引子
仰望星空,让人不免感喟人类和地球的渺小。太空过于广袤,星际间的距离实在太遥远,遥远得令人窒息和绝望。如果把地球比作一粒一毫米直径的小沙粒,太阳约莫一个鸡蛋大小,位于沙粒十米开外远的地方。冥王星则是位于大约400米操场跑道尽头悄无声息的一粒灰尘。离我们最近的恒星比邻星,相当于3000公里外的另外一颗鸡蛋。这个距离相当于北京到广州的距离或者丹佛到纽约的距离。那些夜空中闪亮耀眼的群星,象大犬座的天狼星(Sirius)、天琴座的织女星(Vega)、牧夫座的大角星(Arcturus)、御夫座的五车二(Capella)、天鹅座的天津四(Deneb),距离我们则至少也有中国跟美国的距离。这还都是银河系里我们的近邻,至于那些河外星系,距离遥远的更是难以想象。有数据显示可观测到的宇宙里面星系总数大约是1000亿个,每个星系的恒星数量就算1000亿颗,那么恒星总数至少是10的22次方量级。这究竟是什么样的一个概念呢。有人推测地球上的海滩和沙漠的沙粒总数是10的19次方量级。也就是说可观测到的宇宙里面星星总数至少是地球上沙粒总数的一千倍!对比这无远弗界的太空,人类数千年来轰轰烈烈的一切奋斗竟然是发生在这么一颗孤独绝望的微不足道的灰尘或者沙粒上面。古往今来人类所有的欢乐与痛苦、坚毅与彷徨、光荣与梦想、战争与政治,究竟有什么最终意义呢?仰望星空,竟然跟走进寺庙看见菩萨的感觉有些许相似,远离了贪嗔痴远离了喧嚣的尘世而心灵重归平静。或许,虚无果真是理性无法摆脱的终极归宿啊。
“有两种东西,当我对它们的思考越是深沉和持久,那种愈来愈大的敬畏和惊奇就会充溢我的心灵。那就是繁星密布的苍穹和我心中的道德律。”这是镌刻在康德墓志上的铭文。这段话是如此富有魅力,几十年来一直萦绕在我的脑际,随着年龄的增长亦久久不能散去。当然我对于天文曾经的爱好只是限于纸面上的知识。自从十年前搬到丹佛,由于偶然的机缘巧合,又唤起了儿时对于星空的迷恋,终于有机会可以亲眼目睹这些无比遥远的星体了。丹佛海拔1600米,号称“Mile High City”,地处高原,空气清澈,污染较少,夜空的能见度极好,非常利于天文观测。五年前花了一千大洋买回了一架八英寸口径的反射望远镜,自带步进电机,经设定后可以随着地球自转自动跟踪星体。从此这个望远镜成了我的好伙伴,伴随我度过许多美妙的夜晚。
经过几年的努力,终于把天空中的主要星座都认全了,也按照梅西星表(Messier Catalog)识别出了一些主要的星云和星系,同时又陆陆续续补充了不少天文知识。这篇东西是我对近二三十年天文学上的最新进展一点片鳞只爪的理解和体会。当然还有很多其它振奋人心的发现,比如对于火星的探索,人尽皆知,却并没有包含在这篇东西里面。所以,只是一点心得和随感,远非全面的总结。
一 黑洞
黑洞跟弦论一样,仿佛是天文学上的一颗万应灵丹。每每天文观测中遇到什么无法解释的现象,统统用黑洞来解释。目前的天文学,理论已远远超前于实验手段。远在尚未观测到黑洞的存在之前,霍金这批学者早已经开始探索黑洞内部量子力学和相对论如何加以统一,黑洞如何蒸发,或者黑洞能不能长毛这类不着边际的问题了。但是黑洞这个东西过于神奇,也许它的存在只是在理论上具有意义,我始终无法相信在恒星演化过程的最后阶段所有的质量竟然可能坍缩成一个点。但是大密度星体肯定是存在的,早年中子星和白矮星的发现是最好的佐证。至于黑洞的体积究竟是一个点还是一个小球,其实并不太重要。只要星体的半径小于史瓦西半径(Schwarzschild radius),对于外界来讲,它的行为就没有任何差别。反正光和粒子都无法逃脱,远远看去黑漆漆一团。
不管我们如何准确定义黑洞以及黑洞内部究竟发生了什么。现在通过天文观测已经证实,很多大星系的中心确确实实存在着黑洞。银河系中心,大约在人马座(Sagittarius)方向,就蕴藏着一个巨大的黑洞,其质量大约相当于400万颗太阳。其证据主要来自于附近星体异乎寻常的运行轨道。银河系中心因为大量气体尘埃和暗星云的的缘故,大部分可见光被遮住,通常并不容易观测。但是红外望远镜有神奇的透视能力。下图显示的是最近用红外装置观测到的银河系中心几个星体的椭圆形运行轨道。这些轨道都无一例外围绕同一个焦点,确凿无疑显示焦点附近存在着一个星体。然而,用最强大的望远镜却始终无法辨析出那个位置有任何发光源。其中S14的扁形轨道显示这个神秘星体的半径不会超过天王星的轨道半径,也就是20个天文单位。而S2的轨道半径和运转周期推算出其质量为400万个大阳质量(根据开普勒定律)。没有任何已知天体能在如此小的尺寸之内包如此巨大的质量,并且静静地呆在那里韬光养晦,不发出丝毫光芒。黑洞是唯一可能的解释。
银河系中心的黑洞固然称之为大质量黑洞,但是比起其它星系来讲,那是小巫见大巫了。比如邻近的仙女座星系的中心黑洞质量竟然有一亿至两亿个太阳质量。而M87的星系核黑洞竟然有60亿个太阳质量。至于某些类星体则包含着更大质量的黑洞。说起类星体(quasar),那又是一个妙趣横生的话题。类星体、中子星和微波背景辐射被称为上世纪六十年代天文学的三大发现,向来为天文史家津津乐道。所谓类星体,顾名思义,就是象星星一样的天体。类星体的特征是红移极大、距离极远和辐射极强。观测显示,有些类星体的辐射能力匪夷所思,是普通星系的几万倍。早期理论对于类星体的辐射机理众说纷纭,莫衷一是。但比较一致认为类星体是单一星体。但是最近一二十年风云突变,随着近代观测技术的极大提高,人们逐渐认识到类星体其实是遥远星系的星系核,包含超大质量黑洞。在黑洞强大的引力作用之下,附近的星际物质包括气体和尘埃,形成了一个高速旋转的吸积盘(accretion disk)。看过去年好莱坞电影《星际穿越》的人,多半会对吸积盘留下深刻印象。在吸积盘靠近黑洞视界的地方,物质掉入黑洞,伴随产生巨大的能量辐射。黑洞所在的星系发出的暗淡的光芒,完全被黑洞超乎寻常的强大辐射所遮盖。所以类星体看起来只是孤零零的一个突兀的星体,其实是一个星系核,背后都无一例外依托着一个庞大的普通星系。
二 泰坦
泰坦(Titan),就是土卫六,是近二十年来天文上的一大热点。按体积来讲,泰坦是太阳系里第二大卫星,直径仅次于木星的大卫星Ganymede。早年旅行者一号和二号探测器飞抵土星系统的时候就发现泰坦的大气里面含有很高浓度的甲烷,并据此推测其表面有液态甲烷构成的大面积海洋。哈勃太空望远镜发射上天以后传回来的图片似乎进一步证实了这种猜想。1997年美国航天局和欧洲合作发射了卡西尼号探测器对泰坦进行系统性的全面考察。当卡西尼在2004年最终抵达泰坦的时候,却令人大失所望。原先预计可以捕捉到太阳照射在甲烷湖泊或海洋表面上的反光,但是却一无所获。随后从卡西尼号释放的惠更斯探测器传回的结果也同样令人沮丧无比。惠更斯号探测器穿透泰坦浓密的大气后成功在泰坦表面着陆,发回了一系列照片。但是照片上的地貌平淡无奇,没有预想中的液态湖泊或者海洋。看起来跟太阳系里其它的卫星并没有太大区别,近处的石块一样的东西估计主要由水冰构成 (见下图),然而水冰在太阳系里随处可见,俯拾皆是。
但是功夫不负有心人,在随后几年的持续观测中,好消息接连不断,振奋人心。首先是卡西尼上的红外探测仪终于透过浓密的大气捕捉到了太阳的反光,接着雷达探测仪在泰坦的南北两极发现了大量的镜面反射(specular reflection),也就是说雷达屏黑漆漆一片,几乎接收不到丝毫反射信号。
唯一的解释就是那些区域存在着液态湖泊,水平如镜。事实上,这些湖泊的表面起伏只有区区几毫米,跟镜子几无区别。所以,谜底终于揭晓:泰坦表面虽然没有早期想象的大面积液态海洋,但是果真存在着数目庞大的液态湖泊群,只不过覆盖的面积小于原先的预计。
这些湖泊主要分布在南北两极,其中最大的湖泊面积有40万平方公里,远远超过地球上最大的淡水湖苏必利尔湖(约8万平方公里)。而且雷达信号显示有些湖泊极深,深度将近200米。既然有湖泊,那自然就伴随着岛屿和河流。现在已有确凿的证据显示泰坦上面的确存在复杂的河流系统。是的,太阳系里有这样一个神奇的星球,那上面有溪流、有江河、有湖泊,但是里面流淌的并不是水,而是液态甲烷。这个星球就是泰坦。
三 冥王星
人类历史上,大行星里面的金、木、水、火、土很早就见于记载了。天王星、海王星和冥王星,因为亮度的暗淡,不容易被观察,直至近代才被发现。天王星的视星等大约是6等,勉强能被肉眼看见,混迹于天上众多的星星一起,长久以来被人们视而不见。它的发现要归功于十八世纪鼎鼎大名的天文学家赫歇尔。海王星则在十九世纪被发现的。冥王星的发现要晚的多,具体时间是1930年。后来在1977年人们发现冥王星竟然是颗双星。它的伴星Charon直径是它的一半,离冥王星的距离大约是十倍直径。长期以来,人们把冥王星称为大阳系第九大行星。但是最近它被逐出了大行星的行列。主要理由是近年发现太阳系里象冥王星这样大小环绕太阳运转的星体其实很多。请见下表。它们的形状无一例外都不是球体,而多半是椭球体。比如Haumea,它的长短轴比例几乎达到2比1. 如果冥王星算大行星,其它这些算不算?索性把它们一概摒除在外,统称为“矮星”(dwarf planet)算了。
名称 | 直径(公里) |
Pluto | 2370 |
Eris | 2300 |
Makemake | 1400 |
Haumea | 1300 |
Charon | 1200 |
Ceres | 950 |
2006年美国发射了新地平线探测器New Horizons,主要目的是为了探测冥王星系统。经过9年的长途跋涉,新地平终于到达了目的地,在2015年的7月14号抵达一万公里左右的极近距离观测冥王星。
新地平线在2015年4月中旬拍摄的冥王星和伴星Charon。
新地平线在2015年7月13号拍摄的冥王星照片。
四 群星璀璨
在春季天空靠近黄道带附近,能清楚看到呈人字形的英仙座。Algol就位于人字形靠近右脚的底端,中文名叫大陵五。Algol在古代西方被称为魔鬼之星,因为它的亮度会周期性变化,是颗变星。天空中大多数恒星在亮度上几乎都是固定的。比如太阳亮度在11年的变化周期中,只有0.1%的微小变化。然而有许多恒星的亮度存在显著的变化。这就是我们所说的变星。变星分两种,一种叫脉动变星,占变星里的大多数,主要因为本身直径大小的变化引起光度变化。另一种叫食变星,在变星里占少数。食变星的本质是个双星系统,两颗星围绕在一起转,当一颗星绕到另一颗星面前,刚好在视线方向挡住另一个星的光亮的时候,整个系统的亮度就会发生显著改变。Algol也许是天空中最著名的一颗变星。首先它的亮度变化周期短,其次它的亮度变化很大。在大约两天的周期里,它的亮度从2.1星等变到3.4,换算过来大约变化三倍多,这个看起来就相当明显了。组成双星的两颗星大小差不多,直径大约是太阳的3到4倍。但是神奇之处是两颗星以极近的轨道相互贴面绕行,彼此之间的距离只有太阳直径的6倍!结果导致系统的总体亮度以极短的周期规律性变化。
天空中的很多亮星其实都是巨星,大部分是红巨星,少部分是蓝巨星。冬季的星空中猎户星座非常耀眼,猎户座里最亮的星是Betelgeuse (参宿四)。参宿四有一些引人注目的特征。首先它是一个庞然大物。虽然质量只是太阳的10倍至20倍之间,直径却是是太阳的一千倍左右。也就是说如果把它挪到太阳的位置,它的表面将延伸到木星的轨道。因为它实在太大了,它是人类历史上第一个成功通过视差方法直接测定直径的恒星。其次,它是一颗变星,它的亮度从星等0.2至1.2规律性地变化,也就是说,最亮和最暗之间亮度大约相差2.5倍。是所有一等星里面亮度变化幅度最大的。亮度的变化可能是因为它的半径在周期性脉动。因为它的亮度变化太大,在过去一个世纪里面人们始终无法精确测定它的质量和大小。最后,它是一颗年轻而短命的恒星。它的年龄只有不到1000万年,跟太阳50亿年的年龄相比,它只能算是一个呱呱落地不久的婴儿。但是因为质量庞大,超过了10倍太阳的临界质量,其演化过程极其猛烈而迅速,目前预计它将在10万年后寿终正寝,以超新星的方式结束它那短暂而辉煌的生命。届时它将与日月争辉,绚丽无比,然后坍缩成一颗矮小顿挫、黯淡无比的中子星,湮没在茫茫太空之中。
组成恒星的物质主要是氢。恒星内部深处,在1000万度以上的高温和高压下氢聚合成氦,同时释放出大量能量,所以光芒四射。普通恒星的演化要经过许多阶段。氢烧完了以后,星体内核在引力的作用下坍缩,坍缩引起温度继续升高,达到一亿度以上的时候,氦开始被点燃,聚合成原子量更大的元素比如碳,这个过程被称为helium flash,即“氦闪”。过程中释放出大量能量,外壳的温度迅速升高,可能引发超新星爆发,只剩下孤零零的内核。或者导致外壳的热膨胀,恒星的体积变得奇大无比,于是恒星步入了红巨星阶段。同时热压力跟引力之间达到新的平衡,于是内核不再继续收缩。当氦被烧完了之后,类似的过程得以往复,先是引力坍缩,继而碳被点燃,开始聚合成更大质量的原子核。如果恒星总质量足够大,这个过程会继续下去,直至最后所有的元素都聚合成了铁。这时候恒星的外壳因为接连不断的热膨胀,早已脱离内核,逃逸到茫茫宇宙空间了。因为铁的原子量太大了,极其稳定,内核的进一步聚合反应不可能实现,于是没有任何力量可以阻止引力作用下的进一步坍缩,直至整个星体坍缩成一个黑洞。这是恒星演化的大致过程.
(写于2015年)