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恒星星系宇宙及其起源（第1页）

恒星、星系、宇宙及其起源

据我们所知，自从有人类存在以来，人们就热衷于注视夜空中遥远的天体——观察它们、了解它们的习性、总结出它们的规律并且对它们的排列赋予某种含义。如果你像许多先人做过的那样，在晴夜里躺在山顶牧场的草地上，你就可以看到，天空呈现出无以述说的复杂性。古代巴比伦人和埃及人只靠少量工具，就进行了许多复杂的观测，但是一旦伽利略在17世纪把望远镜用于观察恒星和行星时，有关我们之外世界的信息就开始成倍增加。伽利略发现，行星之一的木星有卫星；后来证实，另一颗行星土星有光环。当望远镜改进后，天文学家开始认出新的结构，并且发现，在我们的太阳系中有更多的行星。到了19世纪，他们的工具箱中又增加了摄影术和光谱术（用于研究辐射源发射的能量分布，把光线分成各种成分，并按波长次序排列）。

但是到了20世纪，理论和实验之间不断的交互作用以及天文学和物理学的联姻，完全改变了我们对宇宙广阔领域的理解。在20世纪上半叶，爱因斯坦相对论教导我们说，我们生活在一个时空连续统一体中，它的形状受到物体质量的影响。20世纪最初的几十年，量子理论和核物理学的一系列进展为宇宙起源及其早期历史准备了特殊的新思想。与此同时，观测天空所用仪器和方法的进展，促使以前从未梦想到的新型天体终被发现，其中包括其他恒星周围的行星、恒星“苗圃”、远距离星系等。天文学、天体物理学和宇宙学（研究宇宙的起源和结构）比以往任何时候都更受有胆有识人士的青睐。正如莎士比亚笔下的哈姆雷特告诫他的朋友时所说：“霍拉提奥，在天上和地下有比你的哲学所梦想到的更多的东西。”这句话就此成为20世纪后半叶天文学家和物理学家的座右铭。

比梦想到的更多

在20世纪50年代初，天文学家桑达奇（AllanSandage，1926—）夜复一夜地坐着升降机登上海尔天文台圆屋顶下的一个高台，坐在被称为主焦笼的精巧机构里面，这是200英寸望远镜的观测点。海尔天文台坐落在加州帕萨迪纳附近的帕洛马山上，山顶的冷空气使他的手指和脚趾都冻僵了；但桑达奇珍视他的独处和处于时间机器的驾驶舱里的感觉。这就是他与星星为伴的夜生活，他从未错过一次机会。

桑达奇和他的同事们可以任意使用当时光学天文学里最好的设备。200英寸（五米）海尔望远镜刚刚在1948年完工，桑达奇曾经在威尔逊山附近出色的100英寸望远镜前，在修玛森（MiltonHumason，1891—1972）的指导下受过训练。后来他找到了一份工作，担任星系测量大师哈勃的助手，从此开始投身于持续终生的事业中。

哈勃曾经成功地测量了邻近星系的距离，他承担了一项长期计划，目的是测量更远星系的距离，并且最后测量宇宙的大小。他的发现叫做哈勃定律，这个定律说的是，星系越远，它发出的光线向光谱的红端位移得越多，也就是说，它离开我们的速率越快。这一光线的“红移”现象实际上是一种多普勒效应，就像火车呼啸而过，或者超速行驶的汽车离去时的喇叭声——当宇宙膨胀时星系互相远离，由于星系的运动使光线产生红移。

桑达奇的任务是拍摄星系，搜寻星系里面的可变星，以便测量星系之间的距离。当哈勃在1953年去世时，桑达奇的工作才刚刚开始，但他继承了哈勃在200英寸望远镜跟前的工作时间和他的所有图表与记录，全力以赴投身于对广阔时空的测量上。正如英国光谱学家希尔（LeonardSearle）所说：“桑达奇专注得如此不可思议。他是一位非凡的科学家，他全身心投入到工作中，他看来是一个狂热的人。”

许多年后，基于对某些球形星团光谱特性的考察，他最终得出结论，这些星团和整个宇宙的年龄不超过250亿年。现在天文学家用桑达奇提出的这个尺度来测量各种星系的距离，从几百万光年到几十亿光年。

对于观测天文学家来说，这是一个激动人心的时代。新的证据不断出现，天体物理学家和其他学科的同事们经常探讨的问题——例如，中微子真的存在吗?恒星爆炸时会发生什么?恒星是如何演化的?它们的内部深处是怎样的?只有到了现在，由于科学家获得了新工具，并且找到了新方法来运用旧工具，我们才有可能开始找到某些答案。

观测的新方法

每当我们从地球向太空凝视时，即使是通过位于高山之巅的望远镜并远离城市的灯光，也总有大气层的遮挡，因而扰乱且模糊了视觉。许多天体有可能看不清楚，某些处于可见光范围之外的辐射有可能完全观测不到。但是随着太空火箭在1957年诞生，历史上第一次有可能从大气层外进行观测。

1962年6月，焦孔尼（RiceardoGiai，1931—）及其同事在探测火箭上搭载了一台x射线探测器，看看它有无可能找到月亮上荧光的证据。这颗从新墨西哥的怀特桑兹发射的火箭，第一次发现了宇宙X射线源天蝎座X-1（这个名字表示它是在天蝎座发现的第一颗X射线源，天蝎座是部分位于银河系的南半球星座）。寻找一个处于电磁波谱不可见波段，例如x射线的天体，很像听到有人敲门，却看不见有人在门外，等你打开门，却又不知道谁在敲门。1967年，天文学家找到与天蝎座X一1配伍的可见天体，是一颗名叫V818Sco的变星。第二个X射线源金牛座X-1是1963年发现的，不久就认出它是巨蟹座星云，这是中国和日本天文学家在1054年观测到的超新星所遗留下的膨胀气体和尘埃组成的湍流云团。在这些发现之后，又进行了一系列火箭探测和气球探测，到了1970年，天文学家在我们的银河系中找到了25或30个X射线源。到了1970年12月，第一支X射线人造卫星轰隆隆发射上天，它发现了大量新的X射线源，大多数后来证明是双星系统（由两个相伴的星组成）。

1983年，美国国家航空和航天局（NASA）与荷兰和英国合作进行太空计划，发射红外天文学卫星（IRAS），普查整个天空（只差2％）的电磁波谱红外波段的红外源。IRAS装有液氦冷却的光学系统，连续勘查了近11个月，直到氦用完。数据在经过分析和整理之后，得到的IRAS观测目录非常广泛，其中包括织女星周围的尘埃外层，5颗新彗星和有关发射红外辐射的各种天体的广泛信息。

钱德拉和卢梭（HenryNorrisRussel，1877-1957）正在谈话。

美国1981年第一次发射的航天飞机，提供了一种把复杂的天文学观测站送入轨道的途径。美国国家航天局大型观测站系列中的第一项就是哈勃空间望远镜（HST），是1990年发射的。哈勃空间望远镜设计成能够窥视太空深处，在时间上可以追溯到遥远的过去，并且能够获得清晰度空前的图像。尽管哈勃空间望远镜出发时就有着明显的先天不足，但它还是发回了惊人的可视数据与信息丰富的图像——甚至还发回了无数与类星体、脉冲星、正在爆炸的星系、恒星的诞生、宇宙的年龄和大小等（这里只是列举了少数几项）有关的新信息。并且，哈勃空间望远镜被设计成能够对140亿光年前的原始星系进行探索，那时宇宙才刚刚诞生。它还能够对宇宙的大尺度结构进行深度红移研究。哈勃空间望远镜的分辨能力十倍于最好的地基望远镜，可以分辨近星场和星际大气的细节。它沿着地球上空380英里的轨道运行，最有希望在大尺度上对有关宇宙的各种问题给予明确的答案，包括它的大小和运动。遗憾的是，在它1990年发射后，发现有一块望远镜镜片存在缺陷，使几乎20年来一直在盼望得到它数据的天文学家大失所望。虽然望远镜仍然能够收集科学上有价值的图像，但它的模糊画面远不能满足计划的要求。不过航天飞机上的人员后来很好地完成了修理任务，不仅解决了这一问题，而且还完成了各种保养、维修和更新，使得哈勃空间望远镜的性能远远超过了原定计划。由于有了新的光学仪器，哈勃空间望远镜可以拍摄100亿至110亿光年远处的星星，保养和升级使它的寿命延长到了21世纪。

其他空间观测站也加入哈勃空间望远镜的队伍。康普顿7射线观测站（CGRO），特长是γ射线天文学，1991年发射，2000年完成任务。它携带了四台大型望远镜，有的大如小型汽车，每台都能在特定的能量范围内辨认7射线。这是因为，和所有的辐射一样，V射线只能是在与物质相互作用时才能检测到。因此康普顿γ射线观测站的探测器把探测到的射线转化成可见光的闪烁，再对闪烁进行计数和测量。γ射线在电磁波谱中是能量最大的辐射，从几万电子伏到几百亿电子伏。（相比之下，可见光只有几电子伏。）

在地面上完全不可能探测到宇宙γ射线，因为它不能穿透大气。但是在过去几十年里发现的许多最令人感兴趣的天体，包括类星体、脉冲星和中子星，都释放出大量能量，会产生7射线。天文学家希望通过康普顿γ射线观测站收集到的数据，对它们的结构和机制取得新的认识。科学家甚至想到，γ射线辐射也许是被黑洞吸入的物质发出的，通过这一辐射也许能够对消失前的物质有所了解。

他们还计划建立其他“大型观测站”，以便按电磁波谱的不同区域对宇宙进行快速扫描。也许今天美国宇航局最令人激动的观测站是钱德拉X射线观测站，这是美国宇航局大型观测站系列的另一部分。这个观测站是为了纪念理论物理学家钱德拉塞卡（Subrahmanyandrasekhar，1910—1995），一般称之为钱德拉。他出生于印度的拉合尔（现在属巴基斯坦），就学于剑桥大学的三一学院，1933年获博士学位，1953年成为美国公民。钱德拉是一位诺贝尔奖获得者，以其治学严谨和对白矮星的重要研究闻名于世，此外，他还研究了恒星的大气层、结构和动力学。

钱德拉X射线观测站1999年发射后，已经发回了许多清晰图片，作出了许多发现，其中包括第一次拍摄到了正在爆炸的恒星所发出的冲击波全景、白矮星发出的闪光和大星系吞噬小星系的情景。仅仅从太空航天飞机发射出去两个月，它就显示出围绕蟹状脉冲星的中心有一闪耀的环。脉冲星位于蟹状星云内，是超新星爆发后的残余。闪耀的环给科学家提供了脉冲星如何为整个星云供应能量的线索。

天文学家还知道，在银河系中心存在一个质量巨大的黑洞，但是他们从来没有在那个区域找到他们所希望的X射线辐射。钱德拉观测站在银河系中心附近发现一个微弱的X射线源，有可能正是长期寻找的信号。

钱德拉X射线观测站还发现在200万光年远处有一团气体呈漏斗状涌入巨大的黑洞，该气团比科学家预计的要冷得多。正如天文学家唐纳班（HarveyTananbaum）所说：“钱德拉观测站教会我们去期望观测一切未曾想到过的天体，从太阳系的彗星和附近的白矮星到相距几十亿光年以外的黑洞。”

NASA大型观测站列表

在2002年里，钱德拉X射线观测站提供了两个星系碰撞的真实记录。由于甚至在我们的银河系中，类似这样的碰撞可能已经多次发生，钱德拉X射线观测站的图像也许对宇宙为什么变成现在这个样子，提供了新的见解。科学家从钱德拉X射线观测站的证据想到，名叫Arp220的星系的大量新星可能就是这种巨大碰撞融合的结果。星系合并还发送出巨大的冲击波穿过太空的星系际区域，在融合的星系中心形成质量巨大的黑洞。天文学家从钱德拉x射线观测站的信息得出结论，融合已经发生了几千万年，这个时间在宇宙的尺度上并不算长。

2003年8月25日发射了另一台激动人心的观测站，空间红外望远镜［SIRTF，现在重新命名为斯匹查（Spitzer）空间望远镜］。斯匹查专门针对IRAS和ISO顾不上的内容，考察红外谱区，它是对巨型观测站（不包括下一代空间望远镜）的最权威的补充。技术上的最新进展应该可以保证这一观测站成为最大和最有成效的观测站之一。用上这样先进的红外探测器，人们预期可以完成复杂的大面积测绘，它的装备足以使它的扫描速度比任何其他空间船载的红外望远镜快上百万倍。斯匹查还应该能够帮助回答有关恒星和行星形成、类星体等高能天体的起源、星系的形成和演变，以及物质的分布等关键性问题。

星体内部发生了什么事情

贝特是第一流的核物理学家，曾经在他的祖国德国跟随索末菲学习，此外还到剑桥大学跟随过卢瑟福，到罗马跟随过费米。当希特勒上台掌权时，贝特离开德国到了美国，在那里参加原子弹的研制工作，但是他对科学的最大贡献是他在1938年提出的关于恒星内部过程和机制的理论。他运用的是对亚原子物理学的详尽知识和爱丁顿的结论：即恒星越大，内部的压力越大，温度也越高。

贝特的讨论由此开始，先是氢核（质子）和碳核，由此启动了一系列反应，最后导致碳核的重新组合和氦核（一个α粒子）的形成。也就是说，恒星发动机用氢作为燃料，用碳作为催化剂，排出的“灰烬”就是氮。由于类似太阳的恒星大部分都是由氢构成，它们大多都有足够的燃料维持几十亿年。贝特还勾画出了另一幅可能的情景，氢核直接组合在一起，（没有碳催化剂）经过几个步骤再形成氦，这个机制可以在更低的温度下发生。贝特由于太阳和恒星能量生成（他称之为聚变）的研究而获得1967年诺贝尔物理学奖。

1948年，伽莫夫对贝特的思想——核反应为恒星提供能量并且充当它们的辐射能源——发生了兴趣。他和贝特一样，也是经过正规训练的物理学家，但是他对天文学的兴趣从13岁就开始了，那时父亲送给了他一台望远镜。伽莫夫出生于俄罗斯，在欧洲几个大学学习过，在那里他与玻尔和卢瑟福共事过。20世纪30年代转到美国，与原子物理学家泰勒合作，开始在圣路易斯的乔治·华盛顿大学教书，随后决定留下。伽莫夫对此的进一步计算表明，当恒星在这一过程用完基本燃料氢后，星体将变热。他假设，我们的太阳不是逐渐变冷，而是缓慢地变热，最后将把地球上的生命烘烤摧毁，甚至最终把它们吞没。

以太空为基地的对太阳的研究肯定了贝特和伽莫夫的聚变推动恒星的思想，此外还发现了其他许多有关太阳的事实，其中包括由带电原子性粒子组成的太阳风的存在，它不断经过行星吹向太阳系的边缘。1973—1974年间，美国太空实验室空间站有三项太空行动，宇航员最初集中关注太阳，发回了有关太阳活动的75000张照片，其中包括6张太阳耀斑（太阳能量的爆发性释放）。

星体演化：配恩-伽珀斯金

20世纪天文学家探讨的重大问题中，有一个就是“恒星的生命史是怎样的”。一旦得知恒星经历这样的过程：诞生、年轻时的炽热明亮、渐渐衰老、然后死亡，天文学家就迫切想要揭示其细节。在这些前沿探索者中，有一位妇女名叫配恩·伽珀斯金（Cee-Gapos，1900—1979），她在20世纪后半叶被公认为历史上最杰出的、当今最著名的女天文学家之一。

配恩出生于英国的温都沃，1919年获得奖学金进入剑桥大学，在那里受到爱丁顿的激励，投身于天文学。夏普勒邀请她参加哈佛学院天文台，她接受了邀请，在坎农（AnnieJump，1863—1941）的领导下从事光谱研究。坎农负责哈佛大量恒星光谱照片的分类整理工作。配恩在哈佛完成了博士论文《星体大气》，对于这篇论文，斯特拉夫（OttoStruve，1897—1963）评价为“历史上天文学中写得最好的博士论文”。配恩24岁时，综合了光谱数据和她自己的观测，推导出每一类光谱代表的温度以及恒星大气的成分。配恩是一位杰出的科学家，她喜欢把自己说成野外博物学家，善于“把以前认为是没有联系的各种事实收集在一起，并且看出它们中间的规则”。尽管她从不张扬自己，也从未想过要这样做，然而，她显示的特点却是一个伟大理论家的关键品质之一。