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认知宇宙(上)

2013-12-23  爱雅阁
 
1、宇宙诞生的奥秘


 
卫星拍摄的天空背景辐射图。图中蓝色区域是较冷的区域。  当人类第一次把目光投向天空时,就想知道这浩瀚无垠的天空以及那闪闪发光的星星是怎样产生的。所以,各个民族、各个时代都有着种种关于宇宙形成的传说。比如盘古开天、女娲补天等优美的神话故事和上帝6天造出天地万物的宗教观念。不过那都是建立在想像和猜测基础上的。现在,科学技术有了巨大的飞跃,我们的认识已超出地球、太阳系、银河系的范围,而关于宇宙的诞生和形成,也有了较为明晰的观念。
“大爆炸”理论
大爆炸宇宙模型示意图  1946年,美国科学家伽莫夫提出“大爆炸”理论。此后,“大爆炸”理论逐渐形成体系,成为人们普遍接受的观点。“大爆炸”理论认为,大约在200亿年以前,构成我们今天所看到的天体的物质都集中在一起,密度极高,温度高达100多亿度,被称为“原始火球”。这个时期的天空中,没有恒星和星系,只是充满了辐射。后来不知什么原因,“原始火球”发生了大爆炸,组成火球的物质飞散到四面八方,高温的物质冷却起来,密度也开始降低。在爆炸两秒钟之后,在100亿度高温下产生了质子和中子,在随后的自由中子衰变的11分种之内,形成了重元素的原子核。大约又过了1万年,产生了氢原子和氦原子。在这1万年的时间里,散落在空间的物质便开始了局部的联合,星云、星系的恒星,就是由这些物质凝聚而成的。在星云的发展中,大部分气体变成了星体,其中一部分物质因受到星体引力的作用,变成了星际介质。宇宙就这样形成了。
宇宙发展时序示意图
亚稳状态宇宙论
宇宙一诞生就急剧膨胀, 并在膨胀期孕育了无数个宇宙,可称其为子宇宙、孙宇宙。  1999年9月,印度著名天文学家纳尔利卡尔等人提出一种新的宇宙起源理论--“亚稳状态宇宙论”,对大爆炸理论提出挑战。他们相信,宇宙是由若干次小规模的爆炸而不是一次大爆炸形成的。新理论认为,宇宙在最初的时候是一个被称为“创物场”的巨大的能量库,而不是大爆炸理论宇宙发展时序示意图宇宙一诞生就急剧膨胀,并在膨胀期孕育了无数个宇宙,可称其为子宇宙、孙宇宙。所描述的没有时间、没有空间的起点。在这个能量场中,不断发生爆炸,逐渐形成了宇宙的雏形。此后,又接连不断地发生小规模的爆炸,导致局部空间的膨胀。而时快时慢的局部膨胀综合在一起便形成了整个宇宙范围的膨胀。新理论犹如一块沉重的巨石,在人们平静的心湖里激起狂澜。人们开始重新反思生命,以至产生生命的庞大宇宙。物质在膨胀刚结束后的火球宇宙中诞生。
暴胀宇宙学
  1979~1981年,美国科学家古思、温伯格和威尔茨克三人提出“暴胀宇宙学”理论。这个学说认为,在大爆炸后不到10-35秒的瞬间,宇宙迅速地膨胀,故称为“暴胀”。暴胀持续了大约10-32秒。在如此短的时刻内,宇宙的体积却增大了1043倍!




                                                                                 2、  宇宙有多大?

在18世纪人们的眼里,宇宙还只是太阳系。随着科学技术的发展,人们认识到:太阳也只是天空中数以万计的恒星中的一颗。于是,人们心目中的宇宙开始逐渐扩展到了银河系。近代,人们的认识范围逐渐扩大,人们心目中的宇宙已不再是银河系。人类已经认识到:在银河系以外室女座草帽星系,还有许多河外星系的存在。十几个或几十个星系一起组成星系群。成百上千个星系则组成更高一级的星系组织--星系团。北冕星座是有一个包含着400个星系的星系团,离我们更远,光从那里照射到我们地球,需要整整7亿年之久。这样的一个个星系团共同组成了我们的总星系。人们都说“宇宙广阔无垠”,那么,宇宙究竟有多大呢?
牛顿的“箱子宇宙”
牛顿是古典力学的创立者,他曾设想宇宙是个“大箱子”。  从哲学角度上说,宇宙不光在空间上是无限的,在时间上也是无限的。“天地四方曰宇,古往今来曰宙”。正因为宇宙在时间上和空间上的无限,才使得宇宙能够作为一个统一的整体而存在。德国大哲学家康德曾提出著名的时空悖论,强调人们关于宇宙有限与无限的理解必然存在着矛盾。古典力学创立者牛顿设想:宇宙像一个无边界的大箱子,无数恒星均匀地分布在这个既无限又空虚的箱子里,靠万有引力联系着。他的观点引出了有名的“光度怪论”(即“奥尔伯斯佯谬”):如果宇宙真是无限的,恒星又是均匀地分布着,那么夜晚的天空将会变得无限明亮!
爱因斯坦的“有限宇宙球”
爱因斯坦的相对论指出:宇宙中时间和空间是非常复杂地纠缠在一起的。  相对论大师爱因斯坦,于1917年提出了有限宇宙的模型,“把宇宙看作是一个在空间尺度方面有限闭合的连续区”,并从宇宙物质均匀分布的前提出发,在数学上建立一个前所未有的“无界而有限”、“有限而闭合”的“四维连续体”,即一个封闭的宇宙。根据爱因斯坦提供的“宇宙球”模型推想,在宇宙任意一点上发出的光,都将会沿着时空曲面在100亿年后返回它的出发点。人类目前的认识,实际上是把宇宙作为在时间上有起点,在空间上有限度的想像模型来对待的。
宇宙到底是什么样子

英国剑桥大学教授斯蒂芬·霍金(1942~)是继爱因斯坦之后最伟大的科学家之一。  宇宙到底是什么样子?英国物理学家斯蒂芬·霍金的观点比较让人容易接受:宇宙有限而无界,只不过比地球多了几维。比如,我们的地球就是有限而无界的。在地球上,无论从南极走到北极,还是从北极走到南极,你始终不可能找到地球的边界,但你不能由此认为地球是无限的。实际上,我们都知道地球是有限的。地球如此,宇宙亦是如此。怎么理解宇宙比地球多了几维呢?举例来说:一个小球沿地面滚动并掉进一个小洞中。在我们看来,小球是存在的,它还在洞里面,而对于一个假设的“二维”世界的动物来说,它得出的结论就会是:小球已经不存在了!它消失了。为什么会得出这样的结论呢?因为它生活在“二维”世界里,对“三维”世界是无法清楚认识的。同样的道理,我们人类生活在“三维”世界里,对于比我们多几维的宇宙,也是很难理解清楚的。

3、宇宙的归宿

 
  根据宇宙的大爆炸学说,我们的宇宙产生于200亿年前,而且在不断膨胀。这使得人们不禁要问,宇宙要膨胀到何时,宇宙的归宿是什么样呢?宇宙论学者认为我们的宇宙有三种可能的归宿:第一种情况是宇宙所包含的物质太少,引力无法遏止宇宙继续膨胀,结果宇宙会永无止境地膨胀下去,我们称这个宇宙为“开放宇宙”;第二种情况是宇宙拥有足够的物质,使膨胀的速度逐渐降低,并最终在某一时刻将膨胀逆转为“大压缩”,这种宇宙称为“封闭宇宙”;第三种情况介乎两者之间,宇宙物质的平均密度刚好等于“临界密度”。这时候,宇宙会继续保持膨胀的状态,不过膨胀的速度会随时间而逐渐减慢。我们称这种宇宙为“平坦宇宙”
古埃及人的宇宙观:星星像是悬挂的油灯。 浩渺宇宙在时间中仿佛是一个封闭的果壳。 古埃及人把头顶的天空想像成一位女神。
宇宙的循环运动
国际宇宙空间站  宇宙物质的运动是循环衍生的(生命只是物质运动的一种形式)。据计算,任何恒星经过100万亿年都会与另一颗恒星接近一次。这样恒星周围的行星就会被撞出而流离失所。这时,90%的恒星逃离星系,剩余者则形成一个大黑洞。新的粒子理论同宇宙的结局密切相关。新理论告诉我们,原子核内的质子可能不是永恒的物质,它的寿命是1亿亿亿亿年。如果真是这样,经过1亿亿亿亿年后,只剩下几种基本粒子和黑洞了。
宇宙的年龄
哈勃空间望远镜  说到宇宙的年龄,人类不能再用通常的尺度,不是用百万年,而是用亿年为单位。但对宇宙的年龄,科学家们只是在推测和估算,还没有找到一种绝对准确的方法。所以科学家们采用各种方法来取得能够接近真实的结果。用同位素年代法测量地球、月球和太阳年龄是一种好方法。经测定,地球年龄为40亿~50亿年,月球年龄为46亿年,太阳年龄为50亿~60亿年。运用这种方法测定宇宙年龄,天文学家布查测定的结果为120亿年。球状星团测定法是根据恒星演化理论来测算恒星年龄的一种方法,利用该法求得的宇宙年龄为80亿~180亿年。但是,人们对恒星进行观测发现,最老的恒星年龄约200亿年,因此,180亿年的年龄是不够的。那么,宇宙的年龄到底是多少呢?
哈勃常数测定法
  哈勃常数测定法是基于宇宙膨胀的观测事实确立的。在一个不断膨胀的宇宙中,测定膨胀速度可通过红移量的测量来获得。测出邻近星系与地球的距离,再由此标定红移与距离的关系,就可求得宇宙的年龄。由此可知,关键是测出邻近星系与地球之间的距离。测量地球与邻近星系距离的方法有两种,但两种方法最终求得的宇宙年龄都在100亿~200亿年之间。这就是宇宙存在的年限。


 
4、漂浮的宇宙岛
  宇宙岛,是人们对星系极其形象的称呼。在宇宙大爆炸之后的膨胀过程中,分布不均匀的物质受到引力的作用逐渐聚集而形成一个个星系,即宇宙岛。1755年,德国哲学家康德提出宇宙中有无限多星系的观点,这就是宇宙岛假说的渊源。天文学家通过观测,看到许多雾状的星云,便猜测它可能是由很多恒星构成的,只是离得太远,人们无法一一分辨出。后来,英国天文学家赫歇尔发现许多星云可分解成恒星群,而另一些星云无法分解,于是他提出了星系并非宇宙岛的观点。到了20世纪,科学家们经过精确的测量和论证,才把河外星系定名为宇宙岛。
气体尘埃星云 古印度人的宇宙观:大蛇上的花点表示星星,海龟和大象驮着地球。
爱因斯坦用广义相对论阐释宇宙。
星系起源
  关于星系起源的理论有很多,有代表性的是引力不稳定性假说和宇宙湍流假说。前者认为,在30亿年间,星系团物质由于引力的不稳定而形成原星系,并进一步形成星系或恒星;后者认为,宇宙膨胀时形成旋涡,它可以阻止膨胀,并在旋涡处形成原星系。二者都认为星系形成了100亿年。现在人们观测到的河外星系已达上万个,最远者距银河系达70亿光年。估计河外星系数目大得惊人,若画一个半径达20亿光年的圆球,其内含有约30亿个星系,每个星系都包含着数以千亿计的恒星。
星系的环状饰物
行星状星云  人类常用环状器物做装饰,有趣的是星星也会用环状物装饰自己。不但土星、木星会这样,就是庞大的星系也会用环状物来装饰自己。天空中的确有这样一类星系:它们的中心呈恒星状,周围有一个光度均匀、结构对称的环。它们虽有着酷似行星状星云的美丽外表,实质上却是一个星系。用世界上最大的天文望远镜可以看见它清晰的倩影:核心呈红色,环则有些发蓝。这类天空中的特殊星系又叫“华格天体”。
华格天体的环
MKN86 不规则星系有着美丽的颜色。   美国天文学家奥康涅尔等人曾专门研究过星系的环,但与椭圆星系的环相比,华格天体的环具有特殊性,它光度均匀,结构对称,十分完美。他们还拍摄到了华格天体的光谱,谱线红移相当于每秒12750千米,证明这种天体确实是在银河系之外。以色列特拉维夫大学天文台的布洛施,通过对华格天体的研究,又有了新的收获。他发现,华格天体的环发出的光比核发出的光还要强。他经过深入研究,认为华格天体的环属于旋涡星系环中的一种特例,是由星系盘的某种不稳定性造成的,也就是说,星系中棒状结构的不稳定性,搅动星系盘而形成了星系的环状结构。

 

银河系的形状

 
银河系全景  夏夜的星空,银河高悬,仿佛一条天上的河流。中国古人称之为天河、河汉。在中国境内,可以看到银河自天蝎座起,经人马座特别明亮的部分,达盾牌座为止。闪闪的银河引发世人无限遐想,但世人却一直难见银河的真面目。17世纪,伽利略首先用望远镜观察银河。他发现,这是一个恒星密集的区域。接着英国人赖特提出了银河系的猜想,而且还描绘出了银河系的形状。他假定,银河系像个透镜,连同太阳系在内的众星体都位于其中。
巨大的银河“飞碟”
英国天文学家赫歇尔赫歇耳通过计数恒星,描绘出银河系的结构。  18世纪,英国天文学家赫歇尔父子对赖特的猜想进行了验证。他们发现银河系中心处恒星很多,而离中心越远恒星越少。他们的观测表明,银河系确是一个恒星体系,并且其范围是有限的,太阳靠近银河系中心。他们估计,银河系中有3亿颗恒星,其直径为8000光年,厚1500光年,整个形状像只巨大的飞碟。1915年,美国天文学家卡普利研究了许多球状星团的变星,发现太阳并不在银河系中心。20世纪80年代,人们测得的数据表明,银河系的质量相当于2000亿个太阳的质量,直径10万光年,厚2000光年,太阳距银河系中心2.5万光年。
一个黑洞
太空画:银河系中心可能是一个大黑洞。  银河系的核心在人马座方向,这里是恒星特别密集的区域,大约有1000亿颗恒星拥挤在一起。由于银河系中心核球的红外线和射电波信号很强,人们推测它可能是质量极大的白矮星群。1971年,英国天文学家认为,核球中心部有一个大质量的致密核,或许还是一个黑洞,其质量约为太阳质量的100万倍。20世纪80年代,美国天文学家探测到银河系中心的射电源,这一结果说明银河系中心可能是一个黑洞。
银河系的核心在哪里
现代发射太空望远镜观测银河系。  人类对宇宙的认识也是在探索中前进的。古时候人们认为宇宙的中心就是人类居住的地球。16世纪,波兰的哥白尼把地球作为一颗普通行星,把太阳作为宇宙中心天体。18世纪,英国的赫歇尔认为,太阳是银河系中心。20世纪,英国的沙普利把太阳“流放”到银河系的旋臂上,离银河系中心有几万光年之遥。在太阳离开银河系中心之后,谁坐镇银河系中心便成为天文学家关注的大问题。然而,银河系中心充满了尘埃。这层厚厚的“面纱”,让人难以窥视其中的奥秘。 


银河系旋臂的奥秘

 
银河系俯视图  20世纪30年代,人们开始破解银河系旋涡状结构之谜。银河系呈铁饼状,中心为银核,外层为银晕,整体呈旋涡形,因而属于旋涡星系的一种。在旋涡星系内,由年轻亮星、亮星云和其他天体构成的从里向外旋转的“带子”,称作旋臂。到现在为止,人们已发现银河系有4条对称的旋臂,其中的3条是靠近银心方向的人马座主旋臂、猎户座旋臂和英仙座旋臂。太阳就位于猎户座旋臂的内侧。20世纪70年代,人们通过探测银河系一氧化碳分子的分布,又发现了第4条旋臂,它跨越狐狸座和天鹅座。1976年,两位法国天文学家绘制出这4条旋臂在银河系中的位置,这是迄今最好的银河系旋涡结构图。
旋涡结构
银河系剖面图  为什么银河系会存在旋涡结构呢?通常的观点认为是由于银河系的自转。20世纪20年代,荷兰天文学家奥尔特证明,恒星围绕银河系中心旋转就像行星围绕太阳旋转一样,并且距银河系中心近的恒星运动得快,距银河系中心远的运动得慢。他算出太阳绕银河系中心的公转速度为每秒220千米,绕银河系中心一周要花2.5亿年。
河外星系的奥秘
仙女座河外星系  一般的人在白天或夜晚肉眼所看到的天体,绝大多数都是银河系的成员,那么,是不是说银河系就是宇宙?当然不是!在宇宙中有着数以亿计的星系。所以,银河系并不代表宇宙,它只不过是宇宙海洋里的一个小岛,是无限宇宙中很小的一部分。根据天文学家估计,在银河系以外约有上千亿个河外星系,每个星系都是由数万乃至数千万颗恒星组成的。河外星系有的是两个结成一对,有的则是几百以至几千个星系聚成一团。现在能够观测到的星系团已有一万多个,最远的星系团离银河系约70亿光年。
“宇宙长城”
  1926年,哈勃根据星系的形态,把星系分为旋涡星系、椭圆星系和不规则星系三大类。后来又细分为旋涡、椭圆、透镜、棒旋和不规则星系五个类型。各种星系中,离银河系较近的星系是麦哲伦云星系和仙女座星系。河外星系除了上述几种星系外,还存在大量各种类型的星系。天文学家估计,在最先进的仪器所观测到的这一部分宇宙里,星系的总数可能达到1000亿个之多。前不久,美国天文学家宣布发现了迄今为止最大的发光结构--一道由星系组成的长为5亿光年、宽为2亿光年、厚约为1500光年、离地球2亿~3亿光年的“宇宙长城”。这座巨大的“宇宙长城”其实就是一个巨大的河外星系。
棒旋星系 旋涡星系
 



恒星诞生的奥秘

 
宇宙中的恒星在耗尽燃料后会熄灭。  在无数星星中,除了少数行星外,其余都是自己会发光且位置相对稳定的恒星。它们像长明的天灯,万世不熄。太阳是距我们最近的一颗恒星。其他恒星离我们都非常遥远,离得最近的比邻星也在4光年以外。恒星都是十分庞大的天体。例如,太阳的直径约为140万千米,相当于地球的109倍,体积比地球大130万倍。1955年,苏联著名天文学家阿姆巴楚米扬提出超密说。他认为,恒星是由一种神秘的“星前物质”爆炸而形成的。具体地讲,这种星前物质体积非常小,密度非常大,但它的性质人们还不清楚。不过,多数科学家都不接受这种观点。与超密说不同的是弥漫说,其主旨是认为恒星由低密度的星际物质构成。其渊源可以追溯到18世纪康德和拉普拉斯提出的星云假说。观测宇宙行星与恒星。
构成恒星的物质
  星云是构成恒星的物质,但真正构成恒星的物质量非常大,构成太阳这样的一颗恒星需要一个方圆900亿千米的星云团。从星云聚为恒星的过程可分为快收缩阶段和慢收缩阶段。前者历经几十万年,后者历经数千万年。星云快收缩后半径仅为原来的百分之一,平均密度提高1亿亿倍,最后形成一个“星胚”。这是一个又浓又黑的云团,中心为一密集核。此后进入慢收缩,也叫原恒星阶段。这时星胚温度不断升高,温度升高到一定的程度就要闪烁发光,以示其存在,并步入恒星的幼年阶段。但这时恒星尚不稳定,仍被弥漫的星云物质所包围着,并向外界抛射物质。
夫琅和费和他的分光仪
恒星的肖像
  在静寂的夜空中,人们看到天上的星星都是闪的,除了大小和亮暗之外没有区别。事实上是不是这样呢?当然不是,每颗恒星都有自己的独特相貌。早在中国的汉代,我们充满智慧的祖先,通过细心观察,已经把恒星分成白、赤、黄、苍、黑5种颜色。1665年,英国的牛顿利用三棱镜发现了太阳的连续光谱,从而知道日光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等各种不同颜色的光混合而成的。
打开恒星相貌奥秘的“钥匙”
猎户座马头星云中恒星无数。  1814年,德国的夫琅和费用分光仪作太阳光谱的研究。他们在暗室的百叶窗上开了一条狭缝,让太阳光通过狭缝照射到一块棱镜上,棱镜后面则是一架小望远镜。夫琅和费通过小望远镜,惊奇地发现太阳的“七色彩带”样的光谱中又出现了许多条暗线。经过反复计数,这样的暗线共有567条之多。根据前人的几项发现,我们已经逐渐了解恒星的真实肖像。恒星颜色的不同,表明各个恒星温度不同,比如白色温度高,红色温度低,所以说光谱是了解恒星的“钥匙”。 

 
哈佛分类法与赫罗图

 
双子座中的爱斯基摩行星状星云,因酷似爱斯基摩人的脸形而得名。  美国哈佛天文台的皮克林对当时能观测到的全天24万多颗恒星都拍摄了光谱,他组织了十几位终身不嫁而一心一意为天文学献身的女性,对这20多万颗恒星的光谱进行分类和研究。最后,以坎农女士的结论为准,按照恒星的表面温度由高到低的顺序,从温度最高的O型星开始,构成了如下的序列:O-B-A-F-G-K-M。为了便于记忆,有人利用这些字母编了一句话:“Oh!Be A Fair Girl,Kiss Me”(译成中文为“啊!好一个仙女,吻我吧”)。这句话中每个词的第一个字母恰好构成上述光谱的次序。这便是非常著名的哈佛分类法,世界上的天体物理学家都认可它。它还被哲学家称为“可能是发现世界秩序的最简单方法”。
恒星的演化
恒星演化示意图  人类对恒星演化过程的认识,比人类对恒星的产生的认识要全面和深入一些。和对宇宙的起源了解相比,人类对恒星的诞生以及整个演化过程的了解就详细得多了。恒星也和其他生物一样经历诞生、盛年、衰老和死亡四个过程。经过恒星的幼年,恒星才真正成为一颗天体。年轻的恒星仍在收缩,因此温度仍在升高。升到1000万摄氏度以上时,星系核心的氢元素开始进行聚变反应,并释放能量。这样一来,恒星就变得比较稳定,并进入“青壮年期”。
赫茨普龙--罗素图
  人类在对恒星演化过程的科学研究中,最重要的成就是20世纪初丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素对恒星光谱和光度关系的研究,他们将此绘制成图,人们称此图为赫茨普龙--罗素图,简称赫罗图。由此图可知,恒星要经过主序星(青壮年)阶段和红巨星(老年)阶段。目前,人们发现在观测到的恒星中,有90%处在主序星阶段(太阳也处在这个阶段)。这个阶段是恒星经历时间最长的阶段,约几亿年到几十亿年。这时的恒星已不收缩了,燃烧后的能量全部辐射掉。
简化的赫罗图 人马座礁湖星云是反射星云,它是反射和散射照亮它的恒星之光而发光的。
一颗红巨星和太阳大约同重。
当恒星变老时
  当恒星变老成为一颗红巨星时,在它的核反应中,除了氢之外,氦也开始燃烧,接着又有碳加入燃烧行列。此时它的中心温度更高,可达几亿度,发光强度也升高,体积也变得庞大。猎户座的参宿四就是一颗最老的红巨星。太阳老了也会变成红巨星,那时它将膨胀得非常大,以至于会把地球吞掉--如果那时人类还存在的话,就该“搬家”了,搬到离太阳远一些的行星上去生活。

 
太阳系是如何诞生的

 
  关于太阳系的起源问题,多年来一直没有一个公认的说法。人们提出的假设非常多,其中影响较大的有星云说、灾变说和俘获说。
关于太阳系的起源问题,多年来一直没有一个公认的说法。人们提出的假设非常多,其中影响较大的有星云说、灾变说和俘获说。
星云说
行星形成次序  这种观点首先由德国伟大的哲学家康德提出来,几十年以后,法国著名数学家拉普拉斯又独立提出了这一观点。他们认为,整个太阳系的物质都是由同一个原始星云形成的,星云的中心部分形成了太阳,星云的外围部分形成了行星。不过,康德和拉普拉斯的观点也有着明显的分歧。康德认为太阳系是由星云的进化性演变形成的,先形成太阳,后形成行星;拉普拉斯则相反,认为原始星云是气态的,且十分灼热,因其迅速旋转,先分离成圆环,圆环凝聚后形成行星,太阳的形成要比行星晚些。尽管他们的观点有这样大的差别,但是大前提是一致的,因此人们便把它们捏在一起,称这一理论为康德-拉普拉斯假说。
著名天文学家拉普拉斯
灾变说
  由于康德-拉普拉斯假说无法解释太阳和各行星之间动量矩的分配问题,因此在20世纪初,灾变说盛行起来。这个学说的首创者是法国布封。后来又有一些人相继提出太阳系起源于灾变。代表人物是英国天文学家金斯。他认为太阳是先形成的,行星的形成,是一颗恒星偶然从太阳身边掠过,把太阳上的一部分东西拉了出来的结果。太阳受到起潮力的作用,从表面抛出一股气流。气流凝聚后,变成了行星。
《梅西耶星表》中的M99 星云
俘获说
赖特所画的《太阳系仪》表明18 世纪英国人对牛顿的力学宇宙怀有浓厚兴趣。  灾变假说,足足占据了天文学家们的头脑达30年之久。最近几年,灾变说又活跃起来,霍尔夫森就是这一观点的拥护者,他的最新解释是,形成行星的气体流是从掠过太阳的太空天体中抛射出来的。但天文学家们经过计算后认为,气体中的物质在空间弥散开来之后,不会产生凝聚现象。这是对灾变说的釜底抽薪。于是,俘获说便应运而生。这一假说最早是苏联科学家施密特提出来的。他认为,当太阳某个时候经过气体尘埃星云时,会把星云中的物质“据为己有”,形成绕太阳旋转的星云盘,并逐渐形成各个行星及其卫星。德国的魏扎克、美国的何伊伯也都是这一观点的拥护者。 

 
太阳有“羽毛”吗

 
日食发生时,可看见太阳边缘的“羽毛”。  太阳是太阳系中是离我们最近的一颗恒星。但我们对它还有很多未知的东西。1997年3月9日,发生在中国北方漠河的日全食,让每一位亲临现场的观众都大开眼界。就在那一瞬间,明亮的天空被一道黑幕合上,太阳被月影完全遮掩。此时,人们惊异地看到“黑太阳”周围一团白色的光圈。而且,在太阳的上下两地区,这层光圈内竟排列着一道道发散状羽毛样的东西。那么,太阳怎么会生出“羽毛”呢?
日冕与极羽
太阳的日冕  这要先从日冕说起。在日全食发生时,平时看不到的太阳大气层就暴露出来了,这就是冕。日冕可以从太阳色球边缘向外延伸到几个太阳半径处,甚至更远。人们曾形容它像神像上的光圈。它比太阳本身更白,外面的部分带有天穹的蓝色。日冕的形状是有变化的。人们通过观察发现,自19世纪末以来,日冕的形态随太阳黑子活动的周期(约11.2年)在两个极端的类型之间变化。极衰期的日冕往往在太阳两极表现出一种像刷子上的一簇簇羽毛似的结构,人们叫它“极羽”。一般认为,聚集在太阳极区的日冕等离子气体,由起着侧壁作用的磁场维持其流体静力学平衡,并因此形成极羽。
太阳耀斑
巨大的火舌由太阳表面高高隆起,这就是耀斑。  太阳色球层中运动最剧烈的是耀斑,又叫作色球爆发。用望远镜观察,有时可以发现,在光球层黑子附近会突然出现局部增亮现象,并且在几秒钟内,亮度和面积迅速增大,尔后再慢慢消失。一般将增亮面积超过3亿平方千米的称作耀斑,小于3亿平方千米的称作亚耀斑。耀斑爆发时要释放出巨大的能量,大耀斑在十几分钟内释放出的能量,相当于100亿颗百万吨级的氢弹爆炸产生的能量。
耀斑的产生
  色球层耀斑会产生大量的紫外线、X射线和γ射线辐射,并抛出大量的高能粒子。它们到达地球后,对于地球的影响也是非常明显的。例如,它们扰乱地球磁场,引起磁暴;强烈的辐射破坏地球电离层,致使短波通讯中断。耀斑是如何产生的呢?一般来说,耀斑能量来自于磁场,是一个巨大的强磁场区域的突然瓦解。然而诱发磁场迅速瓦解的原因是什么呢?科学家提出了几十种关于耀斑的理论模型,为了验证其正确与否,人类对耀斑除进行了地面观测之外,还发射了一些航天器在太空中进行全面观测。但要最终揭开它的秘密还需要一段时间,世界各国的天文学家们正为此努力工作着。
加勒比海上的落日 太阳日珥,它顺着太阳的磁场方向弯曲,形成壮观的圆拱。 
太阳“发抖”的奥秘

 
  地震对人类来说是一种巨大的自然灾难,我们在新闻中经常可以看到因地震造成惨重损失和伤亡的报道。地震是由地球内部运动引起的,那么太阳内部更加剧烈的活动是否会造成“日震”,也就是说太阳是否会不定期地出现“抖动”现象呢?
震波来源
  20世纪60年代,美国天文学家诺克等科研人员在观察太阳表面气体运动时终于揭开了太阳不断发抖的面纱。他们发现,在太阳表面约有2/3的范围都有纵横约1000~50000千米,深浅达30千米的气流运动。太阳就像一颗体积巨大的心脏在不停地一胀一缩地脉动。天文学家认为,太阳的抖动是由于内部放射的声波所形成的压力和自身引力共同作用的结果。但由于太阳离地球过于遥远,且能量巨大,天文学家对其内部运动还不能确切认识,只是大致估计。然而,值得关注的是,太阳两极略扁,赤道略有凸起的发现使得科学家推测出太阳核心的快速旋转并且运动速度比外层快近十倍。另外,准确测量太阳的“震波”,分析太阳“发抖”的内在含义,已成为现代太阳物理研究的一个重要课题。国际上许多天文台也联合起来组成观测网,从不同的角度对“发抖”的太阳进行长期连续的观测和研究。
太阳的内部构造 太阳内部振动示意图红色表示日面上升区域, 蓝色为下降区域。 太阳“磁场”模型
太空急流--太阳风
用紫外线拍摄的太阳组合图, 显示它的日冕以及太阳风。  太阳的大气层从里向外可分为三层:光球、色球和日冕。光球如同一片望不到头的“燃烧的海洋”,在光球外层是厚约2000千米的色球层,只有专门仪器才可观测到。最外层是日冕,太阳风的风源就起源于此。日冕没有明确的边界,处于持续不断的膨胀状态。
太阳风的形成
  太阳风是日冕向外膨胀的过程中,由许多带电微粒流形成的。这些微粒主要是氢原子核(即质子)以及少量的氦原子核。太阳风风速强劲,平均每秒350千米,最高可达每秒1000千米,它比地球上记录的最快风速还要快500多倍。科学家用精密仪器观测,发现太阳系都在太阳风的范围之内,这使太阳系与宇宙空间形成了一道屏障。宇宙的辐射粒子在这道屏障作用下威力大大减少,从而使地球不受伤害。太阳风在地球磁场影响下被迫转向,减速后主要飞向了南北极。



 
恒星“眨眼睛”的奥秘

 
猎户座大星云中的美丽恒星  长时间观察星星的人也许会有一个疑问,许多星星一明一暗的,仿佛在调皮地眨着眼睛,可是像“启明星”(也就是金星)的亮度却毫无变化,这是为什么呢?有人认为恒星的光之所以闪烁不定是由于它们在高速自转,还有人猜想是恒星亮度发生了变化等等。其实,真正的原因并不是这样的。原来,地球周围有一层厚厚的大气层,而且大气层的疏密程度并不相同,离地面越近空气越稠密,而高空的空气则是稀薄的。另外,大气通常处于流动状态,热空气不断上升,冷空气持续下降,以至相同地区的大气疏密程度也在变化之中。当恒星发射的光线穿过地球大气时,光线就会在这些不同密度的大气层中被不断地折射着,因而到达我们眼中的光线也就闪烁不定了。 天秤座
简单判定恒星和行星的方法
  金星之所以不眨眼睛是因为它离地球很近。用望远镜观察会发现恒星一般都是点光源,而在太阳系中像金星这样离地球较近的行星则是一个面光源。面光源经过大气就会有许多折射点,同一时刻,各折射点虽然明暗不同,但整体并没有发生太大的变化,所以就一直保持着同一亮度。这样一来,我们可以利用这一差异初步断定天上的星星哪颗是恒星,哪颗是行星了。
星星辨认方向的奥秘
  在野外探险和远洋航行活动中,如果没有指南针是否就会迷失方向呢?事实上,天空的星星也是我们辨认方向的工具,尽管这个工具受天气条件的制约很大。那么,人们是如何通过星星辨认方向的呢?
大熊座和小熊座 指引方向的北斗星
北斗七星
这是沉没于日本的御岳山下的星星光迹。  北半球的星空有一个著名的星座--大熊座,它由七颗比较亮的星组成,其排列顺序如同一把勺子。古代的中国人给它们都起了名字,分别称为:天枢、天王旋、天玑、天权、玉衡、开阳、摇光,这就是著名的“北斗七星”。北斗七星里面最亮的是“玉衡”,最暗的是“天权”,北斗星在古代是判断季节的一种标志,古籍中就有“斗柄东指,天下皆春;斗柄南指,天下皆夏;斗柄西指,天下皆秋;斗柄北指,天下皆冬”的记载。找到醒目的北斗七星,从北斗星斗口外缘的两颗星连成一条线,朝斗口方向延长5倍远,就能找到那颗可以辨别方向的北极星了。北极星只是一颗普通的2等星,离我们居住的地球有400光年的距离,地球的自转轴始终指向北极星,所以无论什么季节,北半球的人都可以通过它来辨认方向。

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