第1章 科学(1)

宇宙岛：远在天边的世界

文/赵洋

整整九十年前，1924年2月的第一个星期，美国天文学家哈勃给仙女座星云里的一颗亮星拍摄了一系列照片。照片显示这颗星的光度在迅速增大，这是一颗造父变星。哈勃计算出这颗星及其所在的星云距离地球达90万光年，远超过银河系的直径。仙女座星云其实是银河系外巨大的天体系统——河外星系。人类对宇宙大小的认识再次被拓宽了。

宇宙岛猜想

哈勃的发现，给持续多年的关于旋涡星云是银河系内天体还是银河系外的“宇宙岛”的争论画上了一个圆满的句号。所谓“宇宙岛”，就是将宇宙视为大海，银河系和其他类似天体系统则视为大海中的岛屿。16世纪末，意大利思想家布鲁诺推测恒星都是距我们极其遥远的太阳，进而提出关于恒星世界结构的猜想。18世纪，人们在夜晚的天空中发现了边缘模糊的天体，最初称为星云。旋涡星云成为最早的研究对象。赖特和康德曾提出，旋涡星云可能是同我们银河系—样的恒星系统。

“宇宙岛”这个名词最早出现在德国博物学家洪堡1850年出版的著作《宇宙》第三卷中。因为它形象地表达了星系在宇宙中的分布状况，后来被世人广泛采用。“恒星宇宙”和“恒星岛”等名称都是“宇宙岛”的同义语。宇宙岛假说的渊源则更早。1755年，德国哲学家康德在《自然通史和天体论》一书中发展了赖特的思想，明确提出“广大无边的宇宙”之中有“数星无限的世界和星系”。这一思想就是著名的“宇宙岛假说”。这个认识与今人对宇宙的认识十分接近。但当时人们把河内星云（即银河内星云）和河外星云（即河外星系）都当做星系，而且对银河系本身的大小和形状也缺乏正确的认识，因此，宇宙岛假说在随后的170年时间里几经沉浮，并未获得天文学家的公认。

宇宙岛大论争

20世纪初，美国著名天文学家沙普利通过研究球状星团，对银河系结构和尺度的推算做出了重大突破。但他一直反对“宇宙岛”的说法，认为这些旋涡星云应该是银河系内的气体星云。而以柯蒂斯为代表另一派天文学家则不同意沙普利的看法。柯蒂斯的证据，是他发现有些星云里的新星极其暗弱，说明距离十分遥远，不像是银河系内的天体。他的另一个证据是，在仙女座星云中发现的新星数皇比银河系其他部分新星的总和还要多。他质疑道：“为何在这个小范围的部分区域中，新星会比银河系其他的部分更多？”由此，他推断仙女座星云是一个独立的星系。

为了解决这两种在宇宙尺度上的矛盾说法，1920年4月，美国国家科学院在华盛顿召开了“宇宙的尺度”辩论会。会上，沙普利和柯蒂斯两人就银河系的大小和旋涡星云与银河系的位置关系展开了论战。这就是天文学史上有名的“沙普利—柯蒂斯大论争”。二人分别就各自的观点进行了半个小时的阐述。由于柯蒂斯的口才更好，当时多数人认为他在这场争论中略占上风，但辩论的双方都无法彻底说服对方。

律师转行，一锤定音

为“沙普利—柯蒂斯大论争”下达“终审判决”的是一个从法律专业转行天文的年轻人，他叫埃德温·哈勃。哈勃1889年出生于密苏里州，他擅长体育，少年时曾刷新该州跳高纪录。在芝加哥大学读本科期间，哈勃受天文学家海耳启发，开始对天文学产生兴趣。后来他到牛津大学攻读法律硕士学位，之后开业当了律师。但星空总在召唤着他，一年后，他就投奔叶凯士天文台攻读天文学博士学位。毕业后，他进入海耳创建的威尔逊山天文台，致力于旋涡星云的观测与研究。

早期的小型望远镜拍摄出的星云照片模糊不清，难以从中分辨出细节，而大口径望远镜则可以做到这一点。威尔逊山天文台有当时世界上最大口径的2.54米反射望远镜。1923~1924年，哈勃用这台望远镜拍摄了仙女座大星云和三角座旋涡星云的照片，并从这些星云暗淡的边缘解析出一颗颗独立的恒星。哈勃发现，这些恒星有不少都是造父变星。通过分析这些造父变星的亮度变化，哈勃根据周光关系（指造父变星具有的光变周期和绝对星等之间的关系），确定这些造父变星和它们所在的星云距离地球大约九十万光年，远超银河系的直径，因此断定它们一定位于银河系外。

1924年底，美国天文学会会议正式公布了哈勃的这一发现。虽然哈勃本人并未出席这次会议，但当他的论文被宣读完毕，在场的所有天文学家都意识到沙普利和柯蒂斯关于“宇宙岛”的争论就此可以终结了。

1925年，哈勃又用造父变星测距法测定了人马座星云NGC6822与我们的距离，证实该旋涡星云其实也是一个河外星系。多年来，天文学家们关于旋涡星云是近距天体还是银河系之外的宇宙岛的争论彻底结束，人类认识的宇宙的尺度从一个宇宙岛（银河系）一下子扩大到无数个宇宙岛（河外星系），从而揭开了探索宇宙结构的新篇章。

鉴于哈勃为20世纪天文学的进步做出的巨大贡献，他被世人尊为一代天文宗师。在他丰硕的成果中，有两项最为重要的贡献：一是确认星系是与银河系相当的恒星系统，开创了星系天文学，建立了大尺度宇宙结构的新概念；二是发现星系的红移—距离关系，催生了现代宇宙学。为了纪念这位伟大的天文学家，人类第一台太空望远镜就以哈勃的名字命名。

星系动物园

人们常说“天上的星星数不清”。其实，作为恒星的集合系统，星系的数量也是个庞大的天文数字。在哈勃太空望远镜拍摄的一张视场仅相当于月球直径三分之一的深空照片里，竟然可以分辨出1500个河外星系。在可以观测到的宇宙中，星系的总数可能超过两千亿（二乘十的十一次方）个。这么多的星系，形状当然是各有千秋。1926年，哈勃在分析大量星系形态的基础上，提出了后来被称为“哈勃分类”的星系分类法，并一直沿用至今。具体内容如下：

椭圆形系：外形呈圆球形或棚球形，中心区最亮，边缘渐暗。同一类型的河外星系，质量差别很大，有巨型和矮型之分，其中以椭圆星系的质星差别最大。质量最小的矮椭圆星系和银河系内的球状星团相当，而质量最大的超巨型椭圆星系则可能是宇宙中最大的恒星系统，质量约为太阳的干万倍到百万亿倍。

已知最大的单一星系室女A星系（M87或NGC4486）就是椭圆星系。估计在M87核心10万光年的范围内，聚集的物质质量相当于2.6万亿个太阳。该星系中心的超大质量黑洞相当于30亿至64亿个太阳质量，在黑洞中也属于巨无霸。

旋涡星系：1845年，英国天文学家罗斯观测猎犬座M51星云时发现它具有旋涡形状，这是人类最早发现的旋涡星系。旋涡星系的中心区像一块凸透镜，周围围绕着扁平的圆盘。从隆起的核球两端延伸出若干条螺线形的旋臂。旋涡星系可以分正常旋涡星系和棒旋星系两种，银河系就是一个棒旋星系；著名的仙女座星系则是正常旋涡星系。