书城科普读物破译奥秘大世界丛书:破译神奇天文之谜
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第7章 太阳系之谜(4)

那么,为什么恒星会有这么多诱人的色彩呢?

如果你到炼钢厂去参观过,肯定会明白这个道理:当钢水在钢炉里的时候,因为温度很高,钢水颜色呈蓝白色,出炉后,随着温度慢慢降低,它的颜色也会逐渐改变,先变成白色,再变为黄色,再由黄变红,最后变成黑色。由此可见,物体的颜色受物体温度的影响,天上的星星也是如此。

星星的不同颜色代表星体表面温度不同。星星的温度不同,所发出的光在不同波段的强度不一样。一般说来。呈现蓝色的恒星,表面温度在25000℃以上,如水委一、参宿七、十字架二(甲星)、马腹一(甲星)和轩辕十四等。

呈现白色的恒星,表面温度在11500~7700℃之间,如天狼星、牛郎星、织女星、天津四和北落师门等。呈现黄色的恒星,表面温度在6000~5000℃之间,如南门二和五车二等。呈现红色的恒星,表面温度在3600~2600℃:之间,如心宿二和参宿四等。

太阳的表面温度大约为6000℃,照理说,太阳应该呈现出黄色,但为什么我们白天看到的太阳发出的光是耀眼的白色呢?其实,这是因为太阳离地球较近的原因。如果你有机会乘宇宙飞船到离太阳较远的地方,就会发现,太阳原来也是一颗黄色的星星。

那么,为什么美丽的朝霞和晚霞绽放的是红光呢?这是因为地球大气对太阳光的7种颜色中的红光折射偏角最大。

恒星能永恒不变吗

年复一年,夜空中的星星在那里闪烁,似乎永恒不变。那么,恒星真的能永恒不变吗?不是的,恒星不仅在宇宙中以极快的速度在运动着,还像人类一样,经历从诞生、成长到衰老,直至死亡的过程。

天空中的星星,有的才刚刚诞生,有的还很年轻,有的正当壮年,有的已苟延喘息、濒临死亡。但恒星从诞生到衰亡要经过几百万年甚至上万亿年,对于恒星的一生来说,人类文明史只是短暂的一瞬,所以,人们会感觉恒星似乎永恒不变。

最初,恒星是由一种叫“氢分子云”的星际气体云形成的。氢分子云内部密度不均匀,只要受到外部扰动,密度高的地方在自身引力作用下就会收缩。随着收缩不断进行,云块内部的密度和温度也不断增高,由原来的氢分子云逐渐变成氢原子云、离子云、红外星。这时,一颗新的恒星就诞生了,称为原恒星。

原恒星继续慢慢收缩,当内部温度达到700万℃时,氢聚变为氦的热核反应被点燃了,它不断产生巨大的能量,使恒星内部压力增高到足以同恒星的引力相抗衡,恒星便不再收缩。

刚形成之际,恒星还埋在残余的云物质中,人们只能用射电望远镜或红外望远镜探测到它们。

恒星刚诞生时,会不断向外抛出物质流,产生强大的星风,速度高达每秒几百、几千千米。当恒星周围残余云物质被星风驱散后,人们肉眼就能看见闪烁的星星。这时,恒星已经“长大成人”,很少变化,称为主序星。太阳就是一颗主序星。主序阶段是恒星一生中精力最旺盛的时期。

在主序阶段,恒星停留的时间取决于氢核燃料的消耗速度,质量越大消耗越快,这一阶段就越短。

太阳是中等质量的恒星,在这一阶段约能停留100亿年,现在的太阳年龄大约为50亿年。质量只有太阳几分之一的恒星,主序星阶段可长达万亿年以上;比太阳质量大10倍的恒星,这一阶段则只有几千万年。

当中心部分的氢核燃料耗完后,恒星便开始走下坡路了。此时,恒星内部开始氦聚变为碳的热核反应,氢热核反应则转移到恒星外层,使外层温度不断升高,体积逐渐膨胀,恒星的体积最终会增大到原来的千倍以上,成为一颗又红又大的红巨星。

在冬夜星空中,明亮的“参宿四”就是一颗著名的红巨星。将来,大约还需要10亿年,太阳就会成为红巨星。

红巨星之后,恒星就进入了老年行列。老年恒星的主要特点是不稳定,大小、亮度都呈不稳定的变化,绝大多数变星和著名的造父变星都是老年恒星。

恒星的老年期比较短,此时,恒星内部的氦、碳、氧先后参与热核反应,最后全部变成铁,能源耗竭使热核反应停止。原来热核反应产生的巨大能量被中微子和辐射带走,使恒星内部的压力大大降低,辐射压力再次被引力战胜,恒星便再次收缩甚至快速坍缩,恒星面临着死亡。

像太阳一类的恒星,经过平静的收缩后变成白矮星,明亮的天狼星的伴星就是一颗典型的白矮星。如果恒星质量很大,会产生剧烈的坍缩并引发超新星爆发,抛出大量的物质后,其内核坍缩成一颗中子星或黑洞。

就这样,恒星结束了其壮丽的一生。

为什么说黑洞神秘莫测

黑洞也是个天体,但比较特殊,它的密度比中子星更大,引力比中子星更强。所以一切物质和辐射只要落人它的地盘,全部被吸进去吞食掉。不但物体掉进去便会消失得无影无踪,甚至连光也,休想从那里逃出来,它就像一个饥饿的无底洞,永远也填不饱。所以有人又将它称为“星坟”。

黑洞这个概念并不新鲜,早在1789年,法国著名的数学家拉普拉斯就已预言过了。他认为,如果有一个天体,它的质量或密度达到一定的限度,人们就看不到它了,因为光没有能力逃离它的表面,也就是说,光不能到达我们这里。

但直到爱因斯坦的广义相对论公布之后,黑洞才引起科学家的普遍关注。科学家根据爱因斯坦的理论,就黑洞存在的条件和形成原因等问题,进行了探索。

直到1965年,科学家测到了一束来自白天鹅星座的X射线,才真正打开了探测黑洞的大门。这个奇特的天体,被天文学家命名为“天鹅座X—1”。经过研究,人们证实这是一个明亮的蓝色星体,还有一颗看不见的伴星,质量比太阳要大10—20倍。

几年后,根据“天鹅座X—1”发射出来的强射线,科学家找到了一个巨大无比的星体,质量是太阳的力培,围绕另一颗星高速运转,它就是互射线的射线源,科学家将它编号为HDE226868。

后来经研究,人们认为X射线并不是HDE226868上发射的,而是绕它运行的伴星上发射的,但看不到它的位置,经计算,这颗伴星质量是太阳的5~8倍。至今,它是黑洞最理想的候选人。

根据1997年1月公布的哈勃空间望远镜观测的成果,在观测过的15个星系中,就有14个可能存在黑洞。此外,在宇宙中还发现了3个超大质量的黑洞,质量分别是太阳的5000万倍、1亿倍、5亿倍。

黑洞是怎么形成的?有人认为是恒星在晚年,因为核燃料被消耗完,在自身引力下开始坍缩。坍缩星体的质量如果超过太阳的3倍,那么,就会产生黑洞。

还有人认为黑洞是超新星爆发时形成的,一部分坍毁的恒星就会成为黑洞。还有人认为是在宇宙大爆炸时,因为异乎寻常的力量,将一些物质挤压得十分紧密,便形成了“原生黑洞”。

至今,虽然人们还没真正捕捉到黑洞,但对黑洞的存在确信无疑,也许银河系中心就是一个大质量的黑洞,也许一些星团的中心就是黑洞,这种想法已被越来越多观测证实。除大黑洞外,很可能还存在比小行星还小的黑洞。有人甚至认为地球上也存在黑洞。这些都还是推测,但总有一天,黑洞的神秘面纱会被揭开。

银河是不是银河系

说到银河系,或许有人会感到陌生。但说到银河,绝大多数人肯定会很熟悉。

在夏天晴朗的夜晚,如果你仰望璀璨的星空世界,就可以看到仿佛有一条淡淡的银色飘带,从地平线一头向上伸展,横跨天穹,它就是银河。中国古代还冠之以“天河”、“星汉”等美名,还流传着在天河鹊桥牛郎织女相会的美丽传说。

那么,银河中那白茫茫的一片究竟是什么呢?自从发明了天文望远镜之后,人们带着这个不解之谜,用望远镜指向银河。原来,银河并不是天上的河流,而是由1000多亿颗恒星密集组成的一个盘状的恒星系统,而太阳系就处在这个系统中。

从太阳系向周围看去,能看到这个恒星系统的盘状部分呈现为一条带形天区,在这块天区内,恒星投影最密集。而因为距离遥远,肉眼没有能将密集的恒星分辨出来,就把它看作是一条发亮的光带,这就是人们所看到的银河。这个庞大的恒星系统也因银河而得名,叫作银河系。所以,银河和银河系是不同的两个概念。

银河系的恒星多数集中在一个盘状的结构里,叫作银盘。从银盘中心向外又伸展出4条弯曲的旋臂,整个银盘半径约为4万光年。而银盘外围则由稀疏的恒星和星际介质组成一个球状体,半径约为5万光年,包围着整个银盘,称为银晕。

在天文学发展史上,第一个用望远镜发现银河是由恒星组成的是伽利略。而第一个通过恒星计数的方法来研究银河系结构的,是18世纪后期著名的英国天文学家威廉·赫歇尔。威廉·赫歇尔用自己亲手磨制的反射望远镜,计数了若干天区内的大量恒星,还根据对观测结果的统计研究,绘制出一幅银河系结构图,这幅图扁而平、轮廓参差、太阳位居中心。

当然,这张银河系结构图并没有准确描绘出银河系的真面目,但这是人类第一次通过观测,揭示了比太阳系更高层次的天体系统的存在,在人们认识宇宙结构构的历程中,具有里程碑的重要意义。

宇宙到底有多大

在遥远的古代,就已有了“宇宙”这个词,但含义与今天已大不一样。人类对“宇宙”的认识,从自身居住的附近到地球,到行星,再到太阳、太阳系,经历了漫长的历史过程。

18世纪,人们还认为宇宙只是太阳系。随着科学的发展,人们认识到:太阳系的中心不是地球,而是太阳。而太阳也仅是天空中数以万计的恒星中的一颗。人们心目中的“宇宙”便开始逐渐扩展到了银河系。到了18世纪后,人们才弄清太阳只不过是银河系中密密麻麻恒星中的一颗。

银河系的直径约为10万光年,厚度约为1万光年,太阳绕银河系中心旋转一周要用两亿年。

近代,人们心目中的“宇宙”已不再是银河系,已经认识到:在银河系以外,还存在许多“河外星系”。

这些“河外星系”也是由千千万万颗恒星组成。它们离地球很远,即使利用大型的望远镜,看到的也仅是一些模糊的光点。

十几个或几十个星系组成“星系群”,银河系就同周围的19个星系组成了一个星系群,直径大约260万光年。

“星系团”是比“星系群”更高一级的星系组织,由成百上千个星系组成。“室女星座”中有一个星系团,包含的星系有1000多个,离地球大约2000万光年。“后发星座”中,有2700个星系,距离地球大约2亿4千万光年。“北冕星座”中有一个星系团,包含400个星系,离地球更远,光从那里照射到地球,需要整整7亿年之久!

一个个“星系团”共同组成了总星系。

人类认识宇宙的过程,从自身居住的区域到地球,又从地球到太阳系,扩大了成百上千倍。再从太阳系到银河系,扩大了1亿倍,从银河系到总星系,扩大10000亿。

随着人类认识的不断深化,宇宙大小也在不断地扩大。几十年前,总星系的半径还只有10亿光年,如今却已远达100亿光年。总星系的大小不断扩大,还给一些科学家开了一个玩笑。例如大名鼎鼎的爱因斯坦,他曾“计算”出宇宙的半径是10亿光年,后来他又修订为35亿光年。然而,他的“计算”结果被一次次地突破了。

茫茫宇宙,无边无际。那么,宇宙到底有多大?是有限的还是无限的呢?

从天文学的角度来看,宇宙是有限的,它的大小实际可以看作是总星系的大小,以一定长度为半径的有限的空间和时间范围。总星系是现在天文学能探测到的最远的世界。现在,人们对宇宙的认识还只局限于总星系。

但从哲学的角度来看,宇宙不但在空间上是无限的,而且在时间上也是无限的。“天地四方日宇,古往今来日宙。”正因宇宙在时间、空间上的无限,才使宇宙能成为一个统一的整体存在。

现在,科学家认为总星系的半径是100亿光年,这就是现在人类心目中的宇宙大小。但在此范围以外还可能有数不清的星系、星系团,总星系到底有多大?它的中心在何方?它的边缘又在哪里?至今仍是不解之谜。

宇宙中存在第二个“太阳系”吗

茫茫宇宙之中,深藏着数不清的奥秘。

有人曾设想过,宇宙中除我们的太阳系之外,还有第二个、第三个太阳系。但另外的“太阳系”具体在哪里?长期以来,争论不休。随着织女星周围行星系的发现,有人认为已找到第二个“太阳系”,为寻找其他许多“太阳系”提供了例证。

那么,第二个“太阳系”是如何发现的呢?

1983年1月,美国、英国、荷兰三国成功地发射了红外天文卫星。后来,利用这颗卫星,天文学家们意外发现天琴座的主星——织女星周围有类似行星的固体环。这一发现可以说是不同凡响、划时代的发现,在世界上还是第一次。

织女星的周围物质吸收了织女星的辐射热,并发射红外线。根据计算,该物体的温度是90K(约零下180℃)。这样一个温度的物体只能用波长几十微米的红外望远镜才能捕获到。恒星的温度下限一般约为500K。温度90K,也就是说那个物体是颗行星。而且,织女星如真有行星系,它便相当于外行星。

美国、英国、荷兰合作发射红外天文卫星,是世界第一颗,主要用来探测全天的红外源。因为来自宇宙的红外线及地球的热,被大气中的水分和二氧化碳气体大量吸收了,又释放出互相干扰的红外线。所以一般红外天文望远镜不能探出宇宙中的低温物体。而红外天文卫星用极低温的液态氦冷却了装置仪器,才有了这次发现。

探测表明,织女星行星系的大小与太阳系行星一样。因为已知织女星发出的总能量,通过90K的物体的温度就能算出织女星与该物体间的距离,即可以算出该行星系的半径。

织女星是全天第四亮星,距离地球26光年。直径是太阳的2.5倍,质量约为太阳的3倍。太阳的表面温度约为6000℃,而织女星表面温度可达10000℃。

太阳诞生于45亿年前,相比之下织女星要年轻得多,诞生于10亿年前。地球大致与太阳同时诞生,如果认为织女星的行星也与织女星同时诞生,那么它的行星应该还处于演化的初期阶段。

根据行星形成的一般假说,当恒星产生时,周围会散发着范围是太阳系100倍的分子气体云环,因为长期相互作用,分成若干个物质团块,最终形成行星。

日本的东京天文台曾公布,他们用射电望远镜曾在猎户座星云等地发现“行星系的婴儿”,即原始的行星系星云。

红外天文卫星和东京天文台的发现,可以说是行星形成过程中的不同阶段。深入研究和分析这两个不同阶段,还有将织女星的行星像更正确地描写出来,是当前世界天文学界面临的一大课题。