主题：【原创】大约二三年前写的一组天文科普 -- 小木

　　1978年，天文学家在观测中发现了一个奇异的天体，它在牛郎星附近，是银河系的一员，离地球大约1万1千光年。其实，这个天体在50年前就被人们发现过，不过当时人们只把当它当作一颗普通的恒星。后来，它被编入由斯蒂芬森和桑杜列克两人合编的星表，因为他俩的姓的头一个字母都是S，这个天体在星表中排在第433号，所以称为SS433。

　　SS433所以成为一个谜，是因为人们在观察它的光谱时发现，其中的氢的谱线，既有许多具有很大红移，也有许多具有很大蓝移，还有很多没有明显的红移或蓝移。一般来讲，引起谱线移动的原因是天体运动。红移意味着天体离我们远去，蓝移显示天体向我们飞来。SS433的光谱表明，它的一部分物质正以每秒3万千米的速度向我们飞来，而另一部分物质却以每秒5万千米的速度离我们而去。同一个天体向两个相反方向运动，这是普通恒星不可能有的现象；而且作为一颗银河系内的天体，它的运动速度也快得不可思议。因此，SS433的出现，使科学家们大惑不解。

　　天文学家通过进一步观测发现，它的红移和蓝移都在发生周期性的变化，也就是红移和蓝移同时慢慢变大然后慢慢变小，每164天一个循环。而且，它和一个一直在发射X射线的超新星遗迹在同一个位置，应该是同一个天体。天文学家还注意到，SS433在不断地变亮，在1929年被记录之后亮度已经提高了好几个星等。

　　SS433到底是什么，人们做出了很多猜测。其中一个比较好的解释是，SS433是一个双星系统，系统中有一颗普通恒星和一个黑洞，它们在不断的绕着对方运动。恒星被黑洞的强大引力撕裂，恒星上的物质不断被黑洞的引力拉走，其中一部分落入黑洞，另一部分在黑洞的作用下以极高的速度向两个相反的方向喷出。这样就解释了为什么它的一部分物质离我们而去，而另一部分物质向我们飞来。

　　这个解释虽然能很好的解释SS433的奇特行为，但是这个解释又带来了很多其他的问题，例如，它是怎样形成的？为什么有类似行为的天体非常罕见？为什么它喷出的物质的速度比理论预测值小很多？SS433上面，就像宇宙中的其它地方一样，仍然充满着无数的谜。

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　　星系，是构成我们的宇宙的基本单元。星系的起源问题，直接涉及到宇宙的起源和演化，是当代天文学研究中的一个重要的课题。不过，从人们认识到星系的存在到现在不过一百年，我们对星系起源的了解还浅得很。

　　对于星系的起源，天文学界众说纷纭，莫衷一是。较为流行的一种假说是建立在宇宙起源的大爆炸假说上的，这个假说认为，在宇宙最初的大爆炸中，因为某种原因，宇宙中的物质分布并不均匀。这些分布不均的物质形成原始星系，然后逐渐演化成成熟的星系。不过，对于这些分布不均的物质，有一些人认为是像气体云一样弥漫的物质，而另一些人认为是密度极高的物质团。对于这些物质是怎么变成星系的，也有几种假说，影响比较大的有一种叫做引力不稳定说，还有一种叫做宇宙湍流说。

　　引力不稳定说认为，早期宇宙中，随着时间的流逝，在万有引力的作用下，物质分布的不均匀性进一步扩大，形成了一个个分开的气体云。而这些气体云的总质量只要大于某个值，就会发生自发的收缩，从而形成原始星系。

　　而宇宙湍流说认为，宇宙大爆炸的能量会引起宇宙中物质的流动。这样的流动就像水的流动一样，会形成漩涡。漩涡会把物质聚集起来，从而形成了密度比宇宙中其它地区物质密度更大的团块，而这些团块通过引力的作用会收缩成原始星系。

　　此外，还有很多其它的假说。例如，正反物质湮灭说认为，星系源自宇宙形成早期存在的近似等量的正反物质的湮灭；超密说认为星系是由大爆炸产生的碎片，也就是密度极高的星系核抛出的物质产生的；而延迟核假说认为星系的形成是因为大爆炸后宇宙“原始火球”的各部分的膨胀速度不同。

　　这些不同的假说，各有各的道理，也各有各的缺陷和漏洞。这就说明了天文学家对星系起源问题的研究还处在初级阶段，不但拿不出一个较为完整和成熟的能让大家都接受的理论，甚至连一些最基本的问题都说不清楚，像星系形成前的宇宙是什么样子，可能在早期宇宙中扮演重要角色的暗物质到底是什么等等。毕竟，要了解在广袤的宇宙中百亿年前发生的故事，我们还有很长的路要走。

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　　同星系的起源一样，星系的演化也是一个令天文学家困惑的难题。

　　宇宙中的星系有三种基本形态，分别是旋涡星系，椭圆星系和不规则星系。最早，在上世纪二十年代，美国天文学家哈勃根据他提出的星系分类方式总结出，星系是从椭圆星系开始，经过旋涡星系，最后演化成不规则星系的。到了四十年代，又有人提出，星系应该是从不规则星系开始，逐渐形成旋涡星系，然后失去旋臂变成椭圆星系的。

　　后来，进一步的观测使天文学家意识到，星系的分类和演化是两回事，椭圆星系和旋涡星系的特性相差太大，必然是经由不同的演化途径形成的。于是就有人提出，星系具有不同的形态，是由形成星系的原料的质量等特征决定的。

　　为了细致研究这个问题，必须观测离我们非常远的星系。因为这些星系离我们非常远，我们所看到的它们的光，都是几十亿年上百亿年前发出的，也就是说，我们要观测这些处在演化早期阶段的星系。到了上个世纪九十年代，随着以哈勃空间望远镜为代表的一批最先进的天文仪器的出现，天文学家终于有了足够的资料来研究这个问题了。

　　根据观测资料，天文学家们总结出了一些描述星系演化的理论。不过，这些理论往往过于高深和难以理解，而且有很多漏洞。大体上讲，比较流行的理论认为，在宇宙形成的初期，物质因为某些原因聚集在一起，并在引力的作用下收缩成为不断围绕中心自转的原始星系，原始星系的中心可能会形成一个黑洞。早期宇宙中物质的密度很大，存在大量的星系间的碰撞与融合。大多数原始星系互相碰撞，经过一个剧烈的融合过程而形成椭圆星系。这个融合过程可能包括黑洞相撞而导致的强烈爆炸。有一部分原始星系没有遭到碰撞，从而独立的发展为旋涡星系。而碰撞产生的星系碎片可能就是不规则星系的起源。

　　关于星系演化的理论，远远算不上成熟。在这个领域中，新的发现和对现有理论的修正几乎每个月都在发生。甚至可能有一天，新的发现会彻底推翻现有的理论，而建立一套完全不同的新理论——这正是科学研究中最激动人心的事情啊！

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　　在我们观测到的星系中，大概有三分之一是旋涡星系。旋涡星系都有几条美丽动人的长臂，也就是旋臂，旋臂上拥挤着密集的星星和气体尘埃。不过，旋臂到底是什么，又是怎么产生的呢？

　　最早，人们认为旋臂是物质臂，也就是实实在在存在的臂。星系磁场在维系臂的存在。可是因为在引力作用下，星系应该是一个扁圆盘，不可能形成旋涡结构。即使暂时出现旋臂，在星系自转过程中，由于靠里面的恒星转动得快，外面的转动得慢，星系形成不久，旋臂就会缠紧。可是从银河系诞生到现在，太阳已经围绕银河中心旋转了几十圈，却没有发现旋臂缠紧。这到底是为什么呢？

　　于是，科学家提出了密度波理论。密度波是一种形象的比喻。假设有一段马路正在翻修，路面上只留了一条窄小的通道，那么这个地方就会显得非常拥挤，如果从天空中鸟瞰，好像看到这里一天到晚挤满了车辆，可实际上造成堵车的车辆在不断地变化。在星系中，旋臂就好像翻修的路段。当星系中的物质通过这里时，都减慢了速度。因此，旋臂中就聚集了大量的气体云和尘埃，而显得拥挤。拥挤的气体云很容易互相碰撞，而碰撞会导致气体云的坍缩，从而形成恒星。这样新诞生的恒星是质量很大的亮星。它们发出大量的光和热，还有紫外线等其它辐射。这些辐射点亮了周围的气体云，使气体云发出可见光。这些光线很容易穿过星际空间从而被我们看到。而这种明亮的大质量恒星的寿命都很短，在它们离开旋臂之前就走到了生命的尽头，而不能“活着”进入旋臂之间的区域。而寿命足够长的恒星，例如太阳，比那些大质量恒星暗得多，从而不容易被观测到，所以旋臂间的区域就是暗的了。这样，远远看去，星系就呈现出旋涡状的结构。可是事实上，旋臂中的恒星是不断地运动、更替的。旋臂之间的恒星，其实也一点不比旋臂上的少。

　　密度波理论被天文学家们认为是现有对旋涡星系旋臂形成的最好解释。不过，它还没有被证明是完全正确的，也不能解决旋臂存在的所有问题。例如，这个“交通堵塞”是怎么出现的？密度波之所以能维持几十亿年，是什么在给它提供能量？这些问题说明，密度波理论还是一个有待完善的理论。

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　　1960年，美国天文学家桑德奇在观测一个叫3C48的天体时，发现它的光谱中有很奇怪的谱线，与以前人类观测过的天体有很大不同。后来，又有几个天体的光谱被发现有类似的特征。1963年，荷兰天文学家施密特发现，这些奇怪的谱线，其实是有很大红移的氢的谱线。这几颗奇怪的天体的红移是如此的大，以至于天文学家花了三年的时间才认识到它们的奇怪光谱是由红移引起的。在望远镜中，它们看上去都是与普通恒星没什么区别的小点，而它们的光谱特征和恒星完全不同，而且都发出很强的从可见光到X射线的各种辐射。因此，天文学家把这些天体叫做“类星体”，就是类似恒星的天体。现在已经发现的类星体已经有几十万个了。

　　我们已经讲过，谱线的移动一般是由天体运动所引起的，红移意味着天体正在离我们远去。类星体的巨大红移，说明了它们正以极高的速度离我们远去。例如，现在已经发现的红移最大的类星体，我们可以算出它正以0.9倍光速的可怕速度飞奔。根据哈勃定律，距离我们越远的星系离开我们的速度越快。因此，一般认为，类星体都是离我们很远很远的天体。

　　观测发现，有的类星体可以在几天到几周之内有显著的光度变化。这种变化很大，因此只能是天体的整体变化引起的。因为任何变化在天体内部的传播速度不可能快于光速，因此这些类星体的大小最多只有几“光日”到几“光周”，大的也不过几光年，比星系小得多。而类星体的亮度看上去却像一个银河系内的普通恒星。因为它们离我们非常远，要达到这个亮度，它们必须有非常大的能量，甚至要比银河系还亮几万倍。这些比星系小得多的类星体，为什么会有如此巨大的能量？这个问题让天文学家们头痛了很多年。

少数天文学家认为，其实类星体离我们并没有这么远，它们的巨大红移是由别的因素导致的，因此它们其实并不具备特别大的能量。但是这个想法的漏洞太多，所以大多数天文学家还是认为，类星体确实离我们很远，也确实具备巨大的能量，并提出了很多假说来说明类星体的本质。在这些假说中，有一个逐渐被天文学界所接受。这个假说认为，类星体就是在剧烈活动的星系核。

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　　除了少数不规则星系之外，大多数星系都具有一个密度很大的恒星状的核心，就是星系核。早在1943年，美国天文学家塞弗特就注意到，一些星系的星系核正处在剧烈的活动和变化中。后来，这类星系被分成几类，主要有塞弗特星系、耀变体、蝎虎座BL型天体等。上面讲过的类星体也被归入了这类星系中。

　　这些活动星系的星系核除了都具备特别巨大的能量，能发出很强的光和其它辐射之外，还有几个共同特点，例如以很高的速度向外膨胀、辐射强度高速变化、向外高速喷射物质等。天文学家很快认识到，不同类型的活动星系，本质是一样的，它们的不同只是因为活动的程度和所处的演化位置不同。

　　科学家对这些活动星系的星系核的能量来源，提出了很多假说，包括大量超新星爆发、恒星之间的碰撞、高速旋转的巨大中子星、不断喷出物质的白洞等等。现在为多数人所接受的假说认为，星系核的剧烈活动，是由星系核中的巨大黑洞所引起的。

　　这个假说之所以能够被多数人接受，是因为它在对类星体的研究中得到了证实。上面已经讲过，类星体离我们非常远，也就是说，我们看到的类星体，其实是它们几十亿年前的模样。对类星体的观测说明，它们的辐射有的有一个发射点，有的有两个。有一个发射点的类星体，可能是一个独立的星系，而有两个的，可能是两个星系正在碰撞和融合。不管是单个的星系还是碰撞中的星系，它们核心的黑洞的碰撞或与周围物质的相互作用，都会在星系演化早期的某一个阶段引发大爆炸。这种大爆炸的细节，我们了解得还很少，但是我们已经大体知道，这个爆炸会延续较长的时间，并且会非常剧烈，足以解释类星体的能量来源。这个过程被一些天文学家称作星系演化中的类星体阶段。几类不同的活动星系，其实是处在这个过程中不同阶段的具有不同质量的星系。在这个大爆炸之后，星系将会演化为正常的旋涡星系或椭圆星系。

　　这个假说已经初步表明了活动星系的星系核的奥秘。不过，天文学家们发现，没有处在类星体阶段的星系，星系核也会发生激烈的活动，例如我们的银河系核心，很可能在1000万年前发生过一次很大的爆发。这类正常星系核激烈活动的原理，至今还是一个谜。

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　　宇宙的未来将是什么样子呢？这个问题人们已经思考了很多年，至今还没有谁能确切地回答出来。但是，根据我们现有的物理学知识和天文观测资料，科学家可以大体描述出未来宇宙的几种可能的发展方向。

　　在宇宙诞生的大爆炸理论的基础上，根据传统的物理学理论，科学家认为宇宙的未来取决于宇宙的质量。如果质量足够大，宇宙的膨胀速度就会慢慢变慢，然后停止膨胀并开始收缩，最后回到大爆炸的原始原子，并可能再来一次大爆炸。不过，因为观测显示宇宙中并没有足够的质量，也就是宇宙的质量不够大，所以宇宙的膨胀速度会逐渐减慢，但永远不会停止。宇宙将永远膨胀下去，慢慢变暗，最后只剩下全黑的以基本粒子组成的极其稀薄的云。

　　当这个理论看上去已经很完善了的时候，一个新的发现迫使科学家们否定了它。这个发现就是宇宙在加速膨胀。是什么让宇宙加速膨胀，而不是在引力的作用下减速膨胀呢？科学家现在对这种力量几乎是一无所知，他们把这种力量叫做“暗能量”。考虑到暗能量的影响，物理学家能提出的宇宙可能的发展方向主要有三种。

　　第一种被称作大坍塌。一些科学家认为暗能量可能会渐渐变弱并在某个时期变成负的，从而制止宇宙的膨胀，让宇宙开始收缩，最后回到大爆炸的原始原子。

　　第二种被称作大撕裂。另一些科学家认为，暗能量可能在逐渐变强。这意味着它会在某一天撕裂整个宇宙中的一切，那时包括星系、恒星、行星、分子、原子乃至一切基本粒子都会被暗能量撕碎。其后的可能发展，现代物理学已经无法描述了。

　　除了以上两种，还有科学家认为，暗能量可能是恒定不变的。这样，宇宙会像本来科学家们认为的那样，慢慢陷入黑暗。这样的最终结局是宇宙中只剩下基本粒子，而且每一个粒子都不再有与其他粒子发生相互作用的机会。

当然，现在所有的可能性都只适用于我们可见的宇宙范围。而且，所有的宇宙结局都只可能发生在很多年以后，这个“很多年”是多少年呢？最少也是250亿年。所以，以后宇宙的结局是什么样的，其实跟我们没有什么直接的关系。我们之所以要去思考它研究它，是因为人类探索未知世界的愿望是无穷的啊！

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再坍塌－－再爆炸这样比较合理，生生死死永远没有尽头。嘿嘿，瞎说一气。送花！

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宇宙年龄130亿年左右。

hubble只能看可见光和近红外，目前所见不过红移7以内，哪有“距离地球260亿光年的天体”？

不过天文已经成为大科学，也已经相对成熟，你提到的这些确实困扰过人们，有些现在还没得到共识，但大多数都有了很合理的解释，或者竞争的一些解释。