第十章 不断扩展的视野

之间（图112）。

    图112　朝银心看去，我们会以为这条神话中的天路分成了两条“单行道”

    看不到包含太阳在内的数十亿颗恒星绕之旋转的神秘银心固然很遗憾，但通过观察散布在银河系以外的其他星系，我们也能知道它大致是什么样子。银心并不是某一颗超级巨星，像太阳统治行星一样统治着银河系的所有其他成员。稍后我们会讲到，对其他星系中心部分的研究表明，这些中心也是由众多恒星组成的，唯一的区别在于，这里的恒星要比太阳所在的远离中心的区域稠密得多。如果把行星系统看成由太阳统治的专制国家，那么银河系则像是一个民主国家，一些成员占据着有影响力的中心位置，其他成员则只好屈尊于社会外围更为卑下的位置。

    如上所述，包括太阳在内的所有恒星都沿着巨大的轨道围绕银心运转。那么，如何来证明这一点呢？这些星星的轨道半径有多大？周期有多长？

    几十年前，荷兰天文学家奥尔特（Jan Hendrik Oort）回答了所有这些问题。他对银河系的观测方法非常类似于哥白尼对太阳系的处理。

    我们先来回忆一下哥白尼的论点。古巴比伦人、古埃及人和其他一些人都已经注意到，木星、土星等大行星似乎在以非常奇特的方式跨过天空。它们先是像太阳一样沿椭圆运行，然后突然停住并后退，再折回来继续沿原来的方向前进。图113下方是土星在两年左右的时间里所走路线的示意图（土星的运转周期是29.5年）。过去出于宗教偏见，地球被视为宇宙的中心，所有行星和太阳本身都被认为绕着地球旋转，必须通过假定行星轨道包含若干个环来解释上面这些奇特的运动。

    哥白尼则要更为敏锐。他天才地解释说，这种神秘的翻筋斗现象缘于地球和所有其他行星都在围绕太阳作简单的圆周运动。图113上方的示意图清楚地描绘了这种解释。

    太阳位于中心，地球（小球）沿着小圆运转，土星（带着一个环）沿着与地球相同的方向在大圆上运转。l，2，3，4，5表示地球和运动更为缓慢的土星在一年之中的几个位置。从地球的不同位置引出的部分竖线表示某颗恒星的方向。连接地球的各个位置与相应的土星位置，我们看到，这两个方向（指向土星的和指向恒星的）之间的夹角先是增大，继而减小，然后又增大。因此，那种看起来的翻筋斗现象并不意味着土星的运动有什么特别之处，而是因为我们是从运动地球上的不同角度来观测这种运动的。

    图113

    图114显示了奥尔特关于银河系中恒星旋转的论点。从图的下方可以看到银心（有暗云之类的东西），整个图上有许多恒星环绕着这个中心。三个圆表示与中心有不同距离的恒星轨道，中间那个圆表示太阳的轨道。

    图114

    如图114，我们来考察八颗恒星（配以光芒，区别于其他点），其中两颗与太阳轨道相同，不过一颗在前、一颗在后，其他恒星则位于或大或小的轨道上。需要注意的是，由于引力定律（参见第五章），与太阳轨道上的恒星相比，外层恒星的速度较小，内层恒星的速度较大（图中以不同长短的箭头来表示）。

    如果从太阳或地球上看，这八颗恒星的运动会如何呢？我们这里谈的是沿视线的运动，根据所谓的多普勒效应最容易观测到它。首先，在太阳上的观察者看来，与太阳同轨道同速度的两颗恒星（D和E）显然是静止的。与太阳处于同一半径的两颗恒星（B和G）也是如此，因为它们的运动平行于太阳，在视线方向没有速度分量。

    那么，处于外层的恒星A和C的情况如何呢？由于它们的速度比太阳低得多，所以从图上可以清楚地看出，恒星A会落在后面，恒星C会被太阳超过。因此，与A的距离会增大，与C的距离会减小，从这两颗恒星发出的光会分别显示出多普勒红移效应和紫移效应。对于内层的恒星F和H来说，情况则正好相反，F会显示出紫移效应，H会显示出红移效应。

    假设刚才描述的现象仅由恒星的圆周运动所引起，那么这种圆周运动的存在使我们不仅可以证明这种假设，还能估算出恒星运动的轨道半径和速度。通过收集整个天空中恒星视运动的观测资料，奥尔特成功地证明，所预期的多普勒红移和紫移效应的确存在，从而确定无疑地证明银河系在旋转。

    同样也能证明，银河系旋转的效应会影响恒星在垂直于视线方向上的视速度。虽然精确测量这个速度分量要难得多（因为遥远的恒星即使有很大的线速度，也只对应于天球上极小的角位移），但这种效应还是被奥尔特等人观测到了。

    对恒星运动的奥尔特效应进行精确测量，我们就能得出恒星的轨道和运行周期。使用这种计算方法，我们已经知道，以人马座为中心的太阳轨道的半径是3万光年，约为整个银河系最外层半径的三分之二。太阳绕银心运转一周所需的时间约为两亿年。这当然是段漫长的时间，但不要忘了，我们的银河系已经有50亿岁了，在这段时间里，我们的太阳已经带着它的行星家族转了差不多20圈。遵照“地球年”这个术语，我们可以把太阳的旋转周期称为“太阳年”，说宇宙只有20岁。在恒星世界，事情的确发生得很慢，因此把太阳年作为对宇宙历史进行时间测量的单位会非常方便。

    三、走向未知事物的边界

    前已提到，孤零零地飘浮在广袤宇宙空间中的恒星群体并非只有银河系。望远镜研究已经表明，太空深处还有许多与银河系非常类似的巨大星群。其中距离最近的是著名的仙女座星云，用肉眼就可以看到。在我们眼中，它是一片又小又暗的拉得相当长的星云。插图7的a 和b 是用威尔逊山天文台的大型望远镜拍摄的这样两个天体，它们是从侧面看到的后发座星云和从上面看到的大熊座星云。我们注意到，作为银河系所特有的透镜形状的一部分，这些星云有一种典型的螺旋结构，因此被称为“螺旋星云”。许多证据表明，银河系也是一个螺旋星云，但我们很难从内部确定这种结构的形状。事实上，太阳很可能位于“银河大星云”的一条旋臂末端。

    长期以来，天文学家们并未意识到螺旋星云是与我们银河系类似的巨大星系，而是将它们与猎户座星云那样的普通弥漫星云相混淆，后者是由飘浮在银河系内的恒星之间的星际尘埃所组成的巨大云团。但后来人们发现，这些雾蒙蒙的螺旋状物体根本不是云雾，而是一颗颗星星。如果放大到最高倍数，可以看到它们是一个个小点。但它们太过遥远，无法通过测量视差求出其实际距离。

    这样一来，我们测量天体距离的手段似乎已经穷尽。但并非如此！当我们碰到某个无法克服的困难时，耽搁通常只是暂时的；总会发生某种新的事情，使我们能够继续前进。就这里的情况而言，哈佛大学的天文学家沙普利（Harlow Shapley）在所谓的脉动星或造父变星那里找到了一种全新的“量尺”。86

    天上星辰密布。虽然大多数恒星都宁静地发着光，但也有一些恒星的亮度发生规则的明暗变化。这些巨大的星体像心脏一样有规则的脉动，其亮度也随着这种脉动而发生周期性的变化。87恒星越大，其脉动周期就越长，就像钟摆越长，摆动周期就越长一样。很小的恒星（就恒星而言）几个小时就完成了自己的周期，而巨大的恒星则需要很多年才能完成一次脉动。既然恒星越大就越亮，那么恒星的脉动周期与该星的平均亮度之间一定存在着明显的关联。通过观测造父变星，可将这种关系确定下来，造父变星距离我们足够近，它们的距离和实际亮度能够直接测量出来。

    如果你发观一颗脉动星超出了视差测量的范围，那么你只需用望远镜观测出它的脉动周期，就能知道它的实际亮度。再将实际亮度与视亮度进行对比，就能立刻知道这颗星的距离。沙普利运用这种巧妙的方法，成功地测出了银河系中特别遥远的距离，此方法对于估算我们银河系的总体尺寸非常有用。

    在用这种方法来测量巨大的仙女座星云中几颗脉动星的距离时，沙普利大吃一惊：从地球到这些恒星的距离————当然也是到仙女座星云本身的距离————竟然有1 700 000光年，也就是说远大于银河系的估算直径。仙女座星云的尺寸原来只比我们整个银河系略小一些。本书插图7中的两个螺旋星云距离要更远，其直径与仙女座星云差不多。

    这一发现彻底驳倒了之前认为的螺旋星云是银河系中的“小家伙”的观点，螺旋星云也因此成为与银河系类似的独立星系。现在已经不再有天文学家怀疑，如果有位观测者站在仙女座星云中某颗恒星的小行星上，他所看到的银河系将与我们看到的仙女座星云非常相像。

    主要由于威尔逊天文台著名的星系观测家哈勃（Edwin Powell Hubble）的工作，对这些遥远恒星群体的进一步研究向我们揭示了许多有趣而重要的事实。首先，与肉眼相比，用强大的望远镜所能观测到的星系要多得多，它们并不都是螺旋状的，而是有各种各样的种类：有看起来像边界模糊的规则圆盘的球状星系，有伸长程度各不相同的椭球状星系，螺旋星系也因“盘绕的松紧程度”而彼此不同，此外还有形状非常奇特的“棒旋星系”。

    一个极为重要的事实是，所有这些观测到的星系形状都能规则地排列起来（图115）,这可能对应着这些巨大星系的不同演化阶段。

    图115　正常星系演化的各个阶段

    虽然我们对星系演化的细节还知之甚少，但这种演化很可能缘于渐进的收缩过程。大家知道，一个缓慢旋转的气体球逐步收缩时，其旋转速度会增加，形状也会变成椭球体。在某个收缩阶段，当极半径与赤道半径之比等于7／10时，该旋转体就会呈透镜形，沿其赤道出现一条明显的棱。如果进一步收缩，这种透镜形不会变化，但构成旋转体的气体会开始沿这条明显的赤道棱流入周围的空间，在赤道面形成一层气体薄幕。

    英国著名物理学家和天文学家金斯（James Hopwood Jeans）已经用数学证明，上述说法对于旋转的气体球是成立的，但它们也完全适用于被我们称为星系的巨大星云。事实上，我们可以把这样聚集在一起的亿万颗恒星看成一团气体，把恒星看成一个个分子。

    将金斯的理论计算与哈勃对星系的经验分类作一对比，就会发现这些巨大的恒星群体遵循的正是该理论所描述的演化进程。特别是，我们发现，拉伸最长的椭球状星云的半径之比为7/10（E7），这是我们注意到有明显赤道棱的第一例。演化后期出现的螺旋则显然是由快速旋转时抛出的物质所形成的。不过迄今为止，我们还不能完全令人满意地解释这些螺旋形为何会形成以及如何形成，还有简单螺旋与棒旋之间的差别是什么原因造成的。

    关于这些星系的构造、运动和各部分的组成，还需要做进一步研究。例如，威尔逊山天文台的天文学家巴德（Walter Baade）数年前得出了一个有趣的结论：螺旋星云的中心体（核）所由以形成的恒星与球状、椭球状星系的恒星是同一类型，而旋臂本身所显示的星族却相当不同。这种“旋臂”型星族因为出现了炽热而明亮的成员而有别于中心区域的星族，无论是球状、椭球状星系还是中心区域，都没有这些所谓的“蓝巨星”。我们稍后（在第十一章）会看到，蓝巨星很可能是新近形成的恒星，所以有理由认为，旋臂可以说是产生新星族的温床。可以设想，从正在收缩的椭球状星系的赤道凸起抛出的物质有一大部分是由原始气体形成的。进入寒冷的星系际空间后，这些气体凝聚成一块块巨大的物质，后经收缩而变得炽热而明亮。

    在第十一章我们还会回到恒星的诞生和生命问题，现在我们要考虑一下各个星系在广阔宇宙中的大致分布。

    首先要说的是，基于脉动星的测距法虽然在用于银河系附近的一些星系时给出了很好的结果，但进入空间深处时就不管用了，因为此时我们所到达的距离已经大到无法分辨各个星星的程度，即使透过最强大的望远镜，所看到的星系也像是微小的长条星云。再往深处走，我们就只能凭借可见尺寸来判断距离，因为与恒星不同，所有同类型的星系都大约是同一尺寸。如果所有人都是同一高度，既无侏儒又无巨人，你就总可以通过观察一个人的视大小来说出他的远近。

    哈勃用这种方法估算了遥远星系的距离，他表明，就我们目之所及（辅以最强大的望远镜），星系在空间中或多或少是均匀分布的。之所以说“或多或少”，是因为在许多情况下，星系成群地聚集在一起，有时竟包含数千个成员，就像众多恒星聚集成星系一样。

    我们的银河系似乎属于一个较小的星系群，其成员包括三个螺旋星系（包括银河系和仙女座星云）、六个椭球状星系及四个不规则星云（其中两个是大小麦哲伦星云）。

    不过，除了这种偶尔的聚集，从帕洛马山天文台口径200英寸的望远镜看过去，各个星系其实是非常均匀地散布在10亿光年以内的整个空间中。两个相邻星系的平均距离约为500万光年，可见的宇宙视野包含有数十亿个恒星世界！

    如果还用我们之前的比喻，认为帝国大厦是颗细菌，地球是颗豌豆，太阳是个南瓜，那么银河系就是大致分布在木星轨道之内的数十亿个南瓜的聚集体，而许许多多这样的南瓜堆又散布在半径略小于地球与最近恒星之间距离的一个球形体积内。不错，我们的确难以找到一种表示宇宙距离的恰当尺度。即使把地球比做一颗豌豆，已知宇宙的尺寸仍然是个天文数字！图116试图表明天文学家是如何一步步勘测宇宙距离的：从地球开始，到月亮，再到太阳、恒星，然后到遥远的星系，一直到未知事物的边界。

    图116　宇宙勘测的里程碑，用光年表示的距离

    现在，我们准备回答宇宙尺寸这个基本问题。宇宙是无限扩展的，还是占据着某个极为巨大但仍然有限的体积？随着望远镜制造得越来越强大、越来越精良，天文学家是否总能发现一些尚未勘测的新空间区域呢？抑或与此相反，宇宙至少原则上是可以勘测到最后一颗星的？

    当我们说宇宙可能“尺寸有限”时，当然并不是指在几十亿光年以外的某个地方，空间探险家会碰到一堵墙，上面写着“严禁擅自进入”字样。

    事实上，我们在第三章已经看到，空间可以是有限而无界的。它可以径直弯曲，“自我封闭”起来。这样一来，一位假想的空间探险家虽然试图尽可能笔直地驾驶飞船，却会在空间中沿测地线回到其出发点。

    当然，这就像一位古希腊探险家从家乡雅典出发一路西行，许久之后却发现又从东门进入了这座城市。

    正如我们无需环游世界，只通过研究一小块地方的几何学就可以确定地面的曲率一样，我们在现有望远镜的视程内做出类似的测量，就可以回答三维宇宙空间的曲率问题。在第五章我们看到，必须区分两种曲率：对应于有限闭空间的正曲率，以及对应于马鞍形无限开空间的负曲率（参见图42）。这两种空间的区别在于：在闭空间中，均匀散布在与观测者的某一距离之内的物体，其数目的增长慢于该距离的立方；而开空间中的情况则恰恰相反。

    在我们的宇宙中，“均匀散布的物体”就是各个星系，因此要想解决宇宙曲率的问题，我们只需数出不同距离处的各个星系的数目。

    哈勃实际做过这种计数，他发现星系的数目似乎比距离的立方增长得慢一些，因此空间可能是正曲率和有限的。但要注意，哈勃观测到这种效应非常小，几乎已达威尔逊山那架口径100英寸望远镜的观测极限。最近用帕洛马山那架口径200英寸的新反射式望远镜所作的观测尚未对这个重大问题给出更进一步的答案。

    现在之所以还不能对宇宙是否有限这个问题给出最终的确切回答，还因为遥远星系的距离只能基于它们的视亮度（平方反比律）来判断。这种方法需要假设所有星系都有同样的亮度，但若星系的亮度随时间而变化，从而暗示亮度与年代有关，就会导出错误的结论。别忘了，透过帕洛马山望远镜可以看到的最遥远的星系在10亿光年以外，因此我们看到的是它们在10亿年以前的状态。如果各个星系随着衰老而逐渐变暗（也许是因为活动恒星的数量越来越少），哈勃的结论就必须加以修正。事实上，只要星系的亮度在10亿年里（约为其整个寿命的1/7）改变一点点，就能把目前关于宇宙有限的结论颠倒过来。

    于是我们看到，要想确定我们的宇宙是有限还是无限，还有许多工作要做呢。