大历史,小世界:从大爆炸到你(出书版) 作者:辛西娅·斯托克斯·布朗/译者:徐彬/ 于秀秀/刘晓婷

    第 7 章

    从上方看,银河系就像一张平面的圆盘,中间有个“突起”,恒星组成的“旋臂”向外延伸。

    宇宙大爆炸后7亿年到20亿年之间,星系形成,也是只有在那段时间才形成了星系。当时的宇宙,只相当于现今大小的6%左右。只有那个时段存在有利于星系形成的“金发女孩条件”,一切都“刚刚好”。对人类来说,虽然不再有新的星系形成,但幸运的是,星系一直存在至当下。

    银河系

    “星系”(galaxy)一词来自希腊语,意为“牛奶圈”(希腊语中“gala”指牛奶)。我们所处的星系叫银河系,对应的英文是“Milky way”,这是从拉丁语“via lacteal”的字面意思转换过来的,意为“牛奶路”。所以银河系的英文名字“Milky way galaxy”,就等于是双料的牛奶星系了。

    人类无法看到银河系的全貌,只能看到其侧面。肉眼看到的银河系,就像是乳白色的雾,中间有明亮的繁星点缀,纵贯几乎整个夜空。城市里的灯光太亮,夜空中往往看不到银河系。你要是从未见过银河系,一定要弥补这个缺憾,选个晴朗的夜晚,走出城市,去到乡下,地球上最让人惊叹的景致就会呈现在你眼前。

    古罗马人觉得,这条繁星构成的大河看起来就像母乳一样洒在夜空。于是罗马神话中便有一个说法:一位女神把不认识的婴儿从身边推开,乳汁从乳房里流出,洒在天空。

    据估计,银河系中约有2000亿~4000亿颗恒星,直径约有10万光年。离它最近的星系是仙女座星系,两者之间相距250万光年。(提示:1光年约为太阳系直径的500倍。)

    关于恒星在星系中的位置,我们来想象一个具体的模型:想象太阳系像一枚25美分的硬币那么大,直径大约2.5厘米(1英寸)。在这样的比例下,太阳就像一粒尘埃。而银河系的直径,则相当于美国国土的宽度。比邻星是距离我们最近的恒星,也把它想象成一枚25美分的硬币。在此比例下,它到太阳的距离,就相当于两个足球场那么大,而这也是银河系中恒星的典型距离。(参见[domain])

    现在,回到银河系最近的邻居——仙女座(两者之间相距250万光年),这两个星系同属一个星系团,叫作“本星系群”,里面约有40个星系,它们之间的距离并没有变得越来越远。实际上,仙女座正在朝银河系移动。据天文学家估计,约40亿年后,两个星系会撞在一起。因为每个星系中大部分都是空间,所以不会有太多恒星发生相撞事件,但引力很有可能会重新布置里面的恒星。

    星系团横跨2000万光年之多,每个星系团包含10到几千个星系。星系团又隶属于超星系团,跨度达5000万光年。虽然星系团中的星系有吸引到一起的倾向,但由于宇宙不断膨胀,星系团之间和超星系团之间则越来越远离彼此,一连串超星系团之间存在巨大的真空区。

    要想想象这个尺度的宇宙,需要想象穿过一堆肥皂泡沫。一层肥皂膜可能包含了一堆肥皂泡。这片肥皂膜相当于超星系团,而肥皂泡则相当于超星系团之间的空间。

    随着天文学家正在对越来越深的宇宙进行测绘,我们可以在自己的地址上添加一些新的名词。我们居住在拉尼亚凯亚(Laniakea)超星系团之本星系群之银河系内。拉尼亚凯亚是夏威夷语,意为“广阔无垠的上苍”。拉尼亚凯亚超星系团有10万多个星系,跨度约5亿光年。(登录[domain],见识其复杂外形。)

    恒星的形成

    在凝结形成星系的气体云中,相对较小区域内的气体凝结成为恒星,恒星各自分离,早期宇宙中,恒星之间的距离较近,现在则大了很多。

    恒星的形成是这样的:有的地方,氢原子和氦原子相距比其他区域的氢原子和氦原子要近,引力把它们越拉越近。原子之间的碰撞导致温度上升。随着温度上升,电子与质子分离,原子分裂,重新形成等离子态或类似气体的状态,由于温度太高,原子无法形成。氢质子以极大的力量、极高的速度相撞,最终4个质子克服了正电荷的排斥,聚变形成氦核。

    在聚变成氦核的过程中,4个质子中有2个质子性质不变,剩下2个质子失掉正电荷,变成中子。正电荷分离出去,成为正电子(一种反粒子),与电子相互湮灭,释放出能量。这种碰撞就是恒星以及氢弹能量的来源——在氢弹中氢质子也发生聚合。最初4个质子的一部分质量转变成核能。

    恒星就类似于一颗缓慢爆炸的氢弹。最初气体云的坍缩用了大约10万年的时间。由于恒星核心周围的物质的压力,将中心的爆炸包裹在内,因此核聚变会持续几百万年甚至几十亿年的时间。

    其他事件有时也会加强恒星形成过程中的引力。一颗大恒星诞生时,会释放大量的能量,对周围氢和氦的气体云产生压缩,引发一连串恒星发生反应。有时一颗超大恒星在生命末期的爆炸(参见第4章)也会产生同样的效果。

    一大堆氢原子中心一旦发生聚变,就形成了恒星,中心释放的能量传到原子物质的外围,恒星开始发光(即辐射)。第一批恒星发出的辐射,是宇宙中第一次集中的光线,这与遍布宇宙的宇宙背景辐射的昏暗光芒大不相同。

    恒星(太阳)的结构

    与所有恒星一样,太阳中心也发生氢原子的核聚变,外层则储存着更多氢。

    恒星是物质和能量自动调节的系统。氢质子核聚变释放能量,产生巨大的向外的力,而引力产生巨大的向内的力,两者相互平衡。如果向外的能量的力稍微超过一点,恒星就会冷却,体积随之增大。这个过程会减缓核聚变,使得引力再次将恒星收缩变小,而这又会让温度升高,加速核聚变。这种负反馈环产生了所谓的“动态稳定状态”。它的工作原理就像燃气锅炉上的恒温器,室内温度一下降,火炉就会再次点燃。多数恒星都自行调节,稳定燃烧,但一些年代久远的恒星,其亮度则有规律性的变化。与星系不同,尽管自由飘浮在星系中的氢和氦比过去少很多,但今天依然有恒星正在形成。结果是,新恒星的大小和数量都随着时间推移而减少。每年,银河系中约有10颗新恒星产生。

    恒星大小不同,取决于最初形成时氢和氦气体云的大小。恒星中,我们了解最多的就是太阳了——一颗普通、中型的恒星,直径约是地球的100倍,质量约是地球的30万倍。体积最小的恒星差不多是太阳质量的1%,最大的恒星质量是太阳的200倍左右。质量相当于太阳的6倍或以上的恒星有潜力成为超新星。(超新星的信息参见第4章。)

    银河系呈现美丽的旋涡状,有上千万颗恒星分布其中。它之所以能够保持形状不变,是因为至今还没有与其他星系发生碰撞。太阳位于银河系外围的一个旋臂上。这个位置可是好得很,距离中心既不太近,也不太远,太近则超新星太多,太远则超新星太少,无法产生足够更重的化学元素,以供行星和生命的形成。

    太阳和它的行星绕着银河系中心的黑洞在轨道上运行。整个太阳系沿轨道运行的速度为200千米/秒(125英里/秒)。虽然速度如此之快,但太阳系绕银河系旋转一周,仍需2.25亿年左右。以这样的速度,你觉得地球已经绕银河系中心旋转多少次了呢?(提示:你得知道太阳和地球形成于约45亿年前。)

    不过,为什么速度如此之快,我们却感受不到呢?奥妙就在地球外围的大气层是随地球而动的。跟我们一样,大气层受地球引力的吸引。由于同样的原因,地球日复一日绕轴自转或年复一年绕太阳公转,我们都没有感觉。我们自以为坐在那里一动不动,但实际上,我们同时朝多个方向快速运动。想到这一点,你“晕地球”了吗?

    之前提过,距离太阳最近的恒星是比邻星,它在4.24光年之外。也就是说,比邻星的光以接近每秒30万千米的速度,还需要4.24年的时间才能到达地球,而太阳光到达地球,平均需要8分18秒。(地球绕太阳公转的轨道是椭圆形的,离太阳的距离是有变化的。)

    地球距太阳与地球距最近的恒星两者相比是什么情况,可以做下面这个三步走思维实验。[感谢理查德·道金斯(Richard Dawkins),他从约翰·卡西迪(John Cassidy)的《地球寻找》(Earthsearch )中借来了这个主意。]

    1.想象在足球场中间,放一只足球,足球代表太阳。

    2.走25米之后,放一粒胡椒,代表地球,与太阳相比,大小和距离都是成比例的。

    3.再想象另一只足球,稍微小点,代表比邻星。你需要把它放在6500千米(4038英里)之外,这个距离相当于整个南美洲的长度。

    恒星最初出现时,从某种程度上说,是完全新兴的事物。引力作用在氢原子上产生新的、更为复杂的原子结构,并将分布于本区域、稳定热点的能量流集中起来。这些恒星点产生大量的能量,将临近的天空都照亮了。它们代表了宇宙中局部秩序的快速增长。

    宇宙从诞生之初就一直在膨胀,这是件好事,不然就会有大麻烦。如果恒星是在小而又不膨胀的宇宙内燃烧,整个空间的温度就会越来越高。热力学第二定律表明,局部或区域秩序的出现,必然造成别的地方的无序。(表示这种无序的专有名词是“熵”。)有些系统,比如恒星,会变得越来越有序,但代价是,别的地方越来越混乱。没有空间容纳这种无序,没有真空区倾倒多余的热量,恒星就会因产生的热量窒息,无法保持稳定。

    (同样的,我们的身体会散热、排尿和粪便,这也是把无序排掉,这些是比我们摄入的热量质量更差的热量。如果人体不能散热、排泄废物,人就无法存活。)

    下一章中,我们将了解恒星的生命周期——它们如何形成、存在,又如何在令人目瞪口呆的爆炸中,产生生命所需的化学元素。

    今天的天文学家如何进行研究

    首先,先了解一点天文学历史。在茫茫宇宙的众多星系中,我们处在其中一个星系里——对于这一点,我们仅仅知道了90年左右。到1924年末,才获得这一认识的确凿证据。

    天文学家埃德温·哈勃是收集并分析此项证据的人。他使用的是当时世界上最大的望远镜,坐落在帕萨迪纳市附近的威尔逊山上,毗邻加州的洛杉矶。这架望远镜口径达100英寸,是由钢铁行业和慈善事业的巨头安德鲁·卡内基(Andrew egie)提供经费建造的。

    1917年,望远镜建造好,可以投入使用了。那时候,天文学家能看到的最远的距离只是一些光的斑点,这种斑点叫作“星云”,或是气体云和尘埃云。之所以可见,是因为它们反射附近恒星的光。当时天文学家都在争论,这些星云到底属于银河系,还是属于银河系之外的其他“岛宇宙”。

    要想解决这些争议,就必须知道这些星云距离我们有多远。哈勃将威尔逊山上的望远镜的焦点对准最近的星云——仙女座星云。这架望远镜功能强大,可以聚焦到该星云里的某颗恒星上。在那个星云里,他发现了一颗恒星的亮度呈现周期性的变化。由于这类恒星的亮度会发生变化,同时第一颗此类恒星是在仙王星座(Cepheus)被发现的,因此英语中将其称为“Cepheid variable”,即“Cepheid变星”,中文是“造父变星”。(星座指的是人们根据自己的主观判断,将若干恒星看成是一个群体。)

    早前,天文学家已经观测过造父变星,了解到这种恒星亮度变化的周期越长,恒星的实际亮度就越大。哈勃发现的造父变星的周期是31.45天,这意味着它的亮度是太阳的7000倍。哈勃将表观亮度(非常弱)与实际亮度进行对比,估算出距离有90万光年——这太远了,不可能是在银河系之内。哈勃说服了其他天文学家,让他们认识到造父变星一定存在于另一个星系内。现在,天文学家估算出仙女座距离我们249万光年。

    埃德温·哈勃

    探索遥远恒星的先锋

    威尔逊山天文台的天文学家哈勃证明还有其他星系存在,而且宇宙正在膨胀。

    埃德温·哈勃在天文学领域做出了两个巨大突破,他证明了银河系之外还有其他星系,还发现了星系正在互相远离的证据,这意味着宇宙在膨胀。

    哈勃比阿尔伯特·爱因斯坦小10岁,在美国伊利诺伊州的惠顿(芝加哥郊区)长大,是一位天才运动员。垒球、足球和跑步样样都擅长,但也耽误了高中学习。然而,校长发现他天赋异禀,给了他一份奖学金,送他到芝加哥大学学习。哈勃在芝加哥大学学习了数学和天文学,随后他获得罗氏奖学金,到英国牛津大学学习。但是就在那时候,从事保险行政工作的父亲生命垂危。由于父亲希望他日后当律师,于是哈勃在牛津大学选择了学习法律。

    回国后,哈勃发现他根本无意从事法律职业。在高中教了一年课后,为了成为一名职业天文学家,他开始重新读研究生。1917年,他获得了芝加哥大学的博士学位,论文题目是《微弱星云的照相调查》。

    1919年,哈勃在威尔逊山天文台谋得一份职位,并在那里度过了余生。在5年时间里,哈勃对仙女座星云中一颗明亮的恒星的距离做了充分的研究,足以说服当时的天文学家,仙女座距离已经足够远,应该是另一个星系,而不是银河系的一部分。

    随后,哈勃发现了证据,表明宇宙不是静态的,而是在不断膨胀。他借助分光镜研究来自遥远恒星的光。1929年,他意识到,除了我们的本星系团外,所有的星系都在远离彼此。而且,星系越远,退行速度越家称这一现象为“哈勃定律”——星系远离彼此的速度与它们之间的距离成正比。(参见第4章,详细了解分光镜的工作原理。)

    宇宙膨胀的假说,导致产生了“大爆炸”假说。(后者是别人提出的。)相比理论研究,哈勃更擅长观测实践,他所做的天文观测起到了至关重要的作用。他著有《星云世界》(The Realmthe Nebulae ,1936),在书中概述了自己的工作,颇受读者欢迎。

    第 7 章

    恋耽美

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