宇宙的格局：人类对宇宙的认识

去到岸边，那里的波涛将涌来亲吻我们的双脚，神秘忧郁的星辰会在我们的头上照耀。

——阿·普列谢耶夫

(*俄罗斯诗人，1825-1893，柴可夫斯基在他的管弦乐套曲《四季》的《六月：船歌》中用这段诗句做配诗。)

地球是生命的摇篮和栖息地，也是人类的家园。这是一个曾经被看做是宇宙的中心的星球。460年前，哥白尼的一本小册子把宇宙的中心让位给了光辉的太阳，它向世人宣告了地球帝国的终结。现在我们已经知道，以太阳为中心，包括地球在内的几颗大行星、两千多颗小行星、六十多颗卫星、以及无数的彗星和宇宙尘埃组成了一个大家庭，它就是我们熟悉的太阳系。

在18世纪之前，由于观测手段落后，人类对天空的认识只局限在太阳系内，它的疆域以土星为边界。太阳是宇宙的中心，所有的星星都绕着它旋转。除了几颗行星之外，天空中其他的星星是什么，人们对它们一无所知，一般就把它们看做是镶嵌在天空中的发光的宝石。它们是些什么东西呢？让我们来做一番认识吧。

图11-1 夜空中的银河

我们抬头仰望夜空时，常常会发现，天上的星星有两种不同的类型。一种在天空中的相对位置不会发生变化，这种星星在夜空占绝大多数。另外一种则在经过一段时间后相对于前一种星星的背景发生了移动。由于有这样的区别，人们把能够移动的星星叫做“行星”，相比之下，那些不动的星星就叫做“恒星”。

这是对恒星的一种朴素的、原始的定义。现在我们知道，这种定义既不准确也不科学。其实，恒星也发生变化。在夜空中，不断有恒星产生、也不断有恒星死亡。不过，恒星的寿命很长，距离我们又很远，因此，在我们的一生中，甚至在若干个世纪内也观测不到它们的变化。这种情况一直持续到18世纪初才开始改变。

哈雷(Edmond Halley，1656~1742)于1718年首先发现，恒星在天空中的视位置发生了变化，我们把这种变化叫做恒星的自行，它是恒星的运动在天空中的投影。研究恒星的开山祖师爷赫歇尔(William Herschel，1738~1822)在对恒星的自行做了仔细的研究后发现，有7颗恒星的自行的趋向是一致的，这种一致性实际上反映了太阳的运动。这个发现打破了日心宇宙理论中太阳静止不动的观念。在花了许多年时间用他的巨型望远镜巡视天空之后，赫歇尔发现，恒星在天空中的分布很不均匀，在靠近银河一带，恒星极其密集，而在与银河垂直的方向上，恒星的数目稀少。通过天文观测可以推断，包括太阳在内的天空中所见到的恒星组成一个庞大的恒星集团，这个恒星集团就是我们现在所说的银河系，它的外形很像一个扁平的圆盘，太阳位于银河系靠近边缘的地方。这个发现再一次打破了太阳作为宇宙中心的观念。我们看到，天文学的每一项重大发现都使人类更加远离宇宙的中心，最终人们发现，宇宙没有中心，宇宙中的一切位置都是平权的。

图11-2 我们在这里

恒星离开我们非常遥远。比如说，离地球最近的一颗恒星叫做比邻星，它离开我们足足有4.2光年。什么叫光年呢？光年是天文学家用来量度恒星之间的距离的一种单位。1光年等于光在一年中走过的距离。恒星之间的距离非常大，用普通的计量单位来计量，数值极其巨大。对于刚刚提到的比邻星，如果用米做距离的计量单位，数值高达10¹⁶米。显然，这样的单位使用起来极不方便。因此，天文学家常常用光年这个更大的单位来量度恒星之间的距离。天文学家还常用秒差距作为距离的计量单位，1秒差距等于3.26光年。

在我们的感觉中，天上的星星要比太阳暗得多，个子也比太阳小得多。但是，事实上大多数恒星比太阳明亮，个子也要比太阳大。我们的错觉是由恒星的巨大的距离造成的。在历史上，人类的错觉曾经多次使我们远离宇宙的真实面貌。

在晴朗的夜晚抬头望去，天上的星星有明有暗，为了表示这种差别，天文学引入了星等这个概念。古代的人们已经能够将这些明暗不一的星星分为六个等级，最暗的是6等，最亮的是1等。现在发现，一等星的亮度是6等星的亮度的100倍。这就是说，星等每相差1等，亮度就相差2.5倍。恒星之所以表现为明暗不同，主要的原因是它们本身的实际发光能力千差万别以及与我们的距离各不相同。由于这种亮度和星等是从地球上实际看到的恒星的明暗状况，因此就叫做视亮度和视星等。其实，还有比一等星更亮的星星。为了更精确地描述星星的视亮度，现代天文学将古人计算星等的方法加以推广，引进了负星等和分数星等的概念。

恒星的视星等和视亮度并不能代表它们的真实亮度。为了比较恒星的真实亮度，天文学家常用绝对星等来代表它们的真实亮度。假定所有的天体都处于离我们10个秒差距处，这时，我们“看到”的“视星等”就是绝对星等。绝对星等在一定程度上反映了恒星的真实亮度。天文学家还常用光度来表示恒星的真实亮度。光度就是恒星每秒发出的总能量，或者说就是恒星的发光本领。恒星的光度和绝对星等之间有一个确定的关系。

恒星的光度由它们的表面温度和表面面积决定。表面温度越高，表面面积越大，恒星的光度就越大。各种恒星的光度差别非常大，天文学家常把光度大的恒星称为巨星，光度小的恒星称为矮星。实用中常用太阳的光度作为恒星光度的计量单位。

恒星的大小千差万别，小的只有太阳直径的几十分之一，比如说，20世纪60年代发现的中子星，其直径甚至只有几十千米，而最大的恒星，其直径比太阳大几千倍。由于恒星离开我们太远，它的直径对我们的张角（角直径）太小，不能使用地面上常用的三角法直接测量它们的大小。对于某些距离较近的恒星，可以利用一种叫做“干涉仪”的仪器测定它们的角直径。与恒星的大小比较，恒星的质量的差别就比较小。大多数恒星的质量与太阳差不多，只有极少数恒星比太阳重几十倍或轻几十倍。

如果我们仔细观察天上的星星，就会发现它们除了明暗不同之外，还有颜色的区别。早在远古时代，人们就注意到了这种现象。实际上，恒星的颜色反映了它们的表面温度。当然，只有那些自身能够发出光和热的恒星，颜色才能够反映其表面温度；对于那些靠反射恒星的光发亮的天体，颜色并不能够反映它们的表面温度。根据恒星的颜色确定它们的表面温度是非常粗糙的。要精确地测定恒星的表面温度，必须使用更准确的方法。

我们已经对夜空中最普遍的一种天体做了一番简要的介绍。然而，到目前为止，我们还未对恒星这个概念做出明确的界定。那么，什么是恒星呢？

按照现代天文学的观点，恒星是能够靠自身的热点燃氢聚变反应并向外发出光和热的天体。我们看到行星在夜空中发光，那是因为它们反射太阳的光，它们不是恒星。我们的太阳是一颗恒星。天空中的星星大多数是能够自己发光和发热的，它们是恒星。但也有一些不是。在古人认为是恒星的那些天体中，有一些靠反射邻近恒星的光而被看到，叫做“星云”，它们是除了恒星这个主要的角色之外的另一些重要的天体。在这些星云中，有一些是还未形成恒星的尘埃团，有一些正在准备加入恒星的行列，而另外一些则是恒星演化到晚期时留下的残骸。天空中还有一些天体既不是恒星也不是星云，而是由恒星和星云组成的集团。银河系中的恒星并非全是像太阳那样，孤零零地独处一方。天文观测显示，几乎有一半的恒星不是孤立的。它们要么双双结伴而行，要么三五成群、甚至成群结队地在太空中漫游。天文学家分别把这些恒星的集体称为双星、星群和星团。恒星的这种在物理上的紧密联系暗示了它们应该具有共同的起源。除了这些用肉眼可以看到的星星外，夜空中还有许多我们看不见的暗天体。这些形态各异的天体就构成了我们这个多姿多彩的星空世界——银河系。

蚂蚁星云：中央恒星以每秒1000千米喷射出长达数光年的气体，形成的星云外形象一只巨大的蚂蚁。

蟹状星云是公元1054年超新星爆发的遗迹。在星云的中心部分，有一颗脉冲星。这是一颗高速自转的中子星，正以每秒30周转动。

在银河系中，超过200个球状星团绕中心旋转，NGC104是仅次于人马座W的第二大亮星团。这个星团位于南半球的杜鹃座，又叫做杜鹃座47，距离地球二万光年。

昴星团：一个反射星云，距离地球 400 光年，俗称七姐妹。

马头星云：位于猎户座，是夜空中最引人注目的星云之一，距离地球1500光年。红色的部分是星云背后被猎户座s星照亮的氢云，黑暗部分则是厚厚的尘埃云。‍‍

图11-3 美丽的星云

人类对宇宙的认识绝不会停留在某一个层次上太久。从古希腊时代开始，人类就不断地努力拓展宇宙的疆域。尽管在中世纪漫长的一千多年中，人类对宇宙的认识曾经停滞过，但是，当文艺复兴运动横扫了整个西方世界之后，人类对宇宙疆域的征伐加快了。当伽利略把第一架天文望远镜指向天空的时候，人们就开始意识到，天上闪耀着的星星很可能是一些与太阳相似的天体。伟大的布鲁诺甚至猜测，其他的星星上也有可能住着像人类一样的智能生物。这是哥白尼留给后世的巨大财富，一种敢于不把人类看做万物之灵的伟大思想。此后，人们很快就认识到，天上的星星大多数是与太阳一样的恒星，它们组成了被称为银河系的庞大的恒星集团，太阳系在其中只占据一个小小的、不显眼的位置。在银河系之外，还有一些叫做“星系”的天体，它们是与银河系相似的、由几十亿到几千亿颗恒星组成的巨大的恒星集团。星系的尺度非常巨大，直径小则几千光年，大则几万光年。我们的银河系是一个很普通的星系，银河系以外的星系叫做河外星系。

对星系的研究开始于17世纪，当时，望远镜刚刚被发明出来。当人们把望远镜指向天空的时候，看到了一些肉眼无法看到的云雾状的天体，当时把它们称为星云。到18世纪，康德(Immanuel Kant，1724~1804)提出这样的猜测，认为这些云雾状的天体是像银河系一样的恒星集团，并给它们起了一个浪漫的名字：宇宙岛。不过，由于这些天体距离我们太远，受到观测手段的限制，人们一直未能对上面的说法做出判断。直到1917年，天文学家才在一个名为NGC6946的星云中发现了一颗新星；紧接着在1924年，美国天文学家哈勃(Edwin Powell Hubble，1889~1953)测定了仙女座大星云和三角座星云的距离，最终确认了它们是银河系以外的天体。

对一种新事物的认识往往是从它的形态分类开始的。对星系的研究也不例外。星系的外形和结构多种多样。1926年，哈勃按照形态把星系分为椭圆星系、旋涡星系和不规则星系三大类。后来，天文学家在这个分类法的基础上进一步把星系细分为椭圆星系、透镜星系、旋涡星系、棒旋星系和不规则星系五种类型。

图11-4 哈勃的音叉

椭圆星系的外形近似于椭圆，用符号E标记，按照椭圆的扁度细分为八个类型，分别标记为E0～E7。数字越大，椭圆越扁。旋涡星系的外形象个旋涡，用符号S标记。从形态上看，大多数旋涡星系都有两条沿相反方向旋卷的螺旋形旋臂。正常的旋涡星系，两条旋臂直接从星系的核心部分往外伸展。有些旋涡星系在核心部分有一个棒状结构，两条旋臂紧接着棒状结构往外伸展，这种形态的星系叫做棒旋星系，用符号SB表示。对于旋涡星系，人们还按照旋臂缠绕的松紧程度分为a,b,c三个类形。有一些星系的形态处于椭圆星系和旋涡星系的过渡阶段，它们比E7星系要扁一些，旋臂的特征刚刚显现，这种星系叫做透镜星系。还有一些星系的形状不能归并到以上的类型中，它们的形状没有确定的规则，这些星系叫做不规则星系。

M51是典型的旋涡星系，距离地球约3千万光年，宽约6万光年，是夜空中最明亮、最独特的星系之一。

NGC 1365 是一个典型的棒旋星系，中间的棒状结构和两条伸展的旋臂都非常明显。

仙女座大星云，实际上是一个旋涡星系，梅西叶星表中命名为 M31 ，是最邻近银河系的星系之一。

大麦哲伦云中的死星：大麦哲伦云是我们的邻星系，距离地球约168,000光年。

哈勃望远镜捕获到一场精彩的宇宙舞会，小星系ic 2163在大星系ngc2207的引力作用下扭曲得变了形，它抛出的气体和恒星形成约十万光年长的彩带。这场舞会将在数十亿年后结束，最后两个星系将成为一体。

约一千万年前，半人马座A星系经历了一次巨大的爆炸。

图11-5 宇宙岛

近几十年，天文学家还陆续发现了许多特殊形态的星系。有些旋涡星系具有十分明亮的中心区域，光谱中有强而宽的发射线，叫做塞佛特星系；有些星系具有很亮的星状核心，叫做N星系；有些星系看起来完全像一颗恒星，只有在光谱中才显示出星系的性质，这些星系叫做致密星系；还有一些星系在外形上显示出有爆发形成的喷射物，它们以每秒上千千米的速度运动，这种星系叫做爆发星系。上述这些星系都是一些内部有剧烈活动的星系，天文学家常常把它们称为活动星系。

以上就是我们这个宇宙大家族中几个最基本的结构层次：行星和行星系、恒星、以及星系。

当然，宇宙中还有比星系更大的结构，它们就是星系团。星系团是由若干个相互有一定力学联系的星系聚集在一起构成的集团。如果星系团的成员星系数目较少，就叫做星系群。目前已经发现了几万个星系团，距离我们最远的达70亿光年。包括我们的银河系和仙女座星系在内，由40个成员组成的集团叫做本星系群。

小型星系群Hickson，下方是最大的成员HCG87a，该星系是圆盘形的，由于从地球上只能观察到它的侧面，因此我们看到的是它的边缘。

后发座星系团Coma是致密星系团，包含几千个星系。照片中所见到的天体几乎全部是星系。

图11-6 星系托拉斯

比星系团更大的结构是超星系团，它是由若干个星系团聚在一起构成的天体集团。超星系团的尺度大约为100万秒差距，质量在10¹⁵~10¹⁷个太阳质量之间。包括本星系群在内，由室女座星系团、大熊座星系团等50多个星系团组成的超星系团叫做本超星系团。

最高的一个层次就是整个宇宙了，或者更严格地说是我们观测到的宇宙。这个宇宙大家族拥有几千亿个像银河系那样的恒星集团，平均说来，每一个星系拥有几千亿颗恒星。习惯上，把观测到的宇宙就叫做宇宙，它的典型尺度是150亿光年，年龄大约为150亿年。通过对星系和射电源的计数以及对微波背景辐射的测量，人们已经认识到，从宇宙的尺度上看，物质和运动的分布平均来说是均匀的。

我们已经在星空世界中做了一番简短的漫游，这是一个我们从孩提时代起就对她充满好奇心的世界，现在，我们已经知道了在那里面有些什么。接下来的一个问题是，这个世界是怎样演变成现在这个样子的？这是一个比“那里有些什么”更重要的问题，也是几千年来人类的智慧一直想要解答的问题。