星系爆炸檢視原始碼討論檢視歷史

         

星系爆炸

[1]來自 搜狗 的圖片

原子彈，氫彈爆炸時會產生巨大的能量，這是人們所共知的。而太陽每秒鐘輻射的能量據計算約為3.826×10^33爾格，這相當於「滴答」一聲，在太陽上就爆炸了九百十億顆氫彈。太陽以生存了幾十億年，這樣的爆炸也持續了幾十億年。可是在銀河系中，太陽的這點能量也是微乎其微的。有一種超新星在一個瞬間所釋放出來的能量，相當於10^18顆氫彈爆炸，是太陽能量的幾千萬倍，這更令人驚奇了。

基本介紹

在宇宙中，有着千千萬萬個象銀河系這樣的星系，星系爆炸是宇宙中規模最大的爆炸。據美國報紙報道，科學家曾從人造衛星自動記錄下來的材料中，發現了宇宙空間中一個星系的一次大爆炸，爆炸只持續了十分之一秒，但釋放出來的能量相當於太陽25萬年釋放的能量，這是有記錄以來最強大的一次大爆炸。當科學家看到記錄這次大爆炸的材料時，都驚訝得瞠目結舌，他們認為這次爆炸釋放能量的比率比太陽的能量釋放率大一千億倍，如果同樣的爆炸發生在銀河系附近，那將使地球周圍的大氣層變得灼熱，如果太陽也噴出與這次爆炸同樣數量的能量，地球就要立刻氣化。由此產生的問題：如星系內部結構是什麼樣的，巨大的能量究竟從何而來……都吸引着人們去探索。

100億或200億年前，一件了不得的事情發生了--宇宙大爆炸，炸出了我們的這個宇宙。大爆炸為什麼會發生，這對我們來說是最大的奧秘。毫無疑問，大爆炸確實發生了。現在宇宙中的一切物質和能量也許都以極高的密度——一種令人聯想到許多民族文化中關於天地萬物的種種神話的宇宙蛋——集結成完全無量綱的數學點。這並不是說把所有的物質和能量硬塞入當今宇宙較小的一隅，而是說，整個宇宙、物質和能量以及它們所充斥的空間、只占很小很小的一點體積，這就沒有多少餘地可供種種事件在其間發生了。

在那次巨大的宇宙爆炸中，宇宙開始了一種至今從未停止的膨脹過程。把宇宙爆炸描述為從外部觀察到的一種膨脹泡，這容易引起誤解。就定義而言、我們所說的外部其實什麼也不是，所以最好還是從內部來考慮它。也許可以用想象中依附於空間運動結構且向各個方向均勻膨脹的格線來表示。當空間擴展時。宇宙中的物質和能量隨之膨脹並迅速冷縮 那個過去和現在一樣充滿整個空間的宇宙火球的輻射，通過光譜——從γ射線到X射線再到紫外光，通過可見光譜的虹色，進入紅外區和射電區、現在，用射電望遠鏡可以探測到那個火球的殘骸。即從天空各處散發出來的宇宙本底輻射。在早期的宇宙中，太空是燦爛輝煌的。隨着時間的流逝，太空的結構繼續膨脹。輻射停息了。在普通可見光中。太空第一次變得黑暗起來了。就像今天這個樣子。

早期的宇宙充滿了輻射和最初由氫和氦組成的充實的物質團。這些物質團是由原始緻密火球中的基本粒子形成的。如果當時附近有人去觀察，那是幾乎什麼也看不見的。然後，少量氣囊——不均勻的小囊開始增大。巨大而輕薄的卷鬚狀氣態雲形成了。一群群發出隆隆響聲的。緩慢旋轉的物體，平穩地發着光，最後形成了含有億萬個閃光點的各種天體。宇宙中最大的可辨認的結構就這樣形成了。我們今天見到了它們，我們自己就居住在它們中一個默默無聞的角落，後來，我們把它們叫做星系。

在大爆炸發生約10億年之後，大概是因為大爆炸本身的非均勻性，宇宙中的物質形成了略微凹凸不平的塊狀分布。物質在這些塊狀結構中比在其他地方更為稠密。它們的引力把附近大量的氣體引向它們，從而增大了必將成為星系團的氫和氦的雲。後來，極小的初始的非均勻性又使得物質形成了堅固的凝塊。

當引力坍縮繼續時，因為角動量守恆，初生星系的旋轉便不斷加快。有的變平，在離心力不能抵消重力的地方，沿着自轉軸把自己壓扁。這些就變成了第一個漩渦星系，即一種在廣袤太空中快速旋轉着的輪狀物質。其他一些引力較弱或自轉初速度較小的原始星系只稍微變平，結果變成了第一批橢圓星系。因為萬有引力和角動量守恆這些簡單的自然定律在整個宇宙都一致不二，所以宇宙中有相類似的星系存在，就好像用同一個模子衝壓出來的一樣。為地球這個微觀世界中的自由落體和花樣滑冰盡力提供理論根據的物理學，造就了宇宙這個宏觀世界中的種種星系。

新生星系裡，小得多的雲塊也經歷了引力坍縮，內部溫度變得非常高，激發了熱核反應，第一批恆星也就開始運行。灼熱而巨大的年輕恆星迅速演化，像浪子一樣，毫不在意地揮霍其氫燃料資源，很快就在輝煌的超新星爆炸中結束了它們的生命，將熱核塵埃——氦、碳、氧和種種較重的元素——還原為不斷生成一代代新恆星的星際雲。大量早期恆星的超新星爆炸，在緊鄰的氣體中產生了連續重選的衝擊波，擠壓着星系間的媒介物質，從而加速星系團的形成。引力是有機必乘的，即使是很小的物質凝塊，它也會使之擴大膨脹。超新星爆炸的衝擊波也許已經以各種規模促成了物質的增大，宇宙演變的史詩已經開始，即開始了對大爆炸產生的下列氣體物質的凝縮進行分類：星系團、星系、恆星、行星，還有最終出現的生命，以及能認識一點導致生命起源奇妙過程的智慧生物——人。

今天的宇宙充滿各種星系團。其中有些只是幾十個星系毫無意義的、微不足道的集合體。被親切地稱之為「本星系群」中只包含兩個還算大的星系，即兩個漩渦星系：銀河系和M31。其他星系團則大到含有數以千計的相互吸引旋轉的巨大星系群。有線索表明，室女座星系團含有成千上萬個星系。

從宏觀上看

從宏觀着眼，我們居住在一個充滿星系的宇宙之中，這些星系是1000億個宇宙形成和衰變的優美楷模，有的井井有條，有的雜亂無章，二者都一目了然：正常的旋渦形，與我們地球視線成不同角度的旋臂（從正面我們見到的是旋臂，從側面看還可以看到貫穿旋臂中心的氣體，如塵埃所形成的暗帶）；棒旋星系，有一條氣體塵埃和恆星的河，流過中心並連接兩頭的旋臂；穩定的橢圓巨星系，包含上百萬顆恆星，因為它們已吸收或與其他星系匯合，因此變得非常大；許多矮橢圓體，星系中的矮子，每一個包含有千百萬無足輕重的太陽；許許多多各種各樣的神秘的不規則星系，表明了在星系世界中有許多已出現毛病的地方；而互繞星系如此接近，以致它們的邊緣因它們的伴星系引力作用而扭曲，還有這樣的情況，引力拉出一條條氣體和恆星的長條，成為星系間的橋樑。

有些星系團中的成員星系是按球面幾何體排列起來的，它們主要由橢圓體組成。其中又常以一個巨橢圓體（即假定的銀河野人）處於支配地位。其他那些以更無規則的幾何體排列的星系團，比較而言，擁有相當多的旋渦形和不規則形的星系。星系碰撞的結果，改變了原始球狀星系團的形狀，同時可能促進從橢圓形往旋渦形和無規則形演變的過程。星系的形態及其數量足以向我們講述一個可能是最為壯觀的有關古代事件的故事，一個我們剛開始閱讀的故事。

高速計算機的發展，使我們有可能對幾十或幾萬個集體運動點進行數值實驗，每一動點代表一顆恆星，每個星都處在其他諸點的引力作用之下。在某些情況下，在已扁化為圓盤的星系中，旋臂完全以其自身的力量而形成。偶爾也有個把旋臂是由兩個各自足足含有幾十億顆恆星的星系間的近距引力衝突而造成的。通過這種星系而瀰漫擴散開來的氣體和塵埃，會互相碰撞而變暖。但是當兩個星系碰撞時，由於一個星系主要是空虛的，而且各恆星間的空間距離又很大，所以恆星就像子彈穿過蜂群一樣。毫不費力地互相穿越。雖然如此，星系的外觀還是會發生嚴重的變形。一個星系對另一個星系的直接撞擊，能使該星系的成員恆星流入星系際空間，這樣。一個星系就瓦解了。當一個小星系在正面撞上一個較大的星系時，它能產生一個最壯麗罕見的不規則星系，一個跨度達數千光年寬的環形星系，反襯着星系際空間的天鵝絨背景。它是星系池中一種飛濺、崩裂瓦解後的恆星的一種暫時的外貌。一個被拔除了核心的星系。

不規則星系的結構不清的黑斑，漩渦星系的旋臂，以及環形星系的環面，在宇宙影中只閃現在不多的幾個鏡頭中，然後就消散了，而後往往又重新形成。我們感覺中的星系是極重的堅固天體，這其實是一種錯覺。它們是由1000億個星狀成分組成的流體結構。正如一個人。他是由100萬億個細胞組成的集合體，很有特徵地處於合成和衰變間的穩定狀態，整個人體大於其各部分的總和。星系也是這樣。

星系中的自殺率很高。強大的X射線源、紅外輻射和射電波源就是一些近例。距離約有數千萬或幾億光年遠。它們有着極度發光的核，在光亮中波動達數星期之久。有些顯示出輻射流、1000光年長的羽狀物和在混沌中的塵埃盤，這是一些正在炸毀自己的星系。在諸如NGC625和M87一類的巨形橢圓星系的核中、可能存在質量比太陽大幾百萬倍到幾億萬倍的黑洞。在M87裡面。有些從比太陽系小的區域來的質量巨大、密度極高而體積又很小的東西，像鐘錶似地在持續活動，並且嗚嗚作響。黑洞很複雜，而在數10億光年之外則是更為混雜的天體——類星體，它們可能是一些年輕星系的大爆炸，即自宇宙大爆炸本身發生以來宇宙史上最大的事件。

「Quasar」（類星體）這個詞是「quasi-stellar radio source」（類—恆星的射電源）的縮略詞。在它們並不都是強大的射電源這一事實弄清楚後、它們就被稱為QSOs（類恆星天體quasi-stellar object）了。因為它們表面像星，所以人們曾自然而然地認為它們是我們這個星系中的恆星了。但用分光儀對它們的紅移現象進行觀察表明。它們的距離可能極為遙遠。它們似乎朝氣蓬勃地參與了宇宙的膨脹，有些正以90%的光速退離我們。如果它們確實非常遙遠，那麼它們必定本身就極為明亮。才可能在那麼遠的距離外還能被看見，其中有的就像1000顆同時爆炸的超新星一樣亮，正如「天鵝座X—1」一樣，它們的迅速波動，表明它們的巨大亮度被封閉在一個很小的容積內。這樣它就小於太陽系的體積了。一定有某些巨大的活動使類星體內的能量大量外泄。對此有各種假說，其中包括（1）類星體是巨型的脈衝星、有一個與強磁場相連的迅速自轉的超大型的核；（2）類星體是由於密集於星系核心內的數百萬顆恆星多次碰撞而撕開了其外層。把巨大恆星內部高達10億度的溫度暴露在整個視野之下而出現的；（3）一個與此有關連的觀點是：類星體也是一種星系，在這種星系內，恆星如此緊密地聚集在一起，以致一個類星體內的超新星爆炸會掀掉另一個類星體的外層而使它變成一顆超新星，從而產生恆星鏈鎖反應；（4）類星體是從始至今日還多少保存於類星體內的物質和反物質相互間的激烈的湮滅中獲得動力的；（5）類星體是一種當氣體、塵埃及恆星落入該星系核中的巨大黑洞時釋放出來的能量，這個星系本身也許就是較小的黑洞長年累月的碰撞和凝聚過程的產物；（6）類星體是作為黑洞的反面的「白洞」，一種使注入宇宙其他部分甚至別的宇宙的大批黑洞中去的物質匯集和顯示的過程。 在考慮類星體時，我們遇到了許多深奧的秘密。不論類星體爆炸的原因何在，有一點似乎是很明顯的：這樣的極端猛烈的事件必定造成不可言狀的大破壞。在每次類星體爆炸過程中，都有幾百萬個世界——其中有的世界有生命和能夠理解所發生的事件的智力存在——可能被徹底毀滅。對星系的研究揭示了宇宙的秩序和宇宙之美，同樣也向我們顯示了一種至今連做夢也想象不到的劇烈的混亂。我們能生活在允許生命存在的宇宙中，這是非同尋常的；我們生活於其中的是一個毀滅星系，毀滅恆星和毀滅種種世界的宇宙，這也同樣是非同尋常的。這個宇宙對諸如我們人類這樣的微不足道的生物來說，似乎既無善意，也無惡意，只是漠不關心罷了。

甚至像銀河系那樣，看起來彬彬有禮的行星，也自有其激動起舞的時候。射電觀察表明，有兩片足以製造幾百萬個太陽的巨大氫雲從銀心驟然跌落，就好像那兒不時在發生輕度爆炸似的。一個在地球軌道上運行的高能天文台已經發現，銀心是某種獨特的γ射線譜線的巨大源泉，這完全符合那種認為在銀心隱藏着巨大黑洞的觀點。像銀河系這樣的星系也許正處於不斷演化進程中的穩重的中年；這種星系，在其激烈的青春期中包含有類星體和爆發星系，因為這些類星體距離如此遙遠，以致我們見到的只是它們的青春期，是它們幾十億年前的模樣。

銀河系的恆星運動起來優美雅致，自成流派。球狀星團衝過銀面，並從另一邊出來，此後，它們就降低速度，返身沖回。如果我們能夠尾隨一個個具體的恆星看它們在銀面上疾馳的獨特運動，就會發現它們像是一鍋炒玉米花。我們從未看見某個星系較明顯地改變其形式，這是因為這個變化過程需要很長時間。銀河每自轉一次要2．5億年。如果我們使之加速自轉，我們會見到銀河系是一個活動的、幾乎是有機的實體，有幾分像一個多細胞有機體。星的任何一張天文照片，只不過是它笨重緩慢的運動和演化過程中某一階段的一張快照而已。②星系內部區域像固體一樣自轉。但是，此外其外層地區的自轉運動逐步變慢，就跟太陽周圍的行星遵循開普勒第三定律而自轉一樣。它的旋臂有纏繞其核的趨向，並且旋渦在不斷緊縮，而氣體和塵埃則以更大密度的旋渦型式而聚積，它們又成了那年輕、熾熱和光亮的恆星的形成場所，這些恆星勾出了其旋臂外形的輪廓。這些恆星照耀1000萬年左右，只相當於銀河系自轉周期的5%。但當那些勾出了旋臂外部輪廓的恆星燃燒殆盡時，新的恆星和相聯星雲便隨後形成，而旋渦型式則持續不變。那些勾勒出旋臂外部輪廓的恆星的生命比銀河自轉一次的時間短得多，留下的只有旋渦型式。

繞銀心轉動的任何一個特定恆星的速度，通常與旋臂中恆星的速度不同。太陽一直以每秒200公里（大約每小時50萬公里）的速度繞銀河系中心旋轉，而它進出旋臂的速度則經常是前者的20倍。平均說來，太陽和它的行星在一個旋臂里要花4000萬年時間，在外面要花8000萬年時間，進去還要花4000萬年，循環往復。旋臂勾勒出最近正在形成的許多新恆星的區域，但並不一定是像太陽一樣的中年恆星所在的區域。在這個紀元，我們住在旋臂之間。

太陽系穿過旋臂的周期也許對我們具有很重要的影響。大約在1000萬年前，太陽從獵戶旋臂的谷德帶中出來。獵戶旋臂現在的距離略遠於1000光年（獵戶臂的內部是人馬座臂；而英仙座臂則在獵戶座臂之外）。當太陽穿過旋臂時，與現狀相比則更能進入氣體星雲和星際塵埃雲、並更可能遇到次星質量的天體。已經有人提出，我們行星上的主要冰川期，也許是由於太陽和地球間星際物質的介入造成的。大概每隔1億年左右重現一次。W·納皮爾和S·克拉波已經提出太陽系中的許多衛星、小行星、彗星和繞行星旋轉環，曾在星際空間自由徘徊，直到太陽衝過獵戶旋臂時，它們才被捕獲。雖然這也許不大可能。但卻是一種引人入勝的想法，也是能測定的。我們所要做的一切，就是設法得到像火星的內衛星或彗星那樣的取樣，然後檢驗其鎂同位素。相當豐富的鎂同位素，（都有相同數目的質子。但有不同數目的中子）取決於產生了鎂的任何特殊標本的恆星核聚變事件的精確結果。其中包括鄰近超新星爆炸的時限。在銀河系的不同角落，本會出現事件的不同結果，並總會出現不同比率的鎂同位素。

大爆炸的發現和星系的退行，來自一種叫做多普勒效應的常見的自然現象。對於聲物理學的多普勒效應，我們是習慣的。從我們身邊疾馳而過的汽車，當司機按響喇叭時，司機在車內聽到的是一種固定音調的平穩的嘟嘟聲；而我們在車外聽到的則是音調的特有變化。在我們聽來，喇叭聲從高頻向低頻逝去。以每小時200公里的速度行駛的一輛高速汽車，幾乎是空氣中一高一低、一高一低的連續波，波與波離得越近，音調就越高。如果一輛汽車駛離我們而去，它便拉長了聲波，在我們看來，它便使聲波降到較低聲調，產生了我們所熟悉的特有的聲音。如果汽車向我們駛來，聲波就會被壓縮，其頻率就增高，我們就會聽到一陣高音調的聲音。我們閉上眼睛也能從其音調的變化來推定汽車的速度。

多普勒效應。一個靜止的光源或聲源發射出一組圓形波。如果其源從右向左移動。波的中心便由1漸進到6。在B處的觀察者看到波拉長了，而在A處的觀察者則看到波縮短了。遠去的源被看做紅移（波長拉長）近來的源被看作藍移（波長縮短）。多普勒效應是宇宙學的關鍵。

光也是一種波。與聲音不同的是，光極易穿過真空。多普勒效應在此也起作用。如果汽車由於某種原因向前方發射出一束純黃色的光，而不是發出聲音。那麼汽車向我們逼近時，光頻就會稍微降低。在通常速度下一這種效應難以覺察。然而，如果設法使汽車以幾分之一的光速行駛，我們便能觀察到向高頻變化的光色，即當汽車逼近我們時，光色接近於藍色，當汽車退離我們時，這向低頻變化的光色就接近於紅色。我們能覺察到以非常高的速度向我們逼近的天體具有藍移的譜線色彩；以極高速度退離我們的天體則具有紅移譜線。③在遙遠星系譜線中觀察並解釋為多普勒效應的這種紅移，是宇宙學的關鍵。