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第5章 天体网:黑暗而美丽的宇宙天网(2)

中国古代一直有“天狗食日”的说法,就古人理解,日食之所以发生,乃上天意志干预人间、警示君王,而“日不食、星不悖”才是“太平盛世”。现在让我们进入太空看看这一奇妙的景观是如何产生的。日食的产生主要是由于地球、月球和太阳之间位置的相对变化而造成的。地球围绕太阳一周需要1年的时间,月球则以大约1个月的周期围绕地球转动。当月球转到地球和太阳的连线间,太阳被月球遮住,月球的影子投射到地球上,在地球上的月影区域内产生了日食。如果照射到地球上的太阳光完全被月球遮住就形成了日全食。日全食发生的几分钟内会突然黑天,可能会给航空航天、轨道交通、建筑施工以及社会治安等带来安全隐患,所以需要对日全食作准确的预报。当然目前科学家已经可以精确地预计日全食发生的时间和区域,其本质就是根据太阳、地球和月球的运动轨道位置的变化和运行周期进行计算的。

同样,当地球运行到月球和太阳连线间会产生月食现象。不管日食还是月食都是由于太阳和月球运动位置的变化,即太阳系网络是一个动态变化的网络,如果太阳和月球一直处于静态而不围绕太阳转动,就不会有日食和月食的奇观发生了。此外,当天体与太阳各在地球的两侧时发生的天文现象称为“冲日”,相对于冲日的现象为合日,“冲日”前后是观测天体的好时机。可见,天体网络中的星体运动不仅会改变网络的现有形态,也会对星体本身产生影响,正是有这样的运动,地球上才有日月轮替、春夏秋冬的变化。

2.星体相互作用

十七日观潮

陈师道

漫漫平沙走白虹,

瑶台失手玉杯空。

晴天摇动清江底,

晚日浮沉急浪中。

这首被世人传颂的诗歌《十七日观潮》描述的是闻名世界的钱塘江秋潮胜景,中国古代对潮汐现象就有一定的发现,《海潮图序》一书中叙述:“潮之涨落,海非增减,盖月之所临,则之往从之。”哲学家王充在《论衡》中写道:“涛之起也,随月盛衰。”

地球上的潮汐现象是指海水在天体(主要是月球和太阳)引潮力作用下所产生的周期性运动,习惯上把海面垂直方向涨落称为潮汐。除月球、太阳外,其他天体对地球同样会产生引潮力。但太阳离地球的距离远比月球与地球之间的距离大得多,所以其引潮力还不到月球引潮力的一半。潮汐运动中蕴藏着极为巨大的能量,如何利用这一能量更好地服务海港工程、航运交通和军事活动等都是十分重要的。

由于太阳和月球以及其他星体的共同作用,地球上产生了周期性的潮汐现象。合理地利用和开发潮汐资源将有利于人类生活。1966年,法国建成了世界上最大容量的潮汐发电站,这座电站每年可发电约5.44亿度。在中国,闻名中外的钱塘江每年前来目睹奇观的游客不计其数,每当潮汐变化,便会水墙高立,演绎震撼美景。

除了潮汐以外,还有许多由于天体相互作用产生的奇观,比如人们熟悉的流星雨就是由于彗星分裂的碎片和地球大气层高速摩擦产生的。在太阳系网络中,各星体之间都存在万有引力,引力的相互作用会对星体产生一定的影响。往往在一个错综复杂的网络中,很难理清网络作用的方向和力度,因此根据已有的条件利用网络资源显得十分重要。

总体来看,太阳系属于星型的网络拓扑结构,并且表现出一定的层次性。太阳是整个网络的灵魂,其与八大行星构成了网络的主体架构,八大行星形态、结构、运行轨道各异,彰显网络节点的属性和特征。太阳系中存在着类似于地月系、土木家族和木星家族这样的自然天体集聚的局部网络,这一个个小网络是由行星及其许多卫星组成,许多个小网络编织成大网络。当然网络中的个体并不是孤立的,天体之间或局部网络之间都会相互作用、相互影响和共同演化。

三、广袤无垠的银河系

如果把太阳系比做一座城市的话,那么银河系无疑就是巨大的“城市网”,网通万千城市。银河系包含一千二百亿颗恒星和大量的星团、星云,还有各种类型的星际气体和星际尘埃。与如此庞大的银河系相比,太阳显得十分的渺小。虽然人类对银河系的很多认识和发现还存在争议,不过仅从星体聚集来看,作为数百亿颗恒星的家园,银河系算得上名副其实的宇宙巨人了。

(一)“巨型棒旋”式的网络结构

小的时候仰望夜空,最喜欢做的一件事情莫过于数星星,而最好奇的算得上天空中的那两条白色的“带子”。传说,王母抓走织女后,为了不让牛郎追上并彻底摧毁牛郎的信念,便拔下头上的簪子,在身后划出了一条天河,把这对爱人永远地分开了,这条河便是那白色的“带子”。当然这只是个神话,那条白色的“带子”便是拥有亿万星体的银河系。银河系呈现一种涡旋状,有4条螺旋状的旋臂从银河系中心均匀对称地延伸出来。银河系由银核、核球、银盘、银晕以及银冕组成,从里向外,层次分明。

1.深藏不露的银心

银河系的中心是一个很亮的球状凸起区域,直径约为两万光年,称为银心,顾名思义银心乃银河的中心。银心拥有强大的“小宇宙”,在此聚集了大量的恒星。太阳系中只有一颗恒星即太阳,太阳系的所有天体都围绕太阳旋转。在太阳系称太阳为“君主”一点都不过分,不过在庞大的银河系中,太阳只能算得上一名不起眼的“小兵”。银河系的所有天体都围绕银心绕转,银心是这个复杂网络的主节点。

银心是银河系的心脏,是太阳的母亲。科学家估算银心的质量约为1.4×1011个太阳质量,整个银河系90%以上的质量都集中在银心,这点很像太阳系中的太阳。从地球上来看,她不像太阳那样光彩夺目,是因为从银心发出的可见光被相当于3万光年厚的银环尘埃物质遮挡了。但近年来科学家用太空望远镜发现银心有大量γ射线从其南北极区射出,这种强烈的γ辐射是一般光学望远镜不可见的,故中国先哲曾曰“至亮者无光”。雷元星:《宇宙大揭秘》,四川科学技术出版社,2000。除此之外,银心还拥有强大的力量,科学家一直怀疑在这个浩瀚苍穹的中心区域潜伏着一个巨大的黑洞。科学家利用能透过尘埃云的红外线光进行观察,发现这个黑洞就是“人马座A星”,是一个质量为太阳400万倍的“怪物”。黑洞的引力非常大,任何东西一旦进入它的势力范围,就别想逃脱出去,其中也包括光。英国皇家天文学会的罗伯特·马赛博士说,这种观察结果说明了星系在庞大的黑洞周围形成的过程,银河系包围着黑洞,就像河蚌包围着砂石而形成珍珠一样。由此可见,整个银河系绕着银心旋转不无道理,银心有其自身的光彩和魄力。银心是整个银河系的主宰,是整个网络的核心所在。

2.“盘臂”生辉

除了银心,银河系的主要部分组成了一个薄薄的圆盘,叫做银盘。银盘和银心共同构成了银河系的主体架构,这个类似于唱片的银环厚度约为100光年,恰好挡住了银心的光亮。银盘是银河系的重要组成部分,是网络的主体部分,在银河系中可探测到的物质中,有九成都在银盘范围以内。银盘中部夹有一层由星际尘埃、陨石、冰块等构成的薄块,这使得银盘犹如一块夹心大饼。银盘上分布着大量的星体,包括GK型巨星、GK型主序星、长周期变星、新星、超新星和较年老的银河星团及年轻的O、B型星,这些星体以错综复杂的关联构成了银盘的主要形态。银盘外面范围更大、近于球状分布的银晕。银晕外面还有物质密度更低的银冕。

科学家普遍认为银盘中存在以银心为对称的旋涡结构,即银河系存在旋臂结构,但对旋臂的形状和数目则看法不一。1951年,耶基斯天文台的天文形态学者威廉·摩根提出,银河是螺旋形的。根据摩根的说法,银河系有3条炽热恒星群组成的旋臂,分别是英仙座、猎户座和人马座旋臂。美国威斯康星州大学的本杰明说,近年来,人们普遍坚持的是,银河系有4条主要旋臂,分别是定规座旋臂、半人马座旋臂、人马座旋臂和英仙座旋臂。太阳坐落在位于人马座和英仙座之间的一条小旋臂——猎户座旋臂附近。

由此来看,银河系是一个以银心为主节点,以银盘作为主体而构成的复杂网络。银心基本上位于银河系的几何中心,银河系其他星体、星团、尘埃等基本上都围绕银心绕转,银心是银空中一切天体的归宿。银盘内分布的大量星体是网络中大大小小的节点,这些节点相互作用,形成了银盘式的主体结构。

(二)亿万星体齐聚银空

20世纪初的时候,人们还一直以为银河系就是整个宇宙,因为相对地球而言,银河系实在是太庞大了。人们观察最多的星体就是来自于银河系,但银河系到底有多大,估计科学家也很难准确评价。在庞大的银河系中,星体大多以“聚集合拢”的方式相互吸引,这些都是银河帝国典型的星体结构,那银河帝国真的能称霸宇宙吗?

1.“浩如烟海”的银河帝国

银河系是一个庞大的星体帝国,银心及其中心黑洞仿佛是帝王,恒星是这个帝国里的臣民,大量的星云、星际气体和尘埃物质构成了帝国的生活环境,星团则是各大家族及其军队,太阳系也只是帝国里的一个小家族。在北半天,银河从天鹰座先向西北,经过天箭座、狐狸座、天鹅座、仙王座、仙后座,再折向东南,穿过英仙座、御夫座、金牛座、双子座、猎户座,纵贯天球赤道上的麒麟座,进入南半天的大犬座、船尾座、船帆座,又折向西北,横过船底座、南十字座、半人马座、圆规座、矩尺座、天蝎座、人马座和盾牌座。银河经过23个星座,周游一圈后又回到天鹰座。

帝国里星体聚集,层次分明,错落有致。1905年,丹麦天文学家赫茨普龙发现恒星有巨星和矮星之分。1913年,赫罗图问世后,按照光谱型和光度两个参量,得知除主序星外,还有超巨星、巨星、亚巨星、亚矮星和白矮星五个分支。1944年,德国天文学家巴德发现,用通常对蓝光敏感的底片对M31中央区域摄影却不能获得单颗恒星的像,继而他使用对红光敏化的底片成功地将M31的中央区域及其附近的椭圆星系M32和NGC205分解为星。他研究提出,像M31那样的星系中的恒星分属两个星族,称为星族Ⅰ和星族Ⅱ,并认为银河系也一样。星族Ⅰ是年轻而富金属的天体,分布在旋臂上。星族Ⅱ是年老而贫金属的天体,没有向银道面集聚的趋向。仿佛银河系的星体也有老幼尊卑之分:球状星团是银河系中最年长的成员,它们组成以星系核为中心的球状分布系统。其轨道速度很慢,轨道是偏心的,且与银道面相交的角度很大;O型和B型星是最年轻的成员,它们组成几乎与银道面重合的极为扁平的系统,轨道接近于圆形,其轨道速度也比较快;其他恒星在性质方面介于上面两种类型之间,而在空间分布位置上也介于上述的球和扁平系统之间参见曹盛林:《宇宙天体交响曲》,中国华侨出版社,1995。

在银河系中除了各种星团外还有大量星际物质,它们可以被分为三大类:亮星云,暗星云及它们之间的星际气体和埃尘。亮星云又称弥漫星云,只能见之于明亮的恒星附近,可分成反射亮星云和发射亮星云。反射亮星云是靠它反射附近恒星的光而发光,著名的反射星云有昂星团星云(NGC1432)、仙王座星云(NGC7023)和茧状星云(IC5146)等。发射星云其形状大小都不规则,而且往往没有明晰的边界,故又常称为漫发射星云。暗星云既不反射所嵌含的恒星的光,自身也不发光。猎户座天区里的马头星云就是一个暗星云。近年来,通过射电观测,发现很多亮星云位于一个更大的暗星云中,如人马座大星云就包含有礁湖星云(M8)、鹰星云(M16)、马蹄星云(M17)和三叶星云(M20)。

2.“网外之网”的银河邻居

银河之网也不能“网”住整个宇宙,肯·克罗斯韦尔曾在其《银河系》一书中这样形象地描述:“银河王国的版图远远超出了银盘的边缘,狮子座Ⅰ和狮子座Ⅱ仿佛是两名警戒的哨兵,守护着银河王国的边疆,银河系统领大约10个伴星系,它们全都绕银河系公转。”[美]肯·克罗斯韦尔:《银河系》,海南出版社,1999。即使如此,银河系也只是宇宙之海里的一叶扁舟。在银河之外,存在和银河系类似,由几十亿至几千亿颗恒星、星云和星际物质组成的天体系统,称之为河外星系。目前已发现大约10亿个河外星系。人们估计河外星系的总数在千亿个以上,它们如同辽阔海洋中星罗棋布的岛屿。

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