旋涡状星云和银河系的相似性：天文学家的重要发现

2023-08-05 理论教育版权反馈

【摘要】：可以注意到，它们有典型的旋涡结构，而在总体上构成了和我们这个银河系一样的凸透镜形，因此，这些星云被称为“旋涡状星云”。沙普勒就是用这种机敏的方法，成功测出了银河内的极远距离，并有效地估计出我们这整个星系的大小。由于天文学家，特别是著名的星系观测家、威尔逊山天文台的E.哈勃的探索，这些遥远的恒星社团已向我们披露了许多有趣且重要的事实。在旋涡星系的中心部分和球状、椭球状星系的内部找不到这种恒星。

前面已经提到过，我们这个银河系并不是唯一的在巨大的宇宙空间中飘浮的、孤立的恒星社会。望远镜的研究已经在空间深处揭示了许多巨大的系统，它们和我们这个太阳所属的星群很相似。距我们最近的一个是著名的仙女座星云，它可直接用肉眼看到。它的样子是一个又小又暗的相当长的模糊形体。图版Ⅶ的a和b是用威尔逊山天文台的大望远镜所拍摄到的两个这样的天体，它们是后发座星云的侧视图和大熊星座的正视图。可以注意到，它们有典型的旋涡结构，而在总体上构成了和我们这个银河系一样的凸透镜形，因此，这些星云被称为“旋涡状星云”。有许多证据表明，我们的银河系也是这样一个旋涡体。当然，要从内部来确定这一点是件困难的工作，但我们还是了解到，太阳非常可能位于我们这个“银河大星云”的一条旋涡臂的末端上。

在很长一段时间内，天文学家并未意识到这类旋涡星云是与我们这个银河系类似的巨大星系，却把它们和一般的弥散星云混为一谈，后者是散布在空间中的微尘所形成的巨大云状物，如悬浮在银河内恒星之间的猎户星云。但是，人们后来发现，这些看起来雾蒙蒙的旋涡状天体根本不是尘埃和雾气。使用最高倍的望远镜，可以看到一个个小点，这证明它们是由单独的恒星组成的。不过它们离我们太远了，无法用视差法求出它们之间的距离。

看起来好像我们测量天体之间的距离的手段用完了，然而并没有，在科学研究中，当我们在某个无法克服的困难面前停止下来时，耽搁往往是暂时的，人们总是会有新的发现，从而使我们再继续下去。在这里，哈佛大学的天文学家沙普勒（Harlow Shapley）又找到了一根新式的“量天尺”——所谓脉动星或造父变星^[7]。

天上星，数不清。大多数星星宁静地吐着光辉，但有一些星星，它们的光度则是有规律地发生明暗变化，这些巨大的形体像心脏一样规则地搏动着，它的亮度也随着搏动进行周期性变化^[8]。恒星越大，脉动周期越长；这就像钟摆越长，摆动就越慢一样。很小的恒星（就恒星而论）几小时就完成一个周期，巨星则需要很多年。而且，既然恒星越大就越明亮，那么造父变星的脉动周期与平均亮度之间一定存在着相互关系。通过观测离我们相当近、因而能够直接测出距离和绝对亮度的仙王座造父变星，这种关系是可以确定下来的。

如果我们发现了一颗脉动星，它的距离超出了视差法的量程，那么，我们只要从望远镜里观测它的脉动周期，就能知道它的真实亮度；再把它与视亮度对比，就可以立即知道它的距离。沙普勒就是用这种机敏的方法，成功测出了银河内的极远距离，并有效地估计出我们这整个星系的大小。

当沙普勒用这种方法来测量仙女座星云中几颗脉动星时，所得到的结果使他大吃一惊：从地球到这几颗恒星的距离——这当然也就是到仙女座星云本身的距离——竟达1 700 000光年。这就是说，它比银河系的直径要大得多。仙女座星云的体积原来只比我们这个银河系略小一些。本书图版Ⅶ上的两个旋涡状星云还要更远，它们的直径也和仙女座星云不相上下。

这个发现宣判了原来那种认为旋涡状星云是银河系内的“小家伙”的观点的死刑，并确定了它们作为类似于银河系的独立星系的地位。如果在仙女座星云数以亿计的恒星中，有一颗恒星所属的行星上有“人类”存在，那么，他们所看到的我们这个银河系的形状，就和我们现在看他们那个星系的形状差不多。对此，天文学家现在已不再有什么怀疑了。

由于天文学家，特别是著名的星系观测家、威尔逊山天文台的E.哈勃（Edwin Powell Hubble）的探索，这些遥远的恒星社团已向我们披露了许多有趣且重要的事实。例如，由强大的天文望远镜所观测到的数量众多——比肉眼能看到的星星还多——的星系并不都是旋涡状的，而且种类还不少。有球状星系，它看起来像个边界模糊的圆盘；有扁平程度各不相同的椭球状星系；即使是旋涡状的，其“绕卷的松紧程度”也有所不同；此外，还有形状奇特的“棒旋星系”。

把观测到的各种星系按类型排列起来，得到一个极为重要的事实（见图116）：这个序列可能表示了这个巨大星系的各个不同的演化阶段。

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图116　星系正常演化中的各个阶段

关于星系演化的详细过程，我们还远远没有达到了解的地步，不过，演化很可能是由于不断收缩而造成的。大家都知道，当一团缓慢旋转的球状气体逐步收缩时，它的旋转速度会加快，形状也随之变为椭球体。当收缩到一定阶段，即当椭球的极轴半径与赤道半径的比值达到7/10时，就会在赤道上出现一道明显的棱，呈凸透镜状。再进一步收缩，旋转的气体物质会沿棱圈方向散开，在赤道面上形成一道薄薄的气体帘幕，同时整团气体仍大体上保持着透镜的形状不变。

英国著名物理学家兼天文学家金斯（James Hopwood Jeans）从数学上证明了上面这些说法对于旋转的球状气体是成立的。同时，这种论证也可以原封不动地应用到星系这类巨大的星云上去。事实上，让单个恒星扮演分子的角色，我们就可以把这样密集在一起的亿万颗恒星看成一团气体了。

把金斯的理论计算和沙普勒对星系的实际分类对照一下，就会发现两者完全吻合。具体地说，我们已发现所观测到的最扁平的椭球状星云，其半径之比为7/10（E7）；而且这时开始在赤道位置上出现明显的棱圈，至于演化后期出现的旋臂，显然是由迅速旋转时被甩出的物质形成的。不过，迄今为止，我们还不能非常圆满地解释为什么会出现这种臂，它们是怎样形成的，以及造成普通旋臂和棒型旋臂的差别的原因。

对这些星系的构造、运动和各部分组成的了解，还需要做许多研究工作。例如，有这么一个有趣的现象：前几年，威尔逊山天文台的天文学家巴德（Walter Baade）指出，旋涡状星云的中心部分（核）的恒星和球状、椭球状的恒星属于同一种类型，但在旋臂内却出现了新的成员。这种“旋臂型”成员因其又热又亮而和中心的部分不同，是所谓的蓝巨星。在旋涡星系的中心部分和球状、椭球状星系的内部找不到这种恒星。以后（在第十一章）我们将看到，蓝巨星极可能是新诞生不久的恒星，因此，我们有理由认为，旋臂是星空新成员的产房。可以假设，从正在收缩的椭球状星系那膨胀的“腰部”甩出来的物质，有一大部分是气体，它们来到寒冷的星际空间后，就凝缩为一块块巨大的天体，这些天体以后又经收缩，变得炽热而明亮。

在第十一章中，我们还要再回头来探讨恒星的产生和经历。现在，我们应该考虑一下星系在广大宇宙空间的大致分布。

首先说明一点：通过观测脉动星来测量距离的方法，在用来判断银河系附近的一些星系时得到极好的结果。然而，当进入太空的更深处时，这种方法就变得很不灵了，因为这时的距离已大到即使用最强大的望远镜也不能分辨出单个星星的程度。这时所看到的整个星系不过是一团小小的长条星云。在这种情况下，我们只能凭所见到的星系的大小来判断距离，因为星系并不像单个恒星那样大小有别，同一类型的星系是同样大小的。如果所有的人都一样高矮，既无侏儒，又无巨人，你就总是可以根据一个人的视觉大小来判断出他的远近。这两者是同样的道理。

哈勃用这种方法估计了远方的星系，他得出了在可见（用最大倍率的望远镜）的空间范围内，星系或多或少均匀地分布的结论。我们说“或多或少”，是因为在许多地方星系成群聚集在一起，有时竟达上千个之多，就好像许多恒星聚集成银河系那样挤在一起。

我们的星系——银河系——看来显然是属于一个比较小的星系，它的成员包括3个旋涡状星系（包括银河系和仙女座星云）、6个椭球状星系及4个不规则星云（其中有两个是大、小麦哲伦星云）。

不过，除了这种偶尔存在的群聚现象外，从帕洛马山天文台的200英寸天文望远镜看去，星系是相当均匀地散布在10亿光年的可见距离内的，两个相邻星系的平均距离为500万光年，在可见的宇宙地平线上，包含有几十亿个恒星世界！

如果还采用前面的比喻，把帝国大厦看作细菌那么大，地球是一颗豌豆，太阳是一个南瓜，那么，银河系就是分布在木星轨道范围内的几十亿个南瓜，而许许多多这样的南瓜堆又分布在半径略小于地球到最近恒星这样一个球形空间内。是啊！实在难找出一种表示宇宙间各种距离所成比例的尺度来啊！瞧，即使把地球比成一颗豌豆，已知宇宙的大小还是天文数字！我们试图用图117告诉大家，天文学家们是如何一步一步地勘测宇宙的：从地球开始到月亮，然后是太阳、恒星，然后是遥远的星系，一直到未知世界的边界。

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图117　勘测宇宙的里程碑距离是用光年表示的

现在，我们准备来解答宇宙的大小这个根本问题。宇宙是无限延伸的，还是有有限的（当然相当大）体积？随着望远镜越来越大，越来越精密，我们探寻的目光到底是总能发现一些新的、未被勘查过的空间呢，还是与此相反，我们终将至少在理论上审视到最后一颗恒星呢？

当我们说宇宙可能是“确定大小”的时候，当然并不是想告诉大家，在远到几十亿光年的地方，人们会碰到一堵大墙，上面写着“此路不通”的字样。

事实上，我们在第三章里已经讲过，空间可以是有限而没有边界的。这是因为它是可以弯曲的，并且“自我封闭”起来。这样，一位假想中的空间探险家，尽管他笔直地驾驶着飞船，却会在空间描出一条短程线，并回到他出发的地方来。

这当然就像是一个古希腊探险者，从他的家乡雅典城出发，一直向西，结果在走了许久之后，却发现自己又从东门进了这座城一样。

正如同我们无须周游世界，只凭在一块相对来说很小的部位上进行几何测量，就可以测定地球的曲率一样，我们也可以在现有望远镜的视程内，测定出宇宙三维空间的曲率。在第五章中，我们曾看到，有两种不同的曲率：相对于有确定体积的封闭空间的正曲率，以及相对于鞍形无限开放空间的负曲率（见图43）。这两种空间的区别在于：均匀散布在封闭空间内的物体，其数目的增长慢于距离的立方，而在开放空间则恰恰相反。

宇宙空间内“均匀散布的物体”就是各个星系。因此，要想解决宇宙的曲率问题，只需统计不同距离内单个星系的数目就可以了。

哈勃曾做了这种统计，他发现，星系的数目很可能比距离的立方增长慢一些，因此，宇宙大概是一个有确定体积的正曲率空间。不过一定要记住，哈勃所观察到的这种效应非常不显著，只是在威尔逊山上那架10英寸望远镜视线的尽头才刚刚有所察觉。至于用帕洛马山上那架新的200英寸反射式望远镜在最近进行的最新观测，还没有对这个重大问题做出更明确的答复来。

现在还不能对宇宙是否有限这个问题做出肯定回答的原因还在于：远处星系的距离只能靠它们的视亮度来确定（根据平方反比定律）。使用这种方法，需要假设所有的星系都具有同样的亮度，然而，如果星系的亮度随时变化（即与年代有关），就会导致错误的结论。要知道，通过帕洛马山望远镜所看到的最远的星系，大多都在10亿光年的远处，因此，我们看到的是它们在10亿年前的状况。如果星系随着自己的衰老而变暗（大概是由于有些活动的恒星成员熄灭所致），那就得对哈勃的结论进行修正。事实上，只要星系的光度在10亿年里（它们寿命的1/7左右）改变一个很小的百分数，就会把宇宙有限这个结论颠倒过来。

这样，大家都看到了，为了确定我们的宇宙到底是有限的还是无限的，还有许许多多的工作等待我们去做！

【注释】

[1]哥伦布（1451—1506年），意大利航海家，于1492年发现了“新大陆”——美洲。

[2]麦哲伦（1480—1521年），葡萄牙航海家，于1519年首次率船队完成环球航行，麦哲伦本人于1521年死于旅途，但船员继续航行，于次年返回欧洲。

[3]立体镜是一种观看图片立体效果的装置。把两张从两个适当角度拍来的同一物体的照片放在立体镜中，两眼分别观看其中一张，就能产生立体效果。

[4]2006年，第26届国际天文联合会通过决议，将冥王星划为矮行星，自行星之列中除名。

[5]精确数值是0.600″±0.06″。

[6]这种观察在初夏的晴夜进行最为有利。

[7]这种星的脉动变化现象是首先在仙王座β星（造父一）上发现的，因此就以此命名。

[8]不要和交食变星，即两个互相围绕对方转动的双星的周期性互相掩食现象相混。