书城科普宇宙的奥秘
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第5章 宇宙的奥秘(4)

1965年科学家们又发现,在整个宇宙空间中都充满着波长很短的电磁波,或者叫微波电磁辐射。大家知道,电台或电视台也发射电磁波,但电台或电视台发射出的电磁波有一个中心,发射中心就是电台或电视台的发射天线。离发射中心遥远的地方就收不到电磁波,因为电台或电视台发射电磁波的能量不管有多大总是有限的;发射出的电磁波不管能送到多远也总是有限的,到了一定的距离,电磁波就会减弱到几乎完全消失。宇宙空间的电磁辐射不但处处都有,而且没有发射中心,它还对应着一个温度——-270℃左右,这个温度在科学上叫做绝对温度3K。科学家们把在宇宙空间发现的电磁波叫做3K微波背景辐射。3K微波背景辐射的发现,可以证明宇宙过去的温度确实非常高,宇宙大爆炸就发生在那个时刻。今天在宇宙空间测到的绝对温度3K,是大爆炸后的余温。

任何爆炸的发生都会放出巨大的能量。例如,普通炸弹爆炸时放出能量,是炸弹中炸药所蕴藏的化学能;原子弹和氢弹爆炸时放出能量,是原子核裂变或聚变时放出的原子能。那么宇宙大爆炸的能量来自何方呢?是化学能吗?是原子能吗?不是。因为在宇宙大爆炸的瞬间,温度是那么高,不仅一切化学物质不会存在,一切分子不会存在,连原子也不可能存在。科学家认为,在那个时刻只有那些比原子核还小得多的粒子存在,只有各种形式的辐射存在。因此,宇宙大爆炸的能量从根本上说来自这些粒子和辐射之间相互作用的能量。目前已知的相互作用有四类:引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。科学家们推测,在宇宙大爆炸的瞬间,这四种相互作用或许是统一的,正是这种统一的相互作用为宇宙大爆炸提供了能量。

宇宙大爆炸的学说在今天还是一个发展中的学说,很多科学家还在对这一学说的细节进行修改和研究。宇宙大爆炸能量来自何方,这个谜也会随着这一学说的发展而被破译的。

宇宙何时会死亡

宇宙有没有终结的一天?宇宙将会如何终结?是“砰”的一声大爆炸,还是逐渐消亡?当地球人在无数个夜晚,悄悄地仰望灿烂夜空,对生命、对宇宙浮想联翩的时候,总会从内心深处发出这样的疑问。

根据科学家利用天文望远镜获得的最新观测结果,宇宙最终不会变成一团熊熊燃烧的烈火,而是会逐渐衰变成永恒的、冰冷的黑暗。这听起来似乎太骇人听闻了。然而地球人或许没有必要杞人忧天,因为地球人暂时还不会被宇宙“驱逐出境”。根据科学家的推测,宇宙很可能至少将目前这种适于生命存在的状态再维持1000亿年。这个庞大的数字相当于地球历史的20倍,或者,相当于智人(现代人的学名)历史的500万倍。既然它将发生在如此遥远的未来对地球人今天的生活就不会有丝毫影响。

与此同时,科学家又指出:没有什么东西是可以永远存在的。宇宙也许不会突然消失。但是,随着时间的推移,它可能会让人觉得越来越不舒服,并且最终变得不再适于生命存在。

这种情况将会在什么时候出现呢?又会以怎样的方式出现呢?这的确是一个令人沮丧的问题。但是,我们又不得不承认,对于我们这些生活在地球上的凡夫俗子来说,这些问题却有另一种冷酷的魅力。

自从20世纪20年代,天文学家哈勃发现宇宙正在膨胀以来,“大爆炸”理论一直没有摆脱被修改的命运。根据这一理论,科学家指出,宇宙的最终命运取决于两种相反力量长时间“拔河比赛”的结果:一种力量是宇宙的膨胀,在过去的100多亿年里,宇宙的扩张一直在使星系之间的距离拉大;另一种力量则是这些星系和宇宙中所有其他物质之间的万有引力,它会使宇宙扩张的速度逐渐放慢。如果万有引力足以使扩张最终停止,宇宙注定将会坍塌,最终变成一个大火球——“大崩坠”,如果万有引力不足以阻止宇宙的持续膨胀,它将最终变成一个漆黑的寒冷的世界。

显而易见,任何一种结局都在预示着生命的消亡。不过,人类的最终命运还无法确定。因为目前,人们尚不能对扩张和万有引力作出精确的估测,更不知道谁将是最后的胜利者,天文学家的观测结果仍然存在着许多不确定的因素。

这种不确定因素又是什么呢?科学家指出,这一不确定因素涉及到膨胀理论。根据这一理论宇宙始于一个像气泡一样的虚无空间,在这个空间里,最初的膨胀速度要比光速快得多。然而,在膨胀结束之后,最终推动宇宙高速膨胀的力量也许并没有完全消退。它可能仍然存在于宇宙之中,潜伏在虚无的空间里,并在冥冥中不断推动宇宙的持续扩张。为了证实这种推测,科学家又对遥远的星系中正在爆发的恒星进行了多次观察。

通过观察,他们认为这种正在发挥作用的膨胀推动力有可能确实存在。

倘若真是这样的话,决定宇宙未来命运的就不仅仅是宇宙的扩张和万有引力,还与在宇宙中久久徘徊的膨胀推动力所产生的涡轮增压作用有关,而它可以使宇宙无限扩张下去。

但是,人们最关心的或许是智慧生命本身。人类将在宇宙中扮演什么角色呢?难道人类注定要灭亡吗?人类已经在越来越快地改变着地球,操纵着自己的生存环境,也许到那时,人类将会以高度发展的智慧在宇宙中立于不败之地。谁知道呢?且让未来的地球人和地球外一切生命拭目以待吧。人类对宇宙的认识永远没有终极,认识穷尽的那天也许就是人类或宇宙毁灭的那一天。正如爱因斯坦在写给一个对世界的命运感到担忧的孩子的信中所说:“至于谈到世界末日的问题,我的意见是:等着瞧吧!”

银河系之谜

1.银河系的年龄

长期以来,天文界对银河系的年龄说法不一。有的认为只有70亿岁,有的认为有200亿岁。1983年,美国教授纳斯·詹姆士和彼雷·迪马库,使用一种新的测量技术对银河系的年龄进行了反复的计算,结银河系侧面,中央是银核果最后测定银河系的年龄接近120亿岁。发明宇宙天文钟的荷兰天文学家经测量认为,1990年宇宙年龄的上限为120亿年。

2.银河系的结构

很久以来,天文学家一直认为银河系是一个旋涡星系。但1991年,美国科学家认为银河系是棒旋星系,为此提出了种种线索。例如,银心附近的星际云的不规则运动是以一个棒为中心的。

对银河系核心附近的恒星的近红外光观测,为棒状结构发现提供了直接证据。棒略微倾斜,它的东端向南倾斜穿出银道面,如它在天空中的大角厚度所揭示的那样,那部分离地球也比较近。经贝尔实验室的科学家计算,证明棒的重力将使附近的大质量星际气体云迅速地旋进核心,其结果很可能是激烈的中心恒星爆发。在爆发中,大量的非常亮的大质量恒星形成。

在南半球观测到的辉煌的银河系中3.银河系的分子云

1982年美国科学家发现,在银河系外缘部有新的分子云。太阳系距离银河系中心大约3万光年。新近发现的分子云大约位于太阳系外侧3万至5万光年处,其主要成分是氢和一氧化碳;分子云的范围大约为3万光年。

4.银河系的中子星爆发消亡

1996年,美国天文学家在靠近银河系中心的位置发现了一个天体。该天体被认为是一颗正在消亡的“中子星”。这是X射线天文学35年来的首次发现,引起了科学家们极大的兴趣,争先恐后地投入研究,以赶在该星体消亡前获得尽可能多的数据。

该星体的直径仅16千米,但却有巨大的质量——相当于太阳的质量;有巨大的重力场——相当于地球的1亿倍。该星体的密度极高,仅一手指尖大小的物质就有1亿吨。该星体从一个比它更大的伴星上吸取气体,获得能量,其抽取气体的力量之大可把这些气体加温至1亿度,并由此引发每半秒钟一次X射线长时间的爆发。该星体的独特之处还在于在x光波长上同时具有脉冲和爆发两种现象,还存在X射线长爆发现象,一天达二十余次。有的科学家说该发现“是一个奇迹之巅的奇迹”。

5.银河系的新星诞生

1989年,日本科学家在世界上首次记录了一颗银河系新星的诞生过程。他们借助微波干涉仪完成了系列摄影,根据这些相片可以观察到作为一颗新星形成过程的初始阶段怎样向银河中部的一个点集中。研究已确定,即将从中产生恒星的气体星云直径总计为一光年;气体围绕“云雾”中心旋转的速度,边缘为一秒钟一公里,靠近中心为一秒钟三公里。

6.银河系存在巨大黑洞

天文学中“黑洞”是指演变到最后阶段的恒星,由中子星进一步收缩而形成的。黑洞有巨大的引力场,使它所发射的任务电磁波都无法向外传播,从而变成看不见的孤立天体。我们只能通过引力作用来确定它的存在,所以叫做“黑洞”,也叫“坍缩星”。

由于天河中心释放出X光和电波,所以科学界认为银河中心存在着黑洞。但是,多年来科学界一直未找到证明黑洞确实存在的证据。

在1997年8月于日本京都市举行的第23届国际天文学联系总会上,美国及德国的两个科研小组同时报告:在银河系中心的确存在巨大的黑洞,他们的研究已找到了这种证据。两个小组的研究均得出几乎相同的结果,足可使银河系中心存在巨大黑洞成为定论。

找到这种证据的是德国麦克斯普兰克研究所的研究小组,另一个是美国加利福尼亚大学的研究小组。

德国的研究小组在以往的6年间,利用智利的3.5米口径望远镜,对处于天马星座银河系中心附近的星体活动进行了详细观测。发现在从银河中心到光行进一周时间的距离内的星体正以每秒约二千米的迅猛速度绕银河中心周围旋转。从这一速度计算得出,星体旋转轨道内侧的质量约为太阳质量的250万倍。将如此巨大的质量集中于如此狭小的范围内,除了黑洞没有其他可能。

加利福尼亚大学研究小组开始观测的时间比德国的研究小组晚。他们用口径10米的望远镜,通过两年的猛追细察,准确地掌握了银河系中心附近近百个星体的运动速度。以这些速度计算出的中心质量与德国研究小组的基本相同,大约也是太阳质量的250万倍。

德国和美国的科研小组在不同的地方、利用不同的器械分别进行观测得到了相同的结论,这可以证明黑洞确实存在。

河外星系探谜

在广袤无垠、浩瀚辽阔的宇宙海洋中,肉眼所见的天体,绝大多数是银河系的成员,那么,银河系就是通常所说的宇宙吗?远远不是!在宇宙中存在着数以亿计的星系,我们的银河系只是一个普通的星系,银河系以外的星系称为河外星系,简称星系,因此,银河系并不是宇宙,它只是宇宙海洋中的一个小岛,是无限宇宙中的很小的一部分。

银河系外的M83星系,它的形状与大小和我们的银河系非常相似据天文学家估计,在银河系以外约有上千亿个河外星系,每个星系都由数万乃至数千万颗恒星组成。河外星系有的是两个结成一对,多的则几百以至几千个星系聚成一团。现在观测到的星系团已有一万多个,最远的星系团距离银河系约70亿光年。

河外星系的外形和结构多种多样。1926年,哈勃按星系的形态,把星系分为椭圆星系、旋涡星系和不规则星系三大类。后来又细分为椭圆、透镜、旋涡、棒旋和不规则星系五个类型。各类星系中,距离银河系较近的星系有麦哲伦云星系和仙女座星系。

麦哲伦云星系,包括大麦哲伦云和小麦哲伦云两个星系,它们是银河系的两个伴星,也是离银河系最近的星系,距离银河系为16万和19万光年。它们在北纬20。以南的地区升出地平面,是南大银河附近两个肉眼清晰可见的云雾状天体。大麦哲伦云星系在剑鱼座和山案座张角约6。,相当于12个月球视直径;小麦哲伦云星系在杜鹃座,张角约2。,相当于4个月球视直径。两个星系在天球上相距约20.5万光年。

麦哲伦云星系是由阿拉伯人和葡萄牙人首先发现的。1521年,葡萄牙著名航海家麦哲伦在环球航行时,第一次对它们作了精确描述,后来就以他的名字命名。1912年,美国天文学家勒维特发现小麦哲伦云的造父变星的周光关系,赫茨普龙和沙普利随即测定了小麦哲伦云的距离,成为最早确定的河外星系。

两星云之间虽存在着微弱的联系,但它们自存一个系统。大哲伦云星系从前离我们可能更近一些,大约在五亿年前,它也许恰好挨着我们的银河系,距离银心只有6.5万光年。