科技版~超遜偵探~UOD之66~＊略識銀河系＊

近十多年來，由於地面的、尤其是航太的現代天文儀器進行了銀河系的大規模觀測，得到銀河系的多波段高分辨資料，新發現紛至沓來，展示出銀河系是比預想的更豐富、更複雜、更活躍的天體系統。中國人把橫跨星空的一條光帶稱為“天河”或“銀河”，西方人稱它為“牛奶路（Milky Way）”。1610年，伽利略首先用望遠鏡觀察星空，發現銀河實際上是由密集恒星組成的。由於肉眼分辨能力不夠，才感覺銀河象光帶。到18世紀，有先覺的天文學家推測，銀河是眾多恒星組成的盤狀天體系統。赫歇耳父子用望遠鏡進行了恒星計數觀測，第一次得到盤狀的結構模型，但卻錯誤地把太陽放在中心。到20世紀初，天文學家把這個恒星系統稱為“銀河系”。1918年，沙普利注意到大多球狀星團遠離銀河，且在人馬座方向數目最多，推斷銀河系中心在哪個方向，而太陽位於銀河系的較外區域，建立透鏡形的銀河系模型，這是繼哥白尼的日心說之後再次破除人類處於宇宙中心的觀念，意義重大深遠。

一般地說，由大量恒星和星際氣體和塵埃物質組成的天體系統稱為“星系”。銀河系就是我們所在的星系。處於銀河系一隅的地球人們，“不識‘廬山’（銀河系）真面目，只緣身在此‘山’中”，認識銀河系全貌是很困難的。特別是星際物質所遮掩了部分區域而看不到。由銀河外星系（如，仙女星系）形態的啟示，再結合銀河系的觀測，才逐漸揭示銀河系結構。1932年，奧爾特首先綜合附近恒星運動的觀測資料，建立銀河系自轉模型。1954年，由氫的21釐米波長觀測得到銀河系的自轉（隨銀心距分佈）曲線。1958年，繪製銀河系旋渦狀結構的第一幅圖像。1976年繪製電離氫雲分佈圖，顯示旋臂分佈。1993年，繪製現代的銀河系結構圖。根據近年更多的新資料，銀河系結構又作了重大修改。我們肉眼觀測到的只是銀河系的可見光視投影形態，而可見光僅是銀河系全部輻射的很少部分，在射電、紅外、X射線等波段觀測到銀河系形態跟可見光看到的有相當多的差別，顯示銀河系各部分的不同情況。

銀核的情況很複雜。它是由恒星組成的，還是由氣體組成的，或者是由其他狀態的物質組成的，現在尚不清楚。它的確切大小也不清楚，只知道它很小，不會超過幾秒差距。銀核能發出強的射電輻射和紅外輻射。近年來發現，它也發出X射線。射電輻射毫無疑問主要是非熱致輻射。至於紅外輻射，塵埃的散射作用很重要，但不能排除有一部分紅外輻射是非熱致輻射。1972年，韋伯宣稱探測到銀河中心發出的引力輻射，但是沒有得到證實。有的人用了比韋伯的探測器更靈敏的探測器，都沒有探測到引力輻射。這個問題尚需進一步研究。

銀河系的有關資料：

銀盤直徑　25000秒差距或8萬光年

銀盤中心厚度　1萬光年

太陽附近銀盤厚度　5千光年

銀暈最大直徑　30000秒差距或10萬光年

太陽到銀心的距離　10000秒差距或3萬光年

太陽至銀道面距離　銀道以北8秒差距

太陽附近物質(包括恒星和星際物質)的總密度　每立方釐米8.8×1024克

太陽附近銀河系的旋轉速度　 每秒250千米

太陽附近銀河系的旋轉週期 　2億5千萬年

銀河系總品質　1.4×1011太陽品質

探尋銀河中心的神秘天體

夏日的夜晚，一條淡銀色帶子在黑色夜幕上橫空出世，從北向南蜿蜒伸展，在天鵝座處忽而一分為二，並繼續向南奔瀉而去，經過人馬座後又合二為一，最後消失在地平線上。這就是銀河，我國古代稱它為天河、星河，在古希臘和歐洲被稱為牛奶河。

銀河由恒星組成，這是400年前伽利略首先發現的。16世紀到18世紀初，是從托勒梅的地心說向哥白尼的日心說轉變的時期，人們從地球是宇宙中心的思想中解放出來，轉變為太陽是宇宙中心的觀念，恒星則是固定在天球上的發光點，圍繞著太陽運行。18世紀中葉，德國大哲學家康得和幾位思想家開始意識到，銀河的恒星可能組成一個扁平的龐大系統，我們的太陽是其中的一員，銀河的輪廓不均勻是因為太陽不在這個系統中心的緣故，並提出了“星系”的名稱。不過，由於缺乏先進的觀測手段，這種思想在那時只是一種推測，得不到多數人的支持。1781年，英國天文學家威廉·赫歇爾發現了天王星，這個驚人的發現得到了英王喬治三世的賞識。赫歇爾被封為宮廷天文學家，並享受終身的俸祿。

有了這些條件，赫歇爾研製了兩台大望遠鏡，一台50釐米，另一台120釐米，後面—台成為當時世界上最大的望遠鏡。由於擁有先進的設備，使他發現了許多新的現象，其中包括恒星的自行，即恒星在天球上的運動。赫歇爾還發現，太陽也在運動，在向天球的某個方向運動，這使他對宇宙的結構發生了興趣。他不辭辛苦，對全部恒星一個個進行計數，並根據康得等人的思想，第一次繪出了銀河系的外貌：一個呈扁盤狀而且分叉的形狀，還估計了它的相對大小。由於赫歇爾不知道恒星的距離，所以依然認為太陽離這個盤的中心不遠。

20世紀初，荷蘭著名天文學家卡普坦來到了美國威爾遜天文臺，該天文臺擁有當時世界上最大的反射望遠鏡——60英寸(直徑約23.6cm)反射望遠鏡。卡普坦發起了一項涉及40個天文臺、歷時8年的國際合作計畫。他在天空的不同方向選擇了206個天區，對這些天區裏的恒星進行計數，並測量它們的位置、亮度、光譜和運動速度。最後，他得出了銀河系的直徑(4萬光年)，不過，他還是認為太陽離銀心不遠，甚至得出了兩者相距2000光年的結論。1918年，美國天文學家沙普利測定了各個球狀星團的位置，發現各個方向上的球狀星團並不一樣，也就是相對於太陽並不對稱。他發現，離太陽6萬光年處有一個點，如果以這個點為中心的話，球狀星團就呈現出對稱的分佈。沙普利正確地指出，太陽不是銀河系的中心，那個對稱點才是銀河系的中心。從此，人類對宇宙的認識進入了一個新的境界。

銀河系是個旋渦星系，形狀像個鐵餅，中間對稱的平面稱為銀道面。由於旋轉和引力的結果，恒星和星際介質——塵埃和氣體都向銀道面的兩側集聚，越靠近銀道面，越接近銀心，密度也越高。太陽大致位於銀道面上，相距銀心2.6萬光年。因此，我們是從側面去觀測銀河系的，這有點像“橫看成嶺側成峰”的廬山，恒星密集的銀河系在我們的眼中成為了一條發光的銀帶。銀河系中心在人馬座方向，那個方向上大量的星際介質吸收和阻擋(統稱為消光)了它們背後和中間恒星發射的星光，其作用類似於地球大氣和塵埃對星光的阻擋，結果，從天鵝座到人馬座呈現出一條黑色的影帶，造成了銀河的分叉。因此，銀河分叉只是個表面現象，它是銀道面上大量塵埃和氣體(即星際介質)造成的陰影。

星際介質主要吸收可見光和紫外光。但是，隨著波長的增加，星際介質的消光作用迅速下降，銀心深處的星光能夠穿透重重的星際介質，被我們的望遠鏡“看到”。在這些波長上看來，銀河是不分叉的。特別是銀心中某些原子和分子(如氫原子、一氧化碳、氨、水、氧化矽等等)產生的紅外譜線、射電譜線，幾乎可以毫無阻擋地穿透星際塵埃和氣體。在電磁波譜的另一端，即X波段和y(伽瑪)波段，星際介質也變得漸漸透明，也成為我們探測銀心的好工具。當然，由於地球大氣對遠紅外光、X輻射、Y輻射的吸收和阻擋，我們只能通過衛星、飛船或高空氣球上的望遠鏡來“看”銀心。正是紅外輻射、射電輻射、X輻射以及伽瑪輻射使我們瞭解了銀心的秘密。

銀心，天體的“博物館”

銀心區充滿了形形色色的天體，幾乎包羅了銀河系中所發現的各類天體，就像一個“天體博物館”。銀心區各處佈滿了大量的分子原子氣體和塵埃，其形態不一，有的呈圓環狀，那是超新星爆發的遺跡，有的呈弧狀，似乎是電離氣體沿著電磁場運動的軌跡，還有的十分複雜，電離氣體和分子氣體混合在一起，內部可能有許多剛剛生成或還在形成之中的恒星。在銀心可以看到一個呈環狀的巨大分子雲，我們稱它為中央分子帶，那裏面一簇簇地集聚著許多分子雲，它們不對稱地環繞著銀心，構成半徑約600光年的環帶，而且以每秒100～200千米的速度向外膨脹。有人推測，數百萬年到上千萬年以前銀心發生過大規模的恒星爆發，巨大的星風與下落的氣體相互作用，就造成了今天這個環狀分子雲的遺跡。

銀心區還有許多由各種恒星組成的星團，它們大多很年輕，品質很大，也有不少已經變成了紅超巨星和藍超巨星。在銀河系的其他地方，迄今發現的最熱最藍的恒星是O5型星，表面溫度達到4萬攝氏度，但是在銀心的星團裏我們發現了更熱更藍的O3型星，有的品質高達太陽品質的100多倍。這種現象非常奇怪，因為銀心區的環境對恒星形成來說非常惡劣，很強的潮汐力，強磁場和很高的溫度和壓力，使得分子雲不能像其他地方那樣容易坍縮形成恒星，這是由於潮汐力會撕裂分子雲，強磁場和內部壓力會抵抗氣體的壓縮。那麼，是什麼原因驅動銀心區的分子雲形成恒星呢，尤其是形成那麼多的大品質恒星?有人認為，很可能開始形成的恒星都不大，由於銀心區恒星的密度太高，小恒星相互碰撞、相互吞併，於是像滾雪球似地變成越來越大的恒星。

銀心區的中央，那裏有個長10光年的扁盤狀氣體塵埃環，環的內部有3條微型旋臂，整個形狀有點像3條車輻的車輪。另有一條形如舌頭的塵埃帶從環外伸人環內，直指微旋臂的交叉處，那裏是銀心的真正所在，似乎有物質在流向銀心。銀心周圍3光年的空間裏還有個很年輕的星團，稱為中央星團，年齡只有數百萬年，其中有許多品質很大的恒星。微旋臂交叉處有個微小的腔體。從銀心所在的位置，天文學家接收到很強的無線電波和X輻射，奇怪的是，在那裏天文學家沒有看到對應的紅外天體，顯然那是個很強的射電源和X輻射源。根據測量，這個源發射的總功率高達10億億億千瓦，而且都發自於一個比1天文單位(即日地距離1.5億公里)更小的區域。這個雖看不見的、卻發射如此強功率的暗天體是個什麼類型的天體?這引起了天文學家的極大興趣。

由於不清楚這個發射無線電波和X輻射的天體的性質，20年前天文學家給它取了個古怪的名字“人馬座A星號”，因為它位於一個名為人馬座A的分子雲的內部，用“星號”來區別這個分子雲和雲內的其他天體。除了探測到無線電波和輻射之外，我們再也看不到人馬座A星號裏面有什麼發光的東西。但是，天文學家用盡了當今所有的觀測手段，確確實實感受到那裏面有個不發光的暗天體存在，這個神秘的傢伙究竟是個什麼樣的天體呢?

人馬座A星號的周圍有許多恒星，它們是中央星團的成員。天文學家想到，如果這個神秘天體存在，它必然會影響這些恒星的運動。於是他們開始年復一年地測量這些恒星的位置，計算它們在天空中的移動速度。他們還根據這些恒星發射的某些光譜線計算出恒星在我們觀測視線方向上的速度。根據這些恒星的運動，天文學家能夠計算出銀心區所包含的物質的品質。可以想像，空間範圍越小，所包含的物質也越少，這是顯而易見的。當天文學家測量的銀心區範圍由大變小時，所包含的物質的品質確實越來越少。但是，天文學家驚訝地發現，當銀心區小到3光年以下時，它所包含的物質的品質變成了一個固定的常數，不論範圍變得多小，所包含的物質品質總在260萬個太陽品質上下。

目前天文學家已經把這個範圍縮小到了約0.5光年。這就是說，在銀心0.5光年半徑的範圍裏有一個品質很大的天體，它包含260萬個太陽品質的物質。要理解這一點並不困難，如果你用紗布將一個很重的小鉛球(比如半徑為10釐米)一層一層包起來，包成一個很厚很大的球(比如半徑1公里)，然後你開始稱這個球的重量。每脫一層紗布就稱一次重量，開始時紗布很厚，它們的重量不可忽略，所以球的總重量等於紗布加鉛球的重量。隨著紗布層越來越薄，薄到一定的程度時，紗布的重量比起鉛球來說完全可以忽略，這時得到的總重量就幾乎不再隨球的半徑變化，總是近似等於鉛球的重量。銀心區就是這樣一種情況。

在非常靠近人馬座A星號的地方有3顆恒星，其中一顆甚至近到距離銀心僅80天文單位。從1992年到2002年，天文學家對它們觀測了整整10年，發現它們在橢圓的軌道上繞人馬座A星號運動，就像地球和諸行星繞太陽轉動一樣，其中最近的那顆每15.2年繞銀心一周。根據引力定律，很容易算出中心天體的品質，上面的結果再次得到了證實。銀心處確實存在一個品質無比巨大、體積或半徑又極小的天體，這是個非常奇特的天體。可以與太陽系比較一下，太陽的直徑大約是太陽系的萬分之一，而銀心天體的直徑至少在銀河系直徑的百萬分之一以下，究竟小多少，目前不得而知。但是，在這麼小的體積裏卻集聚了大量的物質。與太陽更不同的是，銀心的天體不但不燦爛奪目，相反卻是“漆黑一團”。這是個什麼樣的天體呢?人們首先想到的是“黑洞”。

在銀河系以外，在其他星系的中心，天文學家找到了大品質黑洞的證據，這些黑洞的品質可從數百萬到數十億太陽品質。很自然，銀河系中心的神秘天體也很可能就是這樣一個大品質的黑洞。一個260萬太陽品質又不旋轉的黑洞，半徑約為750萬公里或0.05天文單位(大約是太陽半徑的10倍)。如果銀心暗天體是個黑洞，那麼周圍的物質在黑洞強大的引力作用下就會快速地向銀心旋落(稱為吸積)。當物質在落入黑洞的視界之前，會發射強大的無線電波和X輻射。這一切與觀測到的人馬座A星號非常相像。或許有人會問：銀河系裏不是有許多星團嗎?也許銀心的暗天體是由數百萬顆恒星集聚在一起的一個星團，而且這種星團的成員可能都是些不發光或很暗弱的恒星，比如中子星、白矮星、褐矮星、甚至恒星級小黑洞等等，由於距離很遠，所以看上去漆黑一團。確實，銀心暗天體究竟是一個大品質黑洞還是一個星團，曾經爭論了很久。平時看到的星團，星數確實可達到上千萬之多，最大品質也可達百萬個太陽品質。

但是，星團的直徑大多數為幾十光年到幾百光年。假如要把這麼多的恒星擠到體積小得多的銀心內(比如1天文單位)，恒星的密度就會變得異常之高。對這樣一個擁擠的星團來說，恒星彼此頻繁地接近，甚至相互碰撞，交換動能和動量。處在星團邊緣處的恒星，有的會獲得很大的動能，從星團中逃逸出去，這就是星團的蒸發。與水的蒸發很相似，星團也會很快地蒸發殆盡。還有些恒星在碰撞中以及星團的潮汐力作用下會被撕裂，就像1994年蘇梅克—列維9號彗星被木星的潮汐力撕裂那樣，引起星團的瓦解。被撕裂的恒星碎片向星團的中心沉澱，很快就會堆積成一個巨大的天體，也許就是黑洞。經過計算發現，這樣一個恒星星團要不了1億年就要分崩離析，遠遠低於銀河系的年齡100多億年。所以，銀心暗天體不可能是一個恒星星團。

當然，還有一種可能性，那就是銀心暗天體是個由微小黑洞組成的星團，那麼它不一定會蒸發。而且黑洞品質越小，蒸發時間越長。有人證明，當每個微黑洞的品質不超過千分之五太陽品質時，這種黑洞星團可與銀河系壽命一樣長。不過，問題接踵而來，微黑洞是怎樣形成的呢?微黑洞是不可能通過恒星演化形成的，它們只能形成於宇宙早期。很難解釋，為什麼宇宙早期形成的微黑洞都聚集在星系的中央?即使這樣，這些微黑洞也可能會相互吞食，結果形成一個巨大的黑洞。(續)