群星的法则

第三章 见不可见 借用一个带“星”字的比喻来说，恒星是宇宙中的“明星球员”。在地球上，太阳照亮了我们的白昼，其他恒星点缀了我们的夜晚。假设能将整个银河系尽收眼底，我们就会看到一个直径为10万光年的旋涡形盘状物，其中充满了恒星。相比之下，其他天体显得暗淡无光。但是，正如前文所述，我们正尝试着去发现越来越多遥远的行星。而且除此之外，宇宙中还存在着许多别的东西，其中有一些用对可见光敏感的望远镜基本上是看不见的，还有一些则根本不可见。 气体、尘埃与星系类别 前文中提及的气体和尘埃也在宇宙中*重要的附属成分之列。银河系中的大部分气体都位于各旋臂上的云团中，新的恒星便是在这些地方诞生的。其中有许多气体在数十亿年前银河系形成之时就已存在，也有一些是来自死亡恒星的残留物。正如前一章中所述，作为恒星摇篮的气体云温度极低，达到了零下200多摄氏度。它们固然会发出少量的可见光（这是由包裹在内的恒星散射出来的），但要想看到它们，*好的方式还是通过射电望远镜及红外望远镜。整个银河系中还有一些更为炽热的气体，被附近的恒星加热到了上百万摄氏度的高温。其中主要是氢气，但这些原子的温度太高，因而被分解成了更小的组成部分，即质子和电子。这一过程被称为气体的“电离”，因为离子指的是带电荷的粒子，如内有质子的氢原子核。这些高温气体发出的主要是X射线，它们进一步向外扩散，甚至比银河系恒星的分布范围还要广阔，形成了一团暗淡的气体晕轮，将银河系笼罩在内。 在整个银河系中还散布着微小的宇宙尘埃颗粒，这种尘埃和我们家里常见的灰尘大不相同。地球上的灰尘颗粒直径可达0.1毫米，小的也有0.001毫米左右；大多数的宇宙尘埃都要比这些更小，有时其直径仅相当于几十个原子的宽度，大小更接近于烟雾中的微粒。这些尘埃颗粒是由包含碳和硅等各种元素的混合物构成的，我们认为，它们是在古老的巨大恒星 中形成的，在恒星走到生命的尽头时被喷射到了太空中。在银河系里，尘埃无处不在，不过大多数尘埃也像恒星和气体一样，聚集在密度较大的旋臂中。当新恒星诞生时，有些尘埃会与作为恒星摇篮的气体混合在一起，*终形成新的行星。 与气体一样，这些微小的尘埃颗粒也可以被其周围的星光加热，而这样的热量会产生红外线。我们现已拍摄到了相邻星系的美丽照片，其中就有毗邻的仙女星系。这些照片是用红外望远镜（包括NASA的史匹哲太空望远镜）拍下的。就仙女星系而言，上述照片提供了一个与标准照片截然不同的视角，在新恒星形成的地方显示出了螺旋形的尘埃臂。我们也可以用红外望远镜来为银河系拍摄类似的照片，但因为拍照的位置还在本星系内，所以我们始终没有机会一次性看清完整的银河系。 气体和尘埃固然是银河系中重要的组成部分，不过，假如将所有的恒星、气体、尘埃和行星的质量想象成一袋一千克重的面粉，大约能装满八个杯子，那么所有的气体质量只占一个杯子，而尘埃质量还不到半勺。银河系中虽有数十亿颗行星，但这些行星的质量仅相当于一小撮面粉而已。这袋面粉里剩下的就全是恒星的质量了。 在银河系的正中央，还潜藏着一个巨型天体，它甚至比气体和尘埃还要难以探测。这是一个巨大的黑洞，比太阳要重几百万倍，比第二章中提及的在巨型恒星的生命终结时遗留下的黑洞（可能只比太阳重几倍，或者顶多100倍）要大得多。我们尚不清楚位于银河系中心的这个黑洞比别的黑洞重这么多的原因。它一开始或许只是个普通黑洞，逐渐吞噬了周围所有的气体，变得越来越重；或者它一开始是一颗巨大的恒星，然后迅速坍缩成了一个黑洞；又或者是多个黑洞合并成了一个。 我们现在还不了解这个黑洞的历史，却知道它必定就在那里，因为可以看到一颗颗恒星正围绕着银河系中心一个看不见的物体飞行。来自加利福尼亚大学洛杉矶分校的美国天文学家安德烈娅·盖兹正率领着一个研究团队，利用位于夏威夷冒纳凯阿山上的10米口径凯克望远镜来研究银河系的中心。他们使用了一台可以观测红外线的相机，以便透过其周围的尘埃来观察恒星。银河系中心的黑洞被称为“人马座A*”，20多年来，她和她的团队一直在追踪这个黑洞周围的恒星运行的路径。牛顿的万有引力定律告诉我们，天体的质量越大，物体围绕其运行的速度就越快。盖兹的团队已经计算出，人马座A*必定具备强大的引力，其质量大约相当于太阳的400万倍，并被压缩到极小的体积，唯有如此，才能使附近的恒星以这么快的速度绕其运行。 宇宙中所有其他的星系组成都与银河系相似，而且我们认为，许多星系的中心都有巨大的黑洞存在。不过，各星系中恒星、气体和尘埃所达到的平衡有所不同，这取决于星系的类型，而且每个星系呈现出的形状也不一样。我们尚未完全理解星系的形状是如何形成的，又是如何随着时间的推移而演变的，但早在1936年，埃德温·哈勃便将星系分成了三类，并在他的著作《星云世界》中进行了阐述。**类是旋涡星系，比如银河系和毗邻的仙女星系，平时*常观测到的就是这类星系。旋涡星系是由恒星形成的一个旋转的盘状物，各旋臂在中央位置汇聚成更为庞大的凸出部分。在许多旋涡星系中，这个凸出的部分有所拉长，成了顺着中央延伸的密度更大的棒旋星系。 第二类是椭圆星系（图3.1）。这些星系是由恒星聚集而成的球状物，被压扁或挤压成了各不相同的形状，有的是球体，有的像被拉长的橄榄球，有的像被压扁的糖豆。在椭圆星系当中，有许多可能是已有的星系发生碰撞后形成的，所以*终会变得比旋涡星系大很多倍。许多年以后，等到银河系与仙女星系发生碰撞时，地球*终很可能也会置身于一个椭圆星系中。 这些碰撞致使椭圆星系中的恒星经常朝着任意方向运动，而不是像在旋涡星系中那样旋转。椭圆星系中的气体和尘埃也比旋涡星系中少得多，因而基本不再形成新的恒星。在这些星系中，质量较大、寿命较短的白色恒星和蓝色恒星在很久以前便已消失，因此，主要存在的恒星都是质量较小、寿命较长的红色恒星。 第三类是不规则星系，它们既非旋涡星系，也非椭圆星系。与我们相邻的小星系——麦哲伦星系就属于这种类型，边界不清，状如星云。 星系之间的间隔并不规律。正如**章中所述，星系聚集在一起，形成星系群与星系团，又进一步聚集成超星系团。不过，假如我们想象一下，让所有星系在整个宇宙中均匀分布，我们就会发现星系之间的距离相隔几百万光年。记住，星系的直径可能约有10万光年，所以平均而言，星系之间相隔的空间比每个星系的直径要大10到100倍。这些空间并不完全是空无一物的。温度高达上百万摄氏度的炽热气体不仅包裹着每个星系，也充斥于星系团中各个星系之间的空间，通常按在相当于鞋盒那么大的空间里有几个质子和电子这样的比例分布。我们无法使用光学望远镜来观察这种气体，但如果借助 X 射线来看的话，它就会显得很明亮。天文学家尚未完全理解这些气体是如何分布到那些地方去的，但其范围极大，以至于将所有星系里恒星中的原子加在一起，也仅占到可观测宇宙中所有原子数量的5%左右。