宇宙島的迷思

陳厚尊

宇宙島和島宇宙是歷史上天文學(xué)家對(duì)星系的兩種稱呼，如今我們很少去區(qū)分它們。從語源學(xué)的角度看，這種看似不經(jīng)意的文字倒置其實(shí)大有深意。在前一個(gè)稱呼中，人們將宇宙比作浩瀚的海洋，將星系比作散落的島嶼；后一個(gè)稱呼則反映了某種舊觀念的殘留，因?yàn)?00多年前，許多天文學(xué)家還以為銀河系就是宇宙的全部，因而將河外星系視為“島嶼”一樣的其他宇宙，簡(jiǎn)稱“島宇宙”。

的確，每當(dāng)我們用天文望遠(yuǎn)鏡凝望遙遠(yuǎn)星空的時(shí)候，總會(huì)看到許許多多掩埋于群星深處的星系。它們長相各異，千姿百態(tài)，三五成群，仿佛游弋于海底的深海生物。20世紀(jì)初，天文學(xué)家也曾如早期的博物學(xué)家那樣，將全天的星系按照形態(tài)詳加歸類，系統(tǒng)研究。其中，最基本的哈勃分類法（又稱哈勃序列，Hubble Sequence）將星系歸為四大類，即橢圓星系（E）、透鏡星系（S0）、旋渦星系（S）和不規(guī)則星系（Irr）。后來，哈勃序列又有諸多變種。從現(xiàn)代星系學(xué)的角度看，這種以星系形態(tài)為基礎(chǔ)的劃分方法確實(shí)能反映出許多關(guān)于星系的內(nèi)稟性質(zhì)。今天，我們就來簡(jiǎn)要回顧一下星系物理學(xué)的百年發(fā)展史，以及其中未解的奧秘。

一場(chǎng)世紀(jì)天文大辯論

時(shí)間退回到1920年4月26日。當(dāng)天，眾多天文學(xué)前沿的大佬云集華盛頓美國國家科學(xué)院史密森尼學(xué)會(huì)的自然史博物館內(nèi)，參加了一場(chǎng)注定會(huì)載入史冊(cè)的“世紀(jì)天文大辯論”（the Great Debate）。辯論在貝爾德（Baird）的主持下進(jìn)行，參辯雙方是具有影響力的天文學(xué)家哈羅·沙普利（Harlow Shapley）與希伯·柯蒂斯（Heber Curtis），主題是宇宙的尺度大小。沙普利一方認(rèn)為銀河系是一個(gè)龐大的恒星系統(tǒng)，它囊括了全部的可見宇宙，所有的星云、星團(tuán)都是銀河系的內(nèi)部成員；而柯蒂斯一方認(rèn)為銀河系之外還有許多其他星系，天空中隨處可見的旋渦狀星云就是其中的代表。事實(shí)上，“大辯論”這一冠名是有些用詞不當(dāng)，原因是當(dāng)時(shí)的會(huì)議并未以論戰(zhàn)的形式舉行，而是雙方先通過半小時(shí)的簡(jiǎn)短演講陳述自己的論據(jù)，之后在黃昏時(shí)進(jìn)行了一次綜合討論。沙普利的演講主要是在闡述他的“大銀河系模型”，對(duì)旋渦星云的性質(zhì)一筆帶過。因?yàn)樯称绽怨プx博士學(xué)位開始就一直從事球狀星團(tuán)和造父變星方面的研究，并利用造父變星的“量天尺”特性，估算了許多球狀星團(tuán)的距離，并據(jù)此構(gòu)建起一個(gè)直徑達(dá)30萬光年的大銀河系模型，太陽距離銀河系中心4.9萬光年。沙普利認(rèn)為，他的模型擴(kuò)大了已知宇宙的尺度，以至于很難有人相信還有更遙遠(yuǎn)的天體存在。進(jìn)一步說，天空中的旋渦星云普遍具有相當(dāng)小的張角，如果它們與沙普利的“大銀河系”尺寸相當(dāng)，它們到地球的距離將達(dá)到數(shù)百萬光年。沙普利根據(jù)兩項(xiàng)觀測(cè)結(jié)果否定了這種可能：第一，1885年在仙女座大星云M31中發(fā)現(xiàn)的超新星SN1885A的亮度達(dá)到峰值時(shí)幾乎肉眼可見，如果M31距地球百萬光年，那么SN1885A的亮度將相當(dāng)于太陽的10億倍。在當(dāng)時(shí)看來，沒有任何物理機(jī)制能提供如此巨大的產(chǎn)能，因而是荒謬的；第二，天文學(xué)家范·馬納恩（Adriaan vanMaanen）聲稱自己觀測(cè)到了位于大熊座的旋渦狀星云M101的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，自轉(zhuǎn)周期約為10萬年。這說明旋渦星云的尺度很小，否則其邊緣的旋轉(zhuǎn)速度將超過光速，違背了狹義相對(duì)

論。

而柯蒂斯曾詳細(xì)研究過旋渦星云的光譜，發(fā)現(xiàn)其中存在吸收介質(zhì)，許多星云還有極高的退行速度，這暗示它們并非銀河系內(nèi)的天體。另外，柯蒂斯還從造父變星的校準(zhǔn)、恒星的平均亮度等方面，反駁沙普利的“大銀河系模型”。相較之下，他選擇支持卡普坦（Jacobus Cornelius Kapteyn）于1906年提出的“小銀河系模型”。早前，荷蘭天文學(xué)家卡普坦利用剛誕生不久的天體照相技術(shù)，改進(jìn)了英國天文學(xué)家威廉·赫歇爾的恒星計(jì)數(shù)工作。他在天空中均勻且隨機(jī)地選取了206個(gè)區(qū)域（即卡普坦選區(qū)），由世界各地的天文臺(tái)分工協(xié)作進(jìn)行恒星計(jì)數(shù)。根據(jù)這些計(jì)數(shù)結(jié)果，卡普坦推斷出空間中恒星完整的三維分布，進(jìn)而提出了“卡普坦宇宙模型”。他認(rèn)為銀河系是透鏡狀的，直徑為5.5萬光年，厚度1.1萬光年，太陽位于其中心附近，距離銀心2000光年。太陽這么接近中心的位置造成了“卡普坦宇宙”以太陽為中心的結(jié)論。這與哥白尼原理是相悖的，卡普坦為此深感不安。事實(shí)上，卡普坦本人曾十分清楚地意識(shí)到，如果恒星之間的星際介質(zhì)ISM）對(duì)星光有吸收作用，那么，無論恒星系統(tǒng)的真實(shí)分布如何，都會(huì)令我們產(chǎn)生太陽位于銀河系中

心附近的錯(cuò)覺。實(shí)際上，有大量證據(jù)顯示銀河系的一些區(qū)域確實(shí)被塵埃遮蔽了：用肉眼就能清晰地看出銀河系的中心平面上有一條暗黑的裂縫。為了評(píng)估星際介質(zhì)的吸收對(duì)計(jì)數(shù)結(jié)果究竟有多大影響，卡普坦將恒星的底片亮度與視亮度作對(duì)比，以此來檢驗(yàn)瑞利散射對(duì)星光的紅化效應(yīng)?？ㄆ仗乖谄鋽?shù)據(jù)中只發(fā)現(xiàn)了很小的紅化偏移，因而得出了“遮蔽不重要”的結(jié)論。

今天我們知道，星際塵埃對(duì)星光的影響主要是吸收而不是紅化，卡普坦宇宙與赫歇爾的銀河系模型都是不正確的。沙普利的“大銀河系模型”建立在他對(duì)球狀星團(tuán)的統(tǒng)計(jì)工作基礎(chǔ)上，受介質(zhì)吸收的影響小，因而獲得了與現(xiàn)代較為接近的銀河系模型，其中的差別僅來自造父變星作為測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)的校準(zhǔn)問題（這一問題直到1989年“依巴谷”衛(wèi)星升空以后才得到徹底解決）。但是另一方面，沙普利又堅(jiān)持認(rèn)為銀河系即全部宇宙，否認(rèn)河外星系的存在。從這個(gè)意義上講，沙普利與柯蒂斯都錯(cuò)了，包括馬納恩對(duì)M101自轉(zhuǎn)的測(cè)量結(jié)果也是錯(cuò)的。這場(chǎng)所謂的“世紀(jì)天文大辯論”

沒有真正的贏家。這一切的疑問還要等5年后，一個(gè)叫埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）的年輕人來徹底澄清。

星云世界的水手

20世紀(jì)20年代，哈勃利用美國威爾遜山天文臺(tái)新建成的口徑2.54米的胡克反射式望遠(yuǎn)鏡（Hooker Telescope），一口氣做出了兩項(xiàng)震驚天文學(xué)界的偉大成果：其一，利用從仙女座大星云M31中確認(rèn)的造父變星測(cè)定出M31到地球的距離為150萬光年，遠(yuǎn)在沙普利的“大銀河系模型”范圍之外，終結(jié)了河外星系是否存在的大辯論；其二，河外星系的紅移與其距離之間存在一個(gè)線性關(guān)系，即，越遠(yuǎn)的星系紅移值越大，退行速度越高。這就是所謂的哈勃定律（Hubbles Law）。1926年，哈勃在目視觀測(cè)了眾多星系的照相底片后，又提出了著名的哈勃序列，又稱哈勃音叉圖。時(shí)至今日，無論是專業(yè)的天文研究還是業(yè)余的天文觀測(cè)，哈勃序列都是最常用的星系分類法。

依照星系的形態(tài)，哈勃最初將星系分成了三大類：橢圓星系E、旋渦星系S和不規(guī)則星系Irr，每個(gè)大類又細(xì)分為若干亞型。其中，橢圓星系依照橢率的大小分成8個(gè)亞型：E0至E7，E0最圓，E7最扁。迄今，天文學(xué)家還沒有發(fā)現(xiàn)比E7更扁的橢圓星系。旋渦星系按照其核心是否存在棒狀結(jié)構(gòu)（Bar）被分成兩類：正常的旋渦星系S和棒旋星系SB，進(jìn)一步又各自被分成a、b、c 三個(gè)亞型。劃分的標(biāo)準(zhǔn)有三點(diǎn)：一是旋臂的松緊程度，二是核球相對(duì)于盤面的占比，三是星團(tuán)和HII區(qū)在旋臂上的顯著程度。哈勃發(fā)現(xiàn)，在旋渦星系中這三點(diǎn)是有聯(lián)系的，即a 型旋渦星系常常具有最緊的旋臂、占比最大的核球，以及不明顯的星團(tuán)和HII 區(qū)；而c型旋渦星系的旋臂更加舒展，核球最不明顯，HII區(qū)和星團(tuán)在旋臂上的辨識(shí)度最高。不規(guī)則星系在最早的哈勃序列中只有兩個(gè)亞型——IrrI型和IrrII型，前者的特點(diǎn)是沒有明顯的旋臂，但在底片上能看出許多明亮的“節(jié)”，后者雖然在外形上也沒有對(duì)稱性，但是圖像更加平滑，通常能顯示出塵埃帶。

事實(shí)上，在一開始的時(shí)候，哈勃序列是作為一種星系的演化序列被提出的。哈勃認(rèn)為，宇宙中所有的星系都是從橢圓星系E0開始演化，橢率逐漸上升，然后經(jīng)過中間階段的旋渦星系或棒旋星系，最后終結(jié)于破碎的不規(guī)則星系。鑒于橢圓星系與旋渦星系的外形差別巨大，哈勃猜測(cè)應(yīng)當(dāng)有一種形態(tài)上介于二者之間的“過渡型”星系。不久，哈勃的這一想法就被觀測(cè)證實(shí)了。在哈勃序列示意圖的交會(huì)處，有一種被稱為透鏡狀星系（Lenticular Galaxy）的特殊類型，標(biāo)記為S0。與橢圓星系類似，透鏡星系看起來就像是一個(gè)巨大的旋渦星系核，所不同的是沒有旋臂。與此同時(shí)，透鏡星系有明顯的薄盤，甚至有凸出的塵埃帶，這些都是旋渦星系的特點(diǎn)。

今天我們知道，星系并不會(huì)按照哈勃序列從左向右逐漸演化。當(dāng)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡遙望宇宙深處的時(shí)候，我們可以看到許多正常星系的早期形態(tài)，它們中的絕大部分并不具有明確的哈勃型。因此，天文學(xué)家很少對(duì)紅移值大于2的高紅移星系做形態(tài)學(xué)上的分類。即便如此，“早型星系”和“晚型星系”的說法還是被保留了下來，以指代哈勃序列左側(cè)和右側(cè)的星系亞型。順便提一句，在哈勃序列中，銀河系屬于有棒的SBb型星系，而仙女座大星系M31屬于Sb型星系。

橢圓星系、旋渦星系與球狀星團(tuán)

既然橢圓星系與旋渦星系并非簡(jiǎn)單的演化關(guān)系，那為什么有的星系看起來渾圓光滑，毫無特點(diǎn)，而有的星系卻擁有令人印象深刻的美麗旋臂呢？我們不得不承認(rèn)，直到今天，這個(gè)問題依舊是無解的。我們知道的，僅僅是某些觀測(cè)手段揭示出的二者間的表象差異，比如面亮度輪廓、天體速度彌散、氣體比重、恒星年齡等。至于為何會(huì)產(chǎn)生這樣的差異，卻沒有一套深層次的解釋。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度看，橢圓星系在星系數(shù)量中的占比是很高的，達(dá)到了61%，而旋渦星系的占比只有34%，其余的5%是透鏡狀星系與不規(guī)則星系。但是，若從質(zhì)量占比看，橢圓星系的總質(zhì)量只占到全部星系質(zhì)量的25%，旋渦星系則逆襲到73%，其余的2%屬于透鏡狀星系和不規(guī)則星系。何以如此呢？原因就在于，相較于旋渦星系，橢圓星系的質(zhì)量跨度很大：從1000萬倍太陽質(zhì)量到100萬億倍太陽質(zhì)量都有分布，相差了7個(gè)數(shù)量級(jí)。與此同時(shí)，橢圓星系內(nèi)部的“貧富差距”也很大，絕大部分橢圓星系都屬于小質(zhì)量的矮橢圓星系，即dE星系，M31的伴星系M32、M110、NGC185、NGC147等，都屬于此類。最大的橢圓星系是一種被稱為cD星系的巨型橢圓星系，比如著名的巨無霸星系IC1101以及室女座星系團(tuán)中心的巨橢圓星系M87等。cD星系往往寄居于富星系團(tuán)的中心附近，直徑超過100萬光年。它們很可能是多個(gè)星系相互并合的產(chǎn)物。

我們?cè)賮砜葱郎u星系。粗看起來，S星系的核心就像是一個(gè)縮小版的橢圓星系，許多觀測(cè)結(jié)果也支持了這一看法。旋渦星系的核球區(qū)與橢圓星系有著相似的面亮度輪廓，其中的恒星都在圍繞核球中心做無規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)。相比之下，旋渦星系盤面上的天體運(yùn)動(dòng)更加整齊劃一，幾乎沒有什么彌散。類比于熱力學(xué)中的情況，如果將旋渦星系的核球區(qū)視為熱力學(xué)溫度較高的區(qū)域，那么旋渦星系的盤面就屬于熱力學(xué)溫度較低的區(qū)域。在旋渦星系的盤面之外，更廣闊的空間范圍內(nèi)，分布著所謂的暈族天體（銀河系中絕大多數(shù)的球狀星團(tuán)就屬于暈族天體）。它們的運(yùn)動(dòng)情況又

一次變得雜亂無章，所以，旋渦星系的暈明顯屬于高熱力學(xué)溫度區(qū)。

在天文學(xué)界，曾有人猜測(cè)球狀星團(tuán)是歷史上某些被銀河系這樣更龐大的系統(tǒng)吞并的矮星系的殘余核心。的確，有些球狀星團(tuán)的來源疑似如此（比如半人馬座Ω星團(tuán)），但是，并非所有球狀星團(tuán)都能被看作矮星系的核心，即便它們具有相似的面亮度輪廓。但從結(jié)構(gòu)上看，有時(shí)可將球狀星團(tuán)視為一種質(zhì)量極小的橢圓星系，因?yàn)槎咴诹W(xué)上有著相似的穩(wěn)定性。

值得注意的是，有時(shí)候，一個(gè)星系的哈勃類型并沒有它初看上去那么明顯，其結(jié)果取決于你的觀察方式。以著名的草帽星系M104為例，從可見光圖像上看，M104具有明顯的Sa型旋渦星系的特征：濃厚的塵埃帶、緊致的旋臂、巨大的核球?？墒墙陙淼囊恍┭芯勘砻?，M104盤面天體的彌散速度比正常的旋渦星系來得大，而這正是橢圓星系的特點(diǎn)。另外，該星系的面亮度輪廓也更貼近橢圓星系。對(duì)M104的哈勃型持懷疑態(tài)度的天文學(xué)家認(rèn)為，前人對(duì)M104的錯(cuò)誤分類導(dǎo)致我們將原本適用于旋渦星系的T-F測(cè)距法盲目地套用在M104的身上，以至于得到了誤差較大的測(cè)距結(jié)果，而那些不依賴于M104哈勃型的測(cè)距方法得出的結(jié)果之間明顯要更自洽一些。

年輕的星系物理學(xué)

回顧過去的100年，毫無疑問，我們對(duì)于星系本質(zhì)的理解更加深刻了。但是，我們還應(yīng)當(dāng)看到，該領(lǐng)域的許多基本問題依然懸而未決。這說明，星系物理學(xué)是一門相對(duì)年輕的學(xué)科，“宇宙島”的奧秘仍在前方等著年輕的人們?nèi)ヌ剿?，去開拓。