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世界科技全景百卷书: 恒星世界
双星和三合星 在夜空的星群中，既有发出蓝色光芒的星，也有发出黄色和红色光芒的星。要是用望远镜仔细地观察、分辨，可以看到两个或者三个恒星相互绕转，构成了一个世界。这种恒星就称为双星或是三合星。例如，大犬座的天狼星 （大犬座a星）就是著名的双星。其中一个大的直径是太阳的1．8倍，小的直径只有太阳的五十分之一，简直宛如大象和老鼠在一起跳舞。在这种情况下，大者称为主星，小者叫做伴星。 1985年底，苏联哈尔科夫一所大学的天文学家用他们研制的特殊的装置，处理了宇宙空间的天体照片，获得了御夫座五车二双星的像。双星在宇宙中分布广泛，在很遥远的古代，阿拉伯人注意到大熊星座一颗明亮的天体同距它不远的一颗暗淡的小星星的关系，从而首先发现了双星。在我们头顶的夜空中，能够用肉眼或一般望远镜分辨开的双星并不多，大多数双星由于角距太小，我们把它们看成了一个整体。五车二被确认是双星的事实是科学家根据其光谱才知道的，所以能直接看到这两颗黄色巨星的外貌，对天文学家来说是一件十分重要的事。 夜空中最亮的天狼星也有一个伴星，这个伴星的存在是由德国天文学家贝塞尔于1836年推算出来的。他发现天狼星的运动是不规则的，他推断有一个环绕天狼星转动的天体用引力干扰着它的运行。许多年来一直流传着有关天狼星的传说，1985年由于一份六世纪的手稿被发现，使这颗亮星变得更加神秘了。这份法国梅罗示加王朝 （公元四世纪至七世纪）的手稿保存在联邦德国的一个图书馆里。在这份手稿里把天狼星描绘成是红色的，这说明天狼星是在不到一千四百年前，或者说是在比这更近的时候变成今天这种熠熠夺目的蓝白色的。 非洲的马里有一个多贡部族，该部族有一种世代口头相传的教义，这种教义说天狼星有一个小伴星，小得难以看到，密度极大，这两颗星每五十年相互绕转一周。本世纪三十年代这个教义曾透露给一批法国人类学家。在多贡部族的教义中甚至谈到了木星有四个内卫星，土星有光环，包括地球在内的行星都在椭圆形轨道上绕着太阳运行。英国作家坦普尔在《天狼星的秘密》一书中说，多贡部族过着与世隔绝的生活，无法从现代来源获得这些知识。他写道，多贡部族的传说来源于古代埃及，他解释说，“看来，这表明我们的行星——地球上的人类在遥远的过去曾和在宇宙中相距若干光年的另一个行星系上的先进的智能生物有过接触”。但是美国波士顿大学的布雷彻博士不同意坦普尔的说法，他说，本世纪二十年代发现天狼星B（天狼星伴星）具有超密度性质后，在全世界引起了轰动，并被报刊广泛刊载，到马里去的传教士当然会把这些告诉多贡部族人。坦普尔反驳他时引用了1931年到马里去的法国人得到的证据，这些证据证明多贡部族早在四百年前就知道天狼星有伴星。 至于在若干年前天狼星为什么是红色的，美国天文学家施洛塞尔和历史学家贝格曼认为：一个可能性极大的原因是这种红色来自一颗红巨星；当红巨星存在的时候，人类看到的光是从这颗红巨星和天狼星同时发出的，使天狼星看上去是红色的：后来这颗红巨星便坍缩成为一个绕天狼星飞行的白矮星，即今天的天狼星伴星。 如果不能克服人类活动造成的影响和大气层的扰动，今后要想观察像双星这样的遥远天体仍然是十分困难的。所幸的是，根据计划，美国宇航局将在1986年8月8日，利用航天飞机将一台巨型（足有五层楼高）太空望远镜送入太空。这架名为“哈勃”的太空望远镜如能按设计要求施展其能力，可以把人类的视野扩展到一百亿至二百亿光年之遥。它将成为人类研究宇宙起源和星系形成与进化的威力巨大的工具。 仙女座的λ星是人们熟知的三合星。在这三个类似太阳的恒星中，最亮的一个是3等星，它发出橙色的光芒。另外两个星中，一个是发出蓝白色光芒的5．4等星，另一个是发着浅紫色光辉的5．6等星。在这个世界上如有居住着高等生物的行星，那里的人必将欣然仰对三个色调相异的太阳。这真可以说是在地球上意想不到的神秘世界。 星的颜色和亮度 星体的颜色体现着它的表面温度。发着蓝白色光辉的室女座大角星表面温度是18，000℃；发出黄色光芒的太阳表面温度是6，000℃；红色的天蝎座大火星表面温度是3，000℃。 星的亮度分为不同的等级。1等星是肉眼看上去最明亮的星，这种亮星大约有二十几个。 6等星是人用肉眼勉强能看到的星星。第一等级亮度之差是2．512倍，因此1等星比6等星亮一百倍。由于距离远近的关系，星的亮度大为不同，距离远的星亮度就急剧降低。所以，如果不能测定星体的距离并了解星体的目视亮度，就无法知道它的实在的亮度（即光度）。 取那些离太阳较近的星为例，试估量它们的光度和温度，把这个光度与太阳的光度之比用纵轴表示，并把温度以横轴表示，制成坐标图表；每个星在这个称为赫罗图 （亦称光谱—光度图）的图表上以点来表示。如果星体的真正亮度和温度之间没有某种关系，这些点在赫罗图中就会杂乱无章地分布。 可是实际上，我们发现大部分点都有规律地排列在一条清晰的狭长带内。 这种情况到底应当如何解释呢？ 这说明在赫罗图上离太阳近的大部分星星，温度高的则亮，温度低的则暗，都是些极普通的星体。 我们把位于赫罗图清晰狭长带上的一些常见星称为“主序星”。太阳也属于主序星，位于这条带靠上的位置，这是由于比太阳暗的星星多得很。 赫罗图是丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素共同创制的。 红巨星 主序星可以说是恒星的代表，但夜空中的星星并不都是主序星。 在赫罗图上，有一些星不在主序星的范围内，而在右上方和左下方。 在赫罗图右上方的是温度虽低而光度却很亮的星，例如，天蝎座的心宿二就是这类星中较典型的一个。它的表面温度只有太阳的一半，大约 3000℃，但它的光度比太阳大3500倍。 这是什么原因呢？ 这是由于心宿二的直径比太阳大230倍的缘故。 与此类似，发着红色光芒的猎户座a星的直径也比太阳大千倍以上。 这些星星被称为红巨星或超巨星，它们体积虽大，然而温度却比较低，密度也小。太阳的密度是水的1．4倍左右，而红巨星的密度只有水的数千万分之一。 白矮星 在赫罗图左下方的是与红巨星完全不同的星群，它们是一些温度虽较高而光度却甚低的星星。 这是由于这些星星的体积奇小，比如大犬座的天狼星的伴星就是这样的星。 这个伴星的温度达 10000℃，将近太阳的两倍，发出密度更大的巨大云团。这些浓厚的宇宙云由于本身的引力作用，很快开始收缩，同时内部温度随之升高，最终导致了热核反应的发生。这样，一个光芒四射、像太阳一样的恒星就在冥冥宇宙之中宣告诞生了！ 类似太阳那样大小的恒星，估计大约要从方圆900亿公里左右的暗星云中才能产生。 1．朝气蓬勃的发展 如果在暗星云中存在星星，那个星云就会反射各方面的星光，不但不会黑暗，还会发出明亮的光辉，成为美丽的反射星云。 像猎户座大星云，以及麒麟座玫瑰星云那样的蔚然壮观的反射星云为数不少。在玫瑰星云当中，能看到一个球状的暗星云，估计将来它会演变成为一个新的恒星。反射星云中的气体和尘埃云，由于有时靠近恒星，也会反射恒星的光芒。 诞生不久的新恒星，发出蓝白色的光辉，生气勃勃的闪耀着。在恒星的内部进行着四个氢原子核聚变成一个氢原子核的核聚变反应。 一入深秋，昴星团——一簇美丽的星群便静悄悄地爬上东方的天空，这就是金牛座的七姐妹星团，其中包含100个以上的恒星。一般人们只能看到其中的6个星，视力甚好的人才可能看到7个以上。 中国古代把昴星团中的亮星列为昴宿。围绕着七姐妹星团，自古以来流传着许多美妙的传说和神话故事。 昴星团距离我们410光年。我们把这种零散的恒星集团称为疏散星团。 根据疏散星团中恒星的温度和光度制成如前所述的赫罗图，可是它的直径只有太阳的五十分之一左右。这种星就叫做白矮星。 所谓“矮星”就是“身材矮小”的星的意思。天狼星的伴星大小是地球的两倍，而质量却与太阳相仿。就是说，这个星的密度超过了太阳密度的十万倍。 假如仅取这个星的一立方厘米的碎块，其质量就达100千克，一个普通人根本拿不起来。 白矮星的确是一种出类拔萃的奇妙星星。白矮星上的所有物质都被紧紧地压缩在一起，所以就成了“矮子”。 2．新星的诞生 类似太阳那样的恒星的产生，源于星际物质，这些内容已在有关太阳的章节里谈过了。太阳正年复一年地衰老下去。银河系中的所有星星也在按照它们的生存规律，处在逐渐衰老的过程中。 星际物质就是一些非常稀薄的气体以及一些细小的尘埃状物质。它们在宇宙的各处构成了庞大的像云一样的集团。 这些云团有的叫做暗星云，有的称为反射星云，还有网状的纤维星云，以及看上去像炸面包圈那样的环状星云。 在暗星云中特别著名的是猎户座的“暗湾”。它的形状宛如一匹披散着黑色鬃毛的马头，所以就叫做马头星云。 暗星云是相当厚的云层，由于它后面的星光被云层掩盖住了，所以看上去很黑。 3．从青年期步入中年期 恒星从生成起就属于主序星，昂星团中的恒星证明了这一点。此后不久，疏散星团中的一个个恒星就拉开距离，向着茫茫宇宙空间各奔前程了。 类似太阳质量大小的恒星，其一生的大部分“生涯”可能是以主序星度过的。在这个阶段，恒星的中心部分是成为燃滓的氦核，并且在不断地越积越大。 与此同时，恒星的体积也在一点一点变大，还变得更亮。但是，要是这个恒星的质量比太阳大的话，由于氢元素激增，其演化的速度就异乎寻常地快了。 大犬座的主星天狼星，具有比太阳大2．3倍的质量，可是其演化的速度是太阳的20倍以上。由于演化速度快，所以作为一个恒星，它的发光寿命就短多了。天狼星诞生于大约5亿年前，比较起来已经算不上是一个新星了。 比天狼星质量更大的恒星，其寿命就更短了。在恒星的核心部分聚积的氦达到整个恒星质量的百分之十时，这个恒星就不再属于主序星的范畴了。 正像在“太阳的诞生和死亡”那一切所说的那样，恒星中心部分的温度越来越高，氢原子核聚变成氢原子核的反应加速进行，恒星亮度和体积也迅速增大。 当氦构成的核心的质量达到恒星全部质量的一半时，恒星就会剧烈的膨胀，变成了红巨星或超巨星。 恒星此时颜色发红是由于表面积很大而且温度降低的缘故。 4．晚年的变星 恒星演变成红巨星或超巨星后不久，恒星中心的氦核由于类似燃烧的过程，产生了碳、氧和氖等元素。与此同时，恒星开始收缩，恒星中心的温度虽然达到了1亿度，但整个恒星的亮度却暗淡下去。 在这个时期中，恒星的亮度并不稳定，时明时暗，比如猎户座的超巨星参宿四就是这样。 前面已经讲到，这个恒星的直径是太阳的1，000倍，可是不久以后，由于收缩，变到太阳的700倍左右。同时，它的亮度从0．4等变成1．4等。这个恒星以大约5年零8个月的周期，时而膨胀，时而收缩，发光的强度也在变化。我们把这样的星叫做变星。 天蝎座的超巨星心宿二（大火星）也以4年零10个月的周期，从0．9等变成1．8等星。 在变星中有的与这些星不同，是以非常短的周期改变着亮度。例如武仙座的δ星就是其中之一，它仅以5．4天为周期，亮度从3．7等变成4．4等星。 还有天琴星的RR型变星，仅以12．5小时为周期，亮度变化于7等至8等之间。 5．超新星的大爆发 恒星日趋衰老，其体积就越来越小。这时期，恒星内部温度超过10亿度，碳和氧复杂的反应，生成镁和钙元素。 这时，不清楚是哪里来的一股势头，垂然老矣的恒星发生了大爆炸，其中以被称为超新星的恒星的爆炸最猛，它一下子放射的能量抵得上太阳1亿年间放出的能量。 这种极为壮观的情景，装点了恒星一生的结局，倒是恰如其分的。 由于大爆炸，恒星周围的气体喷发殆尽，只剩下小小的恒星的内核。 这个小而凋萎的星核就是白矮星。 在金牛座有一个叫做蟹状星云的气体云，就是在1054年突然出现的、超新星爆炸后的遗迹。 中国北宋的钦天监（掌管天文的官吏）在《宋会要》中记载：“至和元年五月晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”这是对1054年7月出现的这次特亮的超新星爆发事件的记载，看来这个超新星爆发时的亮度超过了金星。近代世界上称之为中国新星。 1942年荷兰天文学家奥尔特推证了蟹状星云就是900年前超新星爆发的产物。 此后，1572年在仙后座，1604年在蛇夫座都相继出现过超新星。近来，一年之中就发现了大约10个超新星。 6．恒星之死 在银河系形同凸透镜的周围空间，到处散布着称为球状星团的恒星集团。 在北半球能看到的最漂亮的星团就是叫做M13的球状星团，在晴朗无月的晚上，用肉眼望去它的亮度也有5等。要是用望远镜观测，看到的是宛如在黑色的天鹅绒衬底上点缀着许多珍珠，真是美不胜收。这个球状星团与我们的距离大约是26000光年，由大约50万个恒星聚集而成。 类似这样的球状星团在银河系中已经发现了132个左右，实际上大约有500个。天空中最明亮的球状星团是半人马座ω。 通过对球状星团中的恒星分析来看，亮度高而温度低的是红巨星和超巨星，主序星则亮度越高，温度也越高，刚好与它们相反。 除了红巨星和超巨星之外，白矮星也多有发现。球状星团的恒星与昴星团那样的年轻的疏散星团不同，已经是一些衰老垂死的恒星了。 此外还有一些亚巨星和亚矮星也混迹其中，可是它们的韶华已付流年，即将蹈入红巨星和白矮星的末路。 白矮星再演变下去就到了失去发光能力的阶段，这就是恒星真正灭亡之时。 7．寓生于死 恒星的一生说明了恒星并非青春永驻。刚刚诞生的恒星，先是一个生气勃勃的主序星，随着恒星内部核反应的不断进行，逐步从一个明亮的恒星步入巨星的路程。 巨星又渐渐缩小成为变星，变星又突然爆发成为超新星，最后只留下一个奇异的白矮星。 由于超新星爆发时喷射出的气体和细微尘埃，成为漂浮于宇宙空间的星际物质，它们在宇宙空间形成了一个又一个浓厚的宇宙云，成为再次诞生新星的母体。 就这样，恒星以银河系为舞台，从诞生而趋向衰老，由衰老而爆发，由爆发而再生，无休无止地循环于生与死的交替之途。 球状星团中的众多恒星的年龄在100亿年左右，它们可能是与银河系一同诞生的。 与此不同，太阳的年龄大约是50亿年，可能是第二代或第三代的恒星了。 如上所述，垂老的恒星和年轻的恒星一起构成了我们眼前的银河系。 8．发出电波的星 在天体中，有一些能发射非常强的电波的恒星，它们的另一特点就是几乎不发光。我们把这种天体叫做射电星。到1979年为止，已经发现了几千个射电星。 第一个射电源是1948年发现的，发现者是澳大利亚天文学家波尔顿。他发现在天鹅座的一角发射出强烈的电波，他便给这个天体命名为天鹅座A。 不久，英国天文学家拉伊耳也发现了一个称为仙后座A的强射电源。到1980年，类似的射电源已发现了几万个。 那么，射电源到底是一种怎样的天体呢？ 一种是我们银河系中发射电波的气体云，金牛座的蟹状星云就是这一类射电源。这是距今900多年前超新星发生大爆炸的遗迹。我们将这个射电源命名为金牛座A。 射电源与射电星有所不同，它指的是宇宙空间发射强烈无线电波的点源。 9．射电源的种种趣闻 另一种是在银河系之外的射电源。1952年英国天文学家拉伊耳和史密斯，潜心观测到了天鹅座A的位置，并把结果告知了美国的帕洛马山天文台，委托他们研究射电波的发射源。 在帕洛马山天文台，天文学家巴德和明科夫斯基，用直径508厘米的大望远镜，对准了英国天文学家所说的天空位置。于是，他们在距离地球2亿光年之远的地方发现了两个巨大的、正在互相碰撞的天体。两者都是拥有数以千亿计的恒星的巨大星团。它们一边猛烈地相撞，一边发出强烈的电波。 不久前，天文学家还发现了称为3C48、3C273的奇异的天体。这些都是银河系之外的天体，还发射着强烈的电波。它们与一般的恒星和星系相比，性质迥然不同，所以把它们命名为类星体。 虽然都称为射电源，但还是有各种各样的类型。 星际空间 银河系是辽阔的，整个宇宙更是浩瀚无边，无以数计的恒星就相当松散地分布在其中。比如在我们的银河系里，尽管拥有一两千亿颗恒星，可恒星与恒星之间的平均距离仍远至惊人的12亿光年，相当于足球与足球之间相隔16000公里一样。那么在如此广袤的星际空间中，除了可以看得见的各种星云外，还有没有别的物质存在呢？ 直到19世纪末，很多人还认为星际空间是一无所有的真空。进入本世纪后，天文学家才发现有不少表明星际空间存在物质的迹象。 1904年，德国天文学家哈特曼在分光双星——猎户座δ星的光谱中发现一条钙的吸收谱线。双星相互绕转，它们的吸收线照例应该有周期性的多普勒位移，可是唯独这条钙的谱线固定不动。不久，在其他分光双星的光谱里也发现了这种谱线。有很长一段时间，这种谱线被解释为来自双星周围一层固定的钙云。直到1928年，美国天文学家斯特鲁维（俄国著名天文学家、普尔科沃天文台创始人斯特鲁维的曾孙）发现这种无位移的谱线的视强度随着恒星距离的增加而增强，这说明这种谱线不是由双星周围的钙云所引起，而是由太阳和双星之间的气体物质造成的。 这是天文学家首次找到星际物质存在的证据。后来在这些双星的光谱里面找到了更多的星际气体的吸收谱线，表明这些星际气体的成分里有钙、钠、钾、钛、铁、氢等元素，它们同太阳和大多数恒星的化学组成类似。 尽管19世纪下半叶以来，有些天文学家已经察觉到星际空间并非真空无物，而是存在着某些稀薄的物质，甚至还能看到遮掩星光的暗物质。但是，真正通过观测证明存在着星际物质，并说明它是宇宙物质的一种重要表现形态的是瑞士出生的美国天文学家特南普勒。1930年，他在天文台对银河星团中恒星的温度、光度和亮度进行观测时发现，在观测者和星团之间确实存在着“消光”现象，致使观测到的星团亮度比实际亮度要弱，求出的距离比实际距离要远。这就表明，星际空间确实不是完全透明的真空，而是到处都有稀薄的星际物质存在。星际消光现象的发现大大推动了星际物质研究工作的开展。 恒星的颜色和光谱型取决于它的表面温度，光谱型相同的恒星应当呈现出同样的颜色，但在比较同一光谱型的近星和远星时，远星的颜色看起来却比近星偏红些。1932年这种星光红化的现象首先被美国的斯迪宾发现，他认为这是星际物质的干扰造成的。他证明星际物质（主要是粒度极小的星际尘）对光的吸收有选择性，其吸收率与光的波长成反比，即吸收紫光比红光厉害，比率为2：1，所以星光变红了。 天文学家发现，以星际气体和尘埃为主要成分的星际物质，在银河系内不是均匀分布的，而是向着银道面密集。不过，即使在银道面附近，每立方厘米含有的星际气体原子也不到1个；弥漫在星际气体中的星际尘埃数量更少，质量只有星际气体的十分之一，但别忘了它们是星际“消光”“红化”的主力。 如此稀薄的比地面实验室里人造“真空”还空得多的物质密度实在微不足道，可从天文学的角度来看却不容忽视，尤其是它们的消光作用对天文观测极为不利。事实上，正是由于星际物质密集于银道面，在银河系的中心方向消光作用特别严重，来自银心的光线穿过3万光年的漫长路程后，到达我们眼里的星光强度已只剩下原先的百亿分之一，结果使威廉·赫歇尔和卡普坦误认为我们太阳系就在银河系的中心，使沙普利对银河系尺寸的估计大了两倍，也使我们在光学望远镜发明 300年后的今天还没能看清银河系的全貌。 1937年，比利时的斯温兹、加拿大的马克基勒、美国的亚当斯在恒星光 +谱中探测到了特别的甲川分子 （CH），甲川离子（CH）和氰基（CN）的吸收线，这太出人意外。但很快就真相大白，原来这些分子不在恒星上，而在星际空间里，星光通过它们时在光谱中留下了它们的吸收线。这是人类第一次发现星际空间存在分子，在天文学界引起了轰动。因为只有在两个原子碰撞到一起才有可能结合成分子，而星际物质极其稀薄，温度又接近绝对零度，两个原子碰到一起的机会微乎其微，即使能够结合成分子，这些分子遇到宇宙空间的X射线、γ射线、紫外线等强辐射，也会重新解体成单个的原子。这些分子能顽强地生存下来实在不容易。 这类分子都存在于星际气体和尘埃云中，如果云过于稀薄，分子就不能形成显著的谱线，如果云过于浓厚，星光又通不过去。所以以后很长一段时间里没有什么新发现，这件事让人惊喜一下就冷下去了。 射电天文学的兴起才使事情有了转机。因为分子受激发而引起的辐射，大部分处在红外线和无线电波段，也就是射电波段，所以射电望远镜才是探测星际分子的有力工具。 一个氢原子和一个氧原子可以结合成一个羟基（OH），这种化合物非常活跃，极容易同其他分子、原子化合。但是，1949年前苏联天文学家什克洛夫斯基指出，由于星际空间物质非常稀薄，羟基分子可以不受干扰地存在较长一段时间，所以有可能被观测到。50年代，美国汤斯又从理论上计算了17种可能存在的星际分子的射电波长。果然，1963年，美国的温瑞布、巴雷特等人在用射电望远镜巡视强射电源仙后座A的过程中，发现了波长为18厘米的羟基OH分子的吸收谱线。这是用射电方法探测星际分子的开端。 接着，1968年，汤斯等人在1．26厘米和1．35厘米波长上，接连找到了氨和水分子的谱线。1969年，施奈德在6．21厘米波长上发现了甲醛分子——这是在星际空间发现的第一种有机分子。这些发现大大激发了天文学家搜索星际分子的热情，许多射电望远镜投入了这项工作。70年代人们发现了46种星际分子，到80年代末总共已发现80多种。 在已发现的星际分子中，大多数是有机分子，含元素最多的分子有4种元素，最重的分子的分子量为 123。有些分子，如羟基、一氧化碳、水等，分布广泛；有些分子至今还只能在致密的星云中找到；少数星际分子在地球上很难寻觅，甚至在实验室的条件下也难以稳定存在，如氰基丁二炔、氰基辛四炔、双原子碳以及氢化偶氮离子、甲酰离子等。 1996年6月，美国伊利诺伊大学的一个天文小组报告说，他们在2．5万光年远处人马座的一个星云中发现了醋酸分子。在过去30年里，已经发现甲醛、乙醛、甲醇、乙醇、甲醚、丙烯腈、甲酸、甲脂等许多复杂的有机分子，但发现醋酸分子还是第一次。醋酸的生成可能是生命的化学物质形成过程中的最初步骤之一，它与氨反应能生成一种最简单而又极重要的氨基酸——甘氨酸，而氨基酸是组成蛋白质的基本物质，蛋白质又是一切生物体的主要组成物质之一。 太空中的星际分子常常大规模地集结成分子云分布在银河系的旋臂中，它们的密度很不相同，范围从几十个天文单位到上百光年，通常，一个分子云拥有几十万个太阳质量。分子云的主要成分是羟基、甲醛、一氧化碳、氨等等，但不同分子云的分子种类往往很不相同。1995年3月，英国天文学家在天鹰座中发现一片含有大量乙醇分子的“酒精云”，其中的酒精数量足以把地球上的海洋填满成千上万次，制成啤酒可供全世界人口享用10亿年！ 发现星际分子是20世纪60年代最重要的天文事件之一。有关星际分子的研究不仅对天体演化学，银河系结构、宇宙化学等学科的发展有重要意义，也为我们进一步探索宇宙间生命的起源提供了新的线索。说不定，我们地球上的生命分子就来自宇宙空间。如果真是这样，那就更没有理由认为有生命的星球只有我们地球“独此一家”了。 行星系统 除太阳系之外，银河系中是否还有与太阳系类似的行星系统存在？如果有，究竟有多少？这一直是天文学家乃至生物学家都非常关注、热烈追求，但又一直未解决的问题。 科学家重视这课题的一个很重要的原因，在于它关系到地外文明的存在。 我们知道，在银河系中数量最多的是恒星，天文学家估计有好几千亿颗。但是假如仅仅存在恒星的话，那么无论恒星的数量多么大，都不能保证文明的存在，甚至不能保证有生命。这是因为恒星表面的温度过高，不要说生命，就是物质分子也无法存在，只能在原子、离子、中子等简单的物质状态出现。 恒星提供了必要的能量，但生命必须在复杂的有机物能够存在的温度下才能形成，这些有机物是生命的化学基础。 这就是说，在恒星附近必须存在行星，行星从恒星得到能量，保持温度。可以设想，这样一颗行星上或许会存在生命。 星云假说 太阳系是我们确切而详尽地了解的唯一实例。除太阳系以外，我们无法详细观测任何恒星的邻近区域，以直接探明是否存在绕其旋转的行星。这样，我们只能从我们的太阳系入手，如果可以确定太阳系是怎样形成的，那么或许也能对形成其他行星系统的可能性得出结论。 第一个富有吸引力的太阳系演化理论是拉普拉斯的星云假说，这是1796年由法国数学力学家拉普拉斯提出的。该学说认为太阳系由一个转动着的热气星云形成。由于冷却，星云收缩，自转变快，离心力变大，形状变扁。在星云收缩中，每当离心力与引力相等时，就有部分物质留下，演化成一个绕中心转动的环，以后又陆续形成好几个环。这样，星云的中心部分凝聚成太阳，各个环则凝聚成各个行星。较大的行星在凝聚的过程中，同样能分出一些气体物质环来形成卫星。 如果太阳是这样形成的，那么假设其他恒星也以同样的方式形成，就应该是合乎情理的。在这种情况下，每颗恒星都将有一个行星系统。问题是这种理论是否经得起严格的检验。 拉普拉斯星云假说最严重的障碍是所谓角动量困难。角动量是孤立物体或物体系统的转动趋势的度量，它等于角速度和物体转动惯量 （在物理学上把物体的质量和它到转轴的距离平方的乘积，叫做这个物体的转动惯量）的乘积。按照角动量守恒定律，距离减小时，旋转的速度必定相应增加，反之亦然。 按照拉普拉斯的理论，星云在离心力作用下变成一个扁平盘状物，中心的太阳的转速应该很快才行。而实际上现在太阳的转速并不快，其赤道上一点大约每27天才转一周。 为什么太阳系形成时太阳转动很快，而现在转慢了呢？这不是违背了角动量守恒定律吗？ 在太阳系中，质量占99．9％以上的太阳，其角动量只占约1％，而质量不到0．2％的行星等其他天体的角动量总和，却约占99％。这就是太阳角动量的特殊分布问题。 灾变假说 为了说明太阳系角动量的这种反常分布，天文学家一度抛弃了行星形成的渐变理论，转向灾变说。 根据这种理论，旋转着的原始星云只是缓缓地凝聚成太阳，而不形成行星。但是，后来太阳在运动中遇到了一场灾难，因此形成了行星，并将角动量传递给它们。 最早的灾变说的观念是法国博物学家布丰于1745年提出的，他认为曾经有一颗大彗星撞击太阳，从太阳撞出的物质形成行星。实际上，彗星的质量比起太阳来微乎其微，根本不可能撞出那么多的物质来形成行星。 1878年，英国天文学家毕克顿把这种学说修改了一下，认为是另一颗恒星碰到太阳而撞出物质。以后美国数学家张伯伦、英国天文学家金斯等人，分别于1900年到1916年提出类似的学说，认为是另一个恒星接近太阳时的起潮力，把一部分太阳物质吸出而形成行星。 仔细分析灾变理论就出现了困难，从太阳拉出来的物质流能够伸到那么远的地方形成行星吗？其他恒星的引力影响能够把足够的角动量传递给行星吗？本世纪20年代，英国天文学家爱丁顿推算出太阳核心的温度高达几百万度 （现在采用的数值更高）。由太阳内部抛出的物质如此灼热，根本不可能凝聚为行星，只会膨胀为稀薄气体，消失殆尽。 星云说占了上风 山穷水尽之际，德国天文学家魏茨泽克重新提出一种星云假说，并尽可能运用自拉普拉斯以来一个半世纪里发展的知识对它作出详细说明。这种假说认为：太阳形成后被一团气体尘埃云包围着，云团转动而变为扁盘，盘中出现湍流，形成旋涡的规则排列，旋涡与旋涡之间还有次级旋涡，而行星正是由次级旋涡形成的。 以后，天文学家（如美国的柯伊伯）和化学家（如美国的尤里）改进了魏茨泽克的想法，提出了更能令人满意的解释行星形成的办法，但角动量的问题还是没解决。 瑞典天文学家阿尔文在这方面作了大量的研究工作，他详尽地描述了太阳在其早期抛射物质，以及这些物质如何在太阳电磁场作用下获得角动量的方式。正是电磁场将太阳的角动量传递给太阳之外的物质，并使行星能够如此远离太阳，并拥有它们如今所具有的角动量。 现代天体物理学的发展有力地支持了星云说，使它成为当代太阳系演化学说的主流。这对地外智慧生物存在与否是至关重要的。 如果星云说是正确的，那么行星就是恒星演化的正常结果，行星系统大体上应该和恒星一样多。在这种情况下，地外智慧生物存在的可能性也许就很大。 相反，如果灾变说是正确的，那么行星的形成就成为一种偶然发生的事情，它有赖于宇宙中的某种浩劫，有赖于两颗恒星的邂逅相遇，而这种机会亿载难逢，这就意味着银河系中的行星系统为数很少，而在这很少几个行星系统中，存在文明的机会势必也就异乎寻常地小。 现在，星云说占了上风，这就是说大多数天文学家都认为银河系中存在行星系统是很普遍的。 由恒星的自转所作的估算 如果行星系统普遍存在于银河系，那么它们究竟有多少呢？ 行星太小，又不会发光，用今天的天文观测技术，还无法直接观测到它们。因此，我们还必须从考察我们的太阳入手。 太阳是一颗确凿无疑拥有行星系统的恒星，它的最显著特点是自转异常缓慢，以致于太阳系全部角动量的90％左右都寄寓于它的那些无足轻重的行星之中。把这种情况外推，如果一颗恒星有行星系统，我们就可以设想它的自转较慢，反之，我们就可以设想它的自转速度较快。 怎样才能测定恒星自转的速度呢？尽管恒星在望远镜中只是一个光点，但还是可以推论出很多知识。星光是由各种不同波长的光混合而成的，这可按照波长的顺序展开，从波长很短的紫光到波长很长的红光，展开的结果就是“光谱”。 恒星的光谱往往彼此相差很大。天文学家经过种种尝试，最后确定将恒星谱分为O、B、A、F、G、F和M几种类型，每一类型又分为十个次型，如B、 0B…B等等。O型代表已知质量最大、最炽热、最亮的恒星，M型代表质量最 1 9小、最冷、最暗的恒星。太阳光谱属于G型。 2 1931年，美国天文学家发现，恒星的质量越大，自转快的可能性也越大。光谱型为O、B、A的恒星以及较大的F型星（从F到F），很可能都是自转 0 2较快的恒星。而F到F，以及G、K和M型的恒星，很可能都是慢速旋转的。 2 9 因此，有一半的光谱型属快速自转恒星，而另一半则为慢速自转。但这并不表明恒星的数目也是等分的。因为，小恒星的数目比大恒星多，G型或更小的恒星比F型或更大的恒星多得多。事实上，全部恒星只有7％的光谱型属于从O型到F2型。 换句话说，自转快的恒星不超过7％，而整整93％的恒星都是慢速自转的。这样看来，至少有93％的恒星存在具有行星系统的可能性，这是美国科学家阿西莫夫的结论。 美国另一位天文学家、研究地外文明的权威卡尔·萨根教授的估计，要比阿西莫夫保守些，他认为银河系中至少有1／3的恒星拥有行星系统。 从恒星的晃动寻行星 天文学家还发现一些恒星在太空中的移动轨迹不是一条直线，而是波状的曲线。也就是说，恒星在晃动。这究竟是怎么回事呢？ 我们知道两个天体相互吸引时，其引力乃是双向的。严格地说，两个天体都不绕着对方转动，而是绕着公共重心转动。如果一个天体质量很大，另一个天体质量很小，对于大质量的天体来说，公共重心离其自身的中心很近，也许就在其本体之内，在这种情况下大天体表现出来的是一种晃动。这就是说，恒星的晃动是恒星受到一些看不见的天体的引力影响。 运用天体力学的理论，可以算出这些对主星产生影响、人们看不见的天体的质量、大小和运动轨道。据此，剔除那些可能是恒星的伴星，也许就能找到我们所要找的行星系统。 离我们只有5．9光年的巴纳德星就有周期性的运动变化。有的天文学家据此分析，认为它至少有两个行星，质量分别相当于木星的0．8倍和0．4倍左右。如果这是确凿的话，那么巴纳德星周围就有着不折不扣的行星系。目前，对此还有不同的看法。 到目前为止，在离太阳最近的20来颗恒星当中，至少有一半左右，天文学家怀疑它们周围存在一颗或几颗行星那样的天体。如果这个比例是普通规律，那么银河系中应有一半的恒星拥有行星系统。 真的找到其他行星系统了吗 尽管行星表面的温度很低，但是，毫无疑问，它也会不停地向四周辐射出红外线。如果能探测到某颗天体所辐射的红外线，再加上其他条件，即使不能用眼睛直接“看”到它，也可以确认它的存在。 1983年，美国、英国和荷兰三国研制和发射的“红外天文卫星”，给我们带来这方面的信息。根据它发回的资料，天文学家在织女星周围发现了由固体物质组成的尘埃云，尘埃云的温度很低，而且体积大致相当于太阳系中一颗普通行星，因此它不可能是恒星，而只能是颗行星。当然，这也可能是颗正在形成中的行星，是个行星“胎儿”。 另一个可能也有行星“胎儿”的恒星是绘架座β星。1984年4月，美国喷气推进实验室的理查德·J·代利尔和亚利桑那大学的布拉德弗德·A·史密斯，使用智利境内的拉斯坎纳斯天文台的2．5米杜邦望远镜，发现在绘架座β星的周围不仅存在星云，而且成圆盘状，直径约为1000亿公里。经研究认为，这是该星周围接近完成的行星系。 还有一颗比这些“胎儿”更具体些的行星，那就是被称为“VB8B”的星。研究结果表明，它很像是颗行星，有可能成为我们长期寻找的太阳系之外的第一颗行星。本书已有专文介绍。 从以上探讨可以知道，要解决银河系中有多少行星系统的问题，有赖于太阳系演化理论的不断完善和观测手段的不断进步。有人估计到了21世纪，这两方面都会有突破性进展，届时对这个长期以来人们争论较多的问题，将会出现更加令人信服的证据。 |
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