太空宇航知识（八）-第8章

第8章星系
北极星现在在很靠近地球北极指向的天空。

因此，看起来它总在北方天空。

正是因为它所
处的位置重要，才大名鼎鼎。

其实，按亮度它只是一颗普通的二等星，属于“小字辈”。

它离我们是300多光年。

北极星属于小熊星座中最亮的恒星，也叫小熊座α星。

中国古代称它为“勾陈一”或“北辰”。

在星座图形上，它正处于小熊的尾巴尖端。

说到这里，或许你要问：小熊星座α星永远享受北极星的尊称吗？或者说，地球自转轴
的北极永远指向这颗星吗？首先应该指出，地球自转轴也是在周期性的缓慢摆动。

因此，地球
自转轴北极指向的天空位置自然也是变动的。

可见，北极星的“皇位”也存在轮流坐庄的可能。

天文学家们早已算出，4800年前，北极星不是现在小熊座α星，而是天龙座α星，中国古
代称它为右枢。

那时右枢获得北极星的殊荣。

到公元1000年，也就是中国北宋初年的时候，
地球北极指向的天空离现在北极星棗小熊座α星的角距还有6度。

可见，那时它还远远不能
作北极星。

现在地球自转轴北极指向的天空离小熊座α星的角距只有约1度。

目前地球自转
轴北极指向的天空正以每年15角秒的速度接近小熊座α星。

到公元2100年前后，地球自转
轴北极指向的天空和小熊座α星之间的角距最小，仅有约28角分。

似乎这时它的“地位”才
达到北极星的顶峰。

以后，地球自转轴北极指向的天空将逐渐远离小熊座α星。

到公元4000
年前后，仙王座γ星将成为北极星。

到公元14000年前后，天琴座α星棗织女星将获得北极
星的美名。

那时人们再谈起牛郎和织女的故事来，织女星“入主北极星的皇位”身份，远远超过牛郎星。

地球自转轴这样摆动一周的时间，大约是26000年。

这说明一切事物都是在运动的，静止只是暂时的，是相对的，运动变化才是永恒的。

北斗七星属大熊星座的一部分，从图形上看，北斗七星位于大熊的背部和尾巴。

这七颗星
中有6颗是2等星，一颗是3等星。

通过斗口的两颗星连线，朝斗口方向延长约5倍远，就找到了北极星。

认星歌有：“认星先从北斗来，由北往西再展开。

”初学认星者可以从北斗七星
依次来找其它星座了。

（A）10万年前的北斗七星（B）现在的北斗七星（C）10万年后的北
斗七星
北斗七星在10万年前后的变化
北斗七星组成的图形永远不变吗？它永远是找北极星的“工具”吗？当然不是这样。

宇宙
间一切物体都在运动和变化之中，恒星也不例外。

既然恒星也在运动，那么北斗七星组成的图
形当然也在变化。

这七颗星离我们的距离不等，在70～130光年之间。

它们各自运行的速度和
方向也不一样。

天文学家们已经算出，10万年前看到的北斗七星组成的图形和10万年后将要
看到的图形，都和今日的大不一样。

造父变星
一类高光度周期性脉动变星，典型星为仙王座δ，中名造父一。

光变周期约50天，但也有超过的，如银河系经典造父变星武仙座BP的周期为83.1天；小麦哲伦云中的经典造父变星周期长达二百天。

造父变星可见光波段的光变幅度为0.1到2个星等，光谱由极大时的F型变到极小时的G-K型。

它们的光变曲线正好是变星大气视向速度曲线的镜像反映，即极小光度对应着极大视向速度。

光度和光变周期之间存在着密切关系，成为周光关系。

这种关系可用来建立天体的距离尺度，利用造父变星的周光关系来测定天体距离是天文学中非常重要的课题，只要在星团或星系中发现有造父变星，就可以确定星团或星系的距离，因此，造父变星有“量天尺”之称。

冥王星
九大行星中离太阳最远、质量最小的要算冥王星了。

它在远离太阳59亿千米的寒冷阴暗的太空中蹒跚前行，这情形和罗马神话中住在阴森森的地下宫殿里的冥王普鲁托非常相似。

因此，人们称其为普鲁托（Pluto），在天文学中是普鲁托英文名字前两个字母，又是对冥王星发现有推动之功的美国天文学家洛韦尔（Percival Lowell）姓名的缩写。

冥王星是最晚发现的一颗行星，和天王星、海王星的发现相比，冥王星的发现可算得上“好事多磨”。

冥王星的亮度很弱，只有15等，即使在大望远镜拍摄的照片上，它和普通的恒星也没有什么差别，要想在几十万颗星星中找到它，真好比是大海捞针。

在寻找冥王星的工作中，天文爱好者出身的美国天文学家洛韦尔详细计算了这颗未知行星的位置，用望远镜仔细寻找，付出了十几年的心血。

直到1916年11月16日，他突然去世。

1925年，洛韦尔的兄弟捐献了一架口径32.5厘米的大视场照相望远镜，性能非常好，为继续搜寻新行星提供了优越的条件。

1929年，洛韦尔天文台台长邀请汤博（Clyde William Tombaugh）加入未知行星的搜索行列。

他们一个一个天区地搜索，拍摄了大量底片，并对每张底片进行细心地检查，工作艰苦、乏味。

1930年1月21日，汤博终于在双子星座的底片中发现了这颗新行星。

彗星
公元1066年，诺曼人入侵英国前夕，正逢哈雷彗星回归。

当时，人们怀有复杂的心情，注视着夜空中这颗拖着长尾巴的古怪天体，认为是上帝给予的一种战争警告和预示。

后来，诺曼人征服了英国，诺曼统帅的妻子把当时哈雷彗星回归的景象绣在一块挂毯上以示纪念。

中国
民间把彗星贬称为“扫帚星”、“灾星”。

像这种把彗星的出现和人间的战争、饥荒、洪水、瘟疫等灾难联系在一起的事情，在中外历史上有很多。

科胡特克（Kohoutek）彗星和哈雷彗星
彗星是在扁长轨道（极少数在近圆轨道）上绕太阳运行的一种质量较小的云雾状小天体。

Hyakutake彗星 Giacobini-Zinner彗星
彗星的轨道有椭圆、抛物线、双曲线三种。

椭圆轨道的彗星又叫周期彗星，另两种轨道的又叫非周期彗星。

周期彗星又分为短周期彗星和长周期彗星。

一般彗星由彗头和彗尾组成。

彗头包括彗核和彗发两部分，有的还有彗云。

并不是所有的彗星都有彗核、彗发、彗尾等结构。

我国古代对于彗星的形态已很有研究，在长沙马王堆西汉古墓出土的帛书上就画有29幅彗星图。

在晋书“天文志”上清楚地说明彗星不会发光，系因反射太阳光而为我们所见，且彗尾的方向背向太阳。

彗星的体形庞大，但其质量却小得可怜，就连大彗星的质量也不到地球的万分之一。

由于彗星是由冰冻着的各种杂质、尘埃组成的，在远离太阳时，它只是个云雾状的小斑点；而在靠近太阳时，因凝固体的蒸发、气化、膨胀、喷发，它就产生了彗尾。

彗尾体积极大，可长达上亿千米。

它形状各异，有的还不止一条，一般总向背离太阳的方向延伸，且越靠近太阳彗尾就越长。

宇宙中彗星的数量极大，但目前观测到的仅约有1600颗。

人类登陆火星需解决带电尘暴等新问题
美国航天局戈达德研究中心的科学家威廉-法雷尔在最新一期美国的《地球物理研究杂志》发表的文章指出，未来将在火星上登陆的宇航员，不仅将面临巨大温差、稀薄大气等困难，而且还要受到火星上的尘暴的威胁。

科学家在分析火星照片后得出结论，火星上不仅经常出现尘暴，而且尘暴的体积很大，直径有500米，高度有几千米。

“尘暴”就是含有砂粒等灰尘组成的风暴，但与一般的沙尘暴不同，它形成一个直上直下的旋涡，很像龙卷风，但强度比龙卷风小。

它不仅带沙尘，而且沙尘颗粒也带电。

在地球上也有尘暴，其中的沙尘粒子也带电，电压落差是每米4000瓦，因此电场已经很强。

但是科学家说，地球上的尘暴比起它们在火星上的同类就是小巫见大巫了。

但是，威廉-法雷尔等人最近研究地球尘暴时发现，尘暴中的小的粒子带有负电，而大的粒子带有正电，小的粒子上升和大的粒子下沉，形成一个电场。

这种电场和随之一起形成的磁场，将会引起在火星上的宇航服带电，还可能干扰宇航员与地面的无线电联系，对宇航员的安全产生威胁。

第9章宇宙知识
为什么宇宙会是我们观测到的这副样子？为什么它具有目前已测知的那些基本常数值？80年代初，在宇宙创生大爆炸框架下发展了目前最流行的暴胀宇宙模型：宇宙在大爆炸后不到1秒的时间里膨胀了大约10-30倍，大约和橘子一般大小，然后开始以较稳定的膨胀速率，直到现在，大约150亿年，成为目前的样子。

在这个过程中，物质“疙瘩”逐步形成了星系、恒星以及生命。

这个模型暴胀期的长短是个关键。

若稍短，物质为充分散开，原生宇宙就有重新坍缩为起点；若稍长，原生宇宙的物质则过于分散，形不成星系和恒星，自然也就不会出现生命和人类。

因此出现了暴胀为何如此精确的问题，按照现行的物理学基本定律，大爆炸产生的宇宙其“自然尺寸”应该只有亚原子大小，即普克郎长度10 ^－35量级，而这样的宇宙是短命的。

前苏联科学家林德提出“自我增殖的宇宙”概念--“最有可能的是，我们正在研究的宇宙是由早期的若干宇宙所形成的。

”1987年霍金进一步提出了“婴儿宇宙”模型，两个大宇宙通过一个细“管子”连接起来，这个细管子称为“虫洞”，大宇宙为母宇宙，可能存在着从母宇宙分岔出去的另一端是自由的虫洞，这样的管子成为子宇宙、婴儿宇宙。

就是说除了我们生存的宇宙之外还可能存在着众多的由虫洞连接起来的其他宇宙。

1992年，萨莫林在前人基础上提出了宇宙自然选择学说。

母宇宙是空间闭合的，犹如一个黑洞，该黑洞在生存了一段时间后坍缩为一个奇点，奇点又会反弹爆炸膨胀为新的下一代宇宙。

这个学说的要点是，子宇宙中的物理常数较之母宇宙的物理常数会有小的、或强或弱的随机变异，新生的婴儿宇宙在再次坍缩成奇点前能膨胀到几倍普克郎长度大小，随机变异的物理常数有可能允许小小的暴胀，子宇宙可变的较大，当它足够大时，可分隔为两个或更多的不同区域，每个区域又坍缩为一个新的奇点，新奇点又触发下一代的子宇宙，如此时代相传，有的小宇宙重又坍缩，有的具有某些基本常数值的宇宙能更有效的产生许多黑洞，从而较具有其他某些基本常数值的宇宙留下更多的后代，借用生物进化论的术语，它们是被“自然选择”下来的，经“选择”作用，产生越来越多的黑洞，也就形成了更多的宇宙。

如果宇宙确是由以前的宇宙世代经过这种“自然选择”而产生的话，那么应该预期我们生存在其中的宇宙会具有所观测到的样子并正好具有目前测知的基本常数值。

这个学说的另一要点是关于恒星的存在。

在许多情况下，恒星是黑洞的前身。

在气体和尘埃云中，恒星仍在形成。

在碳尘埃微粒表面进行着的化学反应使气体冷却并促使气云坍缩。

但碳尘埃粒子是从那里来的呢？斯莫林指出碳元素是由核聚变反应产生的这一情况只有在质子的质量稍大于中子的质量时才会发生，如果两者质量之差比氦核的结合能大的多，则质子和中子不可能粘在一起形成氦核，没有氦，聚变反应链在第一阶段便终止了，根本形不成更重的元素，从而使恒星将少得多，自然也不会有多少黑洞，因此在任何一个宇宙中，若其中质子与中子的质量相差较大，将只能产生很少的宇宙，也就没有什么“选择”的余地了。

大爆炸宇宙学
大爆炸宇宙学是现代宇宙学中最有影响的一种学说，与其它宇宙模型相比，它能说明较多的观测事实。

它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。

在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化。

这一从冷到热，从密到稀的过程如同一次规模很大的爆发。

根据大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在１００亿度以上。

物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。

宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。

但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。

当温度降到１０亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。

温度进一步下降到１００万度后，早期形成化学元素的过程结束。

宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。

当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。

大爆炸模型能统一说明以下几个观测事实：
１、大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温度至今天这一段时间为短，即应小于２００亿年。

各种天体年龄的测量证明了这一点。

２、观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成正比。

如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。

３、在各种不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是３０％。

用恒星核反应机制不足以说明为什么又如此多的氦。

而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效率也很高，则可以说明这一事实。

４、根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。

大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。

１９６５年，果然在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度大约为３Ｋ。

这一结果无论在定性上或者定量上都与大爆炸理论的预言相符。

但是，在星系的起源和各向同性分布等方面，大爆炸宇宙学还存在一些未解决的困难问题。

宇宙在膨胀吗？
夏日夜空，繁星闪烁，不禁使人陷入对宇宙的遐想之中。

20世纪10～20年代，天文学家
发现远星系光谱线的频率随着它离我们距离的远近而有规律地变比，即谱线红移。

1929年哈
勃总结出谱线红移的规律是：对遥远星系，红移量与星系离我们的距离成正比，比例系数H叫哈勃常数，这红移叫宇宙学红移。

此后，在红外及整个电磁波波段都观测到了这个规律。

它被解释为是由星系系统地向远离我们的方向运动时的多普勒效应产主的。

这就像火车远离我们行驶时汽笛的声调（即频率）比静止不动时的声调更低一样，由此得出星系都在做远离我们的运动，离我们越远运动速度越快的结论。

这就好像是掺有葡萄干的面包在烤箱中膨胀起来一样。

这个模型叫宇宙膨胀模型或大爆炸模型。

近年来在宇宙膨胀的基础上又提出了爆胀宇宙等多种改进模型。

从宇宙膨胀的观点出发，利用哈勃公式反推到过去宇宙中所有天体应该聚集于一点，由于某种原因在它内部产生了"大爆炸"。

诞生了现在的宇宙，从而得出了时间是有开端，空间是有
限的结论。

宇宙从大爆炸到现在究竟经过了多少时间，即宇宙的年龄是多少，这取决于哈勃常数H的大小。

最初哈勃常数仅500（公里／秒／百万秒差距），这样算出的宇宙年龄比地球的
45亿年的年龄小很多。

以后改为50～100之间。

若取100，宇宙的年龄只有100亿年，而银河
系的球状星团的年龄是150亿年，矛盾很大。

若取50，宇宙年龄为200亿年，矛盾不那么明显，因此被大爆炸宇宙论者所赞同，但在观测上，这个数值有些勉强。

究竟是多少，一直没有定论。

近年来用哈勃太空望远镜观测的结果倾向于取80。

这样算出的年龄为120亿年，矛盾
还很明显。

宇宙将来是一直膨胀下去还是又收缩回来，这要取决于宇宙的平均密度。

而宇宙平均密度究竟是多少目前还不能确定，因为观测的距离越远，平均密度越小，下限有没有还不能确定。

1965年发现了宇宙空间的2.7K微波背景辐射，被大爆炸论者解释为大爆炸时期的光经
过上百亿年后的遗迹，是大爆炸宇宙的一大证据，但这种解释并不是唯一的，因为宇宙空间中充满介质，2.7K微波背景辐射具有黑体辐射的性质，可以解释为宇宙空间中介质发出的温度
是2.7K的热辐射。

仔细分析起来，问题可能出在将光谱线的红移都解释为星系运动的多普勒效应上。

过去，人们曾用多普勒效应解释了银河系内恒星的光谱线移动，从而成功地确定了星系内存在自转现象。

但现在天文观测中却发现一些红移现象，若用运动的多普勒效应解释就存在许多困难，这促使人们考虑到必然还有其他机制能产生红移，这里列举几种观测结果。

①多普勒效应对同一个天体，其红移量与光谱线的频率无关，因此观测每个星系中不同谱线的红移量，比较它们是否一致，就是鉴别红移是否由多普勒效应产生的一种依据。

如果一致，就表示有可能是由多普勒效应产生的；如果不一致，就肯定它至少不完全是由多普勒效应产生的。

1949年威尔逊对星系NGC4151的观测结果表明，虽然不同频率的红移量差别不大，但也
超出了观测的误差范围，频率越高，红移量越小。

这样至少可以认为宇宙红移不完全是由多普
勒效应产生的。

②从太阳中心到边缘各点发出的同一种谱线，在扣除了各种已知的运动效应后，越靠近边缘的地方红移量越大，在太阳半径90％左右的地方，红移量急剧增加。

这意味着太阳上还有
某种未知的因素在产生红移。

③先驱6号宇宙飞船发射的遥测信号中心频率为2292兆赫，当飞船绕到太阳背面经过太
阳边缘时观测到异常红移现象。

④类星体红移量一般都很大，如果把这都归结为多普勒效应，算出的距离一般在100百万秒差距以上。

由此推算出它发出的总光能力为银河系的100倍；射电能为银河系的10万倍。

而由光变周期算出它的直径只有一光年左右，这意味着类星体的辐射密度非常高，但目前一直找不到产生这样高辐射密度的物理机制。

有些天文学家认为，类星体的红移中至少有一部分不是由多普勒效应产生的，因而类星体离我们的距离较现在推算的要近得多。

⑤星系、类星体相互之间都有成协的现象，即这些天体两两或更多相距较近并有物理联系。

观测表明，有些成协天体间红移值相差较大，有些类星体光谱中的吸收线与发射线互不相同，而且不同的吸收线有各不相同的红移值，称为多重红移。

既然这些红移不能用多普勒效应解释，那么它产生的原因究竟是什么呢。

光在发射时固然有许多因素影响它的频率，但宇宙中这么多天体都如此有规律地只随着远离我们的距离而变化，就难以理解了。

光在它漫长的传播路径上经历了几亿至上百亿年的岁月，这期间必然比它在发射的一瞬间有更多的因素影响着它的频率。

现在人们了解到，在星系际空间中存在着星系际介质，它的密度在10E-29克／立方厘米以下。

成分与银河系的大致相同。

除了有能对星光产生
可见效应的星系际气体、尘埃和固态物质、低光度星体外，还有大量的基本粒子。

据估计，星系间基本粒子的质量占了整个宇宙总质量的绝大部分，它们是看不见的。

光与介质的相互作用是复杂的，介质不仅能吸收光，还能再发射光；再发射的光，其频率不仅仅只是原有的频率，还有其他的频率，只是在原有频率及其附近强度最大。

其实，人们
早已熟知光子在传播过程中由于与介质的相互作用会逐渐转变成低频的光子。

但过去人们认为这只会使谱线衰减而不会产生红移。

由惠更斯原理知道，波前上所有粒子产生的子波叠加后能形成具有新频率的平面波。

新产生的频率叠加在原有频率上的结果，不像通常认为的那样谱线会被平滑而消失，而是谱线被整体地移动，在远距离传播中，光的频谱的变化就好像在谱卒域中传播的波一样。

这里频率域相当于弦，光谱的强度相当弦的振幅，一条谱线对应于弦上的一个波峰，弦上波峰的传播对应于谱线在频率域中传播。

这种新型的波叫频域波。

如果新产生的频率电较原来频率低的能量大
于较原来频率高的能量，频域波向低频端传播，形成谱线红移；反之，频域波向高频端传播，形成谱线紫移。

由实际经验知道，通常总是低频成分多于高频成分，所以实际上常观测到红移。

星系际空间是充满介质的，星光必须通过介质才能到达地球，所以光谱线必定会红移，而且距离越远红移量越大，这与哈勃公式是一致的。

对宇宙红移来说，应先扣除介质产生的红移效应，剩余部分才可能解释成多普勒效应，这是处理观测数据所必需的步骤。

但以前在得出膨胀宇宙模型时，并没有做这件工作，扣除后的结果无非是3种情况：①全部扣完，宇宙是稳定的。

②还有剩余，宇宙是膨胀的。

不过，这时膨胀速度要比现在认为的速度慢得多，宇宙的年龄也比现在算出的大许多。

③是负值，宇宙正在收缩。

由于我们目前对宇宙空间的情况了解甚少，虽然对地球上的介质与波的相互作用知道一些，但毕竟对在星系际空间中实际发生的情况知道甚微，也许还有些重要的相互作用没有认识到，介质产生红移扣除的结果很难认为是已经完成。

也许我们应当反过来，即从宇宙红移来反推星系际介质的情况，这是因为，我们所看到的宇宙是有层次的，有行星、恒星、星团、星系，星系团，总星系等，它们的平均密度呈指数下降，这些都说明宇宙是不均匀的。

地球绕太阳转动，太阳绕银河系中心转动，银河系绕本星系团的中心转动，星系团又绕以宇宙背景辐射所表征的经过平均后的星系际空间的介质运动，宇宙也不是各向同性的。

这是我们所能看见的最远的宇宙的情况。

大家知道。

对于一个引力系统来说，只有具有一定的角动量（旋转）才可能维持比较稳定的结构。

因此，我们观察到的宇宙是比较稳定的，可以认为宇宙红移主要是光通过星系际介质时的频域波。

正如上面谈到的，宇宙是膨胀的，稳定的还是收缩的，要扣除星系际介质的效应后才能确定。

而扣除介质的效应需要对星系际介质有较详细的了解，这在目前还难以做到。

也许应该从我们所观测到的宇宙是较稳定的旋转系统出发，用红移资料来反推介质的情况。

人类就是这样在不断探索中来认识宇宙的。