這些“巨無霸”大約已有1000萬歲了,再過100萬年它們可能就會自我爆炸、粉身碎骨。
盡管這4顆恒星的質量都在太陽的25倍以上,但它們還坐不上銀河系恒星質量的頭把交椅。銀河系中最重的恒星,其質量可達太陽的150倍,其中之一是船底座伊塔星,可以說它是銀河系中的“定時炸彈”。船底座伊塔星的質量至少是太陽的120倍,其內部的核反應時時刻刻發(fā)出極為強烈的輻射,產生一種向外的巨大壓力,藉以抗拒使這穎真正的巨無霸合而為一的引力。這使得船底座伊塔星極不穩(wěn)定,其亮度每過幾年或者幾十年就會發(fā)生明顯的變化:有時它會隱身于星際之間.肉眼不能看見,有時它又是夜空中最明亮的星星之一。19世紀中期,天文學家曾目睹過船底座伊塔星的一次大爆發(fā).直到現(xiàn)在仍可找到那次爆發(fā)的痕跡。不過,這顆超級“巨無霸”能活不了多久了——它很可能在10萬年之后灰飛煙滅。
“巨無霸”恒星中還包括一些“另類”,比如大犬座VY星。它的直徑足太陽的3020倍,或許它還有一顆伴星,并且這顆伴星的引力正在向外“撕扯”大犬座VY星的大氣層。(左上角題圖為船底座伊塔星的想象圖)
請思考這個問題:如果把一勺白糖換成相同容量的中子星,會有多重?答案是:10億噸。這是因為中子星的密度大得令人難以想象,而且它還有其他一系列奇異的特性。
在實際探測到中子星之前很長一段時間,天文學家就從理論上預知了它的存在。早在20世紀30年代,天體物理學家就提出了中子星這個概念。他們意識到,雖然大質量恒星爆發(fā)形成超新星后其內核會坍縮成黑洞,但并非所有的超新星都會這樣。假如爆發(fā)后剩下的殘骸僅為太陽質量的1.3至3倍,它就會坍縮成中子星,其大小只與一個小城市相當,并且有一個堅硬的鐵質外殼。
中子星的自轉速度可達每秒600轉(和電鉆速度不相上下),并且會產生強度極大的磁場,正是這兩個特性,最早讓天文學家能夠直接探察到中子星的存在。
1967年,英國劍橋大學的女研究生喬斯琳·貝爾在記錄來自宇宙的無線電信號時,突然發(fā)現(xiàn)每隔1.3秒就從狐貍座發(fā)出怪異的“嘟嘟”信號。喬斯琳和她的導師安東尼·休維西都不知道這個信號究竟是什么,以至于他們半開玩笑半認真地說,這是由傳說中的外星“綠色小矮人”發(fā)出的無線電波。他們也因此將這個信號源命名為LGM1,其中的LGM(Little Green Men)“綠色小矮人”這個英文詞組中每個英文單詞的詞首組字。
沒過多久,在發(fā)現(xiàn)了從別的地方發(fā)出的類似脈沖信號之后,喬斯琳就否定了“綠色小矮人”這種無稽之談,因為很難相信在整個銀河系中有那么多身處不同地方的“綠色小矮人”同時在迫不及待地向地球人發(fā)信號,而且用的是同一無線電頻率。于是,這種現(xiàn)象被重新命名成“脈沖星”。很快地,天文學家就把它和中子星聯(lián)系了起來。
在中子星的磁極,磁場為帶電粒子加壓,直到帶電粒子釋放出雖然狹窄但強度很大的輻射柱,由x射線變成無線電波。假如這些輻射柱到達或經過地球,我們就會探察到它們,其表現(xiàn)形式就是令喬斯琳和休維西迷惑不解的無線電信號。事實上,隨著中子星的旋轉,這些輻射柱就像燈塔信號一樣穿越太空。
自從1967年以來,天文學家已在銀河系中發(fā)現(xiàn)了超過1400顆脈沖星。如今,哪怕脈沖星并未自接將具磁極輻射柱對準地球,天文學家仍有辦法探索到它們的存在,這是因為來自伴星的物質在靠近脈沖星時會變得極其熾熱,從而使脈沖星向各個方向發(fā)出明亮的X射線,
在迄今為止已經探察到的所有中子星(脈沖星)中,大約有10顆具有特別強烈的磁場,它們因此被命名為“磁星”。磁星的磁場是如此強烈,假如一顆磁星跑到了地球和月球之間一半距離的位置,地球上所有磁卡的信息都會立即消失。天文學家相信,一日磁星的磁場結構突然改變,磁星就會放出極大量的能量。2004年12月27日,曾有極為短暫(僅為幾分之一的秒)的伽馬射線爆發(fā)到達地球,爆發(fā)是如此強烈,以至當時人造衛(wèi)星上的許多儀器同時失靈。要知道,那次大爆發(fā)的原頭竟然定遠在大約50000光年外的一顆磁星。
速度“瘋子”
大多數(shù)恒星在其一生中,總是以十分“莊嚴”的步態(tài)環(huán)繞銀心轉動,速度不快。所以,當一組天文學家于2005年2月宣布他們發(fā)現(xiàn)了銀河系中運行速度最快的恒星之后,在整個天文學界都引起不小的震動。在銀河系中,這是迄今為止已知的唯一一顆速度快得足以讓自己最終逃離銀河系、從而孤身踏上奔向黑暗星際空間之旅的恒星。
天文學家是在試圖確定銀河系的質量時偶然發(fā)現(xiàn)這顆高速恒星的。當時,他們正在用射電望遠鏡觀察銀河系中一些恒星的運行速度,卻突然發(fā)現(xiàn)其中一顆恒星正在以大約每秒700千米的速度逃向銀河系之外,這一速度比太陽圍繞銀心轉動的速度高出至少兩倍。假如一直保持這樣的高速,這個速度“瘋子”最終就一定能掙脫銀河系的束縛。
天文學家相信,位于銀河系中心的超級黑洞為這顆恒星施加了巨大的彈力,因為黑洞能夠迫使一對彼此環(huán)繞的恒星(雙星系統(tǒng))“骨肉”分離,使其中一顆恒星改為環(huán)繞黑洞運行,或者被黑洞徹底吞噬,而另一顆恒星則被黑洞趕出銀河系。天文學家現(xiàn)在唯一能肯定的是,這個速度“瘋子”正在倉皇遠離銀心。(上圖為脈沖星及其伴星)
“惡意”接管
沒有哪個星系能夠絕對獨立地演化。事實上,所有星系都在不停地運動,星系之間的引力常常會導致星系之間發(fā)生碰撞。不過,這種碰撞并不一定十分暴烈。在一個星系中,恒星之間或者多星系統(tǒng)之間常常相隔3光年之遠,所以,當星系發(fā)生碰撞時,各星系中的恒星卻很少直接對撞,不過它們的運行軌道還是會發(fā)生改變。另一方面,各星系的星際云卻會發(fā)生碰撞,并且在引力作用下坍縮,從而引發(fā)新的恒星誕生潮。
一些天文學家在對銀河系的碰撞歷史進行研究后指出,在銀河系中尋找外星系蹤跡的最好辦法就是尋找星際“另類”與眾鄰居運動方向相反、或者與眾鄰居的化學組成迥異、或者年齡讓人很意外的恒星。以這種方法,天文學家已經辨識出了一個明顯是被銀河系從河外星系“搶”來的“受害者”人馬座小橢圓星系。在遠高地球的銀盤另一邊,這個來自河外星系的小橢圓星系中包含看大約3000萬顆恒星,其中多數(shù)是已到垂暮之年的黃矮星,還有15倍于這些恒星質量的暗物質。這個小橢圓星系正以大約每秒250千米的速度在銀盤上運動。
銀河系的結構暗示,它曾在遙遠的過去遭遇過更大的碰撞與合并。銀盤不僅包含一個由不同年齡的恒星組成的薄層,還包含一個其中只有古老恒星的較厚層。一種推測是,銀河系在至少100億年前曾經吞噬過一個其他星系(其大小為銀河系的1/10)或多個更小的星系,各犀系之司的引力作用導致銀河系中當時已經形成的恒星被推離原來的銀盤薄層,從而形成另一個厚層。這種或這些碰撞究竟發(fā)生在同時,發(fā)生了多少次,現(xiàn)在還無從知道。
不過,看起來銀河系在近期已無法消受更多的“外星系大餐—了。目前,銀河系中一共有十幾個矮星系(小星系),由于其引力較小,所以它們在未來數(shù)十億年中都只能在原地踏步。伯得擔心的足銀河系的兩個較大的鄰居大麥哲倫云和小麥哲倫云的命運,銀河系正在從這兩團星云中“搶掠”恒星。不過,也許等不創(chuàng)這兩團星云與銀河系被迫“聯(lián)姻”的那一天了,因為銀河系可能就要和一個更龐大的鄰居
仙女座是系碰撞,這也將是銀河系有史以來遭遇的最大一次星系合并。
在過去十年中,最令天文學家驚奇的事情恐怕就是連續(xù)發(fā)現(xiàn)太陽系外的行星了。正是由于這些行星的發(fā)現(xiàn),1995年以前科學家對行星系統(tǒng)的認識幾乎被全部推翻。迄今為止,天文學家已經發(fā)現(xiàn)了150顆環(huán)繞太陽之外的其他恒星的行星,其中一些恒星有2到4顆行星環(huán)繞。這些行星都遠在太陽系之外,天文學家是如何發(fā)現(xiàn)它們的呢?科學家發(fā)現(xiàn),行星的引力會造成其所環(huán)繞的恒星微微晃動,通過觀測這種晃動,他們就能間接地“發(fā)現(xiàn)”(實際上是推測出)行星的行在。
尋找太陽系外其他行星的工作帶給科學家一個又一個驚喜。以前,科學家一直以為銀河系中其他地方的大多數(shù)行星系統(tǒng)都和太陽系在的行星系統(tǒng)類似,即像地球的相對而言比較靠近其母恒星的巖石行星、像木星的距離母恒星稍遠的氣態(tài)大行星,并且這些行星都在近乎圓形的軌道上運行。然而,已經發(fā)現(xiàn)的太陽系外的行星中絕大多數(shù)的軌道都高度偏離正圓,其中的氣態(tài)大行星與母恒星的距離時近時遠:許多被稱為“熱木星”的氣4顆巖石行星,其中一顆比冥王星還小。
已發(fā)現(xiàn)的絕大多數(shù)行星,都環(huán)繞位于太陽系周圍200光年范圍內的普通恒星運行。這僅僅是因為附近的行星最容易被發(fā)現(xiàn),這就意味著:假如把銀河系看成一個整體,其中一定包含著難計其數(shù)的巨量行星。天文學家發(fā)現(xiàn),在他們已經觀察過的恒星中,大約10%擁有行星環(huán)繞,很可能其他許多恒星也有行星環(huán)繞,只不過這些行星還未被發(fā)現(xiàn)而已。這樣算起來,銀河系中的行星數(shù)量可能多達至少幾十億顆。
在未來10到20年內,隨著射電望遠鏡技術的發(fā)展.天文學家希望能找到像地球那樣足夠靠近其母恒星的小型巖石行星,這將為估算銀河系中還有其他多少個“地球”(也稱類地行星)提供線索。此外,或許太陽系并非獨一無二,未來可能會發(fā)現(xiàn)另一個甚至多個“類太陽系”,其中既有“地球”,也有“木星”,甚至可能存在“外星人”。美國宇航局計劃發(fā)射“類地行星發(fā)現(xiàn)者”探測器,歐洲空間局計劃發(fā)射包括6座空間觀測站的“達爾文”探測器,這兩艘探測器都將搜尋外星生物的跡象?;蛟S,就在不久的將來,外星生物或“外星人”就會“現(xiàn)形”。
超級大碰撞
在距離銀河系最近的四五十個星系中,只有仙女座星系的大小和銀河系旗鼓相當:仙女座遠在220萬光年之外,但是它無時無刻不在運動,每過1分鐘它與銀河系之間的距離就縮短大約8000千米。銀河系同仙女座正在相互靠近.相對速度為每小時50萬千米。照此速度計算,再過30億年,這兩個星系將發(fā)生災難性的超級大碰撞,屆時這兩個星系都將因這次大碰撞而變得面目全非。
天文學家運用超級計算機模擬了這次碰撞。結果顯示,在10億年左右的時間里,這兩個星系將“交會”兩三次,兩個星系中的許多恒星將被從其原來的位置趕走,兩個星系的結構都會被徹底破壞,變得一團糟,兩個星系最終合并成為一個形狀極不規(guī)則的橢圓星系。
到那時,不斷變亮的太陽將把地球灼烤成一個地獄。不過,在此之前人類,或許那時人類已經演變成更加高等的智能生物早已逃離地球,移民至諸籠泰星這樣的遙遠他鄉(xiāng),那時的泰坦星很可能已經變得比現(xiàn)在溫暖多了,因而足以支持生物的存在只要太陽系中到那時仍然存在生物,它(他)們都將觀賞到仙女座撲來時的無比宏偉壯觀的景象。
太陽的最終命運現(xiàn)在還不清楚,屆時它可能會飄入星系際空間,或者墜入兩個星系合并后狂亂的中心地帶,那里的高壓氣體將引發(fā)瘋狂的恒星出生大潮,夜空中將新星閃耀,星際大爆炸頻頻??梢钥隙?,屆時銀河系和仙女座的優(yōu)雅外形將永遠不復存在。不必遺憾,誰能保證這次大碰撞之后不會誕生另一種美呢?盡管橢圓滿星系遠遠不如銀河系的大旋臂好看,但是橢圓星系中的恒星軌道通常要復雜得多,恒星的運動因此也好看得多,也就是橢圓星系屬于“敗絮其外、金玉其中”的“內秀”星系,自然也很耐看哦!(壓題圖為探測泰坦星表面的想象圖)
模糊的開始
銀河系是如何形成的?這是一個很難回答的問題。銀河系中最古巹的恒星已經差不多130億歲,也就是說它們形成于宇宙在大爆炸中誕生(137億年)后不到10億年之時。大爆炸創(chuàng)生了一個極度熾熱、密度極大的火球。這個火球逐漸膨脹和冷卻,但是它并不均勻,最終在那些密度大的地方形成了我們今天所見的星系。
天文學家對大爆炸后的細節(jié)情況還很不清楚。是先形成恒星及星群,然后在引力作用下形成星系?還是年輕宇宙中的氣體和塵埃首先形成巨型的結構,后來巨型結構分裂并坍縮成星系.再“分娩”出一顆顆的恒星?
歐洲空間局計劃發(fā)射一顆名為“蓋亞”的人造衛(wèi)星,旨在為回答上面的問題提供幫助?!吧w亞”計劃于2010年發(fā)射,將“普查”銀河系中的10億顆恒星,探明它們的年齡、位置、距離、速度、軌道和組成,并且其探測精度將是空前之高的。