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最探索最奇妙的河:但它不是一条河!银河系的谜团

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发表于 2016-4-30 00:53:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
仰望星空,常会看到一片云雾状光带横绝天际,那就是遥远的银河系,它由大量恒星构成,在浩瀚的宇宙中就像一个孤岛。如果说银河系是一个巨大的“恒星岛”,那么宇宙间是否仅此一个“孤岛”呢?不是。在浩瀚的宇宙空间,像我们银河系一样的星岛,叫河外星系,简称星系,目前,已发现了约10亿个,真是“天外有天”。这些“天外天”到底是一幅什么情景?让我们一起来探索吧!

天空中奇妙的“河”

在盛夏、秋初的晴朗夜晚仰望星空,你会看到一条淡淡的光带从东北向南横贯天穹,宛如奔腾的河流一泻千里,这就是我们太阳系所在的家园——银河系。茫茫的银河有多“长”?我们身居银河系,如何知道它的模样?近年在银河系内又探测到了哪些新的奥秘?让我们在本节向朋友们细洗讲述。

形形色色的银河神话

在晴朗无月的夏夜,抬头仰望天空,在深蓝而又暗灰的天幕下,有一条模糊的、白茫茫的光带,好像奔腾的河流,银光闪闪、浩浩荡荡地从北到南穿过天空,这就是银河,又叫银汉,也就是民间传说中的天河。古往今来,美丽而又带有神秘色彩的银河,引起了多少遐想。触景生情,借题发挥,许多关于银河的神话应运而生,流传至今。古埃及人认为银河是天神铺撒的麦子,印加人说银河是金色的星尘,爱斯基摩人(现称因纽特人)把它看作一条雪路,阿拉伯人认定它是天上的河流,玻里尼西亚(中南太平洋上的一个岛)人却认为它是吞食乌云的鲨鱼。真是见仁见智,不一而足。在非洲的博茨瓦纳,银河常常在天幕的中央,正好位于他们的头顶之上,沙漠里的游牧部落把高悬在上空的银河称为“夜的脊梁”。他们把天空描绘成一头巨兽,银河则是其脊椎,没有银河的支撑,天就会塌下来,正是“天欲堕,赖以柱其间”。


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在中国,银河是横亘在相爱的牛郎织女之间的一条不可逾越的鸿沟,牛郎、织女的自由相爱冒犯了天庭,王母娘娘勃然大怒,用银簪划出一条天河——银河,把他们隔开,每年,只在“七夕”(农历七月初七)那一天,牛郎织女才能渡过鹊桥相聚,一诉衷肠。在古希腊,故事又有所不同,大神宙斯是个不忠实的丈夫,为了使他与阿尔其墨涅所生之子赫拉克勒斯成为最伟大的勇士,乘妻子天后赫拉熟睡之际,把孩子放在她的胸前,吮吸天后的乳汁,赫拉被咬痛,从梦中惊醒,妒火焚烧,怒将孩子推开,乳汁喷洒而出流成了河,银河的英文名称Milkyway(乳汁之路)即源于此,它似乎启发我们:正是苍茫的天穹,哺育着地球和地球上的各种生命。神话不是科学,但它寄托着人们的情思,当我们转向科学的探索时,不妨把这些神话留在美好的记忆之中。


定位银河

在天空中找到牛郎星和织女星,找到它们之间明亮的十字形星座(天鹅座),沿着它的长轴方向,就可以看到银河。银河最亮的部分是从天鹰座到人马座这一段,这里,有许多美丽的星团和星云。在南天,当银河达到天鹅座与天蝎座之间时,光带似乎又分为两支,其间暗黑的一块,称为裂隙。


银河系的奇妙结构

在晴朗的星空中,有一条横亘天穹的光带,被人们称作“银河”。实际上它是由群星和弥漫物质集成的一个庞大天体系统,称做“银河系”。我们平常所见的满天星斗,初看好像同“银河”没有关系,其实它们不仅同“银河”里密密麻麻的星星一样,而且还都属于银河系“一家子”哩!这就是说,满天星斗,包括我们的太阳系在内,什么巨星、矮星呀,什么变星、新星呀,什么双星、聚星呀,什么星团、星云呀,统统都是组成银河系这个庞大恒星集团的成员。我们的太阳不过是组成银河系的1000多亿个恒星中的一个。要在太阳系里看清楚我们自己所在的庞大的银河系的真实面貌是不容易的。但是,随着科学技术的进步,这件事情我们现在终于能办到了。


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作个形象的比喻,整个银河系好像是包在“棉絮团”里合在一起的两片“铜钹”。我们把扁圆形的“铜钹”叫作银河系的“银盘”,把“铜钹”中心凸起的部分叫作银河系的“银核”,把包裹在“铜钹”周围的“棉絮团”叫做“银晕”。“铜钹”的四周较薄,越靠近中心越厚,中心部分尤其凸出。“铜钹”范围里的恒星很密,“棉絮团”里的恒星很稀,1000多亿个星星,绝大多数都聚集在“铜钹”里。那么,这个巨大的“铜钹”——银河系究竟有多大?根据最近的测定,“银盘”的直径大约是10万光年,也就是说,从“银盘”的这一头发出的光,要经过10万年的漫长岁月之后,才能穿过“银核”到达“银盘”的另一头。“银盘”的厚度各处不同,中心部分最大厚度达16000光年,边缘地带很薄的地方有1000光年上下。

恐怕你一下子还想象不出银河系有多大吧?为了使我们对银河系的大小有个更明确的概念,我们设想把银河系缩小10000亿倍,这时候,太阳变得像一粒芝麻那么大,最大的行星——木星变成像一粒灰尘,我们的地球小到必须用放大镜才能看见,地球到太阳的距离被缩小到只有15厘米,整个太阳系的直径也只剩下12米左右,但是,银河系有多大呢?直径100万公里!你想想,在一个直径100万公里的银河系里,可以容纳得下多少个比灰尘还要微小的地球啊!


星系分类

几千年来,人们一直靠肉眼观测天空。因此,长期以来人们习惯于恒星高悬天空的现象,很自然地把那些辐射主要来自其中各个恒星的星系称为正常星系。其余能在可见光外其他波段发出更强辐射的星系,则统统被称为活动星系。其实,每个正常星系都有不同规模的活动,也可能都经历过活动的阶段,所以,这种分类带有一定的任意性。



银河系悬臂的秘密

如果某一天你拥有了超能力,能够跃出我们的地球,在太空中观察我们的银河,你会惊奇地发现,旋转的银河系周围有4条美丽的悬臂,在太空中婆娑起舞!天文学家分析,在这4条旋臂上,恒星、星际物质非常密集,而在旋臂之间恒星和星际物质却很稀薄;旋臂处恒星和星际物质的密度大约是旋臂之间密度的10倍。我们的太阳系以每秒250公里的速度在悬臂中穿行,大约2.5亿年转一圈。这其中,它平均6千万年在悬臂中,8千万年在悬臂外,恐龙是在悬臂外灭绝的,而我们在悬臂中诞生,这或许让我们对悬臂充满好感。那么,这些旋臂是怎样形成的呢?早期,人们认为旋臂上的恒星和弥漫的星际物质是固定居住在那里的“居民”。但是,1942年瑞典科学家林德布拉德对此提出了异议。他认为,银河系的旋臂不是由一些固定恒星组成的,因为果真如此的话,银河系的悬臂会因为里面比外面转得快而越转越紧。

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也就是说,随着时间的推移,旋臂会变得越来越密。然而,直到目前并没有找到这方面的任何证据。他提出了旋臂结构的密度波理论,即认为,旋臂是恒星在各自的轨道运行中由于速度不同而密集和疏散各异的一种动态现象。1964年以后,中国的天文学家发展了密度波理论。他们认为,恒星在绕银心旋转时,绕转速度和空间密度都是波动变化的。当恒星和星际物质进入引力势较低的区域时速度变慢,显得恒星密集,密度极大的波峰处就呈现为旋臂的图像。这如同有的街道汽车运行受阻就行驶变慢,因而出现塞车,而有的街道车辆畅通无阻,行驶很快,看起来车辆就稀疏一样。恒星和星际物质运动有快有慢,川流不息,因而就呈现有不同旋臂的旋涡图像。


翘曲的银盘

最近,英国牛津大学的天文学家利用欧洲空间局伊巴谷卫星,发现了一批离我们有1600光年远的蓝星,它们都朝着银河系的边缘方向运动,致使银河系的银盘形象发生了不匀称的翘曲变形,这种翘曲从太阳轨道内侧就开始了。这说明银河系正在不断改变着自己的风貌。



太阳是银河系的中心吗

早先人们以为太阳是银河系的中心,正像一开始人们把地球看成是太阳系的中心一样。如果太阳真的是在银河系的中心,那么在我们的中心位置观看“天河”,任何方向恒星的密度分布都应该是差不多的,而且越向外面恒星的密度越稀。但是事实却不是这样。我们看到的“天河”,在人马星座的方向上又宽又亮,越往远处,星星不是越稀而是越密。

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这就告诉我们,太阳不在银河系的中心,银河系的中心应该在人马星座方向的某个位置上。后来的许多观测实践都证明了这一点。那么我们的太阳系究竟在银河系的哪个位置呢?首先,太阳不是在“棉絮团”的“银晕”中,而是在“铜钹”的“银盘”里。太阳也不在“银盘”中间的对称平面上,不过离对称平面很近。

也就是说,太阳基本上在两片“铜钹”的中间,离“铜钹”上下两面的距离差不了多少。其次,根据最近的资料,太阳既不在“银盘”的中心,也不在“银盘”的边缘,而是在离“银盘”中心27000光年,或者离开“银盘”边缘23000光年的地方。太阳在银河系里的位置决定了我们看到的“天河”——银河系的面貌。因为太阳系处在星星密集的“银盘”里,所以从我们地球上顺着“银盘”的方向看过去,看到的星星密集得多,这就是“天河”。它像一条白色的亮带,环绕着我们的地球。因为太阳系不在“银盘”的中心,所以我们往“银盘”的中心方向看去,星星更加密集,从这个方向看到的“天河”,就是夏天晚上看到的比较显眼的“天河”。往“银盘”的边缘方向看去,星星比较稀少,从那个方向看到的“天河”,就是冬天晚上看到的另外半圈比较暗窄的“天河”。




银河的运动之谜

春夏之交,晴夜无月,群星弄眼,脉脉传情,夜境显得分外宁静,好象天空上少了个什么似的。留神看,哦,“天河回家”去了,怪不得夜景这般寂寥!其实,“天河回家”并不罕见。“运动是物质存在方式”,宇宙间的一切都处在永恒不息的运动之中。月球在自转,同时绕着地球公转;地球在自转,同时绕着太阳公转;太阳在自转,同时绕着银河系的中心公转……从地上看大空,只觉得天旋地转,日、月、星、辰都有升有落,时隐时现。“天河”即属庞大的恒星集团——银河系的一部分,当然也是一样。那么,你知道银河系是怎么运动的吗?一般来说,银河系的运动分为整体的运动和内部的运动。让我们先来看看银河系内部的情形吧。

我们知道,整块的固体物质(比如我们的地球)绕轴自转的时候,各个部分旋转一周所需要的时间是一样的,离自转轴越远的地方旋转的速度越大。银河系是由上千亿个恒星组成的,它的自转同整个固体物质的自转情况不同。从银河系的中心往外,开始一段各个恒星的旋转周期相等,离中心越远的恒星旋转速度越快。但是过了一定界限以后,情况变了,离银河系中心更远的巨星,旋转速度不仅不再增加,有的甚至反而降低,于是它们围绕银河系中心旋转一周所需要的时间也越来越长。

为什么银河系的内部运动这么奇怪,现在还说不清楚。我们只知道太阳围绕银河系中心旋转一周,大约需要2亿年的时间。在上一旋转周时,地球上是恐龙一统天下,转了一周之后,恐龙灭绝,后来地球便成为人类的天下了。真是翻天覆地的变化!太阳的年龄只有50亿年,所以太阳从诞生到现在围绕着银河系中心,总共只不过旋转了25圈。这似乎表明,太阳的旋转速度是很慢的,其实用地球上的尺度来衡量,其速度大得惊人,达到250公里/秒!问题在于,太阳所转的这个大圆圈实在是太大了!银河系除了自转以外,还作为一个整体在无边无际的宇宙空间里运动着。人们已经提出了一个初步的结论,认为我们的银河系携带着全部恒星,目前正以每秒211公里的速度朝着麒麟星座的方向疾飞猛进!
这样一来,我们所知道的银河系在宇宙空间里的运动,就好比是一个滚动着的车轮,一面在自转,一面在不停地前进!


银河系形成之谜

我们所看到的银河是由无数大大小小的星星组成的。这些星星离我们非常远,肉眼不可能分辨出一颗颗单独的星,看上去就形成了一条白花花的银河。其实,辽阔的太空中,哪有什么天河!在银河系中球状星团内都是些老年星,它们至少有100亿岁的高龄,换句话说,它们是银河系里最早形成的天体。我们的银河系的年龄至少比它们大。天文学家根据大量的观测事实提出了银河系形成的许多假说,这里我们介绍一种主要模型。很久很久以前,宇宙中有许多浩大的星云,其中有一个质量至少包含现在我们银河系的总质量、密度分布不均匀的气体云,它在自身的引力作用下不断地收缩凝聚,内部逐渐形成许多密度较大的球状团块,每个球状团块至少有10万倍的太阳质量。这些团块在自身引力作用下进一步收缩,而且它们比银河系整体收缩得更快,最终破碎成许多小块密度凝聚区,它们就是新生的恒星。

众多的恒星和星际气体物质形成了球状星团,这些球状星团在空间呈球状分布,并在空间沿圆轨道运动。其余的气体云继续塌缩,压扁成盘状,核区的气体物质塌缩得最快,所以核区密度最大。由于物质的角动量是守恒的,伴随着气体云的塌缩,引力能的释放加速了旋转,这就形成了银河系的自转。在核区内都是老年星,在银晕的球状星团里也聚集着高龄的老年星,而在银盘里居住的大都是些中、青年星。从形成起至今,我们的银河系一直还在成长和发展。上述描述只是银河系形成的简化模式,它忽略了伴星系及内部磁场的作用,也没有解释银河系的细致结构及旋臂的形成。我们知道,银河系并不是孤立的,它的诞生与生命历程都要考虑与邻近星系的相互作用。最近哈勃望远镜探测到,距离我们银河系中心5万光年的人马座矮星系正朝着银河系方向下落,将在几亿年内被银河系吞食掉。由此可见,绝不能忽视星系之间的相互作用。至于这种理论正确与否,同样有待新的探测研究来证明。




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