從地球旅行到宇宙邊緣
本文轉(zhuǎn)自《大自然探索》201412期，圖片可能有錯(cuò)位，新人轉(zhuǎn)帖，請(qǐng)?jiān)彛矚g天文了。
宇宙的盡頭距離我們有多遠(yuǎn)？地球外存在生命嗎？有外星人嗎？恒星誕生或死亡的現(xiàn)場(chǎng)是怎樣的？如果就近觀看碰撞的星系或類星體，其景象是怎樣的？宇宙盡頭又是怎樣的？宇宙還有很多未解之謎，但現(xiàn)代觀測(cè)手段正在逐漸揭示關(guān)于宇宙的種種新知識(shí)。現(xiàn)在，就讓我們借助這些知識(shí)，從地球出發(fā)旅行到宇宙邊緣。
宇宙的盡頭距離我們有多遠(yuǎn)？現(xiàn)有資料表明，宇宙有137億光年的寬度。那么，在無(wú)垠的宇宙中，除了地球外還有什么地方存在生命嗎？恒星誕生或死亡的現(xiàn)場(chǎng)是怎樣的？如果就近觀看碰撞的星系或類星體，其景象是怎樣的？宇宙盡頭又是怎樣的？的確，宇宙還有很多未解之謎，但現(xiàn)在人類通過(guò)哈勃望遠(yuǎn)鏡、天文衛(wèi)星和地面巨型望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)等手段，不僅捕捉到了過(guò)去不能詳細(xì)觀測(cè)的天體的清晰圖像，還查明了一些動(dòng)態(tài)現(xiàn)象的細(xì)節(jié)等等，從而逐漸揭示出關(guān)于宇宙的新知識(shí)。現(xiàn)在，就讓我們借助這些知識(shí)，從地球出發(fā)，一直旅行到宇宙邊界。
觀光太陽(yáng)系
太陽(yáng)系位于銀河系獵戶星座旋臂中距離銀心（銀河系中心）約28000光年的地方。現(xiàn)在，我們就從太陽(yáng)系的第3顆行星——地球飛出，經(jīng)過(guò)月球基地，潛入木星的衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二）的地下海洋中去觀察。歐羅巴被厚厚的冰覆蓋，科學(xué)家推測(cè)冰層下面有液態(tài)海洋，其中可能有生命存在。接下來(lái)，我們會(huì)離開太陽(yáng)系的黃道面，來(lái)到環(huán)繞太陽(yáng)系的奧爾特云，這“一朵云”由眾多小天體集合而成，它們就像蠶繭似地包裹著太陽(yáng)系。那么，這一路上會(huì)有哪些奇景等待我們?nèi)ビ^賞呢？
從月球基地出發(fā)
我們的旅程從月面基地開始。月球距離地球38萬(wàn)千米。月面基地建在月球赤道附近，它是人類前往宇宙更深處的重要中轉(zhuǎn)站，其作用就好比登山運(yùn)動(dòng)中的大本營(yíng)。月面基地被埋在沙土地下，這是為了遮蔽來(lái)自太陽(yáng)等天體的強(qiáng)烈射線和熱輻射。在月球赤道附近，白天溫度上升到120℃，夜間溫度卻跌落到-170℃，溫差近300℃。但如果挖到月面下幾十厘米，那么溫度不分晝夜，都保持在-20℃的恒定值。
月面基地的能源主要依賴原子能。白天也能利用太陽(yáng)光的光能發(fā)電，但為了度過(guò)長(zhǎng)夜，還需要大型蓄電設(shè)備。在未來(lái)建設(shè)月面基地時(shí)，這是必須解決的一個(gè)問(wèn)題。除了能源外，為了維護(hù)月面基地，還有許多必須解決的問(wèn)題，例如運(yùn)送必要物資的成本。從地球運(yùn)輸物資到月球的成本中，大部分都將消耗在脫離地球大氣層所需的能源方面。為了節(jié)約成本，就只能運(yùn)輸液體氫之類的高效燃料、在地球上組裝起來(lái)太費(fèi)工夫的機(jī)械，以及在宇宙中難以找到的物質(zhì)。
作為火箭氧化劑使用的氧，在月面土壤（月壤）中大量存在，月壤中還含有鐵、硅、鋁等的氧化物。所以，從還原月壤入手，這些元素可直接由月壤提供。一旦站在月面遼闊的沙原上，就很好理解滿布水與綠洲的生命世界——地球是多么美好。而在回望地球的同時(shí)，我們又開始了探索宇宙奧秘的新旅程。
潛入歐羅巴海洋
從地球生命來(lái)看，生命的存在需要三個(gè)基本條件，或稱三要素。首先，所有生命都由有機(jī)分子構(gòu)成，生命的基本元素是碳，也包括氮、氫、氧等。雖然有機(jī)分子本身并不是生命，但它們是所有生物的基礎(chǔ)建材。其次，生命需要液體，例如水。在水中，基本有機(jī)分子能夠混合、交互作用，變得更復(fù)雜。第三，有能量源（比如太陽(yáng)）為驅(qū)動(dòng)一切生命（不管是最小的微生物還是最復(fù)雜的人）的化學(xué)反應(yīng)提供動(dòng)力。
科學(xué)家此前一直相信，在太陽(yáng)系中，生命三要素只有在與太陽(yáng)距離合適的行星上才能找到。距離太近，行星表面溫度就會(huì)很高;距離比火星還遠(yuǎn)，行星表面就會(huì)過(guò)于寒冷。但是對(duì)太陽(yáng)系外圍的探測(cè)結(jié)果，卻對(duì)這種認(rèn)識(shí)提出了挑戰(zhàn)。這就是為什么我們把旅行地點(diǎn)選在歐羅巴的理由所在——這里有可能存在生命。
歐羅巴坐落在距離太陽(yáng)約7.78億千米的位置，其直徑為3100千米。歐羅巴表面覆蓋了幾千米到幾百千米厚的冰層，但科學(xué)家推測(cè)，由于歐羅巴受木星引力影響，前者內(nèi)部可能有液態(tài)海洋。1995年12月，美國(guó)宇航局發(fā)射的“伽利略號(hào)”探測(cè)器探索了歐羅巴，發(fā)現(xiàn)其表面參差不齊地多了一些巨大的冰原。看來(lái)它們不斷融化、斷裂，再凍結(jié)。這種行為很像是地球上的海冰。歐羅巴磁場(chǎng)數(shù)據(jù)暗示，在歐羅巴冰殼下最淺為數(shù)千米的深度，可能存在深達(dá)100千米的海洋，其水量是地球各大洋海水總量的兩倍。顯然，冰封的歐羅巴海洋里不可能有來(lái)自太陽(yáng)的能源，那么一定有什么東西從歐羅巴內(nèi)部加熱了這顆衛(wèi)星。
科學(xué)家設(shè)想，在歐羅巴的冰殼上鉆探一個(gè)深孔，讓機(jī)器人潛入下面的海洋，也許就可以發(fā)現(xiàn)，就像地球海底的熱液噴泉那樣，歐羅巴海底也有沸騰的熱水噴出。或許，那里有依賴熱水中化學(xué)能量存活的生命。科學(xué)家認(rèn)為，歐羅巴生命的能量源是氫或甲烷、硫化氫等的還原物質(zhì)。通過(guò)氧化這些物質(zhì)，即使沒(méi)有太陽(yáng)能也能維持生命。另外，到達(dá)歐羅巴的陽(yáng)光只相當(dāng)于地球接收陽(yáng)光數(shù)量的4%。但就算這樣，如果是在薄薄的冰層下面，或在歐羅巴表面附近，仍可能存在進(jìn)行光合作用的生命。
生命果真存在于地球以外嗎？科學(xué)家在地球上尋找解開這個(gè)疑問(wèn)的線索。現(xiàn)在已經(jīng)知道，在漆黑的洞穴底部或深海的熱液噴口，生活著無(wú)數(shù)不依賴陽(yáng)光的生物。科學(xué)家推測(cè)，如果歐羅巴海洋中存在最簡(jiǎn)單的生命，那么可能是由甲烷與二氧化碳構(gòu)成的產(chǎn)物。氧化甲烷可得到二氧化碳，還原二氧化碳則得到甲烷。這種氧化與還原的循環(huán)可維持生命。如果來(lái)自行星或衛(wèi)星內(nèi)部的還原劑（氫、甲烷、硫化氫等）出現(xiàn)沸騰，則有可能完成氧化與還原的循環(huán)。再加上能生成有機(jī)物的環(huán)境（如熱液噴泉），那么生命就有充分的可能在地球外的環(huán)境中存在。
在太陽(yáng)系內(nèi)除了歐羅巴之外，土星的衛(wèi)星恩克拉多斯（土衛(wèi)二）也受到科學(xué)家的特別關(guān)注。探測(cè)器在恩克拉多斯上發(fā)現(xiàn)了新的能量來(lái)源和可能存在液態(tài)海洋的跡象，這意味著僅在太陽(yáng)系內(nèi)就可能有多個(gè)生命立足之地。
一些科學(xué)家還相信，彗星是“生命的使者”。正是彗星與地球相撞，將自己攜帶的有機(jī)分子灑落到地球上，才讓地球誕生了生命。為了驗(yàn)證這個(gè)假想，1999年美國(guó)發(fā)射了“星塵號(hào)”探測(cè)器，目的是與以每小時(shí)近96000千米速度在太空中飛奔的“維爾特2號(hào)”彗星會(huì)晤，然后穿越彗星冰和塵埃，最終把其中一些樣本帶回地球。幸運(yùn)的是， “星塵號(hào)”不負(fù)使命，于2006年1月將彗星物質(zhì)樣本帶回了地球。經(jīng)過(guò)三年分析后，科學(xué)家確認(rèn)彗星塵埃中含有微量甘氨酸，這種有機(jī)分子是生命不可或缺的成分。
上述發(fā)現(xiàn)意味著，彗星有可能是地球生命必需的有機(jī)材料的一個(gè)來(lái)源。那么，是什么使得彗星從太陽(yáng)系外圍的遙遠(yuǎn)之地一路飛來(lái)撞擊地球，從而把有機(jī)化合物帶給地球？有關(guān)線索還得到奧爾特云去尋找。
從奧爾特云俯瞰太陽(yáng)系
從木星與太陽(yáng)系的軌道面垂直上升，我們從奧爾特云俯瞰太陽(yáng)系。奧爾特云在距太陽(yáng)約1萬(wàn)億～10萬(wàn)億千米處，像眉毛一般稀疏地包裹著太陽(yáng)系。奧爾特云主要包含由冰構(gòu)成的小天體。這里完全遠(yuǎn)離太陽(yáng)。
在冥王星從行星降格為矮行星后，比海王星軌道更遠(yuǎn)的地帶已不存在太陽(yáng)系的大行星，但包括矮行星在內(nèi)的小行星倒是不少。與太陽(yáng)系主要行星幾乎排列在同一平面的是柯伊伯帶，在其外側(cè)就是圍成球形的奧爾特云。奧爾特云位于太陽(yáng)與冥王星之間距離的大約1000倍遠(yuǎn)的遠(yuǎn)方，科學(xué)家相信那里潛藏著5萬(wàn)億～6萬(wàn)億顆彗星。從這里，偶爾有數(shù)千年長(zhǎng)周期的彗星造訪太陽(yáng)近旁。
奧爾特云是怎樣起源的？在木星與土星之間的區(qū)域內(nèi)，一些小天體（微行星）撞在行星上之后被彈射出去，其中大部分逃向恒星際空間，但也有一部分被太陽(yáng)引力緊緊俘獲，并且停留了數(shù)億年。偶爾通過(guò)附近的巨大分子云或恒星等的引力作用，或太陽(yáng)在銀盤作上下運(yùn)動(dòng)引起的潮汐作用等，使這些小天體彌漫成大的球殼狀，從而形成奧爾特云。與此同時(shí)，奧爾特云中的彗星偶爾會(huì)飛到太陽(yáng)附近，有的則逃向星際空間。另有一些科學(xué)家認(rèn)為，受到來(lái)自外部的引力作用時(shí)，許多彗星落入太陽(yáng)系內(nèi)部，引起所謂“彗星雨”現(xiàn)象，每數(shù)千萬(wàn)年發(fā)生一次。
從太陽(yáng)系到銀河系
告別了太陽(yáng)系，我們向著仙女座行星系飛去。這是距離太陽(yáng)系最近的行星系。在離太陽(yáng)約45光年的地方，我們會(huì)看到巨大的氣態(tài)行星在近距離處環(huán)繞恒星。同時(shí)，通過(guò)地球上的昴星望遠(yuǎn)鏡，望向位于太陽(yáng)系外2000光年的S106恒星形成區(qū)域，我們清晰地捕捉到恒星誕生的情景。接下來(lái)，在靠近距太陽(yáng)系9000光年的仙后星座A的地方，我們會(huì)看到恒星死亡場(chǎng)面。事實(shí)上，銀河到處都上演著恒星的生死大戲。
接近太陽(yáng)系外的行星系
我們來(lái)到了仙女座行星系附近。仙女星的直徑是太陽(yáng)的大約1.3倍，它率領(lǐng)3顆木星型氣態(tài)行星。科學(xué)家相信，這些行星的形成過(guò)程與太陽(yáng)系行星的幾乎相同：星際分子云收縮，構(gòu)成恒星與原始行星系圓盤;從原始行星系圓盤的塵埃中誕生出許多微行星，開始在剛誕生的恒星周圍旋轉(zhuǎn);不久，微行星碰撞、合并，形成像地球這樣的巖石行星，或者，巖石行星落入原始行星系圓盤的氣體中，形成木星型行星;最后，圓盤氣體消失，完成恒星-行星系。
由于最初的原始行星系圓盤的質(zhì)量不同，形成的行星系統(tǒng)也不一樣。如果圓盤輕，則構(gòu)成大多數(shù)為地球（巖石）型行星的行星系統(tǒng);如果圓盤質(zhì)量中等，則構(gòu)成的行星中木星型氣態(tài)行星占多數(shù)。在重質(zhì)量圓盤誕生的行星系統(tǒng)中，氣態(tài)行星與恒星之間的距離很近。
科學(xué)家相信，仙女座行星系誕生自很大質(zhì)量的圓盤。其最內(nèi)側(cè)軌道上那顆行星的質(zhì)量至少是木星的0.7倍，它在距離仙女星直徑8倍的地方旋轉(zhuǎn)，大約每5天繞恒星轉(zhuǎn)一圈。中間軌道上的行星大約是木星質(zhì)量的2倍以上，而在最外側(cè)軌道上的行星大約是木星質(zhì)量的5倍以上。
目前，科學(xué)家對(duì)什么樣的恒星才擁有行星還不清楚。但他們推測(cè)，至少那些與太陽(yáng)相似的恒星可能擁有行星。銀河系估計(jì)有2000億～4000億顆恒星，其中如果存在像地球這樣支持生命的行星就并不奇怪。樂(lè)觀的估計(jì)是，銀河系中有生命存在的行星數(shù)量最多可達(dá)1%。
目擊恒星誕生
在距離距太陽(yáng)2000光年的地方，科學(xué)家稱之為S106的恒星形成區(qū)域的中央呈現(xiàn)在我們面前。這里有稱之為IRS4的巨大恒星。IRS4的質(zhì)量大約是太陽(yáng)的20倍，但它還只是出生才10萬(wàn)年的嬰兒星。昴星紅外望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)到了迄今為止最清晰的恒星誕生情形。
恒星的誕生猶如剛出生嬰兒那樣鬧哄哄。宇宙空間中，“分子云”（氣體與塵埃集中地帶）密度比周圍高，其附近因氣體自身的重力而開始急劇收縮。這時(shí)，從位于分子云中央、剛誕生的超高溫恒星，或從分子云巨大圓盤的內(nèi)側(cè)部分，以伴隨收縮的引力能為基礎(chǔ)，在旋轉(zhuǎn)軸方向的兩側(cè)噴出猛烈的射流或雙極分子流。不久，如果再無(wú)物質(zhì)落入剛誕生的原始恒星，則原始恒星逐漸恢復(fù)平靜，引起由氫制造氦的聚變反應(yīng)，成長(zhǎng)為真正的恒星，開始發(fā)光。IRS4的射流噴發(fā)已經(jīng)結(jié)束，但在圓盤兩側(cè)，就仿佛是充滿IRS4的射流造成了空洞似的，氫氣云一邊畫出像是漣漪的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，一邊釋放藍(lán)白色的光芒。
在IRS4的更外側(cè)，望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了其他許多剛出生的恒星。和太陽(yáng)質(zhì)量相仿的恒星會(huì)發(fā)光，但比太陽(yáng)質(zhì)量哪怕只小0.075倍的恒星就會(huì)由于太小而無(wú)法繼續(xù)發(fā)光，科學(xué)家把這樣的恒星稱為褐矮星或暗星。在IRS4的周圍已經(jīng)發(fā)現(xiàn)恒星、褐矮星以及比褐矮星更小、只有木星質(zhì)量幾倍的恒星等總共達(dá)數(shù)百顆。其中質(zhì)量?jī)H為木星幾倍的恒星，如果單從質(zhì)量而言，稱之行星也可，但它們與太陽(yáng)系行星不同，飄蕩在沒(méi)有恒星可環(huán)繞的宇宙空間中，科學(xué)家稱之為“微小的飄移天體”。總之，S106區(qū)域是一個(gè)集中體現(xiàn)了各色恒星誕生情景的場(chǎng)所。
恒星壯烈之死
看了恒星誕生，我們接著又來(lái)看恒星的壯烈死亡。在我們眼前，發(fā)生超新星爆發(fā)后，緊接著刮起“暴風(fēng)”。這是大約320年前由仙后座A的恒星引起的超新星爆發(fā)，距太陽(yáng)約9000光年。在迎來(lái)死亡之前，仙后座A的質(zhì)量大約是太陽(yáng)質(zhì)量的25倍。在靠近仙后座A中心的地方，沖擊波的溫度達(dá)到5000萬(wàn)K，速度達(dá)到每秒5000千米。超新星爆發(fā)后，留下了密度很高的中子星。
從分子云誕生的恒星通過(guò)氫制造氦的核聚變不斷發(fā)光，不過(guò)，一旦其核心的氫耗盡，恒星很快就會(huì)迎來(lái)死亡。恒星臨終情況依據(jù)其質(zhì)量大小而不同。越大的恒星越亮，燃燒造成的消耗也越快，所以壽命也短。
太陽(yáng)質(zhì)量8倍以上的恒星臨終變?yōu)榧t超巨星，發(fā)生像仙后座A那樣的超新星爆發(fā)。太陽(yáng)質(zhì)量8～30倍左右的恒星壽命為5000萬(wàn)年到800萬(wàn)年左右，超新星爆發(fā)后留下密度很高的中子星。對(duì)于太陽(yáng)質(zhì)量30倍以上、非常重的恒星來(lái)說(shuō)，其壽命更短，在800萬(wàn)年以。超新星爆發(fā)后變成黑洞。
與太陽(yáng)同質(zhì)量的恒星是比較小的恒星，但壽命長(zhǎng)達(dá)100億年，幾乎一生的時(shí)間都在穩(wěn)定地發(fā)光。它們臨終時(shí)變?yōu)榧t巨星，從恒星冒出的氣體形成行星狀星云，留在星云中心的是高溫的白矮星，進(jìn)一步冷卻后以黑矮星的身份終其一生。
仙后座A的超新星殘骸在其后100萬(wàn)年左右繼續(xù)飄移在宇宙空間。超新星爆發(fā)時(shí)散發(fā)的氣體作為超新星殘骸彌漫在星際空間，伴隨其沖撞，又構(gòu)成作為新恒星原材料的星際分子云。就這樣，宇宙到處都有恒星誕生，又有恒星死亡，如此不斷輪回。
從銀河系到宇宙邊際
接下來(lái)，我們展開從銀河系到目的地——昴宿星團(tuán)深空的旅程。昴宿星位于后發(fā)座方向，由于沒(méi)有東西遮擋銀河系天體的光芒，因此這里是適于觀測(cè)距地球100億光年以上距離的天體的區(qū)域。而如果從地球觀察，只能看到月球直徑的1/15的小區(qū)域。
如果從昴宿星團(tuán)深空方向部分切下大扇形的立體，就可獲得宇宙的大規(guī)模結(jié)構(gòu)。在靠近銀河系這邊，星系各處既有斑塊聚在一起（星系團(tuán)），也有什么都沒(méi)有的部分（真空），從而形成泡狀結(jié)構(gòu)。在宇宙中越遠(yuǎn)離銀河系的地方，構(gòu)成的結(jié)構(gòu)越均質(zhì)。
離開銀河系，我們首先看到的是最靠近銀河的仙女座星系。根據(jù)最新觀測(cè)，從仙女座星系中央眺望整個(gè)星系，會(huì)看到恒星爆發(fā)地誕生的星爆星系M82。昴星望遠(yuǎn)鏡近距離觀測(cè)到了構(gòu)成星系團(tuán)的部分星系的大規(guī)模結(jié)構(gòu)。在宇宙中，到處都有星系碰撞。最新觀測(cè)發(fā)現(xiàn)了一些明顯遭遇過(guò)碰撞的星系。但愿我們此行也能遇上星系碰撞。
之后，我們就接近了宇宙中最亮的、謎一般的天體——“類星體”的中心。在這里，我們會(huì)看到最難以置信的景觀。從地球上能觀測(cè)到的最遠(yuǎn)的宇宙，即距離我們100多億光年遠(yuǎn)的昂星團(tuán)深空，再加上其間上演的星系生死，我們就看見了銀河系誕生前不久（大爆炸后數(shù)億年）的宇宙模樣，它與我們身邊銀河系的模樣截然不同。
銀河系的孿生兄弟
現(xiàn)在，我們終于離開了銀河系，來(lái)到了230萬(wàn)光年外的仙女座星系。仙女座星系最早引起關(guān)注是在20世紀(jì)20年代。包含太陽(yáng)系在內(nèi)的銀河系，是否已構(gòu)成整個(gè)宇宙？還是銀河系外天外有天？當(dāng)時(shí)的科學(xué)界對(duì)此產(chǎn)生了爭(zhēng)論。爭(zhēng)論的焦點(diǎn)之一是，仙女座星云是否與銀河系是同樣的星系。所謂星云，是指隱約可見的廣闊天體。而星系是指在銀河系外的大約1000億個(gè)恒星集團(tuán)。
在展現(xiàn)仙女座星云外延部分的照片中，美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)了造父變星。它有1～50天左右的短周期，前后改變1等級(jí)亮度。造父變星的固有亮度與變光周期之間有特定關(guān)系。哈勃利用這個(gè)性質(zhì)，從變光周期推斷造父變星原來(lái)的亮度（絕對(duì)光度），再與被觀測(cè)到的表觀亮度比較，得到它與仙女座星云的距離，結(jié)果是：仙女座星云是銀河系外的天體，具有與銀河系同樣的規(guī)模。這樣，仙女座星云開始被稱為仙女座星系，而且知道了銀河系不過(guò)是宇宙中無(wú)數(shù)個(gè)星系當(dāng)中的一個(gè)而已。
星系有若干種類：從圓盤狀星際氣體中誕生眾多新星的旋渦星系或棒旋星系，沒(méi)有星際氣體、也不誕生新星的橢圓星系，以及被其他星系引力造成形狀扭曲的不規(guī)則星系等。仙女座星系與銀河系一樣是旋渦星系，兩者的外表猶如孿生兄弟，但也有不同之處。
構(gòu)成銀河系的恒星數(shù)量至少約為2000億個(gè)（正確地說(shuō)，質(zhì)量相當(dāng)于2000億個(gè)太陽(yáng)），而仙女座星系的恒星數(shù)量也是2000億個(gè)左右。兩者從上往下看均是圓盤狀，從橫向看則都構(gòu)成凸透鏡形狀。銀河由銀暈、銀盤、球狀凸核和銀心構(gòu)成。
銀暈是銀盤的外側(cè)區(qū)域。因?yàn)殂y暈是暗的，所以過(guò)去認(rèn)為其質(zhì)量相比銀河系來(lái)說(shuō)很小，實(shí)則不然——銀暈大部分由暗物質(zhì)構(gòu)成。暗物質(zhì)的本質(zhì)尚不清楚，但科學(xué)家相信它一定很重。科學(xué)家通過(guò)引力透鏡效應(yīng)，檢測(cè)出銀暈中存在數(shù)千億個(gè)被稱為“超致密光暈體”的小質(zhì)量天體，此外還有數(shù)百個(gè)球狀星團(tuán)。
銀盤由恒星與星際氣體構(gòu)成。銀盤上有旋渦結(jié)構(gòu)，其臂被稱作旋臂。恒星所含重金屬元素比例高，年齡不足100億年。星際氣體在高密度區(qū)域到處存在，尤其集中在旋臂部分。仙女座星系的臂與其說(shuō)是旋渦狀不如說(shuō)是環(huán)狀，與具有明顯旋臂的銀河系不同，前者構(gòu)成渦狀結(jié)構(gòu)。
球狀凸核（簡(jiǎn)稱球核）是銀河系中心的黃色球狀區(qū)域，由100億年前銀河系形成時(shí)誕生的老年恒星組成。球核質(zhì)量由暗物質(zhì)與老年恒星共同構(gòu)成。仙女座星系的球核比銀河系的還大，經(jīng)確認(rèn)，前者是與仙女座星系的銀盤垂直相交的電離氣體。
仙女座星系最具特色的是它的銀心。銀河系的銀心是密集分布的恒星或氣體，中心核則有巨大黑洞。據(jù)觀測(cè)，銀河系的銀心有超新星爆發(fā)痕跡或射流等壯烈活動(dòng)情景。但仙女座星系的中心幾乎沒(méi)有氣體，而且被觀測(cè)到有相距約5光年的兩個(gè)核。
為什么仙女座銀心結(jié)構(gòu)如此奇特？天文學(xué)家推測(cè)，距今幾十億年前，仙女座星系的周圍存在大量伴星系，其中質(zhì)量大的伴星系受到仙女座星系的星暈引力摩擦，逐漸被拽到跟前，而在幾億年前終于被仙女座星系的銀心吸引過(guò)來(lái)，墜落并且合并。
目前，最靠近仙女座的NGC205與M32這兩個(gè)小橢圓星系作為伴星系跟隨仙女座，它們?cè)谂c仙女座星系的相互作用下被剝離掉氣體圓盤。尤其是M32，它原來(lái)是渦狀星系，但是通過(guò)引力相互作用或氣體壓力被剝奪圓盤，只剩下球核部分。這些伴星系最終逃不掉被仙女座星系吞并的命運(yùn)。
星系碰撞現(xiàn)象在星系形成中并不罕見，但是銀心成雙的星系除仙女座星系外尚無(wú)發(fā)現(xiàn)。
仙女座星系最終歸宿
仙女座星系與銀河系都屬于大型渦旋星系，也是被相互引力連在一起的雙重星系，圓盤周圍都被具有巨大質(zhì)量的暗暈包圍。這兩個(gè)巨大星系的周圍由M33等不同大小的共30多個(gè)星系構(gòu)成群，形成直徑300萬(wàn)光年的本星系群。
在本星系群中，仙女座星系和銀河系的規(guī)模比其他星系大得多。所以，周邊的小星系早晚會(huì)被這兩個(gè)巨大星系吞并。環(huán)繞銀河系運(yùn)行的的大、小麥哲倫云等的伴星系，被拽到銀河系身邊，很快就被銀河系沖撞、合并。同樣，仙女座星系也統(tǒng)領(lǐng)NGC205和M32這兩個(gè)小橢圓星系，通過(guò)引力將它們拽到身邊，反復(fù)碰撞、合并。
在遙遠(yuǎn)的將來(lái)，仙女座星系與銀河系也會(huì)發(fā)生碰撞、合并。美國(guó)哈佛大學(xué)天文學(xué)家用計(jì)算機(jī)模擬出了太陽(yáng)在兩大星系碰撞中的最終命運(yùn)。實(shí)際上，仙女座星系以每秒275千米的速度接近銀河系，在20億年后這兩個(gè)星系的第一次親密交會(huì)過(guò)程中，太陽(yáng)系有12%的可能性會(huì)被從現(xiàn)在的位置拋出，并且進(jìn)入被仙女座星系潮汐力所拉出的物質(zhì)流中。在第二次交會(huì)過(guò)后，太陽(yáng)進(jìn)入潮汐物質(zhì)流的可能性上升到30%，還有2.7%的可能性會(huì)被仙女座星系俘獲。
假定仙女座星系正面向銀河系，那么它30億年后有可能與銀河系沖撞，這樣將會(huì)結(jié)束120億年來(lái)兩個(gè)星系的的共舞，兩者會(huì)合并成一個(gè)橢圓星系。
接近M82星系中心
現(xiàn)在我們來(lái)到距太陽(yáng)1200萬(wàn)光年、被稱為M82的星系中心附近。根據(jù)其形狀，科學(xué)家稱之為“不規(guī)則星系”。M82發(fā)射亮度大約為一般星系100倍的強(qiáng)光，即使在強(qiáng)發(fā)光星系中也算特別明亮。那么，M82為何會(huì)如此明亮？其原因在于所謂“星爆”現(xiàn)象。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，星爆過(guò)程會(huì)釋放大量宇宙射線。
這些高速宇宙射線是什么呢？科學(xué)家推測(cè)它是星爆過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈的“宇宙颶風(fēng)”。雖然觀測(cè)資料顯示這種“宇宙颶風(fēng)”是一片明亮的光線，但實(shí)際上它并非是一個(gè)完整的整體，而是至少由幾種不同速度的高能量氣流組成，并且這些氣流匯集在一起形成宇宙射線。這就是我們能看到星爆過(guò)程中大量熾熱氣體被釋放出來(lái)的原因。
那么，組成“颶風(fēng)”的高能量氣流又從何而來(lái)？科學(xué)家認(rèn)為，M82星系中心附近是星爆區(qū)域，那里總共有約1000萬(wàn)顆以上的恒星正在誕生。當(dāng)星爆發(fā)生時(shí)，大量剛出生的恒星接連不斷發(fā)生超新星爆發(fā)，如煙囪一般噴射出一股股高能量氣流，最終形成“宇宙颶風(fēng)”。
“宇宙颶風(fēng)”的形成也標(biāo)志著恒星生命的結(jié)束，例如M82中的許多恒星之所以噴出高能量氣流，是因?yàn)榘l(fā)生了大規(guī)模超新星爆發(fā)，恒星在爆發(fā)中快速了結(jié)自己的生命。因此，科學(xué)家推測(cè)，“宇宙颶風(fēng)”中可能含有大量重化學(xué)元素，這些元素在早期宇宙中幾乎不存在。而從這些重元素中誕生出行星，最終可能導(dǎo)致生命的誕生。
也有科學(xué)家認(rèn)為，M82的星爆現(xiàn)象表明超新星爆發(fā)掀起的“颶風(fēng)”能擴(kuò)大到周圍，形成厚厚的分子云，在分子云中誕生大量的新恒星。在“宇宙颶風(fēng)”作用下，星系中的熾熱分子云被拉長(zhǎng)，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)萬(wàn)光年。同時(shí)，熾熱氣體也推動(dòng)宇宙射線以極高速度向外釋放，形成更大的“颶風(fēng)”。“宇宙颶風(fēng)”究竟是生命終結(jié)的象征，還是生命開始的預(yù)示？這至今成謎。
那么，M82為何會(huì)引起如此激烈的星爆呢？其原因要追溯到大約2億年前。那時(shí)，緊挨著M82的旁邊是一個(gè)約為M82直徑兩倍的巨大星系M81。它們相互經(jīng)過(guò)時(shí)，由于M81的強(qiáng)大引力攪亂了M82內(nèi)部的氣體，于是分子云之間的碰撞構(gòu)成了星爆區(qū)域。
最近，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)星爆星系M82中正在形成球狀星團(tuán)。這一發(fā)現(xiàn)很有意義，因?yàn)樵阢y河系里球狀星團(tuán)是最老的天體，并且我們不知道它們是如何形成的。M82給我們提供了一個(gè)觀察球狀星團(tuán)形成過(guò)程的機(jī)會(huì)。銀河系球狀星團(tuán)的年齡為120億～150億年，而M82里的星團(tuán)年齡僅有1000萬(wàn)年。
M82的星團(tuán)MCG-9和MCG-11的直徑大約為10光年，它們的核心都含有數(shù)百萬(wàn)顆恒星，是星團(tuán)核心的恒星密度中最高的。與銀河系球狀星團(tuán)不同，M82星團(tuán)中高溫大恒星非常多。科學(xué)家推測(cè)，M82的這些球狀星團(tuán)可能是一億年前它與近鄰星系M81的引力發(fā)生相互作用形成的。
眺望星系大規(guī)模結(jié)構(gòu)
我們終于來(lái)到了距太陽(yáng)50億光年的地方，恰好遇到眼前的若干個(gè)星系團(tuán)。星系團(tuán)是指由超過(guò)10個(gè)星系組成、直徑約為1000萬(wàn)光年的區(qū)域。
隨著20世紀(jì)80年代天文觀測(cè)的進(jìn)步，科學(xué)家證實(shí)了星系有成團(tuán)的傾向，如銀河系和仙女座星系等30多個(gè)星系組成本星系群。一般的星系集團(tuán)叫星系團(tuán)。星系群和星系團(tuán)又結(jié)合成超星系團(tuán)。例如，本星系群屬于以室女座星系團(tuán)為中心的本超星系團(tuán)。一個(gè)超星系團(tuán)的寬度約為1億到2億光年。超星系團(tuán)仍然不是最大的群體。在距銀河系約2億光年的地方有一個(gè)巨大的重力源，它牽引著本超星系團(tuán)。這個(gè)大牽引者可能是由許多超星系團(tuán)組成的超星系團(tuán)復(fù)合體，或者叫做“墻”。這就是所謂的“宇宙大規(guī)模結(jié)構(gòu)”。
科學(xué)家創(chuàng)制的三維空間圖像表明，宇宙建立在許多巨大空間的四周。這些空間看起來(lái)就像是無(wú)比巨大的“肥皂泡”，而大大小小的星系就依附在這些“泡沫”上。有的“肥皂泡”相當(dāng)大，直徑達(dá)1.5億光年。
科學(xué)家最近又發(fā)現(xiàn)了橫跨天穹的一大片狹長(zhǎng)星系，它長(zhǎng)約5億光年，寬約2億光年，厚約1500光年，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的宇宙最大規(guī)模結(jié)構(gòu)，被命名為“長(zhǎng)城”。這道肉眼看不見、呈曲線的“長(zhǎng)城”距離地球大約2億～3億光年。這樣的宇宙大規(guī)模結(jié)構(gòu)是宇宙誕生以來(lái)通過(guò)引力逐漸形成的，即使現(xiàn)在的宇宙仍在繼續(xù)進(jìn)化。如果能眺望這樣形成的超超巨大星系，就不能不再度感嘆宇宙的宏大。
接近類星體中心
我們來(lái)到了距離太陽(yáng)54億光年的類星體3C345的中心附近。現(xiàn)在我們所在的地方距類星體中心約300光年。我們會(huì)看到類星體正中是通向巨大黑洞的入口，那里冒出的高速射流形成圍繞四周的環(huán)狀分子云。類星體的原形是猛烈活動(dòng)的星系核，在那里，熾熱氣體在跌入巨大黑洞的過(guò)程中發(fā)出強(qiáng)烈射線，把分子云照射得閃爍發(fā)光，使遠(yuǎn)在數(shù)十甚至上百億光年外的地球人也能看到。
類星體是宇宙中釋放最大能量的天體。科學(xué)家推測(cè)，類星體的原形是位于非常遙遠(yuǎn)的星系中心、貪婪地吞噬物質(zhì)和能量卻不發(fā)光的超大質(zhì)量黑洞。從地球上看去，類星體的外表就像恒星，但類星體射出的光芒比普通星系遠(yuǎn)得多也亮得多。實(shí)際上，類星體的主要發(fā)光區(qū)域很窄，寬度估計(jì)在0.01光年以下。如此窄的區(qū)域卻能發(fā)射極大能量的光與射流。而類星體強(qiáng)烈發(fā)光并不是因?yàn)楹诙窗l(fā)光（黑洞光吃不吐，根本就不發(fā)出光線）。但在大量物質(zhì)墜入黑洞之際，黑洞周圍形成吸積盤。這個(gè)圓盤由于摩擦被加熱，從而釋放能量。未墜入黑洞的物質(zhì)，則作為高能量的射流被噴出。射流速度很快，幾乎接近光速（每秒30萬(wàn)千米），而恒星誕生時(shí)的射流速度大約不到每秒100千米。類星體3C345中心的黑洞半徑估計(jì)約為3億千米（約為從太陽(yáng)與地球之間距離的2倍）。
類星體的能量源，就是把黑洞吸入物質(zhì)的引力能轉(zhuǎn)換后再釋放。科學(xué)家指出，類星體的能量轉(zhuǎn)換效率很高，被吸入物質(zhì)的質(zhì)量中有多達(dá)大約百分之幾變?yōu)槟芰俊Ｈ绻凑仗?yáng)核聚變的能量產(chǎn)生效率——大約千分之二來(lái)考慮，這無(wú)疑是非常高效的。照此計(jì)算，類星體每年會(huì)吃掉一個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量，并繼續(xù)釋放巨大能量。
類星體被認(rèn)為在宇宙初期有很多，但銀河系周圍沒(méi)有這樣的天體，那么銀河系的類星體到哪里去了呢？科學(xué)家最近對(duì)早期宇宙里兩個(gè)星系的相撞、合并過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，為解釋銀河系類星體的消失提供了線索。
在模擬中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了星系中央黑洞合并的破壞性效果。在大約1億年的時(shí)間里，黑洞質(zhì)量不斷增長(zhǎng)，將更多氣體燃料吸引到自己身邊，氣體在向黑洞靠近時(shí)變得更熱、更明亮。這樣，合并后的星系核就變成了一個(gè)類星體。在類星體成長(zhǎng)階段，周圍的熾熱氣體會(huì)突然爆發(fā)，產(chǎn)生一股強(qiáng)大的“宇宙颶風(fēng)”，將絕大部分氣體塵埃云從黑洞附近乃至整個(gè)星系里刮走，拋入深空。這一過(guò)程阻止黑洞繼續(xù)生長(zhǎng)，使星系停止制造恒星。當(dāng)然，類星體也在華麗的火焰中消亡，它們的壽命與星系本身相比非常短暫。早期宇宙中有很多類星體，但大多數(shù)已經(jīng)這樣消失，所以被觀察到的類星體很少，而且它們總是在極其遙遠(yuǎn)的地方，也就是離我們極其遙遠(yuǎn)的年代。
遭遇星系碰撞之地
我們來(lái)到了距太陽(yáng)80億光年的地方，靠近了被稱為MS1054-03的星系團(tuán)中發(fā)生碰撞的星系。首先看到碰撞中星系的球核。星系碰撞后，氣體密度升高，許多恒星正在誕生。
來(lái)到距離地球80億光年的地方，也就看見了80億年前的情景。大爆炸之后大約5億年的時(shí)候，剛誕生的星系比銀河系或其周圍的星系都小，質(zhì)量只有后兩者的千分之一左右。科學(xué)家推測(cè)，雖然這些星系如此小，但比起銀河系周圍來(lái)說(shuō)，宇宙初期的星系密度高，引起很多碰撞。事實(shí)上，即使從地球上觀測(cè)，也能捕捉到兩個(gè)或更多個(gè)星系一度碰撞的跡象。
即便星系發(fā)生碰撞，兩個(gè)相撞星系中的哪怕一對(duì)恒星也幾乎不可能相撞。這一點(diǎn)也許難以理解。隨著兩個(gè)星系互相趨近，引力作用發(fā)生變化，星系也發(fā)生形變，其結(jié)果是包含幾十億顆恒星的旋臂從星系中被拽出來(lái)，而且這些恒星被送入完全不同的軌道。這種碰撞過(guò)程持續(xù)數(shù)億年，最終結(jié)果取決于兩個(gè)星系的大小以及它們的運(yùn)動(dòng)路徑。如果小星系與大星系發(fā)生碰撞，小的通常會(huì)被吞噬，而大的則沒(méi)有明顯變化。要是兩個(gè)星系的大小差不多，其中一個(gè)是橢圓星系，另一個(gè)是旋渦星系，那么，一旦它們發(fā)生正面碰撞，旋渦星系就會(huì)變成一種罕見的“環(huán)狀星系”。而如果碰撞是偏心的，那么這兩個(gè)星系就會(huì)被它們相互間的引力場(chǎng)完全撕碎，最終結(jié)果也許只是一個(gè)新的星系或者這兩個(gè)星系都繼續(xù)在各自的路徑上運(yùn)行，但它們改變后的形狀與碰撞前的大不一樣。
宇宙邊際
我們終于來(lái)到距太陽(yáng)100多億光年的“昴宿星團(tuán)深空”。這是一個(gè)離奇之地，在這里我們能看到宇宙剛誕生數(shù)億年時(shí)的模樣，并目睹眼前剛誕生的星系正在進(jìn)行的碰撞。
剛誕生的星系是由氫、氦、鋰等輕元素構(gòu)成的氣體團(tuán)塊，與我們此前看到的閃爍美麗光芒的星系很不一樣。在氣體團(tuán)塊中，一些恒星正在誕生。剛誕生的恒星經(jīng)過(guò)1000萬(wàn)年又迎來(lái)死亡，所以我們也可看到超新星爆發(fā)場(chǎng)景。
剛誕生不久時(shí)（數(shù)億年左右），宇宙中彌漫著幾乎均質(zhì)的氣體。數(shù)億歲時(shí)，宇宙中部分氣體的密度產(chǎn)生差異，開始構(gòu)成團(tuán)塊，這就是星系的雛形。這時(shí)的宇宙僅有目前的1/20～1/10左右的大小。
科學(xué)家推測(cè)，剛誕生的星系比現(xiàn)在更互相接近，總是在不斷碰撞、融合。在反復(fù)碰撞、融合中，星系漸漸變大，構(gòu)成旋渦狀或橢圓形等形狀的星系。星系剛誕生時(shí)，只有氫、氦、鋰之類的輕元素。經(jīng)過(guò)從這些元素中誕生的恒星的生死輪回，通過(guò)核聚變，接連不斷地制造重元素。如果要對(duì)地球上各種物質(zhì)（包括人類自身在內(nèi)）尋根問(wèn)源的話，它們都是在恒星誕生與死亡的過(guò)程中，由宇宙某處制造的“星屑”一點(diǎn)一點(diǎn)構(gòu)成的。
另一方面，科學(xué)家在尋覓伽瑪射線暴的起源時(shí)，發(fā)現(xiàn)宇宙邊界不僅是星系誕生地，而且也是黑洞誕生地。
我們的旅行最終到達(dá)100億光年以外的地方。正當(dāng)感受到宇宙的雄偉時(shí)，我們的旅程也宣告結(jié)束。
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