宇宙島：遠(yuǎn)在天邊的世界

趙洋

整整九十年前，1924年2月的第一個星期，美國天文學(xué)家哈勃給仙女座星云里的一顆亮星拍攝了一系列照片。照片顯示這顆星的光度在迅速增大，這是一顆造父變星。哈勃計算出這顆星及其所在的星云距離地球達(dá)90萬光年，遠(yuǎn)超過銀河系的直徑。仙女座星云其實(shí)是銀河系外巨大的天體系統(tǒng)——河外星系。人類對宇宙大小的認(rèn)識再次被拓寬了。

宇宙島猜想

哈勃的發(fā)現(xiàn)，給持續(xù)多年的關(guān)于旋渦星云是銀河系內(nèi)天體還是銀河系外的“宇宙島”的爭論畫上了一個圓滿的句號。所謂“宇宙島”，就是將宇宙視為大海，銀河系和其他類似天體系統(tǒng)則視為大海中的島嶼。16世紀(jì)末，意大利思想家布魯諾推測恒星都是距我們極其遙遠(yuǎn)的太陽，進(jìn)而提出關(guān)于恒星世界結(jié)構(gòu)的猜想。18世紀(jì)，人們在夜晚的天空中發(fā)現(xiàn)了邊緣模糊的天體，最初稱為星云。旋渦星云成為最早的研究對象。賴特和康德曾提出，旋渦星云可能是同我們銀河系—樣的恒星系統(tǒng)。

“宇宙島”這個名詞最早出現(xiàn)在德國博物學(xué)家洪堡1850年出版的著作《宇宙》第三卷中。因為它形象地表達(dá)了星系在宇宙中的分布狀況，后來被世人廣泛采用?！昂阈怯钪妗焙汀昂阈菎u”等名稱都是“宇宙島”的同義語。宇宙島假說的淵源則更早。1755年，德國哲學(xué)家康德在《自然通史和天體論》一書中發(fā)展了賴特的思想，明確提出“廣大無邊的宇宙”之中有“數(shù)星無限的世界和星系”。這一思想就是著名的“宇宙島假說”。這個認(rèn)識與今人對宇宙的認(rèn)識十分接近。但當(dāng)時人們把河內(nèi)星云（即銀河內(nèi)星云）和河外星云（即河外星系）都當(dāng)做星系，而且對銀河系本身的大小和形狀也缺乏正確的認(rèn)識，因此，宇宙島假說在隨后的170 年時間里幾經(jīng)沉浮，并未獲得天文學(xué)家的公認(rèn)。

宇宙島大論爭

20世紀(jì)初，美國著名天文學(xué)家沙普利通過研究球狀星團(tuán)，對銀河系結(jié)構(gòu)和尺度的推算做出了重大突破。但他一直反對“宇宙島”的說法，認(rèn)為這些旋渦星云應(yīng)該是銀河系內(nèi)的氣體星云。而以柯蒂斯為代表另一派天文學(xué)家則不同意沙普利的看法?？碌偎沟淖C據(jù)，是他發(fā)現(xiàn)有些星云里的新星極其暗弱，說明距離十分遙遠(yuǎn)，不像是銀河系內(nèi)的天體。他的另一個證據(jù)是，在仙女座星云中發(fā)現(xiàn)的新星數(shù)皇比銀河系其他部分新星的總和還要多。他質(zhì)疑道：“為何在這個小范圍的部分區(qū)域中，新星會比銀河系其他的部分更多？”由此，他推斷仙女座星云是一個獨(dú)立的星系。

為了解決這兩種在宇宙尺度上的矛盾說法，1920年4月，美國國家科學(xué)院在華盛頓召開了“宇宙的尺度”辯論會。會上，沙普利和柯蒂斯兩人就銀河系的大小和旋渦星云與銀河系的位置關(guān)系展開了論戰(zhàn)。這就是天文學(xué)史上有名的“沙普利—柯蒂斯大論爭”。 二人分別就各自的觀點(diǎn)進(jìn)行了半個小時的闡述。由于柯蒂斯的口才更好，當(dāng)時多數(shù)人認(rèn)為他在這場爭論中略占上風(fēng)，但辯論的雙方都無法徹底說服對方。

律師轉(zhuǎn)行，一錘定音

為“沙普利—柯蒂斯大論爭”下達(dá)“終審判決”的是一個從法律專業(yè)轉(zhuǎn)行天文的年輕人，他叫埃德溫·哈勃。哈勃1889年出生于密蘇里州，他擅長體育，少年時曾刷新該州跳高紀(jì)錄。在芝加哥大學(xué)讀本科期間，哈勃受天文學(xué)家海耳啟發(fā)，開始對天文學(xué)產(chǎn)生興趣。后來他到牛津大學(xué)攻讀法律碩士學(xué)位，之后開業(yè)當(dāng)了律師。但星空總在召喚著他，一年后，他就投奔葉凱士天文臺攻讀天文學(xué)博士學(xué)位。畢業(yè)后，他進(jìn)入海耳創(chuàng)建的威爾遜山天文臺，致力于旋渦星云的觀測與研究。

早期的小型望遠(yuǎn)鏡拍攝出的星云照片模糊不清，難以從中分辨出細(xì)節(jié)，而大口徑望遠(yuǎn)鏡則可以做到這一點(diǎn)。威爾遜山天文臺有當(dāng)時世界上最大口徑的2.54米反射望遠(yuǎn)鏡。1923?1924年，哈勃用這臺望遠(yuǎn)鏡拍攝了仙女座大星云和三角座旋渦星云的照片，并從這些星云暗淡的邊緣解析出一顆顆獨(dú)立的恒星。哈勃發(fā)現(xiàn)，這些恒星有不少都是造父變星。通過分析這些造父變星的亮度變化，哈勃根據(jù)周光關(guān)系（指造父變星具有的光變周期和絕對星等之間的關(guān)系），確定這些造父變星和它們所在的星云距離地球大約九十萬光年，遠(yuǎn)超銀河系的直徑，因此斷定它們一定位于銀河系外。

1924年底，美國天文學(xué)會會議正式公布了哈勃的這一發(fā)現(xiàn)。雖然哈勃本人并未出席這次會議，但當(dāng)他的論文被宣讀完畢，在場的所有天文學(xué)家都意識到沙普利和柯蒂斯關(guān)于“宇宙島”的爭論就此可以終結(jié)了。

1925年，哈勃又用造父變星測距法測定了人馬座星云NGC6822與我們的距離，證實(shí)該旋渦星云其實(shí)也是一個河外星系。多年來，天文學(xué)家們關(guān)于旋渦星云是近距天體還是銀河系之外的宇宙島的爭論徹底結(jié)束，人類認(rèn)識的宇宙的尺度從一個宇宙島（銀河系）一下子擴(kuò)大到無數(shù)個宇宙島（河外星系），從而揭開了探 索宇宙結(jié)構(gòu)的新篇章。

鑒于哈勃為20世紀(jì)天文學(xué)的進(jìn)步做出的巨大貢獻(xiàn)，他被世人尊為一代天文宗師。在他豐碩的成果中，有兩項最為重要的貢獻(xiàn)：一是確認(rèn)星系是與銀河系相當(dāng)?shù)暮阈窍到y(tǒng)，開創(chuàng)了星系天文學(xué)，建立了大尺度宇宙結(jié)構(gòu)的新概念；二是發(fā)現(xiàn)星系的紅移—距離關(guān)系，催生了現(xiàn)代宇宙學(xué)。為了紀(jì)念這位偉大的天文學(xué)家，人類第一臺太空望遠(yuǎn)鏡就以哈勃的名字命名。

星系動物園

人們常說“天上的星星數(shù)不清”。其實(shí)，作為恒星的集合系統(tǒng)，星系的數(shù)量也是個龐大的天文數(shù)字。在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的一張視場僅相當(dāng)于月球直徑三分之一的深空照片里，竟然可以分辨出1500個河外星系。在可以觀測到的宇宙中，星系的總數(shù)可能超過兩千億（2X1011）個。這么多的星系，形狀當(dāng)然是各有千秋。1926年，哈勃在分析大量星系形態(tài)的基礎(chǔ)上，提出了后來被稱為“哈勃分類”的星系分類法，并一直沿用至今。具體內(nèi)容如下：

橢圓形系：外形呈圓球形或棚球形，中心區(qū)最亮，邊緣漸暗。同一類型的河外星系，質(zhì)量差別很大，有巨型和矮型之分，其中以

橢圓星系的質(zhì)星差別最大。質(zhì)量最小的矮橢圓星系和銀河系內(nèi)的球狀星團(tuán)相當(dāng)，而質(zhì)量最大的超巨型橢圓星系則可能是宇宙中最大的恒星系統(tǒng)，質(zhì)量約為太陽的干萬倍到百萬億倍。

已知最大的單一星系室女A星系（M87或NGC4486） 就是橢圓星系。估計在M87核心10萬光年的范圍內(nèi)，聚集的物質(zhì)質(zhì)量相當(dāng)于2.6萬億個太陽。該星系中心的超大質(zhì)量黑洞相當(dāng)于30億至64億個太陽質(zhì)量，在黑洞中也屬于巨無霸。

旋渦星系：1845年，英國天文學(xué)家羅斯觀測獵犬座M51星云時發(fā)現(xiàn)它具有旋渦形狀，這是人類最早發(fā)現(xiàn)的旋渦星系。旋渦星系的中心區(qū)像一塊凸透鏡，周圍圍繞著扁平的圓盤。從隆起的核球兩端延伸出若干條螺線形的旋臂。旋渦星系可以分正常旋渦星系和棒旋星系兩種，銀河系就是一個棒旋星系；著名的仙女座星系則是正常旋渦星系。

不規(guī)則星系：不規(guī)則星系的外形不規(guī)則，沒有明顯的星系核和旋臂，沒有盤狀對稱結(jié)構(gòu)或者看不出有旋轉(zhuǎn)對稱性。在全天最亮的星系中，不規(guī)則星系只占5%。最著名的不規(guī)則星系要數(shù)位于南天夜空中的大小麥哲倫云。它們早在遠(yuǎn)古時代就為南半球的原住民所熟知。大麥哲倫云最早的記錄出現(xiàn)在公元964年波斯天文學(xué)著作《恒星之書》 中，被稱為“在南方阿拉伯的白?！?。在歐洲，麥哲倫星云于15世紀(jì)末首次被意大利人觀察到。隨后為紀(jì)念麥哲倫船隊1515年至1522年環(huán)游世界的壯舉，這兩個星云被冠以“麥哲倫”之名。大麥哲倫云和小麥哲倫云，在天空中相隔21度，肉眼看去仿佛是被銀河分開的兩個片段。實(shí)際二者相距7.5萬光年。它們是最靠近銀河系的星系之一。據(jù)推測，小麥哲倫星系原本是棒旋星系，因為受到銀河系的擾動才成為不規(guī)則星系，但在核心仍殘留著棒狀的結(jié)構(gòu)。1987年在大麥哲倫云中發(fā)現(xiàn)的超新星（SN1987A），是過去三個世紀(jì)中最明亮的超新星。

怎樣飛往仙女座星系

或許是距離太過遙遠(yuǎn)，不易令讀者/觀眾的感同身受，涉及河外星系的科幻作品少之又少。在阿瑟·克拉克的《與拉瑪相會》中，拉瑪飛船的航跡指向大麥哲倫星系，它穿越太陽系的目的只是為了利用太陽能和引力場加速。而仙女座星系因為其在北半球肉眼可見的特性，在科幻作品中獲得了較高的出鏡頻率。

科幻電影《星球大戰(zhàn)》片頭字幕指出故事發(fā)生“在很久以前的一個遙遠(yuǎn)的銀河系”，有人認(rèn)為這暗指仙女座星系。在1968年播出的《星際迷航》系列劇和英劇《神秘博士》中，都有來自仙女座星系的外星人。

由于銀河系和最近的星系之間的距離都無比遙遠(yuǎn)，這樣的旅行需要的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過恒星際旅行。星系之間的距離是恒星間距的大約一百萬倍。在人的有限壽命里進(jìn)行星系間旅行，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類目前的科技能力。因此，只有科幻作品才會觸碰這樣的話題。

阿西莫夫的“基地”系列小說雖然設(shè)想萬年后人類已經(jīng)拓殖銀河系里的兩千萬顆行星，但仍難以邁出這個“大搖籃”?！痘嘏c地球》里就曾提及，從來沒有人類穿越過麥哲倫星云，也沒有人類到過仙女座星系或其他更遠(yuǎn)的地方。

對壽命有限的生物體來說，要不是利用高速飛船的相對論效應(yīng)，實(shí)在很難活著逾越星系之間的浩渺空間。如果未來的飛船能夠接近光速，甶于時間膨脹效應(yīng)，飛船上的時間流逝會變得緩慢許多。只要飛船速度足夠快，在乘員的有生之年里，甚至可以穿越整個宇宙。科幻小說 《宇宙過河卒》中的飛船裝備了巴薩德沖壓發(fā)動機(jī)，就這樣以近光速飛行，在很短的時間內(nèi)穿越了直徑上百億光年的可觀測宇宙。

如果飛船速度不夠高，無法在一代人的有生之年里跨越百萬光年，則要么使用冬眠技術(shù)將船員冷凍起來；要么建成世代飛船，依靠自循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)繁衍生息，將航行的使命代代相傳。在漫漫長途中，飛船依靠慣性滑行，逐漸接近目標(biāo)。而這樣的旅行時間將極其漫長，以目前速度最快的人造物體“旅行者”號探測器為例，即使保持每年5.2億千米的平均速度飛行，也要花327億年的時間才能飛到仙女座星系。用這么長的時間飛到那里其實(shí)毫無意義，這段航程比宇宙現(xiàn)今的年齡還要長。根據(jù)目前星系相對運(yùn)動趨勢估算，仙女座星系在60億年后就要與銀河系發(fā)生碰撞了。就算它不與銀河系發(fā)生碰撞，300億年后它也會從旋渦星系演變?yōu)闄E圓星系，里面只剩下黯淡的矮恒星，成為一個面目全非的蒼老星系。

流浪太陽

“旅行者”號只有區(qū)區(qū)800千克，能夠支持龐大的生態(tài)系統(tǒng)和巨量人口的世代飛船得比這大許多倍才行。劉慈欣在小說《流浪地球》中，曾設(shè)想人類將整個地球推出太陽系以逃避天災(zāi)。如果目的地在銀河系之外，僅僅把一顆行星變成飛船是不夠的。遠(yuǎn)離恒星的行星大氣與水體將很快凍結(jié)，行星上的資源和能源也難以支持長途旅行。這時，就需要太陽陪我們一起“流浪” 了。

1988年，有天文學(xué)家在《自然》雜志發(fā)表論文，提出星系中心的大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的潮汐力會將恒星高速拋出的理論。2005年，這樣的恒星真的被發(fā)現(xiàn)了。流浪恒星以超過銀河系逃逸速度（大約每秒120千米以上）的超高速度朝若星系際空間的方向運(yùn)動。據(jù)估算，銀河系核心的超大質(zhì)量黑洞平均每十萬年發(fā)射出一顆高速恒星。截至2010年，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了16顆超高速恒星。

銀河系之外的流浪恒星就更多了。1997年，通過分析哈勃太空望遠(yuǎn)鏡傳回的圖像，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，室女座星系團(tuán)中存在著游離于星系之外的恒星。它們被稱為“星系際恒星”，數(shù)量有上百萬顆之多。據(jù)推測，這些流浪的恒星是在兩個或多個星系碰撞的過程中被拋入星系引力范圍之外的。一在20世紀(jì)90年代末，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)天爐座星系團(tuán)中也有一個星系際恒星的集團(tuán)。也許未來的智慧生物能夠追隨這些高速飛出的恒星，借用它的光和熱，就像大航海時代的微生物隨木帆船前往新大陸一樣。從這個意義上說，這已經(jīng)不是讓太陽陪我們“流浪”，而是我們隨著太陽遷徙了。

任意門：蟲洞

流浪太陽的航程依然太久。飛往河外星系的最快的方法莫過于利用超空間了。雖然“基地”系列小說中人類無法踏出銀河系，但阿西莫夫在早期的短篇小說《死胡同》里曾提到人類有可能通過“超空間”躍遷至河外星系。在科幻系列劇《星際之門》里，“星際之門”就是一種蟲洞，各種族的智慧生命利用它才可能跨越星系之間的巨大鴻溝。

蟲洞，又稱“愛因斯坦-羅森橋”，是宇宙中可能存在的連接兩個不同空間位置的狹窄隧道。這個名字是怎么來的呢？把宇宙想象為一個蘋果，各個星球、星系分布在蘋果的表面，光線與飛船沿著蘋果表面穿行。如果在蘋果上有一個蟲洞，那么蟲洞的兩個開口之間可以通過這個短程通道往來。1916年，奧地利物理學(xué)家路德維?！じゲ四肥状翁岢隽讼x洞的概念。20世紀(jì)30年代，愛因斯坦和羅森在研究引力場方程時假設(shè)，通過蟲洞可以做瞬時的空間轉(zhuǎn)移?！皭垡蛩固?羅森橋”甶此得名。

或許因為蟲洞有理論基礎(chǔ)，所以身為天文學(xué)家的卡爾·薩根在科幻小說《接觸》（后被改編為同名科幻電影）中，讓女天文學(xué)家艾琳娜經(jīng)過蟲洞與位于遙遠(yuǎn)星球的外星人會面。艾琳娜的飛船進(jìn)入蟲洞，再從另一側(cè)的出口飛出，原來充塞著隕石與有毒氣體的星際空間，變得像仙境一樣美麗，展現(xiàn)在她面前的是籠罩著星云的星系核心。

迄今為止，科學(xué)家還沒有觀察到蟲洞存在的證據(jù)。但這種形式的空間旅行在物理學(xué)上是可以實(shí)現(xiàn)的?？茖W(xué)家還希望制造出蟲洞，用以空間旅行。制造蟲洞需要聚集足夠的能量以撕裂時空。目前有兩種方法可以在瞬間聚集大量能量：一種是向一個點(diǎn)發(fā)射多束強(qiáng)力激光；一種是利用粒子加速器，讓兩束高能粒子迎頭相撞。目前的粒子加速器可以達(dá)到每米2000億電子伏的加速能力。在這個基礎(chǔ)上，要在空間中憑空制造出一個蟲洞，需要長達(dá)10光年的加速距離。以人類目前的水平來看，制造蟲洞簡直就是天方夜譚。但隨著科技的發(fā)展，人類或許有一天真能造出可以駕馭的蟲洞，將飛船和宇航員送往宇宙中的任何地方。

【責(zé)任編輯：楊楓】