星系

周濼

一個半球形的蒼穹籠罩在近似平坦的大地上，天空中鑲嵌著日月星辰，地面上鋪陳著山川河流——“天圓地方”是中國古人對我們所處世界的描述。隨著天文學(xué)的發(fā)展，人們又提出了渾天說，認(rèn)為蒼穹不是半球，而是一個圓球，地球在其中，就如雞蛋黃在雞蛋內(nèi)部一樣。16 世紀(jì)，西方的麥哲倫通過環(huán)球旅行證明了地球是圓的。再后來，哥白尼、伽利略等人將地心說修正為日心說……近代以來，自然科學(xué)取得了飛速進(jìn)步，人類對宇宙的探知邊界也一再拓寬?，F(xiàn)在我們意識到，太陽只是銀河系里的眾多恒星之一，而銀河系也只是眾多星系中的一個。

星系就像宇宙中不計其數(shù)的島嶼，散落在浩瀚的宇宙中。星系是如何被發(fā)現(xiàn)的？它們到底是什么東西？今天就讓我們來了解一下這些“島嶼”，同時感受一下宇宙的浩瀚吧！

星系是如何被發(fā)現(xiàn)的

早在上古時期，世界各地的人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了天空中有一條奪目的“銀帶”。中國古人稱之為銀河。人們也發(fā)現(xiàn)了銀河不是一條連續(xù)的光帶，而是由許多恒星構(gòu)成的。伽利略在1610 年用望遠(yuǎn)鏡觀測銀河時證明了這一點。

1750 年，英國天文學(xué)家托馬斯· 萊特推測銀河是由許多被引力束縛起來的恒星組成的旋轉(zhuǎn)的整體，類似于一個被放大的太陽系，而我們所看到的銀河是銀河系的側(cè)面——這就是星系最早的概念。

發(fā)現(xiàn)天王星的著名天文學(xué)家威廉· 赫歇爾在1785 年曾嘗試構(gòu)建出一幅銀河系結(jié)構(gòu)圖，他用他發(fā)現(xiàn)天王星的那臺反射式望遠(yuǎn)鏡觀測了天空中可以看到的每顆恒星，估算出它們與太陽系的距離和位置關(guān)系，畫出了一個不規(guī)則的形狀。在他描述的銀河系中，太陽系在銀河系的中心地帶。之所以威廉· 赫歇爾得到了這個在我們今天看來奇怪的結(jié)果，是因為他沒有考慮到不透明星云對星光的影響，也沒有意識到不同恒星的質(zhì)量和亮度差別很大。換言之，我們無法用星光的亮度來推斷恒星到地球的距離。

今天我們知道宇宙里有無數(shù)個和銀河系相似的星系，每個星系都是由數(shù)量眾多的恒星系、星際塵埃等組成的運行系統(tǒng)，這個認(rèn)知也是逐步建立的。18 世紀(jì)晚期，隨著天文觀測的發(fā)展，很多天文學(xué)家和哲學(xué)家都相信銀河系外肯定有其他星系。到了1917 年，美國天文學(xué)家希伯· 柯蒂斯發(fā)現(xiàn)了來自仙女星系的超新星爆發(fā)比來自銀河系內(nèi)部的超新星爆發(fā)要暗淡，他估計仙女星系距太陽系有大概50 萬光年，這說明仙女星系在銀河系之外。于是他使用“島宇宙”假說解釋觀測到的現(xiàn)象，主張宇宙有多個星系，星系之間的空間主要是虛空，而旋渦形星云則是其他星系。1920 年，希伯· 柯蒂斯與哈羅· 沙普利展開了激烈的辯論，辯論銀河系是否為宇宙唯一的星系。幾年后，哈勃觀測造父變星的數(shù)據(jù)證明了希伯· 柯蒂斯的“島宇宙”假說是正確的。

就這樣，人們發(fā)現(xiàn)自己生活在一座無比浩瀚的宇宙的孤島上，孤島以外還有其他島嶼，我們所處的銀河系并不是宇宙的全部。

星系長什么樣

隨著天文學(xué)的不斷進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)了更多星系，也觀察到星系有各種各樣的形狀。1926 年，哈勃首先提出根據(jù)形態(tài)的不同，星系可以分為橢圓星系、透鏡星系、旋渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系5 種類型。這是目前天文學(xué)界廣泛采用的一種星系分類法。

星系為什么會高速旋轉(zhuǎn)

銀河系外是否存在星系的問題被解決了，但是很快又有人提出了新的問題。1933 年，美籍瑞士天文學(xué)家弗里茨· 茲威基在研究后發(fā)座星系團(tuán)時，發(fā)現(xiàn)后發(fā)座星系團(tuán)中有星系以極快的速度旋轉(zhuǎn)著，這些星系卻沒有在離心作用的影響下分裂。理論上后發(fā)座星系團(tuán)沒有足夠的引力來維持星系這么高的轉(zhuǎn)速。難道是萬有引力的理論出了問題？當(dāng)然不是。經(jīng)過研究之后，茲威基總結(jié)出星系中蘊含著一種未知的物質(zhì)，它會產(chǎn)生萬有引力，卻不與光發(fā)生任何反應(yīng)。后人對茲威基的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了驗證，也證明了有一種神秘的物質(zhì)存在。由于這種神秘物質(zhì)不與光發(fā)生任何作用，所以它被稱為暗物質(zhì)。直到今天，暗物質(zhì)仍是天文學(xué)的前沿課題和未解之謎之一。

1976 年，美國天文學(xué)家薇拉· 魯賓在研究旋渦星系時，又發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的觀測證據(jù)。她發(fā)現(xiàn)靠近星系核心的恒星圍繞星系核心的公轉(zhuǎn)速度與預(yù)期的高速度相符，但是遠(yuǎn)離星系核心的恒星的公轉(zhuǎn)速度卻不比靠近星系核心的速度低——這個結(jié)果與開普勒三定律完全不符！在星系中離中心遠(yuǎn)的“邊疆地區(qū)”的物質(zhì)根本不足以產(chǎn)生足夠大的引力來束縛住那里的恒星，按照牛頓運動定律，那些恒星早該飛出星系了。因此魯賓推測，在這些“邊疆地區(qū)”一定有一些不與光相互作用的暗物質(zhì)。如今，暗物質(zhì)較多的這些“邊疆地區(qū)”被稱為暗物質(zhì)暈。這些暗物質(zhì)暈和組成它們的暗物質(zhì)存在于各個星系和星系團(tuán)中。暗物質(zhì)甚至比我們能觀測到的普通物質(zhì)還要多得多，占宇宙質(zhì)能的25%。

神秘的暗物質(zhì)

雖然我們不知道暗物質(zhì)這個宇宙“幽靈”究竟是什么，但是我們知道它不太可能是什么。暗物質(zhì)比普通物質(zhì)要更疏散（密度?。?，否則它會形成可探測的天體；它不是普通物質(zhì)，不然我們就可以探測到它的電磁波了；它也不是反物質(zhì)，不然它會與普通物質(zhì)發(fā)生湮滅，發(fā)出可探測的伽馬射線；它不是黑洞，否則一個星系中的所有物質(zhì)都將被黑洞吞噬……

我們知道暗物質(zhì)是維持星系和宇宙結(jié)構(gòu)的“材料”，而且是占多數(shù)的主要物質(zhì)。沒有暗物質(zhì)，可能就沒有星系、恒星、行星，也沒有人。

我們的星系——銀河系，只是宇宙大海中上萬億座島嶼中的一座孤島。隨著越來越多的星系被發(fā)現(xiàn)，我們會越來越覺得自己在浩瀚宇宙中是多么渺小。