第三节  恒星和星系


 

 

宇宙是物质的。宇宙间的物质以各种形态存在着:有的是聚集态,构成各类星体;有的成弥散态,构成星云,即云雾状天体;还有弥散于广漠的星际空间,极其稀薄,称星际物质,包括星际气体和星际尘埃。所有这些物质统称天体。宇宙间最重要的天体是恒星,太阳就是恒星的一个典型代表。恒星和星云都拥有极其巨大的质量。相比较而言,太阳系内的行星、卫星、彗星和流星体等,其质量是微不足道的。

大量的恒星和星云构成巨大的天体系统,叫做星系。它们是宇宙的基本构件。地球和整个太阳系所属的星系,叫银河系;银河系以外的无数星系,统称“河外”星系。

 

201 恒星

 

§ 201—1恒星及其自行

在无月的晴夜里,繁星满天,陈了屈指可数的几个行星外,它们都是恒星。人们花费了许多个世纪的时间,才了解到恒星就是一个个遥远的太阳。试想,要把白昼所看到的这个炽热、辉煌和光芒四射的太阳,同暗夜里的点点繁星等同起来,在那个时代,需要有多大的想像力!恒星都是由炽热气体组成的、能够自身发光的球形或类似球形的天体。它们之所以是炽热的和能够自行发光,是因为它们具有巨大的质量;正是由于恒星的质量巨大,它们在自引力作用下,形成球形或类似球形的天体。

恒星都极其遥远,因而都成为天空中的光点。直到150余年前,才有人测定它们的距离。离我们最近的那颗恒星是半人马座a(中名南门二),其距离是4.22光年。这个数字的含义是,倘若半人马座a发生一起突发事件,譬如一次大的爆发过程,那么,在那以后的4年多时间里,我们对此事件将一无所知,因为再没有其它途径能使信息比光还快传递到我们这里。当我们极目向太空远眺时,在时间上说,我们是在看过去。我们现在所看到的,都是恒星“过去”的形象。测定恒星的距离,知道它们在哪里?这就向知道恒星是什么迈进了一大步,能够由此知道它的许多情况。其中,有两个非常重要的性质几乎立即就可以获得,这就是该恒星的光度和垂直于我们视线方向的运动速度。

“恒”星的本意是“固定的星”,以区别于行星。所谓“固定”,并非指没有随天穹东升西落的周日运动,而是指它们在天球上的相对位置保持不变。例如,为人们所熟悉的北斗七星,尽管不停地“斗转星移”,却始终保持“斗”的形状不变。但是,恒星彼此间相对位置的不变性,只是近似的。事实上,恒星在空间不断地运动,而且,其速度可高达每秒数百千米,只是由于它们的距离太遥远,短期内不易被察觉而已!

恒星的空间速度,可以分成两个分量,即视向速度和切向速度。前者是沿观测者视线的分量(离观测者远去为正,向观测者接近为负);后者是同视向速度相垂直的分量,它表现为恒星在天球上的位移,并且被叫做自行(图2—1)。恒星自行的速度,一般都小于每年0.1″,迄今只发现有400余颗恒星的自行超过每年l″。其中,自行最快的恒星是蛇夫座的巴纳德星,它的切向速度为每年0.31″。由此可知,恒星其实也不“恒”。

2—l 恒星的空间速度及其两个分量:视向速度和切向速度(自行)。

2—2北斗七星的自行和北斗形状的变化

恒星的自行,没有统一的方向和速率。例如,北斗七星中的北斗一(天枢)和北斗七(摇光)的自行,与其它五颗星的自行大相径庭。多少年之后,北斗将变得面目全非(图2—2)。

§ 201— 2 恒星的发光和光谱

恒星能自行发光(指可见光),这是它的本质特征。恒星要产生可见光,其温度必然是很高的。为什么恒星能有很高的温度?这里有两方面的问题:一是质量大小问题,恒星有巨大的质量,因此,它有很高的中心温度,才能引起热核反应而释放大量能量;二是发展阶段问题,恒星并不是从来就发光的,也不会永远是发光的,只是在它生命史上的某个阶段才有发光现象,而且,在不同的演化阶段,会发出不同的光。

究竟要多大质量的天体才能发光?才算是恒星?根据对恒星质量的统计,大多数恒星的质量不小于太阳质量的10%,也不大于太阳质量的10倍。有些恒星的质量仅及太阳质量的百分之儿;也有些恒星的质量超过太阳质量的一百倍。如此看来,能自行发光的天体,其质量至少要达到太阳质量的百分之几到百分之十。

人们为了区别不同的光,让星光通过分光镜一类的光学仪器,使不同波长或者说不同颜色的光,按其波长顺序排列成一条光带——光谱。我们知道,每一种物质当它发光的时候,都有自己独特的标志,也就是各种元素发出一定颜色,或者说一定波长的光,这叫发射光谱。另一方面,它们也会吸收别的光源发射的光线,在连续光谱中出现暗色的吸收线,这叫吸收光谱。有趣的是,各种元素(在低压下的炽热气体)所吸收的光线,正是它们(在同样条件下)所能够发射的光线。

恒星的光谱有不同的类型。不同光谱型之间的主要差别在于星光颜色,而颜色实际上是恒星温度的反映。红色的星,表面温度最低,约为 3000k,黄色星约为 6 000K,太阳便属于这一类恒星;白色星约为10000—20000K,带蓝色的星温度最高,可达 30000—100000K。按物理学定律,温度越高,光谱最明亮(辐射强度最大)部分越接近蓝色一端。为此,人们只要在谱线中找出最明亮部分所对应的波长,便可推算出恒星的表面温度。

化学家们凭光谱中的发射线(亮线)证认各种元素,天文学家则凭光谱中的吸收线(暗线)和发射线,研究天体的物理性质和化学成分。来自恒星的光,首先要通过自身的大气层,所以,大多数恒星的光谱是带有吸收线的连续光谱。少数恒星的光谱还有一些发射线,或者只有发射线而没有吸收线。根据恒星光谱的研究,不同温度的恒星,其化学组成大同小异。对于大多数恒星来说,主要成分是氢,约占90%;其次是氦,约占10%。其它元素很少,不足1%。此外,通过光谱分析可以确定恒星的光度,比较它的视亮度,就能推知恒星的距离。星光成了传递天体的各种信息的远方使者,故被称为“有色的语言”。

§201— 3 多普勒效应

奥地利物理学家多普勒(1803—1853)从声波传播中发现,波的频率要因声源与观测者的相对运动而变化,并解释了这种现象,因而被叫做多普勒效应。

许多人都熟悉,火车的汽笛声在列车向你奔驰而来时,音调会变高;而当它掠过你离去时,声音马上就会低沉下来。音调高,表明声波的频率较高;音调低,声波频率较低。这并不意味着声源发生了什么变化,而是由于声源与观测者的相对运动所致。当声源对着观察者相向而来时,声音频率提高;当声源背离观察者而去时,声音频率降低。

多普勒效应是一切种类波所共有的现象,也适用于光波和电磁波。测定光的多普勒效应的最好办法,是观测它的谱线的变化:例如,大多数恒星的光谱里,在紫外光部分都有两条暗线,这是被钙气吸收所致。令人诧异的是,遥远星系光谱里的这两条暗线,却不是处在它们应处的位置上,而是稍稍移向低频端(即红端)。这种现象称为“红移”。星系距离愈远,谱线“红移”愈显著,甚至使这两条应处于紫外光部分的暗线,移到了红光一端。这种某频率谱线的位移现象,说明该天体正在与观测者作相对运动。可见光谱如果发生了红移(波的频率降低,波长变长),表明该天体正在退行;反之,若谱线发生紫移(波的频率升高,波长变长),该天体就在向我们接近。

多普勒效应为天文学家提供了一种测定天体视向速度的方法:只需测定天体的光的波长变化,便能求得该天体相对于我们的速度。

§ 201— 4恒星的亮度和光度

恒星的亮度是指地球上受光强度,即恒星的明暗程度;恒星的光度表示恒星本身的发光强度。恒星看起来有明有暗,但是,亮星未必一定比暗星的发光本领强,因为这里还包含着距离的因素。在天文学上,天体的亮度和光度都用星等表示:表示天体亮度等级的叫视星等,记作m;表示天体光度等级的叫绝对星等,记作M。遣常所说的星等是指视星等。

星等是天文学史上传统形成的表示天体亮度的一套特殊方法,如同气象学上用风级来表示风速一样;所不同的是,星等越大,恒星亮度越暗。二千余年前,希腊无文学家把肉眼可见的恒星分成六等。后人沿袭了这套方法,同时,经过光学仪器的检测,使之更加精确。人们发现,一等星与六等星,星等相差5等,它们的亮度相差100倍。连续各个星等的亮度成几何级数,若相邻两星等的亮度比率(级数的公比)为R,则有:

R5100

两边取对数:

5lgR=2

lgR=0.4

R=2.512

有了这样的数量关系,就可以用星等来表示任何亮度。星等相差1等,恒星的亮度相差2.512倍。星等按等差级数增大,亮度便成等比级数递减。

望远镜和照相术问世后,星等扩展到更暗的恒星。现代最强大的望远镜,能够观测到25等的暗星。另一方面,星等还向零值和负值扩展。例如,天狼星(全天最亮的恒星)的亮度为—1.45等,金星最明亮时亮度为—4.22等,满月的亮度为—12.73等,太阳的亮度达一26.74等。这就是说,太阳的亮度是一等星亮度的(2.512)27.741300亿倍。

假定有两颗恒星,其星等为m和mo(m>mo),它们的亮度E和Eo的比率为

                   (1)

两边取对数,并记住1g2.512=0.4,得

lgE0-lgE=0.4(m-m0

m-m02.5(lgE0—lgE)      (2)

如果取零等星( m0 0)的亮度E0 l,那么

m=-2. 5lgE             (3)

3)式称普森公式。该公式表明,只要有明确的零等星和它的标准亮度即平均亮度,就可根据恒星的亮度E推算其星等m。

恒星的亮度与其距离远近有关。如图2—3所示,光源的视亮度与其距离的平方成反比。单从亮度是看不出恒星的真实光度的。为了比较不同恒星的光度,必须把它们“移”到同一位置(距离)上,才能对比出它们的真正亮度即光度来。天文学上把这个标准距离定为10秒差距,相当于0″.l视差的距离,合32.6光年。距离因素被消除后,星等仅与恒星的光度有关。

2-3光源的视亮度与其距离的平方成反比。距离增加 1倍,亮度便减为 l/4

标准距离(10秒差距)下的恒星的亮度称绝对亮度,其星等叫绝对星等。有了这个标准距离,就可以根据恒星的实际距离(d)和视星等(m),推算它在 10秒差距时的亮度 EM和绝对星等M。

EM 表示绝对亮度,Em表示视亮度。由公式(l)可得

恒星的亮度与其距离的平方成反比,如该恒星的距离d以秒差距为单位,那么

把这个关系式代入前面那个方程式的左边,便得

两边取对数,并记住 lg2.512=0.4,那么

2lgd-2=0.4(m-M)

m-M= 51gd-5

M=m+5-5lgd            (4)

4) 式是现代恒星天文学最重要的公式之一。恒星的两种星等之差,在恒星距离的测量工作中是十分重要的,只要测定恒星的绝对星等,便可按平方反比定律,求知该恒星的距离。

d=10,则5lgd=5,M=m

即恒星距离为10秒差距时,它的视星等即为绝对星等。

10秒差距在恒星世界是“咫尺之距”,只有为数不多的亮星位于这个距离之内。因此,对于绝大多数恒星来说,其绝对星等高于它的视星等。如果把太阳移到这个距离,它的星等将是4.75等,成为一颗不起眼的暗星。在恒星世界里,光度的差异十分悬殊。光度最大的恒星,比太阳强100万倍;光度最小的恒星,仅及太阳光度的百万分之一。在这方面,太阳也是恒星世界的普通一员。

§201—5 恒星的多样性

恒星的化学组成基本一致,质量差异也不大(相对于其它物理参数而言),可谓大同小异。但是,它们存在的形式,却是五花八门和复杂多样的。

----单星、双星和星团一般的恒星是单个存在的。但是,有一些恒星是成双成对的,被称为双星。例如,全天最明亮的天狼星就是一颗双星。它的伴星光度很小,肉眼不可见。在已知恒星中,双星约占l/3。双星分光学双星和物理双星两类:前者在天球上位置很靠近,但实际上在视线方向上相距很远,并无物理上的联系,这类双星又叫视双星或假双星;后者两个子星空间距离接近,由于相互吸引而相互绕转,是真正的双星。若双星绕转的轨道平面平行于视线方向,还会发生周期性的相互掩蔽,从而发生亮度变化,叫做食双星。有的双星的子星本身也是一对双星。例如,半人马座a(南门二)实际上是一颗三合星。它由 A、B、C三星组成,其中的 A和B是一对双星,二者又同C星结成双星。按目前的位置,C星比A、B二星更接近我们,它是现在的比邻星。

在恒星世界中,还有许多恒星集中分布在一个较小的空间,彼此有物理联系,形成一个稠密的恒星集团,叫做星团。例如,金牛座的昴星团(俗称“七姐妹”,事实上肉眼只见到六颗),一簇小星密集在月轮大小的天区内,比头等明星更引人瞩目。其实,它的成员多达280余个,天文上称疏散星团。最庞大的星团由数十万颗恒星聚集而成,它们呈球对称状分布,因而被称为球状星团(图2—4)。

2—4 全天最亮的球状星团(半人马座w

---变星、新星和超新星大多数恒星的光度是稳定的,短时期内几乎没有变化,太阳就属于这一类恒星。有些恒星的光度在短时期内会发生明显的、特别是周期性的变化。变化的周期,长的可达几年到十几年,短的只有几日甚至几小时。这样的恒星称为变星。银河系内已发现的变星约有2万多颗。按其成因,变星可分食变星、脉动变星和爆发变星三类。

食变星又叫几何变星。它的亮度变化是由于双星相互绕转时发生交食现象而引起的,即前述的食双星。最著名、也是最早被发现的食变星是英仙座β(中名大陵五),有魔星之称。该恒星平时的亮度约为2.2等,当伴星掩蔽主星时,在4小时50分钟内,亮度减为3.4等;然后,经过同样的时间,迅即又恢复到原来的亮度。它的变光周期为2日 20时49分,变化十分有规则(图2—5)。

脉动变星和爆发变星又叫物理变星。它们的亮度变化是由于恒星内部或其大气物理状况变化所致。脉动变星是恒星体积发生周期性膨胀和收缩而引起光度的变化:膨胀时光度变大;收缩时光度变小。已知银河系内的脉动变星有一万多颗,约占其变星总数的一半。爆发变星是星体爆发现象而引起光度的变化。爆发变星中,亮度在很短时间内(几小时至几天)突然剧增、然后缓慢减弱的恒星叫新星。在爆发过程中,新星虽然释放大量的能量和损耗一部分质量,但以后仍作为一颗恒星而继续存在。爆发规模特别大的变星叫超新星,其光度变幅超过17个星等,即亮度可突然增强到原来的几千万倍甚至近万万倍。这是恒星“临终前的回光反照”。经过这样爆发以后,超新星只留下一个致密的残骸,而不再是通常意义的恒星了!银河系里已发现170余颗新星和4颗超新星。我国北宋至和元年(1054年)所记录的“无关客星”(天关即金牛座b),是最著名的一次超新星爆发。它的遗迹不断扩散,形成著名的蟹状星云。

---巨星、超巨星和自矮星恒星世界也分“巨人”和“侏儒”,它们的体积大小十分悬殊。然而,恒星的大小是无法直接测定的,即使在最强有力的望远镜视场里,恒星也不分大小,都是一个光点。它们的体积大小,具体反映在恒星的光谱型(或温度)和光度(或绝对星等)的关系上。

19世纪中叶,发现恒星有距离上的差别后,随即就知道,恒星还存在着光度的差异。一旦获得了恒星的温度和光度的大量信息,下一步很自然地会把这两方面的知识联系起来,建立起一种关于恒星理论的至为重要的关系。本世纪初,丹麦天文学家赫茨普龙( 1873---1967)和美国天文学家罗素(1877---1957),不约而同地创制了恒星的光谱型和光度的坐标关系图,简称光谱-光度图,通常也叫赫罗图。它以恒星的光谱型(或温度)为横坐标,以它的光度(或绝对星等)为纵坐标,每颗恒星按照各自的光谱型和光度,在图上占有一定的位置(图2-6)

赫罗图的一个明显特点是,恒星并不是在图上到处分布的。大多数( 90%以上)恒星分布在从图的左上方至右下方的一条窄带上,温度由高到低,光度由大到小,形成一个明显的序列。这条窄带叫做主星序;位于主星序上的恒星,则被称为主序星。这个关系图表明,大多数恒星的光度,决定于它们的温度,即恒星的温度越高,其光度就越大。

 

2-5 食变星—大陵五(英仙座β)的亮度变化

同主序星相比较,赫罗图上有三部分恒星情况殊异。一部分集中在图的右上方,它们的温度不高,但光度却很大。这等于说,一颗“冷星”,却又十分明亮。对此,唯一的解释只能是它们的体积很大,因而增加了发光面积。这部分恒星叫红巨星。在红巨星的上方,一直延伸到图的左侧,是一些超巨星。其中,低温的红超巨星是恒星世界的“超级巨人”,为数不多,赫茨普龙把它们喻为“鱼中之鲸”。目前已知的最大恒星是仙王座VV,其半径约为太阳半径的1600倍,体积超过太阳的40亿倍。巨星和超巨星在恒星中所占的比例不到1%。

另一部分恒星分布在赫罗图的左下方。它们的温度相当高,但光度却很小。这表明,它们的发光面积不大,体积很小。这些小而热的恒星叫白矮星。最先发现的一颗白矮星是天狼伴星。其半径只及太阳半径的0. 75%;体积比地球还小,可却具有与太阳相仿的质量。在太阳系附近的恒星中,白矮星大约占10%。

恒星世界的一个奇妙特征是,巨星和矮星在体积上的差异,犹如动物世界中大象与蝼蚁的差异;然而,它们的质量却“不相上下”。可想而知,恒星的密度也存在着惊人的差异:巨星十分稀薄;白矮星则非常致密,其中心密度是水的100万—1000万倍。

赫罗图的一项应用,是求主序星的距离。只需知道恒星的光谱型,便可从它在赫罗图主星序的相应位置,直接得知其光度,再根据恒星的视亮度,就能按平方反比定律求知其距离。赫罗图还反映出恒星的演化程,图上不同的序列,意味着恒星生命史上的不同演化阶段。

 

2—6 赫罗图--- 恒星的光谱—光度图太阳位于主星序的中部,可见它是一颗很典型的恒星

2—7 恒星大小的比较

----脉冲星和中子星本世纪60年代,天文学家发现了一种新型的变星,它有规律地发出射电脉冲讯号,所以取名为脉冲星。脉冲的周期很短,最长为4.3s,最短的只有0.0016s,而且十分准确稳定,间隔的误差仅为 0.000 000 01s。

什么样的天体能如此快速而稳定地发射脉冲讯号?一个天体发生周期性变化,其可能的机制不外乎三种:轨道运动、脉动和自转。显然,前二者是没有可能的,不可能设想恒星相互绕转的周期会短到0.033s。所以,脉冲星不是食变性。同理,脉动周期也不会短到不及几百分之一秒,且脉动不具有那样严格的准确性,所以,脉冲星也不是脉动变星。剩下的唯一可能是恒星自转。可是,如此“疯狂般”的自转,不要说普通恒星承受不了,连白矮星那样致密的天体也会分崩离析。于是,学者们认定,它只能是人们早已预言的中子星。

中子星是由中子组成的恒星。这是由于恒星演化到晚期,能量耗竭。若经引力塌缩,其剩余质量大于某一极值时,电子运动都不能抗衡原子核吸引力,就继续塌缩,经逆β衰变形成大量自由中子,致使恒星密度很大,体积很小,形成中子星。中子星的直径只有几十km,而它的质量可以超过太阳。白矮星的密度已使人惊叹不已,中子星的密度比它还要高出1亿倍以上。每立方厘米的这种物质,可达几亿吨到10亿吨!这样超高密的天体,有足够强大的自引力,不致因高速自转而瓦解。

中子星是如何发射脉冲的呢?学者们认为,在这样的天体上可能形成一种条件,使它的射电波主要是从其表面的局部地区发射出来,而其它部分的辐射很弱。这样,中子星会像一个旋转着的喷头一样发出射电波,每转一周便朝观测者方向射来一束电波。这种间歇性的“闪烁”被称为“灯塔效应”。

“脉冲星”名称是指天体辐射的表现形式;“中子星”则表明这种恒星的物理实质。它已被观测所证实。

§ 201—6恒星的演化

同自然界一切事物一样,恒星经历着从发生、发展到衰亡和转化的过程。搞清恒星演化问题,是20世纪后半叶天文学的最大成就之一。概括地说,恒星的一生大体上是这样度过的:

----现代天文学有证据表明,恒星是由星云(气体和尘埃)凝聚而成的。弥漫星云在自引力作用下,很快地(按天文学的时间尺度而言)收缩成比较密集的气体球。在收缩过程中,引力势能转化为热能,内部温度升高并辐射能量,向着赫罗图的主序上的某个位置移动。星云的质量愈大,收缩愈快,达到主序的位置愈高(温度高,光度大)。

---恒星“移”到主序后,内部温度高到足以“点燃”核火,热核反应代替引力收缩,成为恒星的主要能源(这是一种巨大而稳定的能源)。温度升高,热运动加快,恒星就要膨胀,使排斥力足以同引力相抗衡。从此,恒星停止收缩,长期稳定地依靠热核反应进行辐射。一颗恒星呆在主序中的时期,占去其生命的大半辈子;而且,恒星在主序上逗留时间的久暂,也取决于其质量的大小。恒星质量愈大,引力愈强,它必须维持较高温度和较大的辐射功率来抗衡引力收缩,它的氢燃料消耗更快,寿命愈短。

 ---热核反应是在恒星的中心区域进行的,那里的氢核燃料最先耗尽,逐渐形成一个由氦组成的核,停止释放能量。氢燃料的逐渐枯竭,是恒星在结构上发生根本变化的前奏。随着氦核的不断增大,其引力收缩急剧增强,并释放大量能量。结果,恒星的核心收缩(变得愈来愈致密和炽热),外层膨胀(温度降低而光度增大),成为一个非常巨大的、具有“热”核的“冷”星。这时,恒星便离开主星序,进入红巨星区域,到了它生命的“晚年”

----桓星过渡到红巨星阶段后,其演化速度大大加快起来。中心区域的温度和密度因收缩而继续升高,当温度升高到1亿度时,会发生由氦核聚变为碳核的新一轮热核反应;氦烧完后,温度继续因收缩而升高,原子核  再聚变产生更重的元素。但这以后的聚变过程所释放的能量很有限,恒星已到了“垂暮”之年。一旦核反应终止,对引力的抗衡全线崩溃,恒星的最后归缩便是自行坍缩。

----红巨星收缩时,其核心部分收缩最为猛烈,外部层次处在较弱的引力下。核心温度因猛烈收缩而急剧上升,由此掀起的热浪会把外层气壳抛掉,剩下一颗致密和炽热的白矮星;以后逐渐冷却,变成又小又暗的黑矮星。大多数恒星就这样结束它的一生。

然而,并非所有恒星都经历这样“平静”的演化道路。那些质量和体积特别巨大的恒星,在其演化的最后阶段会发生爆炸,迸发出盛大的太空焰火。这就是超新星爆发。如果它们留下的“残骸”的质量足够大(1.4--3.2倍太阳质量),它就会“一落千丈”地坍缩为中子星。超过这个限度,甚至连核力也将在引力前面低下头来,中子也会崩坍,形成所谓黑洞

恒星在引力作用下“诞生”,也在引力作用下“死亡”。

 

202 星系

 

§ 202— 1银河与银河系

夏秋季节,无月的晴夜,人们可以在天空中看到一条淡云薄纱般的白色光带,天文学上称之为银河(民间也叫天河)。银河曾是·个猜不破的谜。直到望远镜问世后,云雾状的银河才被分解为点点繁星;由于它们太密集,距离又遥远,所以,肉眼望去就成为白茫茫一片的云雾状光带。恒星天文学的创始人、英国天文学家赫歇耳(1738—1822)系统地研究了恒星的分布后发现,愈近银河,恒星分布愈密集;离银河愈远,恒星分布愈稀疏。他由此悟出,密集在银河中的无数恒星,连同散布在天空各方的点点繁星,包括我们的太阳系在内,都属于一个庞大无比的恒星系统,并把它称为银河系。如果把银河系比作一座茂密的森林,那么,从地球上看来,满天繁星好比是它周围可辨的单株树木,而银河则是远方的一片模糊密林。

由此看来,银河与银河系是同一事物的两个不同图象:银河系是以银河命名的星系;我们置身于银河系内,无法看清它的全貌;我们所见到的,只是银河系主体在天球上的投影,这便是银河。

银河绵延周天,平均宽度约20°,其中心线(称银道)构成天球的一个大圆,与天赤道成62°交角。明亮的银河中,夹有暗的、长条形的裂隙和局部暗区,使银河各部分明暗不同,支离破碎。这是因为那些天区有暗星云存在,对银河发生消光现象所致。由于银河与天赤道斜交,因而其姿态绰约多变。夏秋之交的黄昏,银河最为明显。它从东北方向起越过头顶,分二支平行地伸向酉南方。“银汉横空万象秋”,成了秋夜星空的写照。到冬去春来的黄昏,银河又一次在头顶越过。这一次的方向变成由西北向东南;而且,这半圈银河十分暗淡,不引人瞩目。

银河系是大量恒星、星云和星际物质的聚集体。它拥有一、二千亿颗恒星,总质量约为太阳质量的1400亿倍,其中恒星约占90%,星云与星际物质约占10%。银河系的主体部分是一个又圆又扁的圆盘体,直径约为8万光年;中部较厚,边缘很薄,状如铁饼(图2—8)。银河之所以成为周天环带,就是因为银河系具有圆而扁的形状。圆盘体是在旋转中形成的。它的旋转轴指向天球的两点,叫做银极,距南北天极各为62°。银盘在旋转中形成一些旋臂,太阳位于其中的一条旋臂上(图2—9)。

2—8银河系侧视图

圆盘体分核球和银盘两部分。核球是圆盘体的中心部分,长径约 10 000---13 000光年,厚约10 000光年,是圆盘体中恒星最密集的部分。核球的中心部分叫银核;银核的中心叫银心。银盘位于核球的四周,内侧较厚,约2 400---4 800光年;外侧较薄,约 800光年。在圆盘体外围,还有银晕。它大体成球状,范围很大,但其物质密度比银盘低得多。

2—9 银河系俯视图

§202—2 太阳在银河系中的位置和运动

太阳在银河系中居于怎样的位置,可以从如下两方面考察:

---银河的中线大体上把天球分成相等的两半。这证明,我们太阳(或太阳系)的位置,很接近银河系赤道平面(即银道面)。要不然,如果太阳远离银道面,银河将不再成为周天的环带,而只占据天穹之一隅。

----银河两半圈的明暗程度不同。这证明,太阳并不位于银河系中心,而是偏踞银盘的侧。如果它位于银河系中心,那么,银河各部分的亮度应该大体相同。具体地说,太阳的位置距银心约2.4万光年,向银心所在方向(在人马座),太阳距银盘边缘约6.4万光年。从这个方向看去,恒星特别密集,银河显得最宽最亮。反之,在同银心相反的方向,太阳距银盘边缘只约1.6万光年,从这个方向看来,恒星分布稀疏,银河显得十分暗淡。

作为银河系的成员,太阳有相对于银心的绕转,其速度为250kin/s。按太阳与银心的距离,推得其绕转周期为2.5亿年。如果地球年龄为46亿年,那么,它随同太阳环绕银心已经转了约18周。

恒星在绕转银心的同时,还有相对于邻近恒星的运动。我们的太阳率领其行星家族,向着天空中武仙座方向(近织女星)前进。这个方向所指的点被称为奔赴点。人们都有这样的经验:当汽车行驶在市郊的林荫道上时,透过车窗向前方凝视,会感到道路两旁的行道树从远方的一点向两边散开;向后凝视,又会觉得它们向远方一点会聚。如果太阳系向着武仙座方向前进,那么,天空中的恒星,也会从武仙座中的一点向四周散开。事实上,人们正是根据这个现象,推知太阳系向着武仙座方向前进。太阳的这项运动,速度是20km/s。

既有绕转银心的运动,又有相对于邻近恒星的运动,对于这二者的关系,有人作了一个形象的比喻:太阳及其邻近的恒星,好似飞行中的群蜂。它们既成群结队地朝某个目标飞行,又有相互间杂乱无章的穿插运动。前者好比绕银心转动,后者则是恒星间的相对运动。

§ 202— 3河外星系

象银河系这样包含大量恒星的天体系统,被叫做星系。在现代观测工具所能察觉的范围内,这样的星系约有10亿个。 所有这些星系(除银河系外),统称河外星系。因为它们远在“河”外,所以显得十分暗淡和渺小,肉眼可见的寥寥无几。它们在外表上表现为模糊的光点,同银河系内由气体和尘埃组成的弥漫星云相似,因而被称为“河外星云”。把外形相似的河外星云同银河星云区分开来,证实它们是“河外”的星系,还是本世纪20年代的事,是天文史上的一次重大突破。

星系的分布也有结群现象。一些相互邻近的星系结合成星系群。银河系所属的星系群,叫本星系群,约有40个成员,除银河系外,最主要的成员是大、小麦哲伦云。它们的距离分别为16万光年和19万光年,是银河系的紧邻;二者与银河系组成一个三合星系。此外,本星系群中最接近的星系,当推仙女座大星云(M31,见末页图片)。这是北天唯一的、肉眼勉强可见的河外星系,距离为220万光年。这就是说,我们现在看到的仙女座大星云的暗淡光芒,远溯到它离开光源的时候,人类还处在“从猿到人”的进化过程中!

比星系群更加庞大的天体系统叫星系团。一个星系团包含几百甚至几千个星系。在星系团所在的天空区域,星系分布特别密集。已经发现的星系团有上万个,其中离我们最近、最著名的是室女座星系团,距离为 6 000万光年,在天球上占据长 40°,宽 15°的天空区域,直径为 6 000万光年,包含着 2 500余个星系。

比星系团更高一级的天空世界为总星系。它包括现有观测工具所能涉及的全部宇宙空间和已被觉察的10亿个星系。其中,最遥远的星系超过100亿光年。

§ 202—4 宇宙

宇宙是天地万物的总称,即客观存在的物质世界,也就是广漠的空间和存在于其中的天体和弥漫物质。但它的本义兼有空间和时间两个方面概念。战国时代的尸佼在《尸子》中有:“四方上下曰宇,往古来今曰宙”,可见我国古代就把宇宙看成空间和时间的统一。

哲学上所说的宇宙或物理宇宙是无限的,即空间上的无限性和时间上的无限性。张衡在其《灵宪》中已模糊地说到:“宇之表无极,宙之端无穷”。宇宙在空间上是无边无际的。它没有边界,没有形状,也没有中心;在任何方向上,它都是无穷的。宇宙在时间上是无始无终的。它没有起源,没有年龄,也没有寿命;无论是过去或是未来,它都是无尽的。宇宙无限的理论,不是三言两语所能阐明的。一位天文学家用“巧妙”的方法,简单地论证宇宙无限的理论。他说:要证明宇宙是无限的,倒不如反过来证明宇宙不可能是有限的!如果认为宇宙在空间上是有限的,它不论多大,总是有边界的。那么,边界之外又是什么呢?如果宇宙在时间上是有限的,它不论多久,总是有一个开端。那么,“在此之前”又是什么呢?如果宇宙不可能是有限的,那么,它自然是无限的了。

现代宇宙学所研究的宇宙或科学上的宇宙,是指“观测到的宇宙”,即现在能够观测的现象的总和,实质上就是前述的总星系。这样的宇宙是物理宇宙的一个组成部分,它不是无限的。在无限的宇宙之中,任何具体的事物都是“渺小”的和有限的,在空间上有它的边界,在时间上有它的起源。

在现代宇宙学中,最有影响的是大爆炸宇宙学。这种学说是在宇宙膨胀理论的基础上发展起来的。1929年,美国天文学家哈勃(1889---1953)在研究星系光谱时发现,谱线的“红移”是一个普遍的现象。如果把星系光谱中谱线的红移看作多普勒效应的结果,那么,除本星系群的少数星系外,所有星系都以很高的速度背离我们飞驰远去(这并不意味着我们正是处于膨胀的中心)。哈勃进一步发现,星系的退行速度同它的距离成正比:星系愈远,退行速度愈快。哈勃的这一发现被称为哈勃定律。星系的退行表明,宇宙仿佛是一个正在被充气的气球,或者像一个逐渐吹胀起来的肥皂泡,正在不断地膨胀。如这一理论成立,那么,合乎逻辑的推论是,字宙在过去要比今天小;而且,在遥远过去的某个时刻,它应当是一个高温、致密的物质核心。随之而来的另一个问题是,宇宙为什么会膨胀?最简单而且几乎是必然的一个解释是,宇宙起源于最初的一次爆炸,故称大爆炸宇宙学。

按照这个学说的观点,宇宙在最初是一个温度极高(100亿度以上)和密度极大的“宇宙蛋”,那时只有中子、质子、电子、光子和中微子等基本粒子形态的物质。这个宇宙蛋发生了爆炸,由于不断膨胀,导致温度和宽度很快下降。当温度降至10亿度上下时,中子开始失去自由存在的条件,不是衰变,便是与质子结合成氘、氦等元素。至温度降低到100万度时,早期形成化学元素的过程结束。这时,宇宙中弥漫着由质子、电子和一些较轻原子核构成的等离子体。持续膨胀使电离气体温度降低至 4 000K时,足以允许中性原子形成;原子核开始俘获自由电子,把它们保持在稳定的组态中,等离子体复合成为通常的气体。以后,气体逐渐凝聚成星云;再后来,进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们现在所看到的宇宙。

大爆炸宇宙学所描绘的是一个演化的宇宙,能很好地说明一些观测事实,但它还不是科学上的定论。

§202—5 天文新发现

类星体----既非普通恒星和星云,亦非普通星系,而是一种新型的“类星射电源”(辐射较强无线电波的天体),因在照相底片上类似恒星,故名。

类星体的最显著特征是,它具有特大的谱线红移现象。一般河外星系最大的红移量不超过0.5,而至今观测到红移最大的类星体,其红移量达4.43,对应的退行速度达光速的 95%,即每秒285 000km。按哈勃定律推算,后者的距离远达 180余亿 l.y。这样,该类星体便成了迄今所知的最遥远的天体。

类星体如果确实这么遥远,而我们又观测到如此强烈的辐射,这就不难推出它的辐射功率大得惊人,达到1040J/s,比普通星系的辐射大一千倍;可是它的体积比普通星系小得多,直径不到几光年。类星体这么小,发射的能量却如此巨大,即使将所有物质都转化为能量也不够。这是目前任何能源理论所无法解释的。

3K微波背景辐射---是指宇宙空间在微波波段所发出的各向同性辐射,也称宇宙背景辐射。过去一般认为,除天体或星际云能辐射能量外,广漠的星系际空间是无限的空虚,温度只能是绝对零度(—273℃),不可能有能量辐射。事实上,星系际空间并不像过去所想像那样漆黑一团和空无一物,而是有“光”和“热”:光是不可见光,波长属于微波波段的电磁波;热表现为背景辐射温度3K,相当于—270℃。这个事实说明,宇宙空间并不空,物质及其能量是普遍存在的。进一步的观测证明,在天空的各个方向上,都有绝对温度 2.7K、强度近似相等的微波辐射。

微波背景辐射的发现,对现代宇宙学研究产生深远影响。按大爆炸宇宙学的理论,宇宙的全部发展史,就是“原始火球”的大爆炸。火球从高密、高温状态分崩离析,愈来愈稀,愈来愈冷,热辐射大部分凝聚成各种形式的天体,至今还剩下SK左右的残余辐射。微波背景辐射的发现证实了这个预言。

星际有机分子---指存在于星际空间的有机分子。直到本世纪初,人们普遍认为宇宙空间是一无所有的“真空”。60年代以来,在射电波的厘米和毫米波段,先后发现了百余种分子形态的星际物质,其中相当大一部分是有机分子。这证明,广漠的宇宙空间充满着物质,不仅有简单的无机物,还有复杂的有机物。

星际有机分子的发现,把天体演化与生命起源问题联系了起来,为生命起源的研究提供了新的材料。已发现的星际有机分子,大多数是地球上生命不可缺少的那一类。碳是组成这些有机分了的关键。既然有机分子广泛分布于宇宙空间,而地球上的生命也是在这些有机分子的基础上进化而来,这说明,生命现象并不是地球所独有,而是宇宙间的普遍现象。其它天体上的生命很可能沿着同样的途径进化。

类星体、3K微波辐射、星际有机分子和前述的中子星,被称为60年代天文学的“四大发现”。它对天文学及其它学科的发展具有深刻的意义。

复习与思考

●什么是恒星?恒星为什么会发光?光谱能传递天体的什么信息?

●什么是恒星的亮度和光度?什么是视星等和绝对星等?两种星等如何换算?为什么绝大多数恒星的绝对星等高于它们的视星等?

●比5等星亮100倍的恒星,其星等为几等?

●织女星(天琴座a)的视星等为0.1,若其距离增加为10倍,这时,它的星等将是几等?肉眼还能看到它吗”

●什么是赫罗图?它在恒星理论上有何重要意义?

●比较银河与银河系?什么是河外星系和总星系?

 

 

 

 



光年是天文学上的一种距离单位,是光在一年里在真空中传播的距离。光速每秒近3×105Kml光年=9.5×1012km
六个星等的尺度分别是:一等星特别明亮,全天共21颗,它们在附近恒星中显得非常突出。二等星比较明亮,北极星和北斗(除北斗四外)星可作为代表。三等星不大明亮,但在薄雾、明月和城市灯光下,一般仍可见到。四等星较为暗淡,在上述条件下,隐匿不见。五等星很暗淡,天空全黑时可见。六等星是最暗淡的星,只有在良好的观测条件下方能看到
秒差距是天文学上常用的一种距离单位。当天体的周年视差为 l″时,其距离为 1秒差距,相当于 206 265AU或 3.261.y.(详见§304—l)。
未经最后证实的、理论预言的一种天体,其表面的逃逸速度达到光速。因此,它虽然发光,却又看不见,于是称为黑洞它像宇宙间一头贪婪的猛兽,无情地吞噬着周围的一切。
大麦哲伦云和小麦哲伦云是南天肉眼可见的二个河外星系,也是离我们最近的两个河外星系,由于近南天极,北纬20°地方始升起地平。 1521年,葡萄牙航海家麦哲伦作环球航行时,首先对它们作了精确描述,故名。大云约大小,相当于12个月轮直径;小云约大小,相当于4个月轮直径。二云空间距离约5万光年,天球上相距20°,在天空中蔚为奇观。除了太阳、月亮和银河外,它们是天空中最显著的观察目标。
宇宙膨胀使我们对宇宙的观测受到限制。当星系退行的速度接近光速时,它的光辐射(在我们看来)大大减弱,或消失不见。我们只能探测到退行速度低于光速一定值的那部分星系。尽管宇宙是无限的,但是,人们能涉猎的部分却是有限的。现代强大的望远镜已经探测到那些退行速度达光速90%以上的遥远天体。这已接近我们有可能探查的极限距离了。若把探查距离再扩大一些,那么可以说,我们可见的那部分宇宙已尽收眼底了!