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第2章 摇银河系的秘密(1)

对银河系认识的演变

其实在赫歇尔之前,也还有一些别的人想过银河到底是怎么回事。英国有一个天文学家叫赖特,他想象宇宙是一个球,在这个球上星的分布是不均匀的,在球上的一条带上,恒星比较聚集,而球的中间,就是我们地球。1750年,他发表了一篇论文。但是5年以后,哲学家康德不同意赖特的这个观点。他有另外一个想法,他说这些行星组成的一个系统,就好像现在扔的铁饼,如果我们处在铁饼中心,我们向着铁饼盘面的四周方向看,恒星就应该很密集,但是向着铁饼盘面的上方和下方看,星就应该少。所以康德不同意银河系是一个圆球状分布的带,而认为银河系是像铁饼形状的一个带。但这毕竟是一个哲学家的思考,哲学家思考是要靠推理的,这个推理非常有道理。

于是赫歇尔就来分析他们谁说的对。天文学家的工作跟哲学家的工作不一样。哲学家靠推理,天文学家靠观测,而且这个观测做得非常笨。什么意思呢?

他得数天上的星星。城市里灯光多,我们看不见几颗星,大家如果数星星的话,很容易数清楚。但是到了一个很黑暗的地方,你就数不清了,因为星星太多了。

赫歇尔的工作是用望远镜来数星星。大家知道,在望远镜里看到的星星太多,那么赫歇尔数了多少颗星星呢?17万多颗,真是一个非常辛苦的工作。这项工作他做了很多年,他把天空划分为300多个区,然后来数每个区有多少星。这样计算出来以后,他就可以构建一个银河系的模型。赫歇尔构造出的银河系模型,长度跟宽度的比应该是4颐1。在这个银河系中,太阳在银河系中心附近。

到了1785年,人类真正对银河的认识有了突破,“银河”从河流这个概念变成了一个星系——恒星所组成的一个系统。对银河系的认识过程挺不容易,从一个美丽的传说到真正变成一个恒星的系统,中间经过了2000多年。

银河系的“旋臂”

地球上的人类认识银河系其实是比较困难的,为什么呢?改用一句苏轼的诗来说就是“难识银河真面目,只缘身在此河中”。因为我们自己在银河系里,所以认识银河系是很困难的。例如,我自己是一个智能的红细胞,我在身体里可以随着血液去循环,我作为智能的红细胞,可以认识人身体中的器官。但是,这个人的外貌是什么样?我说不出来,因为我在人的身体里,只是一个红细胞而已。人类现在认识银河系的困难也在这里,我们自己在里面,不知道它是什么形状。我们看到的河外星系,即其他的星系,也是旋涡状的,那么我们就可以来反推自己的银河系也是一个旋涡状的星系。那么银河系有多大呢?直径大概是10万光年。

太阳距离银河系的中心是27000光年。银河系的主要结构是核心,叫做银心,银心以外是银盘,也就是刚才我们说的盘面的结构。银盘的直径是10万光年。

银盘的外围叫银晕。

此外,银河系是有旋臂的。什么叫旋臂?银河系的盘的结构不是像铁饼那么一个板块,而是旋涡结构。如果我们自己在银河系里要想看到旋臂的话,那是非常困难的。大家在晚上都看到过银河,把看到的银河想象成一个恒星系统已经是比较困难了;如果还想在银河里找到旋臂的话,那就更困难了。为什么呢?因为我们的银河系里还有看不见的暗物质,它挡住了光,所以看不见。这时候要想认识后面的星,就很困难。但是这难不住天文学家。有很多聪明的天文学家,他们看到在别的星系里,也有这样的旋涡星系。那么旋涡星系的旋臂上是一些什么星呢?是一些蓝颜色的很热的星,而这些星只在旋臂上出现。这样天文学家就受到启发,他们观测银河系里那些温度特别高的星,就是发蓝、发白的星。观测的结果就是找到了旋臂。但是,人们找到旋臂已经是1951年以后了,所以认识银河系其实是在20世纪才有了比较大的进展。

银河系“旋臂”产生的原因

20世纪50年代出现了射电天文学,射电天文学就是用无线电望远镜来接收来自天体的无线电波。接收了无线电波,就可以分析天体的情况了。往银河系的旋臂上发射一种特别的无线电波,波长是21厘米。如果有一个射电望远镜,能观测21厘米的波段的话,就能解开银河系旋臂之谜。经过天文学家的观测,证实光学的观测是对的。于是人们认识到,银河系其实和别的旋涡星系一样有旋臂。在20世纪20年代,科学家还观测了很多旋涡星系。

这个时候就提出了两个问题—第一个问题,这些旋涡星系是在银河系里,还是在银河系之外?第二个问题,我们观测到的这些旋涡星系基本上都不在银河附近,而是在离银河比较远的地方,这是为什么?天文学家沙普利解释说,这些星云其实都在银河系里。

但是,美国天文学家柯蒂斯不这么认为,他认为这些旋涡星系一定是离银河系比较远的,于是他就重点观测了仙女座星云。当时柯蒂斯估计,仙女座星云有50万光年,而银河系大小是10万光年左右,因此50万光年肯定在银河系之外了。但是沙普利不同意,这一场辩论,在天文学上叫做“伟大的辩论”。为什么叫“伟大的辩论”呢?太阳不是银河系的中心,而银河系在众多的星系里,也是一个很普通的旋涡星系。所以这样一个结果意味着不但太阳不是银河系的中心,而且银河系也绝不是宇宙的中心。这样大家就明白了,其实我们生存在一个很大的恒星系统里,这个恒星系统叫做银河系。但是这个银河系其实在宇宙中还是一个很普通的星系。

那么银河系这个旋涡星系为什么会有旋臂?有一种理论认为,在银河系里有一种密度波,而旋臂就生存在密度波密集的时候,即密集的波传到旋臂的时候,就形成了恒星密集的旋臂。实际上太阳有时候就在旋臂里,有时候又出去了。那么有没有观测证据呢?是什么样的观测证据呢?我们知道太阳系中有八大行星,那么八大行星中间的空隙里是什么?我们过去认为是行星际物质。当太阳在银河系的旋臂里穿梭的时候,银河系旋臂里的那些物质就会进入到太阳系。因此我们在太阳系里发现很多不是太阳系的物质,即行星际的物质。太阳在旋臂里有时候穿进去,有时候穿出来,这个就叫做密度波理论。

密度波理论可以很好地回答为什么会形成旋臂。但是旋臂还有一件非常有意思的事情——旋臂是银河系里新的恒星诞生的摇篮。每年,银河系都会有新的恒星生成,老的恒星死去。每100年至少会有一颗星老化,但是新生的星每年就会有10颗左右。那么这样一些新生的星出现在什么地方呢?就出现在银河的旋臂上。为什么呢?因为密度波走到旋臂的时候,它压缩星系的物质,使得恒星的形成成为可能。

银河是“静”是“动”

我们知道,太阳在银河系里有运动。那么银河本身有没有运动呢?我们需要靠观测事实来说话。当我们观测恒星的时候,会有一些新的发现。我们观测了很多星的运动,其中在天空横的方向上的运动叫做自行。还有一种运动,是在我们视线方向上的运动。比如—一辆汽车与观测者的视线方向是一致的,就很难估计它的距离和速度,也就是汽车迎面而来,或者背向而去的时候,看不出它走得多快。但是向着我们视线方向的运行也有办法来观测。什么办法呢?常常在外旅行的人有这样一个经验,坐火车的时候,如果前方有一列火车迎面而来,这列火车的声音就会越来越尖锐。当两列火车互相离开的时候,声音就会越来越钝。也就是说,运动的两列火车发出声音的频率会有变化。

同样的道理,在观测一颗恒星的光的时候,我们把光分解成光谱。在观测光谱的时候我们发现,谱线会有一种运动,谱线的运动就会表示出光的频率的变化。当一颗星接近我们的时候,谱线会发蓝颜色的光,向更蓝方向走一点。

当它背向我们去的时候,谱线向红的方向走一点。这种速度我们叫做视向速度。

经过了很多年天体运行速度的各种分析以后,我们发现其实银河系是在转动的。

在太阳附近,银河系转动的速度达到每秒220千米,这是一个很高的速度。大家想一想,我们发射一个人造卫星,只要每秒8千米的速度它就可以围着地球转了。但是太阳所在银河系这一部分的旋转速度,是每秒220千米。地球围着太阳转,金星、火星、木星、土星都在围着太阳转。在描述行星围绕太阳运动的时候,有一个规律,叫做开普勒定理。符合开普勒定理的一种运行是随着距离的不同速度也不同。但是银河系自身的旋转,既不是一个刚体的运行,铁板一块,又不像太阳系里行星围绕太阳的旋转形式,而是在不同的地方运动的速度不一样,为什么呢?太阳系的天体在运行的时候,围绕的中心是太阳。太阳离银河系的核心还有27000光年,在这27000光年的距离内还有很多的星,这些星的质量都会汇聚到银河系中心来计算。而这些星是不断运动的,所以银河系核心部分的质量在不断地变化。它们之间的速度互相制约,比较复杂。即银河系是由恒星构成的一个庞大的集团,它至少有1000多亿颗星,还在不断地旋转,而这种旋转随着距离银河系核心部分远近的不一样,旋转的速度也不一样。

以上证明了银河系在旋转,银河系本身是一个旋涡星系,它有很多旋臂,旋臂非常有意思,是银河系里恒星诞生的场所。

银河系中心是否存在黑洞

银河系的核心还是比较大的。我们需要观察银河系核心,不妨在夏天沿着人马座方向看。夏天,看南方天空就可以找到人马座。那个地方非常亮,这就表示那个地方是银河系的中心。银河系中心应该有一个比较大的黑洞,为什么呢?黑洞本身的质量非常大,引力也非常大,它可以把外面的物质吸进去,且只进不出。因此银河系中心,应该有这么一个庞大的黑洞来维持银河系庞大的引力。那么有什么证据来证明银河系核心有黑洞,而且是一个比较大的黑洞呢?在银河系的核心部分,我们可以观测到强烈的X线辐射,而且红外辐射也特别强。因为,当物质高速旋转接近黑洞,被黑洞吞掉的时候,由于运动的速度非常高,就会辐射X线。所以人们设想,银河系的核心应该也有一个黑洞。

在浩瀚的苍穹中,黑洞好似一个吞噬一切的无底洞,任何物质一旦掉进去,就再也无法逃脱。它虽然是隐形的却吸引力无穷,就连光线也不放过。近来,有科学家称,银河系中心有巨大黑洞。它,会不会将我们也吞噬了呢?

银河黑洞曾经是一个很有争论性的议题。近来天文学家通过使用欧洲南天巴拉那天文台的一部极大望远镜,以及一部简称为NACO的高性能红外相机进行观测,发现我们银河系的中心,藏着一个质量超过200万个太阳的黑洞。

观测过程中,天文学家耐心地追踪一颗编号为S2的恒星运动。这颗恒星距离银河中心大约只有17光年,或者说是冥王星轨道半径的3倍距离,以5000千米/秒的速度绕银河中心公转。结果证明,恒星S2是在一个不可见天体强大的重力作用下运动,而这个天体极端细小且致密,换句话说是一个超大质量的黑洞。

天文学家观察发现,宇宙爆炸产生的一个黑洞目前正在以比其周围的星球高出4倍的速度穿过银河系,这也同时证明了黑洞的确是超新星爆炸后产生的后代。该黑洞至少距离地球有6000光年,目前的大致方向是朝着地球飞来,但近期不会对地球构成威胁。因此,未来5年间,人类有望更近距离地接触黑洞,这将成为对爱因斯坦广义相对论的一个检验。

这是人类发现的第一个在银河系内部快速飞行的黑洞。一颗人类可以观测到的星球每2.6天绕黑洞飞行一周,黑洞从这颗星球中吸取养料。

根据黑洞理论,黑洞是由大质量的恒星坍缩形成的。此时原来构成恒星的物质集中于一“点”,其密度趋向无限大,以至于光都无法逃脱它的引力。因此从外界看,这种天体是全黑的。由于黑洞的这一特点,使得天文学家寻找黑洞的工作十分困难,天文学家只能根据黑洞能够剧烈地“吞噬”它附近的天体这一性质确定其存在。

通常黑洞有三种类型,一种是位于星系中央的“超级黑洞”,另一种是恒星级的黑洞,其质量大概有数十个太阳左右,还有是介于两者中间的“中等质量黑洞”。那些规模较大的黑洞主要形成于大型的星系中间,这次发现恒星黑洞大多是在大型星球爆炸时产生的。星球爆炸时大多数物质会被炸飞,但如果留下的物质足够大,是太阳的3~15倍,那么它们就会形成黑洞。

天文学家在研究距离太阳系2.6万光年的人马座A星时发现,其发出的射电波信号虽然能穿透尘埃,却要受到星际等离子体介质的散射影响。

为此,天文学家连续守候20个月等待最佳天气条件,一举揭开其神秘面纱。这个隐藏在宇宙中的“暗物质”至少是太阳质量的40万倍,而直径却仅与地球轨道半径相当,运动速度更是只有8千米/秒,完全符合“超级黑洞”的特征。因为NACO相机能够追踪非常靠近银河中心的恒星,所以它能很精确地测出中心黑洞的质量。除此之外,随着天文学家继续观测恒星如何绕着超大质量的黑洞运行,也可以为严格检验爱因斯坦仪相对论提供依据。

天文学家第一次看到距离黑洞中心如此近的区域,对人马座A星周围的恒星轨道运动研究显示,这一区域的质量甚至相当于约400万个太阳。而且,这一区域的引力都非常强大,根本不可能有恒星存在。通过分析这些恒星团的特点,天文学家们指出,在它们的中心区域同样也存在着一个黑洞,但其尺寸要小得多。

天文学家认为,大型黑洞可能是通过自身强大的引力将恒星团“拽”到了自己的附近。不过,天文学家们同时也指出,要证明这一理论,以目前的科学水平几乎是不可能的。现在唯一可以明确的是,新发现的恒星团与可能导致被黑洞吞噬的“危险区域”之间仍有相当的距离。

科学家们认为,位于这一潜在黑洞附近的恒星团具有非常高的运行速度,使得其可以避免距离黑洞过近。据测算—恒星团的运动速度大约为850千米/秒。

相信随着科技的发展,人类对银河系中心黑洞的奥秘会得到越来越多的发现。

银河系为什么会弯曲

银河系是一个巨大的、由数千亿颗恒星组成的星系。它的中心部分凸出,像一个很亮的圆盘,直径约为2万光年,厚1万光年,平均宽度约为20光年。