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从地球旅行到宇宙边缘

2015-11-07

从地球旅行到宇宙边缘

本文转自《大自然探索》201412期,图片可能有错位,新人转帖,请原谅,太喜欢天文了。



宇宙的尽头距离我们有多远?地球外存在生命吗?有外星人吗?恒星诞生或死亡的现场是怎样的?如果就近观看碰撞的星系或类星体,其景象是怎样的?宇宙尽头又是怎样的?宇宙还有很多未解之谜,但现代观测手段正在逐渐揭示关于宇宙的种种新知识。现在,就让我们借助这些知识,从地球出发旅行到宇宙边缘。

宇宙的尽头距离我们有多远?现有资料表明,宇宙有137亿光年的宽度。那么,在无垠的宇宙中,除了地球外还有什么地方存在生命吗?恒星诞生或死亡的现场是怎样的?如果就近观看碰撞的星系或类星体,其景象是怎样的?宇宙尽头又是怎样的?的确,宇宙还有很多未解之谜,但现在人类通过哈勃望远镜、天文卫星和地面巨型望远镜的观测等手段,不仅捕捉到了过去不能详细观测的天体的清晰图像,还查明了一些动态现象的细节等等,从而逐渐揭示出关于宇宙的新知识。现在,就让我们借助这些知识,从地球出发,一直旅行到宇宙边界。


观光太阳系

太阳系位于银河系猎户星座旋臂中距离银心(银河系中心)约28000光年的地方。现在,我们就从太阳系的第3颗行星——地球飞出,经过月球基地,潜入木星的卫星欧罗巴(木卫二)的地下海洋中去观察。欧罗巴被厚厚的冰覆盖,科学家推测冰层下面有液态海洋,其中可能有生命存在。接下来,我们会离开太阳系的黄道面,来到环绕太阳系的奥尔特云,这“一朵云”由众多小天体集合而成,它们就像蚕茧似地包裹着太阳系。那么,这一路上会有哪些奇景等待我们去观赏呢?


从月球基地出发

我们的旅程从月面基地开始。月球距离地球38万千米。月面基地建在月球赤道附近,它是人类前往宇宙更深处的重要中转站,其作用就好比登山运动中的大本营。月面基地被埋在沙土地下,这是为了遮蔽来自太阳等天体的强烈射线和热辐射。在月球赤道附近,白天温度上升到120℃,夜间温度却跌落到-170℃,温差近300℃。但如果挖到月面下几十厘米,那么温度不分昼夜,都保持在-20℃的恒定值。

月面基地的能源主要依赖原子能。白天也能利用太阳光的光能发电,但为了度过长夜,还需要大型蓄电设备。在未来建设月面基地时,这是必须解决的一个问题。除了能源外,为了维护月面基地,还有许多必须解决的问题,例如运送必要物资的成本。从地球运输物资到月球的成本中,大部分都将消耗在脱离地球大气层所需的能源方面。为了节约成本,就只能运输液体氢之类的高效燃料、在地球上组装起来太费工夫的机械,以及在宇宙中难以找到的物质。

作为火箭氧化剂使用的氧,在月面土壤(月壤)中大量存在,月壤中还含有铁、硅、铝等的氧化物。所以,从还原月壤入手,这些元素可直接由月壤提供。一旦站在月面辽阔的沙原上,就很好理解满布水与绿洲的生命世界——地球是多么美好。而在回望地球的同时,我们又开始了探索宇宙奥秘的新旅程。


潜入欧罗巴海洋

从地球生命来看,生命的存在需要三个基本条件,或称三要素。首先,所有生命都由有机分子构成,生命的基本元素是碳,也包括氮、氢、氧等。虽然有机分子本身并不是生命,但它们是所有生物的基础建材。其次,生命需要液体,例如水。在水中,基本有机分子能够混合、交互作用,变得更复杂。第三,有能量源(比如太阳)为驱动一切生命(不管是最小的微生物还是最复杂的人)的化学反应提供动力。

科学家此前一直相信,在太阳系中,生命三要素只有在与太阳距离合适的行星上才能找到。距离太近,行星表面温度就会很高;距离比火星还远,行星表面就会过于寒冷。但是对太阳系外围的探测结果,却对这种认识提出了挑战。这就是为什么我们把旅行地点选在欧罗巴的理由所在——这里有可能存在生命。

欧罗巴坐落在距离太阳约7.78亿千米的位置,其直径为3100千米。欧罗巴表面覆盖了几千米到几百千米厚的冰层,但科学家推测,由于欧罗巴受木星引力影响,前者内部可能有液态海洋。1995年12月,美国宇航局发射的“伽利略号”探测器探索了欧罗巴,发现其表面参差不齐地多了一些巨大的冰原。看来它们不断融化、断裂,再冻结。这种行为很像是地球上的海冰。欧罗巴磁场数据暗示,在欧罗巴冰壳下最浅为数千米的深度,可能存在深达100千米的海洋,其水量是地球各大洋海水总量的两倍。显然,冰封的欧罗巴海洋里不可能有来自太阳的能源,那么一定有什么东西从欧罗巴内部加热了这颗卫星。

科学家设想,在欧罗巴的冰壳上钻探一个深孔,让机器人潜入下面的海洋,也许就可以发现,就像地球海底的热液喷泉那样,欧罗巴海底也有沸腾的热水喷出。或许,那里有依赖热水中化学能量存活的生命。科学家认为,欧罗巴生命的能量源是氢或甲烷、硫化氢等的还原物质。通过氧化这些物质,即使没有太阳能也能维持生命。另外,到达欧罗巴的阳光只相当于地球接收阳光数量的4%。但就算这样,如果是在薄薄的冰层下面,或在欧罗巴表面附近,仍可能存在进行光合作用的生命。

生命果真存在于地球以外吗?科学家在地球上寻找解开这个疑问的线索。现在已经知道,在漆黑的洞穴底部或深海的热液喷口,生活着无数不依赖阳光的生物。科学家推测,如果欧罗巴海洋中存在最简单的生命,那么可能是由甲烷与二氧化碳构成的产物。氧化甲烷可得到二氧化碳,还原二氧化碳则得到甲烷。这种氧化与还原的循环可维持生命。如果来自行星或卫星内部的还原剂(氢、甲烷、硫化氢等)出现沸腾,则有可能完成氧化与还原的循环。再加上能生成有机物的环境(如热液喷泉),那么生命就有充分的可能在地球外的环境中存在。

在太阳系内除了欧罗巴之外,土星的卫星恩克拉多斯(土卫二)也受到科学家的特别关注。探测器在恩克拉多斯上发现了新的能量来源和可能存在液态海洋的迹象,这意味着仅在太阳系内就可能有多个生命立足之地。

一些科学家还相信,彗星是“生命的使者”。正是彗星与地球相撞,将自己携带的有机分子洒落到地球上,才让地球诞生了生命。为了验证这个假想,1999年美国发射了“星尘号”探测器,目的是与以每小时近96000千米速度在太空中飞奔的“维尔特2号”彗星会晤,然后穿越彗星冰和尘埃,最终把其中一些样本带回地球。幸运的是, “星尘号”不负使命,于2006年1月将彗星物质样本带回了地球。经过三年分析后,科学家确认彗星尘埃中含有微量甘氨酸,这种有机分子是生命不可或缺的成分。



上述发现意味着,彗星有可能是地球生命必需的有机材料的一个来源。那么,是什么使得彗星从太阳系外围的遥远之地一路飞来撞击地球,从而把有机化合物带给地球?有关线索还得到奥尔特云去寻找。



从奥尔特云俯瞰太阳系

从木星与太阳系的轨道面垂直上升,我们从奥尔特云俯瞰太阳系。奥尔特云在距太阳约1万亿~10万亿千米处,像眉毛一般稀疏地包裹着太阳系。奥尔特云主要包含由冰构成的小天体。这里完全远离太阳。

在冥王星从行星降格为矮行星后,比海王星轨道更远的地带已不存在太阳系的大行星,但包括矮行星在内的小行星倒是不少。与太阳系主要行星几乎排列在同一平面的是柯伊伯带,在其外侧就是围成球形的奥尔特云。奥尔特云位于太阳与冥王星之间距离的大约1000倍远的远方,科学家相信那里潜藏着5万亿~6万亿颗彗星。从这里,偶尔有数千年长周期的彗星造访太阳近旁。

奥尔特云是怎样起源的?在木星与土星之间的区域内,一些小天体(微行星)撞在行星上之后被弹射出去,其中大部分逃向恒星际空间,但也有一部分被太阳引力紧紧俘获,并且停留了数亿年。偶尔通过附近的巨大分子云或恒星等的引力作用,或太阳在银盘作上下运动引起的潮汐作用等,使这些小天体弥漫成大的球壳状,从而形成奥尔特云。与此同时,奥尔特云中的彗星偶尔会飞到太阳附近,有的则逃向星际空间。另有一些科学家认为,受到来自外部的引力作用时,许多彗星落入太阳系内部,引起所谓“彗星雨”现象,每数千万年发生一次。


从太阳系到银河系

告别了太阳系,我们向着仙女座行星系飞去。这是距离太阳系最近的行星系。在离太阳约45光年的地方,我们会看到巨大的气态行星在近距离处环绕恒星。同时,通过地球上的昴星望远镜,望向位于太阳系外2000光年的S106恒星形成区域,我们清晰地捕捉到恒星诞生的情景。接下来,在靠近距太阳系9000光年的仙后星座A的地方,我们会看到恒星死亡场面。事实上,银河到处都上演着恒星的生死大戏。


接近太阳系外的行星系

我们来到了仙女座行星系附近。仙女星的直径是太阳的大约1.3倍,它率领3颗木星型气态行星。科学家相信,这些行星的形成过程与太阳系行星的几乎相同:星际分子云收缩,构成恒星与原始行星系圆盘;从原始行星系圆盘的尘埃中诞生出许多微行星,开始在刚诞生的恒星周围旋转;不久,微行星碰撞、合并,形成像地球这样的岩石行星,或者,岩石行星落入原始行星系圆盘的气体中,形成木星型行星;最后,圆盘气体消失,完成恒星-行星系。

由于最初的原始行星系圆盘的质量不同,形成的行星系统也不一样。如果圆盘轻,则构成大多数为地球(岩石)型行星的行星系统;如果圆盘质量中等,则构成的行星中木星型气态行星占多数。在重质量圆盘诞生的行星系统中,气态行星与恒星之间的距离很近。

科学家相信,仙女座行星系诞生自很大质量的圆盘。其最内侧轨道上那颗行星的质量至少是木星的0.7倍,它在距离仙女星直径8倍的地方旋转,大约每5天绕恒星转一圈。中间轨道上的行星大约是木星质量的2倍以上,而在最外侧轨道上的行星大约是木星质量的5倍以上。

目前,科学家对什么样的恒星才拥有行星还不清楚。但他们推测,至少那些与太阳相似的恒星可能拥有行星。银河系估计有2000亿~4000亿颗恒星,其中如果存在像地球这样支持生命的行星就并不奇怪。乐观的估计是,银河系中有生命存在的行星数量最多可达1%。


目击恒星诞生

在距离距太阳2000光年的地方,科学家称之为S106的恒星形成区域的中央呈现在我们面前。这里有称之为IRS4的巨大恒星。IRS4的质量大约是太阳的20倍,但它还只是出生才10万年的婴儿星。昴星红外望远镜观测到了迄今为止最清晰的恒星诞生情形。

恒星的诞生犹如刚出生婴儿那样闹哄哄。宇宙空间中,“分子云”(气体与尘埃集中地带)密度比周围高,其附近因气体自身的重力而开始急剧收缩。这时,从位于分子云中央、刚诞生的超高温恒星,或从分子云巨大圆盘的内侧部分,以伴随收缩的引力能为基础,在旋转轴方向的两侧喷出猛烈的射流或双极分子流。不久,如果再无物质落入刚诞生的原始恒星,则原始恒星逐渐恢复平静,引起由氢制造氦的聚变反应,成长为真正的恒星,开始发光。IRS4的射流喷发已经结束,但在圆盘两侧,就仿佛是充满IRS4的射流造成了空洞似的,氢气云一边画出像是涟漪的复杂结构,一边释放蓝白色的光芒。

在IRS4的更外侧,望远镜发现了其他许多刚出生的恒星。和太阳质量相仿的恒星会发光,但比太阳质量哪怕只小0.075倍的恒星就会由于太小而无法继续发光,科学家把这样的恒星称为褐矮星或暗星。在IRS4的周围已经发现恒星、褐矮星以及比褐矮星更小、只有木星质量几倍的恒星等总共达数百颗。其中质量仅为木星几倍的恒星,如果单从质量而言,称之行星也可,但它们与太阳系行星不同,飘荡在没有恒星可环绕的宇宙空间中,科学家称之为“微小的飘移天体”。总之,S106区域是一个集中体现了各色恒星诞生情景的场所。


恒星壮烈之死

看了恒星诞生,我们接着又来看恒星的壮烈死亡。在我们眼前,发生超新星爆发后,紧接着刮起“暴风”。这是大约320年前由仙后座A的恒星引起的超新星爆发,距太阳约9000光年。在迎来死亡之前,仙后座A的质量大约是太阳质量的25倍。在靠近仙后座A中心的地方,冲击波的温度达到5000万K,速度达到每秒5000千米。超新星爆发后,留下了密度很高的中子星。

从分子云诞生的恒星通过氢制造氦的核聚变不断发光,不过,一旦其核心的氢耗尽,恒星很快就会迎来死亡。恒星临终情况依据其质量大小而不同。越大的恒星越亮,燃烧造成的消耗也越快,所以寿命也短。

太阳质量8倍以上的恒星临终变为红超巨星,发生像仙后座A那样的超新星爆发。太阳质量8~30倍左右的恒星寿命为5000万年到800万年左右,超新星爆发后留下密度很高的中子星。对于太阳质量30倍以上、非常重的恒星来说,其寿命更短,在800万年以。超新星爆发后变成黑洞。



与太阳同质量的恒星是比较小的恒星,但寿命长达100亿年,几乎一生的时间都在稳定地发光。它们临终时变为红巨星,从恒星冒出的气体形成行星状星云,留在星云中心的是高温的白矮星,进一步冷却后以黑矮星的身份终其一生。

仙后座A的超新星残骸在其后100万年左右继续飘移在宇宙空间。超新星爆发时散发的气体作为超新星残骸弥漫在星际空间,伴随其冲撞,又构成作为新恒星原材料的星际分子云。就这样,宇宙到处都有恒星诞生,又有恒星死亡,如此不断轮回。


从银河系到宇宙边际

接下来,我们展开从银河系到目的地——昴宿星团深空的旅程。昴宿星位于后发座方向,由于没有东西遮挡银河系天体的光芒,因此这里是适于观测距地球100亿光年以上距离的天体的区域。而如果从地球观察,只能看到月球直径的1/15的小区域。

如果从昴宿星团深空方向部分切下大扇形的立体,就可获得宇宙的大规模结构。在靠近银河系这边,星系各处既有斑块聚在一起(星系团),也有什么都没有的部分(真空),从而形成泡状结构。在宇宙中越远离银河系的地方,构成的结构越均质。

离开银河系,我们首先看到的是最靠近银河的仙女座星系。根据最新观测,从仙女座星系中央眺望整个星系,会看到恒星爆发地诞生的星爆星系M82。昴星望远镜近距离观测到了构成星系团的部分星系的大规模结构。在宇宙中,到处都有星系碰撞。最新观测发现了一些明显遭遇过碰撞的星系。但愿我们此行也能遇上星系碰撞。

之后,我们就接近了宇宙中最亮的、谜一般的天体——“类星体”的中心。在这里,我们会看到最难以置信的景观。从地球上能观测到的最远的宇宙,即距离我们100多亿光年远的昂星团深空,再加上其间上演的星系生死,我们就看见了银河系诞生前不久(大爆炸后数亿年)的宇宙模样,它与我们身边银河系的模样截然不同。

银河系的孪生兄弟

现在,我们终于离开了银河系,来到了230万光年外的仙女座星系。仙女座星系最早引起关注是在20世纪20年代。包含太阳系在内的银河系,是否已构成整个宇宙?还是银河系外天外有天?当时的科学界对此产生了争论。争论的焦点之一是,仙女座星云是否与银河系是同样的星系。所谓星云,是指隐约可见的广阔天体。而星系是指在银河系外的大约1000亿个恒星集团。

在展现仙女座星云外延部分的照片中,美国天文学家埃德温·哈勃发现了造父变星。它有1~50天左右的短周期,前后改变1等级亮度。造父变星的固有亮度与变光周期之间有特定关系。哈勃利用这个性质,从变光周期推断造父变星原来的亮度(绝对光度),再与被观测到的表观亮度比较,得到它与仙女座星云的距离,结果是:仙女座星云是银河系外的天体,具有与银河系同样的规模。这样,仙女座星云开始被称为仙女座星系,而且知道了银河系不过是宇宙中无数个星系当中的一个而已。

星系有若干种类:从圆盘状星际气体中诞生众多新星的旋涡星系或棒旋星系,没有星际气体、也不诞生新星的椭圆星系,以及被其他星系引力造成形状扭曲的不规则星系等。仙女座星系与银河系一样是旋涡星系,两者的外表犹如孪生兄弟,但也有不同之处。

构成银河系的恒星数量至少约为2000亿个(正确地说,质量相当于2000亿个太阳),而仙女座星系的恒星数量也是2000亿个左右。两者从上往下看均是圆盘状,从横向看则都构成凸透镜形状。银河由银晕、银盘、球状凸核和银心构成。

银晕是银盘的外侧区域。因为银晕是暗的,所以过去认为其质量相比银河系来说很小,实则不然——银晕大部分由暗物质构成。暗物质的本质尚不清楚,但科学家相信它一定很重。科学家通过引力透镜效应,检测出银晕中存在数千亿个被称为“超致密光晕体”的小质量天体,此外还有数百个球状星团。

银盘由恒星与星际气体构成。银盘上有旋涡结构,其臂被称作旋臂。恒星所含重金属元素比例高,年龄不足100亿年。星际气体在高密度区域到处存在,尤其集中在旋臂部分。仙女座星系的臂与其说是旋涡状不如说是环状,与具有明显旋臂的银河系不同,前者构成涡状结构。

球状凸核(简称球核)是银河系中心的黄色球状区域,由100亿年前银河系形成时诞生的老年恒星组成。球核质量由暗物质与老年恒星共同构成。仙女座星系的球核比银河系的还大,经确认,前者是与仙女座星系的银盘垂直相交的电离气体。

仙女座星系最具特色的是它的银心。银河系的银心是密集分布的恒星或气体,中心核则有巨大黑洞。据观测,银河系的银心有超新星爆发痕迹或射流等壮烈活动情景。但仙女座星系的中心几乎没有气体,而且被观测到有相距约5光年的两个核。

为什么仙女座银心结构如此奇特?天文学家推测,距今几十亿年前,仙女座星系的周围存在大量伴星系,其中质量大的伴星系受到仙女座星系的星晕引力摩擦,逐渐被拽到跟前,而在几亿年前终于被仙女座星系的银心吸引过来,坠落并且合并。

目前,最靠近仙女座的NGC205与M32这两个小椭圆星系作为伴星系跟随仙女座,它们在与仙女座星系的相互作用下被剥离掉气体圆盘。尤其是M32,它原来是涡状星系,但是通过引力相互作用或气体压力被剥夺圆盘,只剩下球核部分。这些伴星系最终逃不掉被仙女座星系吞并的命运。

星系碰撞现象在星系形成中并不罕见,但是银心成双的星系除仙女座星系外尚无发现。

仙女座星系最终归宿

仙女座星系与银河系都属于大型涡旋星系,也是被相互引力连在一起的双重星系,圆盘周围都被具有巨大质量的暗晕包围。这两个巨大星系的周围由M33等不同大小的共30多个星系构成群,形成直径300万光年的本星系群。

在本星系群中,仙女座星系和银河系的规模比其他星系大得多。所以,周边的小星系早晚会被这两个巨大星系吞并。环绕银河系运行的的大、小麦哲伦云等的伴星系,被拽到银河系身边,很快就被银河系冲撞、合并。同样,仙女座星系也统领NGC205和M32这两个小椭圆星系,通过引力将它们拽到身边,反复碰撞、合并。



在遥远的将来,仙女座星系与银河系也会发生碰撞、合并。美国哈佛大学天文学家用计算机模拟出了太阳在两大星系碰撞中的最终命运。实际上,仙女座星系以每秒275千米的速度接近银河系,在20亿年后这两个星系的第一次亲密交会过程中,太阳系有12%的可能性会被从现在的位置抛出,并且进入被仙女座星系潮汐力所拉出的物质流中。在第二次交会过后,太阳进入潮汐物质流的可能性上升到30%,还有2.7%的可能性会被仙女座星系俘获。

假定仙女座星系正面向银河系,那么它30亿年后有可能与银河系冲撞,这样将会结束120亿年来两个星系的的共舞,两者会合并成一个椭圆星系。

接近M82星系中心

现在我们来到距太阳1200万光年、被称为M82的星系中心附近。根据其形状,科学家称之为“不规则星系”。M82发射亮度大约为一般星系100倍的强光,即使在强发光星系中也算特别明亮。那么,M82为何会如此明亮?其原因在于所谓“星爆”现象。科学家发现,星爆过程会释放大量宇宙射线。

这些高速宇宙射线是什么呢?科学家推测它是星爆过程中产生的强烈的“宇宙飓风”。虽然观测资料显示这种“宇宙飓风”是一片明亮的光线,但实际上它并非是一个完整的整体,而是至少由几种不同速度的高能量气流组成,并且这些气流汇集在一起形成宇宙射线。这就是我们能看到星爆过程中大量炽热气体被释放出来的原因。

那么,组成“飓风”的高能量气流又从何而来?科学家认为,M82星系中心附近是星爆区域,那里总共有约1000万颗以上的恒星正在诞生。当星爆发生时,大量刚出生的恒星接连不断发生超新星爆发,如烟囱一般喷射出一股股高能量气流,最终形成“宇宙飓风”。

“宇宙飓风”的形成也标志着恒星生命的结束,例如M82中的许多恒星之所以喷出高能量气流,是因为发生了大规模超新星爆发,恒星在爆发中快速了结自己的生命。因此,科学家推测,“宇宙飓风”中可能含有大量重化学元素,这些元素在早期宇宙中几乎不存在。而从这些重元素中诞生出行星,最终可能导致生命的诞生。

也有科学家认为,M82的星爆现象表明超新星爆发掀起的“飓风”能扩大到周围,形成厚厚的分子云,在分子云中诞生大量的新恒星。在“宇宙飓风”作用下,星系中的炽热分子云被拉长,长度可达数万光年。同时,炽热气体也推动宇宙射线以极高速度向外释放,形成更大的“飓风”。“宇宙飓风”究竟是生命终结的象征,还是生命开始的预示?这至今成谜。

那么,M82为何会引起如此激烈的星爆呢?其原因要追溯到大约2亿年前。那时,紧挨着M82的旁边是一个约为M82直径两倍的巨大星系M81。它们相互经过时,由于M81的强大引力搅乱了M82内部的气体,于是分子云之间的碰撞构成了星爆区域。

最近,天文学家发现星爆星系M82中正在形成球状星团。这一发现很有意义,因为在银河系里球状星团是最老的天体,并且我们不知道它们是如何形成的。M82给我们提供了一个观察球状星团形成过程的机会。银河系球状星团的年龄为120亿~150亿年,而M82里的星团年龄仅有1000万年。

M82的星团MCG-9和MCG-11的直径大约为10光年,它们的核心都含有数百万颗恒星,是星团核心的恒星密度中最高的。与银河系球状星团不同,M82星团中高温大恒星非常多。科学家推测,M82的这些球状星团可能是一亿年前它与近邻星系M81的引力发生相互作用形成的。


眺望星系大规模结构

我们终于来到了距太阳50亿光年的地方,恰好遇到眼前的若干个星系团。星系团是指由超过10个星系组成、直径约为1000万光年的区域。

随着20世纪80年代天文观测的进步,科学家证实了星系有成团的倾向,如银河系和仙女座星系等30多个星系组成本星系群。一般的星系集团叫星系团。星系群和星系团又结合成超星系团。例如,本星系群属于以室女座星系团为中心的本超星系团。一个超星系团的宽度约为1亿到2亿光年。超星系团仍然不是最大的群体。在距银河系约2亿光年的地方有一个巨大的重力源,它牵引着本超星系团。这个大牵引者可能是由许多超星系团组成的超星系团复合体,或者叫做“墙”。这就是所谓的“宇宙大规模结构”。

科学家创制的三维空间图像表明,宇宙建立在许多巨大空间的四周。这些空间看起来就像是无比巨大的“肥皂泡”,而大大小小的星系就依附在这些“泡沫”上。有的“肥皂泡”相当大,直径达1.5亿光年。

科学家最近又发现了横跨天穹的一大片狭长星系,它长约5亿光年,宽约2亿光年,厚约1500光年,是迄今为止发现的宇宙最大规模结构,被命名为“长城”。这道肉眼看不见、呈曲线的“长城”距离地球大约2亿~3亿光年。这样的宇宙大规模结构是宇宙诞生以来通过引力逐渐形成的,即使现在的宇宙仍在继续进化。如果能眺望这样形成的超超巨大星系,就不能不再度感叹宇宙的宏大。


接近类星体中心

我们来到了距离太阳54亿光年的类星体3C345的中心附近。现在我们所在的地方距类星体中心约300光年。我们会看到类星体正中是通向巨大黑洞的入口,那里冒出的高速射流形成围绕四周的环状分子云。类星体的原形是猛烈活动的星系核,在那里,炽热气体在跌入巨大黑洞的过程中发出强烈射线,把分子云照射得闪烁发光,使远在数十甚至上百亿光年外的地球人也能看到。

类星体是宇宙中释放最大能量的天体。科学家推测,类星体的原形是位于非常遥远的星系中心、贪婪地吞噬物质和能量却不发光的超大质量黑洞。从地球上看去,类星体的外表就像恒星,但类星体射出的光芒比普通星系远得多也亮得多。实际上,类星体的主要发光区域很窄,宽度估计在0.01光年以下。如此窄的区域却能发射极大能量的光与射流。而类星体强烈发光并不是因为黑洞发光(黑洞光吃不吐,根本就不发出光线)。但在大量物质坠入黑洞之际,黑洞周围形成吸积盘。这个圆盘由于摩擦被加热,从而释放能量。未坠入黑洞的物质,则作为高能量的射流被喷出。射流速度很快,几乎接近光速(每秒30万千米),而恒星诞生时的射流速度大约不到每秒100千米。类星体3C345中心的黑洞半径估计约为3亿千米(约为从太阳与地球之间距离的2倍)。



类星体的能量源,就是把黑洞吸入物质的引力能转换后再释放。科学家指出,类星体的能量转换效率很高,被吸入物质的质量中有多达大约百分之几变为能量。如果按照太阳核聚变的能量产生效率——大约千分之二来考虑,这无疑是非常高效的。照此计算,类星体每年会吃掉一个太阳的质量,并继续释放巨大能量。

类星体被认为在宇宙初期有很多,但银河系周围没有这样的天体,那么银河系的类星体到哪里去了呢?科学家最近对早期宇宙里两个星系的相撞、合并过程进行了计算机模拟,为解释银河系类星体的消失提供了线索。

在模拟中,科学家发现了星系中央黑洞合并的破坏性效果。在大约1亿年的时间里,黑洞质量不断增长,将更多气体燃料吸引到自己身边,气体在向黑洞靠近时变得更热、更明亮。这样,合并后的星系核就变成了一个类星体。在类星体成长阶段,周围的炽热气体会突然爆发,产生一股强大的“宇宙飓风”,将绝大部分气体尘埃云从黑洞附近乃至整个星系里刮走,抛入深空。这一过程阻止黑洞继续生长,使星系停止制造恒星。当然,类星体也在华丽的火焰中消亡,它们的寿命与星系本身相比非常短暂。早期宇宙中有很多类星体,但大多数已经这样消失,所以被观察到的类星体很少,而且它们总是在极其遥远的地方,也就是离我们极其遥远的年代。

遭遇星系碰撞之地

我们来到了距太阳80亿光年的地方,靠近了被称为MS1054-03的星系团中发生碰撞的星系。首先看到碰撞中星系的球核。星系碰撞后,气体密度升高,许多恒星正在诞生。

来到距离地球80亿光年的地方,也就看见了80亿年前的情景。大爆炸之后大约5亿年的时候,刚诞生的星系比银河系或其周围的星系都小,质量只有后两者的千分之一左右。科学家推测,虽然这些星系如此小,但比起银河系周围来说,宇宙初期的星系密度高,引起很多碰撞。事实上,即使从地球上观测,也能捕捉到两个或更多个星系一度碰撞的迹象。

即便星系发生碰撞,两个相撞星系中的哪怕一对恒星也几乎不可能相撞。这一点也许难以理解。随着两个星系互相趋近,引力作用发生变化,星系也发生形变,其结果是包含几十亿颗恒星的旋臂从星系中被拽出来,而且这些恒星被送入完全不同的轨道。这种碰撞过程持续数亿年,最终结果取决于两个星系的大小以及它们的运动路径。如果小星系与大星系发生碰撞,小的通常会被吞噬,而大的则没有明显变化。要是两个星系的大小差不多,其中一个是椭圆星系,另一个是旋涡星系,那么,一旦它们发生正面碰撞,旋涡星系就会变成一种罕见的“环状星系”。而如果碰撞是偏心的,那么这两个星系就会被它们相互间的引力场完全撕碎,最终结果也许只是一个新的星系或者这两个星系都继续在各自的路径上运行,但它们改变后的形状与碰撞前的大不一样。


宇宙边际

我们终于来到距太阳100多亿光年的“昴宿星团深空”。这是一个离奇之地,在这里我们能看到宇宙刚诞生数亿年时的模样,并目睹眼前刚诞生的星系正在进行的碰撞。

刚诞生的星系是由氢、氦、锂等轻元素构成的气体团块,与我们此前看到的闪烁美丽光芒的星系很不一样。在气体团块中,一些恒星正在诞生。刚诞生的恒星经过1000万年又迎来死亡,所以我们也可看到超新星爆发场景。



刚诞生不久时(数亿年左右),宇宙中弥漫着几乎均质的气体。数亿岁时,宇宙中部分气体的密度产生差异,开始构成团块,这就是星系的雏形。这时的宇宙仅有目前的1/20~1/10左右的大小。

科学家推测,刚诞生的星系比现在更互相接近,总是在不断碰撞、融合。在反复碰撞、融合中,星系渐渐变大,构成旋涡状或椭圆形等形状的星系。星系刚诞生时,只有氢、氦、锂之类的轻元素。经过从这些元素中诞生的恒星的生死轮回,通过核聚变,接连不断地制造重元素。如果要对地球上各种物质(包括人类自身在内)寻根问源的话,它们都是在恒星诞生与死亡的过程中,由宇宙某处制造的“星屑”一点一点构成的。

另一方面,科学家在寻觅伽玛射线暴的起源时,发现宇宙边界不仅是星系诞生地,而且也是黑洞诞生地。

我们的旅行最终到达100亿光年以外的地方。正当感受到宇宙的雄伟时,我们的旅程也宣告结束。

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