引力剧场

 

　　从古到今，人类无数次地仰望天空，并寄予了天空永远是宁静和谐的美好想象。直至50年前，天文学家也仍然认为宇宙是个安宁的地方。 
　　但在哈勃太空望远镜的眼里，宇宙有着另一番景象：物质聚集的地方充满了暴力，有壮丽的出生和惨烈的暴死。宇宙和我们的自然界一样，也是弱肉强食。 
　　1666年，牛顿在花园散步时，突然想到重力，它的作用让一个苹果从树上掉到地上。重力是否仅局限于在地球周围的有限距离里，难道不能延伸到更远的地方吗?(图1) 

　　20年后，牛顿在其光耀史册的《自然哲学的数学原理》一书中，发表了万有引力定律，指出：“宇宙中每个质点都以一种力，吸引其他各个质点。天上的星体运动和地面上的物体运动都受到同样的规律——力学规律的支配。”(图2) 
　　在哈勃太空望远镜的视野里，这种力学规律所编排的节目让宇宙永不宁静：这里有星系的舞蹈、引力的魔镜、黑洞的抛球表演，犹如宇宙盛大的马戏演出。宇宙是如何利用“引力”控制星系和黑洞进行表演的呢?我们先到宇宙中物质最密集的地方——星系和星系团看看吧。我们所在的银河系从外面看，像个从中心甩出两条长臂的大飞盘，整个系统在慢慢旋转；在星体之间充斥着大量的气体与尘埃；在远离中心的位置，其中一条旋臂之外，银河系的边缘，有个小小的恒星系，那就是我们的太阳系。(图3)(图4) 
　　当我们仰望晴朗夜空时，能看到距离地球最近的5000颗恒星，更远的就太微弱了。因为空气中漂浮着的尘埃，会弱化星光，若没有望远镜，我们只能看见银河系的一角。银河系中有两千亿颗恒星，其中的很多都同太阳相似。天文学家还相信，在宇宙中有上千亿个类似银河系的星系。 
　　作为宇宙最基础的组成部分，这上千亿个星系是怎样形成与演化的?这是探索宇宙最基本的问题，也是20年来哈勃太空望远镜捕捉到的最大量的内容。 
　　哈勃望远镜在其他天文台的协作下，已经对天空中的几小块区域进行了长时间曝光，把迄今最遥远、最古老的星系的面貌展现在了我们眼前。 

　　这些早期星系离我们很远，所以很暗。在早期宇宙，这些星系形成时都很小，要分辨出星系的细节需要很大的分辨率，只有哈勃才能把这些星系拍得很清晰。(图5) 

 

 

　　这些超精细图片揭示了早期宇宙的细节，当时的宇宙年龄仅有几亿年，大约是现在宇宙年龄的5％。与现在的星系相比，那时的星系尺寸小，形状更不规则。哈勃望远镜拍摄的这些照片，成为建立现代星系形成模型的关键。 

　　2003年5月7日，哈勃望远镜对仙女座大星系外围的星系晕进行观测，发现这里恒星的年龄千差万别：最古老的有110亿年到135亿年，最年轻的只有60亿年到80亿年。 
　　天文学家发现有些星系是由不同年龄的恒星形成的，一种解释是等级式的结构演化，即一个星系形成过程中要吞并其他一些小星系，形成了星系里有各种年龄的恒星，就像小孩闯进了养老院。 
　　与此相反，我们的银河系中没有大量年轻的恒星。因此，尽管仙女座大星系和银河系外形相似，但哈勃望远镜的数据显示，这两个星系的成长史迥然不同。这一发现加深了我们对星系形成的理解。 
　　在夜空中，我们的银河系像一条永恒的乳白色带子，宇宙看起来好像也是静止的。这是因为人类的生命只不过是宇宙时间中的瞬间而已。实际上，宇宙处在永恒的运动中，只有通过长时间观察，才能感受到星空的运动，看到运动中的恒星和星系。恒星围绕银河系的中心旋转，星系依靠引力相互吸引，有时甚至会发生碰撞。哈勃望远镜就观测到了无数冲撞在一起的星系。 
　　星系们就像漫漫长夜中行驶在星海里的巨轮，彼此不断地接近，直到引力的相互作用最终将它们压缩成复杂的结构，相互交织在一起。这是一场由引力编排的宇宙舞蹈。 
　　两个星系发生碰撞的景象，像是钩在一起的两根手指头。星系中的大多数恒星，会在星系冲撞中幸免于难，引力会将恒星连同气体尘埃一起抛出，绵延数十万光年，甚至更长。实际上，再经过上亿年，两个星系最终会合并为一个组合星系。(图6) 
　　人们认为现在的许多星系包括银河系，是由许多小星系经过数十亿年组合而成的。由于星系间巨大的相互作用，本由气体烈焰形成的恒星生出了壮丽的高温蓝色星团。我们的银河系也将要同另一个离我们最近的大星系仙女座星系相撞，它们以每小时50万公里的速度接近，30亿年后将从正面相撞，会导致两个星系壮烈合并。在撞击过程中，银河系将改变形状，再也不是我们所熟悉的螺旋形，取而代之的是一个巨大的椭圆星系。那时的银河系不仅包含自己原有的恒星，也包含了所有仙女座星系的恒星。 
　　是什么样的力量能让拥有上亿个恒星的星系相互碰撞呢?这些力量又来自哪里? 
　　我们相信在宇宙中仍然有很多操纵着我们周围事物的隐秘力量，其中就有黑洞。黑洞巨大的质量，是影响周围天体的原因。黑洞在宇宙引力剧场里是主角，它表现活跃、花样繁多、手法独特。有人形容黑洞是“宇宙中的神秘恶魔”，因为它会吞噬一切靠近的东西。对于天文学家来说，黑洞中心是最难解的谜。黑洞强大的引力，封锁了所有信息，连光都无法逃逸。所以，我们也无法得知那里到底有什么。(图7)  

　　然而，我们怎么去研究它?又如何去寻找到一个看不见的点呢? 

　　用太空望远镜对准一个星系的中心，测量那些离中心非常近的恒星的运动，发现它们运动速度非常快。 
　　这些靠近星系中央的恒星在高速旋转，这不是恒星的正常状态，因为大多数恒星都以相对较慢的速度运动。这肯定是因为有质量超大且体积超小的东西存在，只能有一个理由来解释这种现象——那里有个黑洞。 
　　长久以来，天文学家一直怀疑一些大星系，比如我们的银河系的中心有一个特大质量的黑洞正在吞噬恒星、星云和周边路过的物质。银河系中心存在着如此密集的恒星，地面望远镜只能看见由成百上千颗恒星挤成一堆的斑驳的星光。而哈勃望远镜高分辨度的图像让我们看到每一颗独立的恒星，以及它们围绕银河系中心的运动。这些恒星的移动速度远远超过正常值，似乎有一个小型的、看不见的强大引力牵引着它们。根据哈勃望远镜观测到的现象，天文学家得出结论：一个黑洞潜伏在银河系中心。 
　　最早，黑洞是从爱因斯坦的广义相对论推测出来的。现在，借助于空间望远镜，我们终于能看见它了。科学家一直在搜集黑洞的所有信息，希望更多地了解它，现在黑洞的真实面目已越来越清晰了。 
　　天文学家认为黑洞是单一体，是太空中的单点，无体积、不扩展，但密度无穷大。巨大恒星死亡塌缩后的“尸体”质量太大，以至于自然界中没有任何力量能阻止它将自己压缩成无穷小的体积。虽然物质表面上是消失了，但它仍然有巨大的引力，恒星和其他靠近它的天体都会被吸进去。 
　　黑洞的吸积盘就像恶魔张开的大嘴，一旦有东西，比如一颗恒星被拖进这个点，我们就再也见不到它了。这颗倒霉的恒星会沿着一条螺旋轨道运动，当它运动到接近黑洞的位置时，离黑洞最近的物质会比恒星的其他部分受到更大的吸引力，黑洞吸吮拉伸恒星，直到将它撕成碎片吞噬掉。(图8) 

 

 

　　黑洞诸多特点中，最令人迷惑的是它巨大的引力可以扭曲时空，改变或放慢时间的进程。尽管任何有质量的物体，都会使时空发生细微的变形，但黑洞对时空的影响就大多了。根据爱因斯坦的广义相对论，一个勇敢的旅行者造访黑洞，他将穿越“视界”，这个“视界”指的是光线不能超出的一定范围，在其以外，什么都看不见了。如果他穿越“视界”，最后没被黑洞吞噬，当他返回时，会发现自己比同龄人年轻。那么，他是否是穿越了广义相对论所假设的另一种奇怪的天体——虫洞了呢?(图9) 

　　虫洞，类似于在苹果上有一个虫子钻了一个洞，我们看到从表面上的某个地方通过一个小洞联系到另一个地方。现在认为，一个虫洞基本上是一条穿越时空从宇宙的一点到另一点的“捷径”。如果虫洞真的存在，也许有一天它们会使星际旅行比常规的光速旅行更快捷。 
　　黑洞中存在时空的秘密通道吗?现在还无法得知。根据哈勃太空望远镜提供的证据发现，几乎所有的星系中心都有黑洞。1997年1月13日，哈勃望远镜在对27个星系进行详细考查后宣布，在星系中心，超大质量黑洞是普遍存在的。 
　　银河系中央的黑洞，也许比那些大恒星形成的黑洞要大上百万倍。天文学家估计银河系的黑洞可能是在早期星系运动中形成的，是许多恒星的黑洞合并的结果。 
　　当两个星系碰撞时，它们各自中心的黑洞会上演一场精心编排的舞蹈，在星系合二为一后的很长一段时间里，在它们的黑洞最终合并成一个质量极大的黑洞之前，这两个星系仍然会继续相互围绕旋转数万年。 
　　这最后过程的力量太大了，以至于改变了我们能够观测到的时空结构。不管是在地面上用全新的引力波望远镜，还是在太空船上，都看不到。然而，同需要数百万年之久的星系合并相比，最后核心合并的惨烈过程相对简短。所以，能看到这个过程的几率很小。 
　　在这个引力剧场中，星系的碰撞，类星体的光芒，伽马射线爆炸，都与黑洞有密切联系，它是这些节目的导演(图10) 
　　“黑洞”是物理学家和天文学家早就在设想的一种可能存在的天体，然而它是否真的存在呢?20世纪90年代中期，大家开始认为这个天体很可能是存在的。而且有一类天体叫类星体，是通过别的手段发现的，大家猜想它是否就是“黑洞”呢? 
　　最初，类星体被认为就是一些普通的恒星，因为看上去它们就是一些很亮的扁圆。后来，人们偶然发现，这些天体离我们如此遥远而又那么明亮，说明它们的能量极其巨大，在以非常高的能量发光。这些奇异的天体究竟是什么呢? 
　　恒星运动到离黑洞很近时会被撕裂，好比水从一个巨大的水槽漏下去。螺旋状气体形成了一个很厚的盘。恒星在向黑洞自由降落过程中温度升到极高，气体向上方空间爆发能量。这种类星体现象在宇宙的星系里可以找到不少，许多都在猛烈地发生着。 
　　当物质往黑洞里落时，会产生两类现象：一是它的能量会转变成辐射；另一类是它会把很多物质抛出来。 
　　这种把能量转换成辐射的现象表现为类星体；把落入的物质抛出来的现象，表现为伽马爆。这是黑洞两类主要的表现形式。(图11) 

 

 

　　最初发现这些爆发的美国科学家并不理解这种现象，因此作为军事秘密没有发表；有段时间，他们甚至怀疑是不是太空武器，是不是有太空战，在向地球不断地发出像伽马射线枪那样的辐射。 
　　这些伽马射线高能爆发，每天至少能从天空中任意方向探测到一次。虽然伽马射线爆只持续几秒钟，但它释放的辐射量足以同银河系几百年释放的辐射量抗衡。人类肉眼看不见的伽马射线，只有通过特殊的仪器才能探测到。30多年来，没人知道到底是什么引起了射线爆。伽马射线就像掠过地球的子弹，可我们却看不见发射它们的枪。 
　　多年来，哈勃望远镜同世界上几乎所有的望远镜都在寻找那些“还在冒烟的枪”，各种望远镜观测天空中爆发出伽马射线的位置，但一无所获。直到1999年，哈勃望远镜有了重要发现，基本上证实了这些恐怖的射线爆发生在很遥远的星系。可能是由大质量恒星塌缩引起的；或是由两个密度极大的天体猛烈相撞造成的，比如两个黑洞，或是一个黑洞与一个中子星。 

　　伽马射线爆虽然恐怖，但从天文学讲，它可以帮助我们研究宇宙的演化。由于最远的伽马射线所发生的地方，是处于宇宙从黑暗时期到光明时期的过程中，因此可以利用它研究宇宙是如何突破黑暗时期的。 
　　但在宇宙中到处放枪的伽马爆是危险的“恐怖分子”，我们必须小心它，时刻关注它。如果伽马射线爆直接冲着地球而来，它强烈的辐射会使地球大气层的化学成份发生改变。比如，如果臭氧层被改变，将使地球暴露在太阳紫外线中，威胁地球上的生命。 
　　今天，在地球周围运行的伽马射线天文卫星，平均每天看到一个左右的伽马射线爆，表明在宇宙中几乎每时每刻都在产生伽马射线爆的爆发。如果它离我们很近，就能摧毁地球。幸运的是，到目前为止，还没有离我们特别近的伽马射线爆。 
　　任何剧场的演出不可能内容和风格一直没有变化。在引力主导的宇宙剧场中，既有星系舞蹈的文戏，也有类星体和伽马射线爆发的武戏，还有抽象的怪诞戏。它通过幻象反映真实，让我们看到宇宙更深遂的地方。有可能是黑洞引力产生了它，所以它的样子有点怪诞，名字叫作“引力透镜。”(图12) 
　　黑洞是宇宙中最奇异的天体，会以惊人的方式影响周围物体，它的引力场甚至能使光偏转。实际上，靠近黑洞的光线不会继续沿直线传播，而是改为新的路径传播。这样形成一个天然望远镜，使我们比想象中看得还要远。 
　　正如在沙漠里迷路的人会看到海市蜃楼，那是由于遥远物体的光，被沙子上悬浮的热空气弯曲了。宇宙中也能看到海市蜃楼，用现代望远镜，比如哈勃望远镜观测到的“海市蜃楼”，不是由热空气引起的，而是来自遥远的星系群。 
　　很久以前，一些人认为地球是平的，这是因为在日常生活中我们看不到整个地球；实际上，宇宙空间是弯曲的，即使我们在星光灿烂的夜晚也看不到这个现象。 
　　但正是弯曲的空间，造成了可供我们观测的这种现象。爱因斯坦的预言之一即是引力可以扭曲时空，进而使光线偏折：好比池塘中的涟漪使池底的沙子看起来像扭曲的蜂窝；遥远星系的光线在射向地球时，被巨大星系群的引力场扭曲放大了，就像透过一枚巨大的放大镜看东西，这个现象就叫引力透镜。 
　　引力透镜现象是由于有质量的物体，对光线的路径发生了改变。所以，我们看见的背景物体，它的形状和大小都发生了变化；此外，它跟引力透镜本身的强度直接相关，就像放大镜一样，放大倍数大，看到后面的背景物体也大。 
　　当光线遭遇质量很大的天体时，会根据“透镜体”的性质，变成不同的古怪形式，也就是说这种背景天体会以几种外观出现。爱因斯坦认为，整幅图像会被挤压成一个光环；遥远星系的原本面目被克隆出多个幽灵般的复制品，或者被扭曲成香蕉状，就像光弧。 
　　虽然爱因斯坦在1915年就意识到太空中有这种现象，但他却认为在地球上是观测不到的。然而目前，遥远天体的引力图像，已被人类所掌握的最好的望远镜观测到了。(图13) 
　　哈勃望远镜是第一个能看到各种小光弧细节的望远镜，直接揭示了背景天体的内外结构。2003年，天文学家推导出哈勃照片上的一个神秘的小光弧，是我们所见过的宇宙中最大最亮最热的产星区。(图14) 

 

 

　　迄今为止，已经观测的引力透镜，主要是包括数十万星系的星系群，那是宇宙中最大的引力组合结构。 
　　在哈勃望远镜拍回的清晰照片上，凭借肉眼就能将同一背景星系的不同光弧联系在一起。由此，天文学家借助引力透镜现象，可以研究更古老的宇宙中透出的一鳞半爪。2004年，利用太空中引力透镜的放大作用，哈勃望远镜观测到了已知宇宙范围内最遥远的星系。 
　　宇宙的大舞台上，你方唱罢我登场，星系的碰撞、黑洞、引力透镜……关于宇宙还有无数谜题在等待解答，比如，时间有尽头吗?在宇宙最初的洪荒中到底发生了什么?好奇心牵引着人们，要到最古老的宇宙去看一看。