书城科普读物探究式科普丛书-浩瀚的宇宙
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第9章 茫茫太空的主角——太空天体(2)

其七,NGC天体列表。

星云和星团新总表(NGC),是业余天文学中最广为人知的太空天体目录之一。它包括了近8000个天体,这些天体被称为NGC天体。NGC是最全面的目录列表之一,它包括了所有类型的深空天体(并非只包括星系)。

该列表最初是在威廉·赫歇尔观测的基础上,于19世纪80年代制作而出。随后,它增加了两个目录列表的内容后,一下增加了将近5000个天体。位于南天的天体,并没有进行很好的分类,但它们中的大多数都被威廉·赫歇尔观测过。

其八,星系团。

目前已发现上万个星系团,距离远达70亿光年之外。至少有85%的星系,是各种星系群或星系团的成员。小的星系团如本星系群,由银河系以及包括仙女座星系在内的40个左右大小不等的星系组成。大的星系团,如后发座星系团,有上千个比较明亮的成员星系,如果把一些暗星系也包括进去,总数可能上万。但像这一类范围大、星系众多的星系团是不多的,平均而言,每个星系团内的成员数约为130个。有时又称成员数较多的星系团为富星系团,但贫、富的划分标准也是相对的。尽管不同星系团内成员星系的数目相差悬殊,但星系团的线直径最多相差一个数量级。平均直径约为500万秒差距。比较著名的室女座大星系、后发座星系团、武仙座星系团等。

如果按形态来区分,星系团大致可分为规则星系团和不规则星系团两类。规则星系团,以后发座星系团为代表,大致具有球对称的外形,有点像恒星世界中的球状星团,所以又叫球状星系团。

其九,超新星爆发。

哈勃空间望远镜曾经拍到过超新星爆发时的照片,捕捉到的这张照片中的美轮美奂的五彩“丝带”,是一次超新星爆发形成的。这次爆发所产生的光,在很久前已经到达地球。这次爆发的残余,被叫做仙后座A,是银河系中最年轻的超新星残余,距离地球有1万光年之遥。

那么,什么是新星和超新星呢?

有时在某一星区,突然看到一颗原来没有的亮恒星,经过几天到几个月,它又慢慢看不见了。古人就把这类星叫新星。其实,它不是“新产生”的恒星,而是原来就有的一颗可能是暗弱的恒星。由于它突然爆发,向外抛射大量物质,光度大增,在一两天内光度增加十几个星等,也就是亮度增长几万倍,使人们误认为“新产生”了恒星。天文学家已在银河系内发现200多颗新星。中国史料里,从公元前134年到公元17世纪末,有90颗新星记载,它们是非常珍贵的科学遗产。1975年8月30日晚上8点多钟,世界上一些天文台和天文爱好者,在天鹅座里就看到一颗新星。中国许多天文工作者和天文爱好者,都曾观察到并进行了观测研究。

另外,还有一类爆炸的星,规模比新星还大,叫做超新星。当大质量恒星演化到晚期,内部不能产生新的能量时,巨大的引力将整个星体迅速向中心坍缩,将中心物质都压成中子状态,形成中子星。而外层下坍的物质,遇到这坚硬的“中子核”反弹,就会引起爆炸。这就成为超新星爆发,质量更大时,中心则可以形成黑洞。

现在已发现多颗超新星,它们大多在河外星系中。而在银河系里,人们只发现8颗超新星。历史上最有名的超新星,要数1054年出现在金牛座中的那颗了。关于这颗超新星,史书《宋会要》中有详细的记载:“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。”这是指公元1054年7月4日早晨4点多钟,在金牛座天关星附近看到的超新星。它开始的亮度和太白金星亮度差不多,经过23天,又慢慢暗下去了。

1731年,一位英国天文爱好者在这个位置上,观测到一个畸形天体,其外形似螃蟹,叫蟹状星云。可想而知,蟹状星云就是1054年那颗超新星爆发抛出的物质。它是一个不满千岁的天体,是天体中的“婴儿”。

1987年2月23日,在大麦哲伦星系中,观测到一颗超新星SN1987A,成为轰动世界的新闻。

北京天文台有一架望远镜,专门在河外星系中搜索超新星。在3年时间内,科学家已发现了32颗超新星。

其十,类星体。

类星体是宇宙中最明亮的天体,它比正常星系亮1000倍。作为能量如此大的物体,类星体却小得令人不可思议。与直径大约为10万光年的星系相比,类星体的直径大约为1光年。天文学家认为,这有可能是物质被牵引到星系中心的超大质量黑洞中,因而释放大量能量(喷发激烈射线)所致。这些遥远的类星体,被认为是在早期星系还未演化至较稳定的阶段时,物质被导入主星系中心的黑洞,增添“燃料”而被“点亮”。

类星体是一个令人难解的天体。它具有奇特的现象,如红移之谜,超光速的移动。但它的能量来自哪里呢?这是在挑战人类的即有物理观念,而问题的解决,有可能使我们对自然规律的认识向前跨一大步。

什么是流星雨和流星群

当流星群的轨道与地球公转轨道相交时,流星群就会被地球的引力所吸引,而闯入地球大气层,在几小时到几天的时间内,流星数量显著增加,像下雨一样,这种现象称为流星雨。

流星雨发生时,流星的出现率通常是每小时十几个到几十个。但在少数情况下,可达每小时成千上万个,这称为流星暴。流星雨现象具有周期性,出现的日期基本固定。例如狮子座流星雨一般出现在每年的11月17日前后,而且每隔33年会出现一次程度不同的流星暴。

流星群是沿同一轨道,绕太阳运行的大群流星体。它们往往是由彗星抛射的质点和瓦解的彗核形成的,例如猎户座流星群和宝瓶座流星群,就与哈雷彗星有关。流星体很少单个出现,大多数是以流星群状态出现的。目前已发现的流星群达几百个。

2.吸纳万物的待解之谜—黑洞

其一,黑洞是什么?

黑洞,是广义相对论预言的一种特别致密的暗天体。大质量恒星在其演化末期发生坍缩,其物质特别致密,它有一个称为“视界”的封闭边界。黑洞中隐匿着巨大的引力场,且引力场特别强,以至于包括光子在内的任何物质,只能进去而无法逃脱。形成黑洞的星核质量下限约为3倍的太阳质量,当然这是最后的星核质量,而不是恒星在主序时期的质量。除了这种恒星级黑洞,也有其他来源的黑洞—所谓微型黑洞,可能形成于宇宙早期,而所谓超大质量黑洞可能存在于星系中央。

黑洞,不让任何其边界以内的事物被外界看见,这就是这种物体被称为“黑洞”的原因。我们无法通过光的反射来观察它,只能通过受其影响的周围物体间接了解黑洞。虽然这么说,但黑洞还是有它的边界,即“事件视界(视界)”。据猜测,黑洞是死亡恒星的剩余物,是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的。另外,黑洞必须是一颗质量大于钱德拉塞卡极限的恒星演化到末期而形成的。而质量小于钱德拉塞卡极限的恒星,是无法形成黑洞的。

其二,黑洞是如何产生的?

黑洞的产生过程,类似于中子星的产生过程。恒星的核心,在自身重量的作用下,迅速地收缩,发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时,收缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,中子本身在挤压引力自身的吸引下,被碾为粉末,剩下来的是一个密度特别高的物质。任何靠近它的物体,都会被它吸进去,黑洞就变得像真空吸尘器一样。

也可以简单理解:通常恒星最初只含氢元素,恒星内部的氢原子时刻相互碰撞,发生裂变、聚变。由于恒星质量很大,裂变与聚变产生的能量,与恒星万有引力抗衡,以维持恒星结构的稳定。由于氢原子的裂变与聚变,使其内部结构最终发生改变、破裂并组成新的元素—氦元素。接着,氦原子也参与裂变与聚变,改变结构,生成锂元素。依次类推,按照元素周期表的顺序,会依次有铍元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成。直至铁元素生成,该恒星便会坍塌。这是由于铁元素相当稳定,不能参与裂变或聚变。而铁元素存在于恒星内部,导致恒星内部不具有足够的能量,与质量巨大的恒星的万有引力抗衡,从而引发恒星坍塌,最终形成黑洞。

与白矮星和中子星一样,黑洞很可能也是由质量大于太阳质量20倍的恒星演化而来的。质量小一些的恒星,主要演化成白矮星,质量比较大的恒星,则有可能形成中子星。而根据科学家的计算,中子星的总质量,不能大于3倍太阳的质量。如果超过了这个值,那么将没有什么力能与自身重力相抗衡了,从而引发另一次大坍缩。

这次,根据科学家的猜想,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积很小、密度趋向很大的天体。而当它的半径一旦收缩到一定程度,正如我们上面介绍的那样,巨大的引力就使得光也无法向外射出,从而切断了恒星与外界的一切联系—“黑洞”诞生了。

现在,白矮星已经找到了,中子星也找到了,黑洞找到没有?也应该找到的,主要因为黑洞是黑的,要找到它们实在是很困难。特别是那些单个的黑洞,我们现在简直毫无办法。有一种情况下的黑洞,比较有希望找到,那就是双星里的黑洞。

双星,就是两颗互相绕着转的恒星。虽然我们看不见黑洞,但却能从那颗看得见的恒星的运动路线分析出来。这是什么道理呢?因为双星中的每一个星,都是沿着椭圆形路线运动的,而单颗的恒星不是这样运动。如果我们看到天空中有颗恒星在沿椭圆形路线运动,却看不到它的“同伴”,那就值得仔细研究了。我们可以把那颗星走的椭圆形的大小、走完一圈用的时间都测量出来。有了这些,就可以算出来,那个看不见的“同伴”的质量有多大。如果算出来的质量很大,超过中子星能的质量,那就可以进一步证明,它就是个黑洞了。

在天鹅星座中,有一对双星,名叫天鹅座X-1。这对双星中,一颗是看得见的亮星,另一颗却看不见。根据那颗亮星的运动路线,可以算出来它的“同伴”的质量很大,至少有太阳质量的5倍。这么大的质量,是任何中子星都不可能有的。当然,除这些以外,还有别的证据。所以,基本上可以肯定,天鹅座X-1中那个看不见的天体,就是一个黑洞。这是人类找到的第一个黑洞。

其三,黑洞是如何划分的?

按组成来划分,黑洞可以分为两大类。一类是暗能量黑洞,一类是物理黑洞。

暗能量黑洞,主要由高速旋转的巨大的暗能量组成,它内部没有巨大的质量。巨大的暗能量,以接近光速的速度旋转。其内部产生巨大的负压,以吞噬物体,从而形成黑洞。暗能量黑洞,是星系形成的基础,也是星团、星系团形成的基础。

物理黑洞,是由一颗或多颗天体坍缩而形成,具有巨大的质量。当一个物理黑洞的质量等于或者大于一个星系的质量时,我们称之为奇点黑洞。暗能量黑洞的体积很大,可以有太阳系那般大。比起暗能量黑洞来说,它的体积非常小,它甚至可以缩小到一个奇点。

其四,黑洞是如何毁灭的?

黑洞会发出耀眼的光芒,体积会缩小,甚至会爆炸。当英国物理学家斯蒂芬·霍金于1974年作出此预言时,整个科学界为之震动。

霍金的理论是受灵感支配的思维的飞跃,他结合了广义相对论和量子理论。他发现黑洞周围的引力场,释放出能量,同时消耗黑洞的能量和质量。当黑洞的质量越来越小时,它的温度会越来越高。这样,当黑洞损失质量时,它的温度和发射率增加,因而它的质量损失得更快。这种“霍金辐射”,对大多数黑洞来说,可以忽略不计,因为大黑洞辐射得比较慢,而小黑洞则以极高的速度辐射能量,直到黑洞的爆炸。

其五,黑洞与地球的关系如何?

黑洞没有具体的形状,你也无法看见它,只能根据周围行星的走向,来判断它的存在。也许你会因为它的神秘莫测而吓得大叫起来,但实际上,根本用不着过分担心。虽然它有强大的吸引力,但与此同时,这也是判断它位置的一个重要依据。就算它对距地球极近的物质产生影响时,我们也还有足够的时间挽救,因为那时它的“正式边界”还离我们很远。况且,恒星坍缩后,大部分都会成为中子星或白矮星。但这并不意味着我们就可以放松警惕了,这也是人类研究它的原因之一。

恒星、白矮星、中子星、夸克星、黑洞是依次的五个密度当量星体,密度最小的当然是恒星,黑洞是物质的终极形态。黑洞之后,就会发生宇宙大爆炸,能量释放出去后,又进入一个新的循环。