宇宙的格局：人類對宇宙的認識

去到岸邊，那里的波濤將涌來親吻我們的雙腳，神秘憂郁的星辰會在我們的頭上照耀。

——阿·普列謝耶夫

(*俄羅斯詩人，1825-1893，柴可夫斯基在他的管弦樂套曲《四季》的《六月：船歌》中用這段詩句做配詩。)

地球是生命的搖籃和棲息地，也是人類的家園。這是一個曾經(jīng)被看做是宇宙的中心的星球。460年前，哥白尼的一本小冊子把宇宙的中心讓位給了光輝的太陽，它向世人宣告了地球帝國的終結(jié)?，F(xiàn)在我們已經(jīng)知道，以太陽為中心，包括地球在內(nèi)的幾顆大行星、兩千多顆小行星、六十多顆衛(wèi)星、以及無數(shù)的彗星和宇宙塵埃組成了一個大家庭，它就是我們熟悉的太陽系。

在18世紀之前，由于觀測手段落后，人類對天空的認識只局限在太陽系內(nèi)，它的疆域以土星為邊界。太陽是宇宙的中心，所有的星星都繞著它旋轉(zhuǎn)。除了幾顆行星之外，天空中其他的星星是什么，人們對它們一無所知，一般就把它們看做是鑲嵌在天空中的發(fā)光的寶石。它們是些什么東西呢？讓我們來做一番認識吧。

我們抬頭仰望夜空時，常常會發(fā)現(xiàn)，天上的星星有兩種不同的類型。一種在天空中的相對位置不會發(fā)生變化，這種星星在夜空占絕大多數(shù)。另外一種則在經(jīng)過一段時間后相對于前一種星星的背景發(fā)生了移動。由于有這樣的區(qū)別，人們把能夠移動的星星叫做“行星”，相比之下，那些不動的星星就叫做“恒星”。

這是對恒星的一種樸素的、原始的定義?，F(xiàn)在我們知道，這種定義既不準確也不科學(xué)。其實，恒星也發(fā)生變化。在夜空中，不斷有恒星產(chǎn)生、也不斷有恒星死亡。不過，恒星的壽命很長，距離我們又很遠，因此，在我們的一生中，甚至在若干個世紀內(nèi)也觀測不到它們的變化。這種情況一直持續(xù)到18世紀初才開始改變。

哈雷(Edmond Halley，1656~1742)于1718年首先發(fā)現(xiàn)，恒星在天空中的視位置發(fā)生了變化，我們把這種變化叫做恒星的自行，它是恒星的運動在天空中的投影。研究恒星的開山祖師爺赫歇爾(William Herschel，1738~1822)在對恒星的自行做了仔細的研究后發(fā)現(xiàn)，有7顆恒星的自行的趨向是一致的，這種一致性實際上反映了太陽的運動。這個發(fā)現(xiàn)打破了日心宇宙理論中太陽靜止不動的觀念。在花了許多年時間用他的巨型望遠鏡巡視天空之后，赫歇爾發(fā)現(xiàn)，恒星在天空中的分布很不均勻，在靠近銀河一帶，恒星極其密集，而在與銀河垂直的方向上，恒星的數(shù)目稀少。通過天文觀測可以推斷，包括太陽在內(nèi)的天空中所見到的恒星組成一個龐大的恒星集團，這個恒星集團就是我們現(xiàn)在所說的銀河系，它的外形很像一個扁平的圓盤，太陽位于銀河系靠近邊緣的地方。這個發(fā)現(xiàn)再一次打破了太陽作為宇宙中心的觀念。我們看到，天文學(xué)的每一項重大發(fā)現(xiàn)都使人類更加遠離宇宙的中心，最終人們發(fā)現(xiàn)，宇宙沒有中心，宇宙中的一切位置都是平權(quán)的。

恒星離開我們非常遙遠。比如說，離地球最近的一顆恒星叫做比鄰星，它離開我們足足有4.2光年。什么叫光年呢？光年是天文學(xué)家用來量度恒星之間的距離的一種單位。1光年等于光在一年中走過的距離。恒星之間的距離非常大，用普通的計量單位來計量，數(shù)值極其巨大。對于剛剛提到的比鄰星，如果用米做距離的計量單位，數(shù)值高達10¹⁶米。顯然，這樣的單位使用起來極不方便。因此，天文學(xué)家常常用光年這個更大的單位來量度恒星之間的距離。天文學(xué)家還常用秒差距作為距離的計量單位，1秒差距等于3.26光年。

在我們的感覺中，天上的星星要比太陽暗得多，個子也比太陽小得多。但是，事實上大多數(shù)恒星比太陽明亮，個子也要比太陽大。我們的錯覺是由恒星的巨大的距離造成的。在歷史上，人類的錯覺曾經(jīng)多次使我們遠離宇宙的真實面貌。

在晴朗的夜晚抬頭望去，天上的星星有明有暗，為了表示這種差別，天文學(xué)引入了星等這個概念。古代的人們已經(jīng)能夠?qū)⑦@些明暗不一的星星分為六個等級，最暗的是6等，最亮的是1等?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，一等星的亮度是6等星的亮度的100倍。這就是說，星等每相差1等，亮度就相差2.5倍。恒星之所以表現(xiàn)為明暗不同，主要的原因是它們本身的實際發(fā)光能力千差萬別以及與我們的距離各不相同。由于這種亮度和星等是從地球上實際看到的恒星的明暗狀況，因此就叫做視亮度和視星等。其實，還有比一等星更亮的星星。為了更精確地描述星星的視亮度，現(xiàn)代天文學(xué)將古人計算星等的方法加以推廣，引進了負星等和分數(shù)星等的概念。

恒星的視星等和視亮度并不能代表它們的真實亮度。為了比較恒星的真實亮度，天文學(xué)家常用絕對星等來代表它們的真實亮度。假定所有的天體都處于離我們10個秒差距處，這時，我們“看到”的“視星等”就是絕對星等。絕對星等在一定程度上反映了恒星的真實亮度。天文學(xué)家還常用光度來表示恒星的真實亮度。光度就是恒星每秒發(fā)出的總能量，或者說就是恒星的發(fā)光本領(lǐng)。恒星的光度和絕對星等之間有一個確定的關(guān)系。

恒星的光度由它們的表面溫度和表面面積決定。表面溫度越高，表面面積越大，恒星的光度就越大。各種恒星的光度差別非常大，天文學(xué)家常把光度大的恒星稱為巨星，光度小的恒星稱為矮星。實用中常用太陽的光度作為恒星光度的計量單位。

恒星的大小千差萬別，小的只有太陽直徑的幾十分之一，比如說，20世紀60年代發(fā)現(xiàn)的中子星，其直徑甚至只有幾十千米，而最大的恒星，其直徑比太陽大幾千倍。由于恒星離開我們太遠，它的直徑對我們的張角（角直徑）太小，不能使用地面上常用的三角法直接測量它們的大小。對于某些距離較近的恒星，可以利用一種叫做“干涉儀”的儀器測定它們的角直徑。與恒星的大小比較，恒星的質(zhì)量的差別就比較小。大多數(shù)恒星的質(zhì)量與太陽差不多，只有極少數(shù)恒星比太陽重幾十倍或輕幾十倍。

如果我們仔細觀察天上的星星，就會發(fā)現(xiàn)它們除了明暗不同之外，還有顏色的區(qū)別。早在遠古時代，人們就注意到了這種現(xiàn)象。實際上，恒星的顏色反映了它們的表面溫度。當(dāng)然，只有那些自身能夠發(fā)出光和熱的恒星，顏色才能夠反映其表面溫度；對于那些靠反射恒星的光發(fā)亮的天體，顏色并不能夠反映它們的表面溫度。根據(jù)恒星的顏色確定它們的表面溫度是非常粗糙的。要精確地測定恒星的表面溫度，必須使用更準確的方法。

我們已經(jīng)對夜空中最普遍的一種天體做了一番簡要的介紹。然而，到目前為止，我們還未對恒星這個概念做出明確的界定。那么，什么是恒星呢？

按照現(xiàn)代天文學(xué)的觀點，恒星是能夠靠自身的熱點燃氫聚變反應(yīng)并向外發(fā)出光和熱的天體。我們看到行星在夜空中發(fā)光，那是因為它們反射太陽的光，它們不是恒星。我們的太陽是一顆恒星。天空中的星星大多數(shù)是能夠自己發(fā)光和發(fā)熱的，它們是恒星。但也有一些不是。在古人認為是恒星的那些天體中，有一些靠反射鄰近恒星的光而被看到，叫做“星云”，它們是除了恒星這個主要的角色之外的另一些重要的天體。在這些星云中，有一些是還未形成恒星的塵埃團，有一些正在準備加入恒星的行列，而另外一些則是恒星演化到晚期時留下的殘骸。天空中還有一些天體既不是恒星也不是星云，而是由恒星和星云組成的集團。銀河系中的恒星并非全是像太陽那樣，孤零零地獨處一方。天文觀測顯示，幾乎有一半的恒星不是孤立的。它們要么雙雙結(jié)伴而行，要么三五成群、甚至成群結(jié)隊地在太空中漫游。天文學(xué)家分別把這些恒星的集體稱為雙星、星群和星團。恒星的這種在物理上的緊密聯(lián)系暗示了它們應(yīng)該具有共同的起源。除了這些用肉眼可以看到的星星外，夜空中還有許多我們看不見的暗天體。這些形態(tài)各異的天體就構(gòu)成了我們這個多姿多彩的星空世界——銀河系。

人類對宇宙的認識絕不會停留在某一個層次上太久。從古希臘時代開始，人類就不斷地努力拓展宇宙的疆域。盡管在中世紀漫長的一千多年中，人類對宇宙的認識曾經(jīng)停滯過，但是，當(dāng)文藝復(fù)興運動橫掃了整個西方世界之后，人類對宇宙疆域的征伐加快了。當(dāng)伽利略把第一架天文望遠鏡指向天空的時候，人們就開始意識到，天上閃耀著的星星很可能是一些與太陽相似的天體。偉大的布魯諾甚至猜測，其他的星星上也有可能住著像人類一樣的智能生物。這是哥白尼留給后世的巨大財富，一種敢于不把人類看做萬物之靈的偉大思想。此后，人們很快就認識到，天上的星星大多數(shù)是與太陽一樣的恒星，它們組成了被稱為銀河系的龐大的恒星集團，太陽系在其中只占據(jù)一個小小的、不顯眼的位置。在銀河系之外，還有一些叫做“星系”的天體，它們是與銀河系相似的、由幾十億到幾千億顆恒星組成的巨大的恒星集團。星系的尺度非常巨大，直徑小則幾千光年，大則幾萬光年。我們的銀河系是一個很普通的星系，銀河系以外的星系叫做河外星系。

對星系的研究開始于17世紀，當(dāng)時，望遠鏡剛剛被發(fā)明出來。當(dāng)人們把望遠鏡指向天空的時候，看到了一些肉眼無法看到的云霧狀的天體，當(dāng)時把它們稱為星云。到18世紀，康德(Immanuel Kant，1724~1804)提出這樣的猜測，認為這些云霧狀的天體是像銀河系一樣的恒星集團，并給它們起了一個浪漫的名字：宇宙島。不過，由于這些天體距離我們太遠，受到觀測手段的限制，人們一直未能對上面的說法做出判斷。直到1917年，天文學(xué)家才在一個名為NGC6946的星云中發(fā)現(xiàn)了一顆新星；緊接著在1924年，美國天文學(xué)家哈勃(Edwin Powell Hubble，1889~1953)測定了仙女座大星云和三角座星云的距離，最終確認了它們是銀河系以外的天體。

對一種新事物的認識往往是從它的形態(tài)分類開始的。對星系的研究也不例外。星系的外形和結(jié)構(gòu)多種多樣。1926年，哈勃按照形態(tài)把星系分為橢圓星系、旋渦星系和不規(guī)則星系三大類。后來，天文學(xué)家在這個分類法的基礎(chǔ)上進一步把星系細分為橢圓星系、透鏡星系、旋渦星系、棒旋星系和不規(guī)則星系五種類型。

橢圓星系的外形近似于橢圓，用符號E標(biāo)記，按照橢圓的扁度細分為八個類型，分別標(biāo)記為E0～E7。數(shù)字越大，橢圓越扁。旋渦星系的外形象個旋渦，用符號S標(biāo)記。從形態(tài)上看，大多數(shù)旋渦星系都有兩條沿相反方向旋卷的螺旋形旋臂。正常的旋渦星系，兩條旋臂直接從星系的核心部分往外伸展。有些旋渦星系在核心部分有一個棒狀結(jié)構(gòu)，兩條旋臂緊接著棒狀結(jié)構(gòu)往外伸展，這種形態(tài)的星系叫做棒旋星系，用符號SB表示。對于旋渦星系，人們還按照旋臂纏繞的松緊程度分為a,b,c三個類形。有一些星系的形態(tài)處于橢圓星系和旋渦星系的過渡階段，它們比E7星系要扁一些，旋臂的特征剛剛顯現(xiàn)，這種星系叫做透鏡星系。還有一些星系的形狀不能歸并到以上的類型中，它們的形狀沒有確定的規(guī)則，這些星系叫做不規(guī)則星系。

近幾十年，天文學(xué)家還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了許多特殊形態(tài)的星系。有些旋渦星系具有十分明亮的中心區(qū)域，光譜中有強而寬的發(fā)射線，叫做塞佛特星系；有些星系具有很亮的星狀核心，叫做N星系；有些星系看起來完全像一顆恒星，只有在光譜中才顯示出星系的性質(zhì)，這些星系叫做致密星系；還有一些星系在外形上顯示出有爆發(fā)形成的噴射物，它們以每秒上千千米的速度運動，這種星系叫做爆發(fā)星系。上述這些星系都是一些內(nèi)部有劇烈活動的星系，天文學(xué)家常常把它們稱為活動星系。

以上就是我們這個宇宙大家族中幾個最基本的結(jié)構(gòu)層次：行星和行星系、恒星、以及星系。

當(dāng)然，宇宙中還有比星系更大的結(jié)構(gòu)，它們就是星系團。星系團是由若干個相互有一定力學(xué)聯(lián)系的星系聚集在一起構(gòu)成的集團。如果星系團的成員星系數(shù)目較少，就叫做星系群。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾萬個星系團，距離我們最遠的達70億光年。包括我們的銀河系和仙女座星系在內(nèi)，由40個成員組成的集團叫做本星系群。

比星系團更大的結(jié)構(gòu)是超星系團，它是由若干個星系團聚在一起構(gòu)成的天體集團。超星系團的尺度大約為100萬秒差距，質(zhì)量在10¹⁵~10¹⁷個太陽質(zhì)量之間。包括本星系群在內(nèi)，由室女座星系團、大熊座星系團等50多個星系團組成的超星系團叫做本超星系團。

最高的一個層次就是整個宇宙了，或者更嚴格地說是我們觀測到的宇宙。這個宇宙大家族擁有幾千億個像銀河系那樣的恒星集團，平均說來，每一個星系擁有幾千億顆恒星。習(xí)慣上，把觀測到的宇宙就叫做宇宙，它的典型尺度是150億光年，年齡大約為150億年。通過對星系和射電源的計數(shù)以及對微波背景輻射的測量，人們已經(jīng)認識到，從宇宙的尺度上看，物質(zhì)和運動的分布平均來說是均勻的。

我們已經(jīng)在星空世界中做了一番簡短的漫游，這是一個我們從孩提時代起就對她充滿好奇心的世界，現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了在那里面有些什么。接下來的一個問題是，這個世界是怎樣演變成現(xiàn)在這個樣子的？這是一個比“那里有些什么”更重要的問題，也是幾千年來人類的智慧一直想要解答的問題。