从一到无穷大：银河系中的恒星组成与结构

2023-08-05 理论教育版权反馈

【摘要】：使用强大的望远镜，我们能看到银河是由很多的一颗颗恒星组成的；望远镜越强大，看到的星星就越多。但是，银河系的主要部分依然处在一片模糊之中。经过几代天文学家们的仔细研究，已得出了结论：银河包含有大约40 000 000 000颗恒星，它们分布在一个凸透镜形的区域内，直径有100 000光年左右，厚度在5 000～10 000光年上下。我们想用图112来告诉读者们，银河这个由恒星组

我们再向太空迈出一步，就从行星走到恒星世界中了，视差方法在这里同样适用。不过，即使离我们最近的恒星，同我们的距离也是很远的，因此，即便是在地球上距离最远的两点（地球的两侧）进行观测，也无法在广袤的星际背景上找出什么明显的视差。然而我们还是有办法的，如果我们能根据地球的尺寸求出它绕日轨道的大小，那么，为什么不用这个轨道去求恒星的距离呢？换句话说，从地球轨道的两端去观测恒星，是否可以发现一两颗恒星的相对位移呢？当然，这样做，两次观测的时间要相隔半年之久，但那又有什么不可以呢？

怀着这样的想法，德国天文学家贝塞尔（Friedrich Wilhelm Bessel）在1938年开始对相隔半年的星空进行比较。开始它并不走运，所选定的目标都未显示任何视差，这说明它们都太远了，即使以地球轨道直径为光学基线也无济于事。但是，瞧，这里有一颗恒星，它在天文学花名册上叫作天鹅座61（也就是天鹅座的第61颗暗星），它的位置与半年前略有不同（见图111）。

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图111　天鹅座61

再过半年进行观测时，这颗星又回到了原位置。可见，这一定是视差效应无疑。因此，贝塞尔就成了拿着码尺跨出太阳系进入星际空间的第一人。

在半年间观察到的天鹅座61的位移是很小的，只有0.6角秒^[5]，这就是你在看50英里外的一个人时视线所张的角度（如果你能看见这个人的话）！不过，天文仪器是很精密的，就连这样小的角度也能以极高的精确度测量出来。根据测出的视差和地球轨道直径的已知数值，贝塞尔推算出这颗星在103 000 000 000 000千米以外，比太阳的距离还远690 000倍！这个数字的意义可不容易体会。在我们举的那个例子中，太阳是个南瓜，在离它200英尺远的地方有颗豌豆大小的地球在转动，而这颗恒星则处在3万英里远的距离。

在天文学上，往往把很大的距离表示成光线走过这段距离所用的时间（光的速度为300 000千米/秒）。光线绕地球一周只用1/7秒左右，从月亮到地球只要一秒多一点，从太阳到地球也不过是8分钟左右。而来自我们在宇宙中的近邻天鹅座61来的光，差不多要11年才能到达我们这里。如果天鹅座61在一场宇宙灾难中熄灭了，或者在一团烈焰中爆炸了（这在恒星中是时常发生的），那么，我们只有在经过漫长的11年后，才能从高速穿过星际空间到达地球的爆炸闪光和最后一线光芒得知，有一颗恒星已经不复存在了。

贝塞尔根据测得的天鹅座61的距离，计算出这颗在黑暗夜空中静悄悄地闪烁着的微弱光点，原来竟是光度仅比太阳小一点、大小只差30%的星体。这对于哥白尼（Copernicus）的革命性论点——太阳仅仅是散布在无限空间中、彼此遥遥相距的无数星体中的一个，是第一个直接的证据。

继贝塞尔的发现之后，又有许多恒星的视差被测量了出来。有几颗比天鹅座61近一些，最近的是半人马座α（半人马座内最明亮的星，即南门二），它离我们只有4.3光年。它的大小和光度都与太阳接近，其他的恒星大多要远得多，远到即使用地球轨道的直径作为光学基线，也测不出视差来。

恒星在大小和光度上的差别也是悬殊的，有比太阳大400倍、亮3 600倍的猎户座α（即参宿四，300光年）之类光彩夺目的巨星，也有比地球还小、亮度是太阳的1/10 000的范玛伦星（直径只有地球的75%，距我们13光年）之类昏暗的矮星。

现在我们来谈一谈恒星的数目这一重要的问题。人们普遍认为，天上的星星数不清。然而，正如其他许多流行的看法一样，这种看法是大错特错的，起码就肉眼可见的星星而论是如此。事实上，从南北两个半球可直接看到的星星共有约7 000颗；又因为在任何一处地面上只能看到一半的天空，还因为地平线附近大气吸收光线的原因使能见度降低，所以，即便是在晴朗的无月之夜，凭肉眼也只能看到两千颗左右的星星。因此，以每秒钟一颗的速度勤快地数下去，半小时左右就可以把它们数完。

不过，如果我们使用普通的双筒望远镜来观测，就可以多看到5万颗星，而一架口径为2.5英寸的望远镜，则会显示出10万颗来。从安放在加利福尼亚州威尔逊天文台的那架有名的口径100英寸的望远镜来观测时，能看到的星星就会达到5亿颗。一秒钟数一颗，每天从日落数到天明，一个天文学家要数上一个世纪才能数完。

当然，不会有人真的通过望远镜一颗一颗地数，星星的总数是把几个不同区域内星星的实际数目的平均值推广到整个星空而得出的。

一百年前，著名的英国天文学家赫谢尔（William Herschel）用自制的大型望远镜观察星空的时候，注意到了这样一个事实：大部分肉眼可见的星星都分布在横跨天际的一条叫作银河的微弱光带内。由于他的研究，天文学上才确立了这样的概念；这条银河并不是天空中的一道普通星云，而是由为数极多、距离极远，因而暗到肉眼不能逐一分辨的恒星组成的。

使用强大的望远镜，我们能看到银河是由很多的一颗颗恒星组成的；望远镜越强大，看到的星星就越多。但是，银河系的主要部分依然处在一片模糊之中。但是，如果就此以为，在银河范围内的星星比其他地方的星星更稠密些，那就大错特错了。实际上，星星在某个区域看起来比较多的现象，并不是真的分布比较集中，而是星星在这个方向分布得深远些。在沿银河延伸的方向，星星是一直延伸到视力的界限；在它们的后面，几乎是空虚无物的空间。

沿银河延伸的方向看，就好像在密林里向远处张望，看到的是许多重叠交织的树枝树干，形成一片连续的背景；而沿着其他方向，则能看到一块一块的空间，正如我们在树林里面，透过头上的枝叶，可以看到一片片蓝天一样。

可见，这一大群星体在空间占据了一个扁平的区域；在银河平面内伸向很远的地方，而在垂直于这个平面的方向，相对来说范围并不那么远，太阳不过是银河中无足轻重的一员。

经过几代天文学家们的仔细研究，已得出了结论：银河包含有大约40 000 000 000颗恒星，它们分布在一个凸透镜形的区域内，直径有100 000光年左右，厚度在5 000～10 000光年上下。我们还得知，太阳根本不位于这个大星系的中心，而是位于靠近外缘的部分。对我们的自尊心来说，可真是当头一棒啊！

我们想用图112来告诉读者们，银河这个由恒星组成的大蜂窝看起来是什么样子。顺便提一下，银河在科学的语言中应该用银河系这个名称来代替。图中的银河系是缩小到1万亿分之一的。而且，代表恒星的点也比4百亿少得多，这当然是出于印刷角度的考虑。

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图112　一位天文学家在观察被缩小了的银河系（太阳的位置大概就在天文学家的头部）

这个由一大群星星所组成的银河系，它最显著的一个性质，就是它也和我们这个太阳系一样，处于迅速的旋转状态中，就像水星、地球、木星和其他行星沿着近圆形的轨道绕太阳运行一样，组成银河的几百亿颗星星也绕着所谓的银心转动，这个旋转的中心位于人马座的方向上。因为在你顺着天河跨过天空的方向找去时，会发现它那雾蒙蒙的模糊外形在接近人马座时变得越来越宽，这表明你现在看到的正是这个凸透镜物体的中心部分（图112中的那位天文学家正是朝着这个方向看去的）。

银心看起来是什么样子呢？我们现在还不知道，因为这一部分不幸被浓云一般暗黑的星际悬浮物质所遮盖了。事实上，如果观察人马座区域中银河变厚的部分^[6]，你起初会认为这条神话中的河分成两支“单航道”，但这种分汊并不是真实情况，这种印象是由悬浮在我们和银心之间的星际尘埃和气体的暗云块造成的。它不同于银河两侧的黑暗区，那些黑暗区是空间的暗黑背景，而这里却是不透明的黑云。在中间那片黑云上可以看到的几颗星星，其实是位于我们和黑云之间的（见图113）。

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图113　向银心看去，给人的感觉是这条神话中的河分成两汊

看不到这个神秘的、连太阳都绕着它旋转的银心以及其他数十亿颗恒星，当然是件大憾事。不过，通过对散布在银河之外的其他星系的观察，我们也能够大致判断出我们这个银心的样子。在银心中，并没有一个像我们这个行星系中的太阳一样的超级巨星在控制着星系的所有成员。对其他星系的研究（以后我们要讲到）表明，它们的中心也是由许多恒星组成的，不过这里的恒星要比太阳附近的边缘区域拥挤得多。如果把行星系统比作由太阳统治着的封建帝国，那么，银河系就像是一个民主国家，一些星星占据了影响的中心位置，其他星星则只好屈尊于外围的卑下社会地位。

如上所述，所有的恒星，包括我们的太阳，全部在巨大的轨道上围绕银心运转。可是，这是怎么证明出来的呢？这些星星的轨道半径有多大呢？绕上一周需要多长时间呢？

所有这些问题，都由荷兰天文学家欧尔特（Jan Hendrik Oort）在几十年前做出了回答。他使用的观察方法与哥白尼用以考察太阳系的方法很相似。

先看一看哥白尼的思考方式。古代巴比伦人、埃及人以及其他古代民族，都注意到木星、土星一类大行星在天空运行的奇特路线。它们似乎是先顺着太阳行进的方向沿着椭圆形轨道前进，然后突然停下来，向后走一段，再折回来朝着原来的方向行进。在图114下部，我们画出了土星在两年时间内的大致路线（土星运转周期为29.5年）。过去，出于宗教偏见把地球当作宇宙的中心，认为所有行星和太阳都绕着地球旋转，对于上面这种奇特的运动，只好用行星轨道是一圈一圈的环套连成的这种假设来进行解释。

但是，哥白尼的目光却敏锐得多，他以天才的思想解释道：这种神秘的连环现象，是由于地球和其他行星都绕着太阳作简单圆周运动的结果。看图114的上部，这种解释就好理解了。

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图114　天体的运行路线

太阳位于中心，地球（小一些的那个球）绕着小圆运动，土星（有环者）以相同的方向在大圆上运动。数字1、2、3、4、5标出了地球和土星在一年中的几个位置。我们要记住，土星的运行比地球慢许多。从地球各个位置上引出向相应时刻的土星上引连线，我们看出这两个方向（指向土星和固定恒星）间的夹角先是增大，继而减小，然后再增大。因此，那种环套式行进的表面现象并不意味着土星的运动有任何特别之处，只不过是我们本身也在运动着的地球上观测土星时的角度不尽相同罢了。

欧尔特关于银河系中恒星作圆周运动的论点，可从图115中搞明白。在图115的下方，可以看到银心（有暗云之类的东西）环绕中心，整个图上都有恒星。三个圆弧代表着距中心距离的恒星轨道，中间那个圆表示太阳的轨道。

我们来看八颗恒星（以四射的光芒标出，以区别于其他恒星），其中的两颗与太阳在同一轨道上运动，一颗超前一些，一颗落后一些；其他的恒星，或者轨道远一些，或者近一些，如图115所示。要记住，由于万有引力的作用，外围恒星的速度比太阳小，内层恒星的速度比太阳大（图上用箭头长短表示）。

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图115　银河系中恒星的圆周运动

这八颗恒星的运动情况，从太阳也就是从地球上来看，是怎样的呢？我们这里所指的恒星沿观察者视线的方向运动，这可以根据多普勒效应很容易地看明白。首先，与太阳同轨道同速度的两颗恒星（标以D和E的两侧）显然相对于太阳（或地球）是静止的。这一点也适用于与太阳处于同一半径上的两颗（B和G），因为它们与太阳的运动方向平行，沿观测方向没有速度分量。处于外围的恒星A和C又如何呢？因为它们都以低于太阳运动的速度运行。因此，到A的距离会增大，到C的距离会减小，而从两颗恒星射来的光线则会分别显示多普勒红移效应和紫移效应。对于内层的恒星F和H，情况正好相反，F会表现出紫移效应，H会表现出红移效应。

假定刚才描述的现象仅仅是由于恒星的圆周运动引起的，那么，如果恒星确实有这种运动，我们就不仅能证明这种假设，还能计算出恒星运动的轨道和速度来。通过搜集天空中各颗恒星的运动资料，欧尔特证明了他所假设的红移和紫移这两种多普勒效应确实存在，从而确凿地证明了银河系的旋转。

同样也能证明，银河系的旋转也会影响到各恒星沿垂直于视线方向的视速度。尽管精确测定这个速度分量要困难得多（因为远处的恒星即使有很大的线速度，也只能产生极小的角位移），这种现象也被欧尔特和其他人观察到了。

精确地测定出恒星运动的欧尔特效应，我们就能求出恒星轨道的大小和运行周期。现在我们已经知道，太阳以人马座为中心的运动半径是30 000光年，这相当于整个银河系半径的三分之二。太阳绕银心运行一周的时间是两亿年左右，这当然是段很长的时间，不过要知道，我们这个银河系已有50亿岁了，在这段时间内，我们的太阳已带着它的行星家族一起旋转了20多圈。如果按照地球年这个术语的定义，把太阳公转一周的时间称为“太阳年”，我们就可以说，我们这个宇宙只有20多岁。在恒星的世界里，事情的发生的确是很缓慢的，因此，用太阳年作为记载宇宙历史的时间单位，倒是颇为方便。

从一到无穷大：银河系中的恒星组成与结构

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