【原】夜空中的宝石

cosmos2062 2022-07-14 发布于广东

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夜空的脊柱：恒星与银河系

去到岸边，那里的波涛将涌来亲吻我们的双脚，神秘忧郁的星辰会在我们的头上照耀。

——阿·普列谢耶夫*

(*俄罗斯诗人，1825-1893，柴可夫斯基在他的管弦乐套曲《四季》的《六月：船歌》中用这段诗句做配诗。)

在18世纪之前，由于观测手段落后，人类对天空的认识只局限在太阳系内，它的疆域以土星为边界。太阳是宇宙的中心，所有的星星都绕着它旋转。除了几颗行星之外，天空中其他的星星是什么，人们对它们一无所知，一般就把它们看做是镶嵌在天空中的发光的宝石。它们是些什么东西呢？让我们来做一番认识吧。


夜空中的银河

盛夏的夜空，银河从北到南横贯天际。当我们的祖先抬头仰望夜空时，他们发现，天上的星星可以分为两种不同的类型：一种在天空中的相对位置不会发生改变，这种星星在夜空中占绝大多数；另外一种则在经过一段时间后相对于前一种星星的背景发生了移动。由于有这样的区别，人们把能够移动的星星叫做“行星”，相比之下，那些不动的星星就叫做“恒星”。

这是对恒星的一种朴素的、原始的定义。现在我们知道，这种定义既不准确也不科学。按照现代天文学的观点，恒星是能够靠自身的热点燃氢聚变反应并向外发出光和热的天体。我们看到行星在夜空中发光，那是因为它们反射太阳的光，它们不是恒星。我们的太阳是一颗恒星。天空中的星星大多数是能够自己发光和发热的，它们是恒星。

恒星离开我们非常遥远。比如说，离地球最近的一颗恒星叫做比邻星，它离开我们足足有4.2光年。什么是光年呢？光年是天文学家用来量度恒星之间的距离的一种单位。1光年等于光在一年中走过的距离。恒星之间的距离非常大，用普通的计量单位来计量，数值极其巨大。对于刚刚提到的比邻星，如果用米做距离的计量单位，数值高达10¹⁶米。显然，这样的单位使用起来极不方便。因此，天文学家常常用光年这个更大的单位来量度恒星之间的距离。天文学家还常用秒差距作为距离的计量单位，1秒差距等于3.26光年。

对于比较近的天体，可以利用视差法测定天体对某条基线所张的角度，称之为视差角，再利用平面三角公式计算它的距离。由于恒星距离地球非常远，所选择的基线必须非常长，否则，恒星对基线的张角就太小了，无法进行测量。通常使用地球的公转轨道的平均直径做测量的基线，这时，视差角为 1" 的天体距离我们3.26光年，也就是1秒差距。这正是秒差距这个计量单位的来源。但是，对于距离更远的天体，这条基线就显得太短了，在这种情况下，视差法就无能为力了，必须利用其它更有效的方法，才能测量恒星的距离。天文学上常用恒星的光谱、造父变星的周光关系等方法测定遥远天体的距离。


测定恒星的视差：在相隔半年的时间间隔中两次测定某颗恒星的视线方向与基线的夹角，就可以算出这颗恒星对地球轨道的张角。

在我们的感觉中，天上的星星要比太阳暗得多，个子也比太阳小得多。但是，事实上许多恒星比太阳明亮，个子也要比太阳大。我们的错觉是由恒星之间的巨大的距离造成的。在历史上，人类的错觉曾经多次使我们远离宇宙的真实面貌。

恒星的大小千差万别，小的只有太阳直径的几十分之一，比如说，20世纪60年代发现的中子星，其直径甚至只有几十千米，而最大的恒星，其直径比太阳大几千倍。不过，由于恒星离开我们非常遥远，因此，即使是在最大的望远镜中，它们看起来也只不过是一个发光的点。由于恒星离开我们太远，它的直径对我们的张角（角直径）太小，不能使用地面上常用的三角法直接测量它们的大小。对于某些距离较近的恒星，可以利用一种叫做“干涉仪”的仪器测定它们的角直径。天文学上测定恒星大小的另一种比较可靠的方法是利用双星系统。由于很难直接测量恒星的角直径，到目前为此，只有极少数恒星的大小能够被直接测量出来。

与恒星的大小比较，恒星的质量的差别就比较小。大多数恒星的质量与太阳差不多，只有极少数恒星的质量比太阳大几十倍或小几十倍。绝大多数恒星的大小和质量是用各种天文和物理方法估算出来的。

上图：猎户座alpha，一颗红超巨星，距离地球600光年，是除太阳之外人类直接观测到其表面的第一颗恒星。红超巨星是恒星走近其生命终点的标志，是超新星的前身。

下图：猎户座。左上角橙黄色的亮星就是猎户座alpha，中文名叫参宿四。

在古人认为是恒星的那些天体中，有一些靠反射邻近恒星的光而被看到，叫做“星云”，它们是在夜空中除了恒星这个主要的角色之外的另一些重要的天体。在这些星云中，有一些是还未形成恒星的尘埃团，有一些正在准备加入恒星的行列，而另外一些则是恒星演化到晚期时留下的残骸。夜空中还有一些天体既不是恒星也不是星云，而是由恒星和星云组成的集团。银河系中的恒星并非全是像太阳那样，孤零零地独处一方。天文观测显示，几乎有一半的恒星不是孤立的。它们要么双双结伴而行，要么三五成群、甚至成群结队地在太空中漫游。天文学家分别把这些恒星的集体称为双星、星群和星团。恒星的这种在物理上的紧密联系暗示了它们应该具有共同的起源。除了这些用肉眼可以看到的星星外，夜空中还有许多我们看不见的暗天体。这些形态各异的天体就构成了我们这个多姿多彩的星空世界——银河系。

蚂蚁星云：中央恒星以每秒1000千米喷射出长达数光年的气体，形成的星云外形象一只巨大的蚂蚁。

蟹状星云：它是公元1054年超新星爆发的遗迹。在星云的中心部分，有一颗脉冲星，是一颗高速自转的中子星，正以每秒30周的转速在旋转。

在银河系中，超过200个球状星团绕中心旋转，NGC104是仅次于人马座W的第二大亮星团。这个星团位于南半球的杜鹃座，又叫做杜鹃座47，距离地球二万光年。

昴星团：一个反射星云，距离地球 400 光年，俗称七姐妹。

马头星云：位于猎户座，是夜空中最引人注目的星云之一，距离地球1500光年。红色的部分是星云背后被猎户座s星照亮的氢云，黑暗部分则是厚厚的尘埃云。

实际上，恒星也在发生变化。在夜空中，不断有恒星产生、也不断有恒星死亡。不过，恒星的寿命很长，距离我们又很远，因此，在我们的一生中，甚至在若干个世纪内也观测不到它们的变化。这种情况一直持续到18世纪初才开始发生改变。


恒星的自行和视向运动：恒星的运动在垂直于和平行于视线方向上的投影。

哈雷(Edmond Halley，1656~1742)于1718年首先发现，恒星在天空中的视位置发生了改变，我们把这种变化叫做恒星的自行，它是恒星的运动在天空中的投影。恒星的运动沿视线方向还有一个投影，它就是恒星的视向运动。

从原理上看，测定恒星的自行很简单：只要比较不同时刻恒星相对于天空某一固定点的位置——绝对自行，或者相对于附近恒星的位置——相对自行，就可以确定恒星的自行。计量自行的方法是恒星每年在天空中移动的角度，一旦知道了恒星的距离，就可以将移动的角度换算成移动的距离。不过，由于恒星离开我们的距离很远，运动的速率又不高，由此引起的角度变化很小，因此，测定恒星自行的工作极为困难。恒星的视向速度可以通过一种叫做多普勒效应的现象进行测量。物理学家发现，当发光体靠近或者远离我们的时候，它所发出的光的波长相对于静止光源所发出的光的波长会发生改变。当发光体靠近我们的时候，波长要变短，远离的时候波长则要变长。这就是多普勒效应。于是，测量恒星的视向速度实际上就是要测量恒星的光谱线相对于静止光源的光谱线的偏移，这相较于测量自行是一件比较简单的工作。测量出恒星光谱线相对于正常光谱线的偏移，就可以确定恒星的视向速度。测定视向速度的准确度与恒星的距离无关，只取决于光谱的特性以及摄谱仪的成象质量。测定了恒星的视向速度和自行，就可以确定它的运动速度了。

研究恒星的祖师爷赫歇尔(William Herschel，1738~1822)在对恒星的自行做了仔细的研究后发现，有7颗恒星的自行的趋向是一致的，这种一致性实际上反映了太阳的运动。这个发现打破了哥白尼的日心宇宙理论中太阳静止不动的观念。

在花了许多年时间用他的巨型望远镜巡视天空之后，赫歇尔发现，恒星在天空中的分布很不均匀，在靠近银河一带，恒星极其密集，而在与银河垂直和背离银河的方向上，恒星的数目稀少。由此可以推断，包括太阳在内的天空中所见到的恒星组成一个庞大的恒星集团，这个恒星集团就是我们现在所说的银河系。由“在与银河垂直的方向上恒星的数目稀少”可以推断，银河系的外形一定很像一个扁平的圆盘；由于“在靠近银河一带恒星极其密集，而在背离银河的方向上恒星的数目稀少”，因此，太阳系一定位于银河系中靠近边缘的地带。盛夏时节，地球位于公转轨道上靠近银河系中心的一侧，入夜之后夜空正好就在银河系中心的方向上，所以我们能够看到繁星满天，而在深冬季节，地球位于公转轨道上靠近银河系边缘的一侧，寒夜的星空自然就不会有太多的星星了。赫歇尔的这个发现再一次打破了太阳作为宇宙中心的观念。我们看到，天文学的每一项重大发现都使人类更加远离宇宙的中心，最终人们发现，宇宙没有中心，宇宙中的一切位置都是平权的。