宇宙什么样？

　　宇宙是开放型还是封闭型研究宇宙，包括宇宙空间及其中所有星系。天 文学家及物理学家依据数理化方程式加以说明。数、理、化是对的，但发展 时间很短，而且是在地球星上研究的，不可能解释宇宙中一切现象。宇宙是 由它自己形成的，并不依据现今的数理化方程式去创造自身。因此，我们不 妨撇开那些方程式，先求认识围绕我们的大环境。 本书任务就是帮助读者去认识那些可以影响人类生活的大环境。如果有 人问，这个宇宙是开放的？还是封闭的？恐怕是无人知晓。 宇宙空间是否有边？从前面章节中已得到解答，那就是：宇宙是无边的， 因此，无边的宇宙就是“开放的宇宙”（open universe）。如果宇宙空间有 边，就成为“封闭的宇宙”（closed universe）。那末有人又会问，封闭的 宇宙以外是什么宇宙？我只好回答是“反宇宙”，性质与宇宙相反，而且把 这座封闭的宇宙完全包围起来。但这仅是不可思议的假说，应该放弃。我重 视的开放型宇宙，就是下起地球星中心，上达天球视面的大环境。这个大环 境是真实的，而且我们就在这个大环境以内生活。 晴夜望空，满天星斗。密密麻麻的星，不碰不撞，互相尊重。银河星系 内生态系统同地面上生态系统完全不一样。地面上动物捕、捉、追、杀、吃、 吞（例如大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃浮游生物）。陆上的风吹扬尘埃 及水汽，河流搬运沙土，浪蚀海岸，雨水刮地皮。我夜间观星，从未见过大 星吃小星。
　　银河以内的恒星，银河以外的星系都能相安无事，必有一种不可 知的力量使它们安然相处。谁在控制这些星系？ 星系的分类宇宙内已被发现的星系约有许多亿个，据估计距离我们约 50 ×100 亿光年。我们只能对那些最靠近我们地球星的星系进行构造研究。我 们居住的星系是银河星系（Galaxy）。接近银河星系的星系约 30 座，叫做“本 星系群”（local group of galaxies）。以银河星系为中心，以 200 万光年 为半径，在这空域内一切星系都属于“本星系群”，除银河星系外，尚有大、 小麦哲伦云及仙女星系。后者有 7 个伴星系，其中最大的伴星是 M33。银河 阻隔我们的视线，银河的后方可能有许多星系被遮蔽。以上所述，全是望远 镜里可以望见的星系。另有一种是射电星系（radio galaxy），可以射出无 线电波，但望不见它的形象。 星系周围的 10 多个星系间相互有引力作用，可以叫做“星系团”。如果 把范围再扩大，许多个星系团可成为一个超星系团（super-cluster），半径 可超过 100 亿光年。 单独星系的形象有许多类，简单地说有两大类：（A）巨椭圆星系（giant ellipticals），直径长达 40 亿万光年，质量大于太阳 10 万亿倍；（B）矮 椭圆星系（dwarf ellipticals），直径长 6000 光年，质量只有几百万个太 阳大。 美国天文学家哈勃根据基本结构将我们附近的星系分为三类：椭圆星 系、旋涡星系、不规则星系。椭圆星系形状可从圆球形变到椭球形，自转越 快，椭球体拉得越长。椭圆星系用其英文首字 E 表示，后面加上表示椭率级 别的数字。例如把轮廓是圆形的作为椭圆星系基本型，叫做 EO，O 代表椭圆 起始，即由圆形图象开始。椭率最高为 7，E7 是长椭圆型，介于 EO 与 E7 之 间尚有一些过渡型。EO 型的星系可以 NGC3379 为代表。M32（NGC221）属 E2 型，另一个伴星系 M59（NGC4621）属 E5 型，NGC3115 属 E7 型。 旋涡星系具有旋转核心并从核心螺旋地伸出旋臂。根据核心和旋臂展开 程度分为标准旋涡星系和棒旋星系。哈勃把旋臂由核部伸出，轮廓是圆形而 又具有旋涡状的作为旋涡星系基本型，叫做 So 型。S 为旋涡星系英文首字， o 代表旋涡起始时状态，即旋臂环绕使星系为圆形图象。So 可有两个演化的 方向。第一，核部为圆形，演化为 Sa（旋臂紧紧环绕核部或浑圆型）、Sb（旋 涡式星系，例如我们的银河星系）、Sc（旋臂更开放、更长，环绕其核部较 松弛）等型。第二，核部有棒，分向左右两方，棒的末端才伸展旋臂，演化 为 SBa、SBb、SBc 等型。这第二种就称为棒旋星系。棒旋星系是指核心由许 多恒星组成的棒状结构的星系。其特点是棒旋星系的棒体和核部连成一体旋 转。 上文所说的 So 型与 EO 型，都是浑圆的大星。前者边缘处绝无环绕的星 气，后者则有星气环绕。因此二者各自成为一类。EO 是椭圆星系类型的起点； SO 是旋涡星系类型的起点。 此外，尚有不规则星系，这类星系没有中央核、旋臂，没有对称平面， 没有固定形状。例如大麦哲伦云星系、小麦哲伦云星系。前者轮廓是一个长 矩形，显示尚未演化成为棒形，可列入原始型棒旋星系，因为有人看出它有 短棒。另外一星系，编号是 M82，形状类似大蝙蝠，事实上是远空一类新星 大爆炸后的形象。
　　银河星系是无数星系内的一个微小成员读者不要忘记，我们大家就住在 宇宙中的银河星系内。我们的“宇宙籍贯”应该是“银河系内地星人”。银 河系内有多少颗恒星？通常说有 1 亿。我认为太少。我估计可能有 1 万亿， 这比通常多了 1 万倍。我的方法很简单。前文说银盘直径长 10 万光年，厚约 两千光年，它的体积该有约 16 万亿立方光年。假定每 1 立方光年内有 1 颗恒 星，就应该有约 16 万亿颗。我现今估计只有 1 万亿颗，即平均每 16 立方光 年才有 1 颗。依据专家估计，球状星团内恒星的分布平均密度为每 1 立方光 年空间之内可有 1～5 颗恒星，依此推论，整个银盘之内就可能容下 16～80 万亿恒星，这个数字似乎太大了。因此，我觉得采用 1 万亿颗比较合理些， 这不包括银盘上方及下方的星团在内。 人们所说的银河与银河星系不同。前者指银河或天河，系天球视面上银 色光带；后者包括银盘以内所有的恒星，也包括银盘上方及其下方所有的球 状星团。太阳及北斗七星属于银河星系，但不在银色光带之内。南天星座老 人星也远离银色光带。 银河光带内有些区域很亮，似乎显示恒星密集；有些区域比较黑暗，似 乎那里恒星很少，甚至没有恒星。
　　事实上，明亮的空域，不仅由于恒星密布， 尚杂有“发射星云”（emission nebula）。这星云含有电离氢，可以发射光 波。另有一种星云叫做“反射星云”（reflection nebula），它可以反射恒 星的光，自己却无辐射的能力。反射星云如果反射蓝光星的光波，通常是蓝 色。例如“七姊妹星团”或称“昴星团”（pleiades），距地球星 417 光年， 每颗恒星都是年龄不大的青年星，5 千万年前出现。星数约有 1000，大星可 以目见的只有 6 颗。这 6 颗大星全是蓝光星，光色优美。据说其中有 1 颗小 恒星，视力特佳的人才能见到。 太空内还有的星云既不能辐射，又不能反射，但可以吸收星光，这样的 星云叫做吸收星云（absorption nebula），也叫做黑暗星云（dark nebula）， 有消光作用。例如猎户座马头星云，可以消失星光，使附近黑暗，但是通过 这暗区尚可望见后方太空内大星。又例如北美洲星云 （ North AmericaNebula），编号为 NGC7000，位于天鹅座内，既有大片发射星云，轮 廓近似北美大陆，又有大片黑暗星云，掩盖发射星云的边缘，类似墨西哥湾。 当大片云气接近一颗灼热的恒星（O 型或 B 型）温度超过 10000°K 时，这大 片云气内的氢受到辐射，可以放光，这就成为发射星云。热星可以使相距 500 光年以外的云气影响。为什么不用“遮蔽”而主张用“吸收”二字？理由很 简单，试用光学望远镜，北美洲星云以东大西洋及其以西太平洋内，依旧有 星，证明并非是被遮蔽了，而仅是因光度微弱。这现象只能用“吸收”来说 明。 前方是大片黑暗星云，后方是明亮的发射星云，可以组成一幅鲜明的轮 廓。例如奥米加星云（Omega Nebula），在人马座内（Sagittarius）发射强 光，因为它附近有许多颗青年星都是蓝光星，星云由氢原子组成，放出红光， 被附近一片黑暗星云吸收，但大星的光依旧一一射出，并未全部被吃掉。又 如人马座三叶星座象似一朵鲜花，向外发射红光波，但为前方浓厚的黑暗星 云所吸收，把星云隔成三块，好似一朵有三个瓣的红花。星云的红光来自氢 的加热。 银河星系内具有高能区。用光学望远镜看银河星系是一种形象，如改用 红外线制成的影片，则具有另一种形象。至于使用射电天文镜收取射电源， 又是另一番景色。现今又有伽马线及 X 射线等仪器可探测它们的来源。这种 种射电源都是高能的空域。寻找黑洞的专家都向这些空域去探索。 天文学家怎样知道银河星系的形状晴夜望空，可以看到一条宽狭不一的 银白色亮带，那就是中国人常说的“银河”，西方人叫做“奶路”（MilkyWay）， 即银河星系。银河星系是一座旋涡星系（spiral galaxy），从侧面看似一只 扁平的凸透镜，又象一只中部微凸的圆盘。圆盘中心致密区叫做“银核” （galactic bulge）。银核内能量很高，成为“银河星系核子核”（galactic nucleurbulge）。银核半径长达 16000 光年。银河周围扁平如盘，叫做“银 盘”（galactic disk）。银盘围绕银核，半径长达 5 万光年（由银盘边到 银心）。太阳恒星的位置距银心 3 万光年，距银盘边有 2 万光年。银盘的厚 度约有 2 千光年。银盘形成较晚，其中多是青年星。银核形成较早，其中多 是老年星，星际气体及星际尘埃分布很普遍。银盘边缘并非平整，微微向下 弯曲，由于附近大、小麦哲伦星云有强大的引力。
　　银盘银晕及银冕示意图 A：银盘中部突起是银核，核内是银心。 B：环绕银盘是银晕，其中散布许多星团。 C：环绕银晕的大环是银冕，似乎银冕内有微弱的星体或中微子。 银盘周围的空间内全是球状星团组成的粒子流，叫做“银晕”（galactic halo）。银晕以外粒子流渐稀，叫做“银冕”（galactic corona），类似日 冕，在太空内形成一个大圆球，把银晕完全包围起来。银冕半径 15 万光年， 比银盘半径多两倍，比银晕多一倍。 天文学家认为银河星系为盘状，不是毫无根据的。假设把银河星系的星 都放在一个圆盘体内，或放在扁平凸透镜以内，同时把视点也放在盘里，然 后向周边看，会觉得这凸透镜玻璃体十分厚，星的分布十分拥挤；然后向上 看或向下看，又觉得这凸透镜玻璃体十分薄，星数也只是三三两两，非常稀 疏。现在如果你把视点放在地球星表面上向前方看，由于星数太多，分布太 密，投影在天球视面之上成为银色光带，即“银河”；如果向上看，北天球 星数甚少，分布又稀，如北极星及大熊星座一带为空域；如果向下看，为地 球星本体所遮蔽，南天极附近的星一个也看不见，必须到赤道以南才望得见， 但南天球星数也少。这现象显示出了“盘”的形式。以上说明，这银河星系 确具有扁平凸镜型的模式。 实际上，银河星系也不是一个完整的盘子，由核部到边缘有巨大开裂， 其间是一条一条旋臂（Spiral arm），由里向外呈顺时针方向旋涡状伸出。
　　夜间望空，带状银河并非规律，宽狭不一，弯弯曲曲，象似大河有干流及支 流一样。支流就是旋臂，例如猎户旋臂，就是由猎户座及其附近的星座共同 组成的。 宇宙空间有许多星系为旋涡状星系，例如仙女座星系 M31（编号 NGC224）、大熊座内 M81 及回普星系（编号 NGC5194）、后发座星系（编号 NGC4565）等等。 旋涡星系又称螺旋星系。单按“旋涡”与“螺旋”两词，含义完全不同。 前者指流水注入漏斗孔内而出现的旋涡，这是由外向内集中的现象；而后者 的方向则与旋涡完全相反，由中心向外发展，愈展愈大也愈远。但是，银河 星系的旋臂，不是由旋转射出来的，也不是由周围四面八方向银心方面旋涡 的集中。因此，这两个词形容银河星系的形象并未指出其运动方向，并未包 含“集中内流”或“分散外流”的意思。因此，两词在此都可使用。 荷兰天文学家已证实银河星系核子核内有两个小旋臂，各自呈直线型地 向后退。它们既不是螺旋型，也不是旋涡型。一个旋臂向太阳后退，另一个 旋臂采取相反的方向后退，都是直射式。银盘内有两个大旋臂：一个是人马 臂（Sagittarius arm），位于内侧；一个是英仙臂（Perseusarm），位于外 侧。这两条旋臂都位于太阳附近，它们各自向后退，愈退距银心愈远，致使 银河星系向宇宙空间扩展。由于星系本身有自转，旋臂外段在自转运动中较 里段落后，才形成旋涡状或螺旋状。人马臂外段有一部分由于落后太大，居 然脱离，成分支臂，叫做猎户突起或猎户臂（Orionspur 或 Orion arm）。太 阳恒星与猎户座都在这个臂内。 如果我们能升到银河星系上空向下望，这些旋涡长臂作顺时针方向。如 果把视点放在银河星系下方向上望，这些旋臂又作反时针方向。 假如有读者要问：地球星无止境地向前进，无尽期地航行，是否有奇遇？ 这很难回答。因为人类的两眼，有许多东西是看不见的。看不见时不能说没 有。不能回答，并不等于地球星将来就没有奇遇。人的视力是有限的。视力 好的人在晴夜观空，同一时间内也只能望见恒星 3000 颗。如用望远镜观察， 估计可看到银河星系内 1 千亿颗左右。然而人的视力只限于可见光，这光的 波长介于 0.4～0.7 微米；波长短于 0.4 微米的是短波，肉眼看不见；波长超 过 0.7 微米的是长波，肉眼也看不见。肉眼能看见的电磁波只占 40%，也仅 限于附近的宇宙空间，遥远的依旧望不见。天文学家可以使用 X 射线望远镜 与射电望远镜观察，以扩大探测的范围。有了新工具，可以发现新物质，可 以发现地球星是在连续前进以接触新环境，放弃旧环境，这些是不为人们所 觉察的。 康德星云假说似乎含有一点真理 1755 年德国哲学家康德发表《宇宙发展 史概论》一书，主张万有引力使星云自身的密度增加，而且能够自转，逐渐 成为灼热的太阳。太阳及太阳系内大小行星全部由原始星云产生。1796 年法 国数学家和天文学家拉普拉斯也创星云假说，说法稍有不同。他发表的《宇 宙体系论》一书中主张由一片炽热发光的星云自转而形成太阳，也形成太阳 系内各大行星。两人主张的差异是：康德认为星云微粒不是炽热的；拉普拉 斯则认为是炽热的。
　　20 世纪内新的假说甚多，但可信的较少。 20 世纪内所有的假说都不能完全解答下列现象，列举如下。 （1）各行星的轨道面同黄道面（地球星的轨道面）完全不一致，而且交 角大小不一。例如水星为 7 度 0 分 17 秒，冥王星为 17 度 7 分 56 秒，天王星 只有 0 度 46 分 27 秒。其他行星介于 1～3 度之间。如果都由太阳中分出来， 为什么会出现这么大的差异？ （2）各行星的轨道都不是真正的浑圆形，全是椭圆形的，而且偏心率 （eccentricity）彼此相差很大。偏心率最小的是金星及海王星，均小于 1%。 偏心率最大的是冥王星，超过 25%；其次是水星，超过 20%。前者距太阳最远， 后者又最近。那末为什么距离太阳最远或距离最近的都有较大的偏心率？介 于其间的偏心率反而较小，是什么原因？ （3）太阳由西向东自转，其他凡属太阳系的天体也都应该由西向东转。 为什么金星（太阳系内第二颗大行星）却由东向西自转，与太阳的自转方向 完全相反？又，木星的卫星中第九个叫做木卫九，也是由东向西进行绕木星 公转。此外，木卫八及木卫十一也是由东向西转，与木卫九同方向。又海王 星第一个卫星叫做海卫一，也是逆转的。这是为什么？ （4）太阳位于太阳系中心，应该自转很快。事实上，太阳自转一周平均 速度为 25.38 日。各行星远离太阳，应该比它慢，然而木星自转一周才 9 小 时又 50 分钟；土星自转一周才 10 小时又 13 分钟。地球星为 24 小时，只及 太阳自转时间的 1/25。这又是为什么？ （5）太阳是气态，密度很小。地球星是固态，密度特大，在九大行星中 列第一位。太阳、木星、土星及天王星都小于地球星，而且小于它的密度的 1/3。为什么接近太阳的4颗行星密度特大？又为什么远离太阳的4颗行星（冥 王星除外）密度特小？其中尤其是土星，它的密度只有太阳的 1/2，只及地 球星密度的 1/9。 （6）太阳是恒星，质量很大。为什么接近太阳的 4 颗行星（水、金、地、 火）质量都小？距太阳较远的 4 颗行星（木、土、天王、海王）质量都大。 什么原因？ （7）太阳辐射依赖原子氢及原子氦。组成水、金、地、火 4 颗行星的化 学元素是硅、镁、铁、铝等。其差异很大，为什么？ 气态的太阳恒星为什么会生下来 4 个圆圆的大石头？水、金、地、火 4 颗行星，再加上月球共 5 个大石头，同太阳恒星完全不同。这说明原始星云 假说距事实太远，很难成立。 太阳不是静止的，它不仅受银心的引力，环绕银心公转，而且它在猎户 臂内向前直进。创立星云假说的人忽视了太阳的运动，因此不切合实际。 我认为，太阳向前进，当然也是在放弃旧环境，接触新环境。这新环境 是什么？我推测，原始的太阳星云前进时撞上了一片黑暗星云，出现了巨大 变化，才造成种种行星。 太阳是壮年星，有 50 亿岁，属于星族Ⅰ。在 100 亿岁左右的恒星是老年 恒星，属于星族Ⅱ。如果年龄更高，属于星族Ⅲ，可列入死亡或接近死亡的 黑星。黑星崩解破碎，化为宇宙尘，组成黑暗星云。例如煤袋或马头星云。 据推测，当银河星系自转而又开裂，并出现猎户臂之时，银盘边缘比较松弛。 太阳恒星前身是一片炽热的发射星云，由氢原子组成，环绕银心做公转，旅 途内撞碰一片黑暗星云。两片星云各有引力。发射星云热力高，旋转快，一 方面继续自转，一方面浓缩成为恒星；后来把核部氢点燃，进入主序，成为 主序星。这就是今天所见的太阳。黑暗星云较松散，被撞以后分裂为若干碎 块，每块继续自转、公转、浓缩，各自形成一颗行星。太阳系内已发现有九 颗行星。冥王星轨道外，可能也有行星。由于体积较小，反照率又弱，高倍 望远镜也看不见。

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