銀河系知多少？(中)
在歷史上，最先通過觀察來描繪銀河系結構，試圖測量其規模的人是英國天文學家威廉·赫歇耳(Wilhelm Herschel，1738～1822)。經過長期的觀察，他在1785年繪製出銀河系的結構圖。在這幅圖中，太陽系位於中間位置。赫歇耳估計，銀河系的直徑相當於7000光年(1光年相當子950億公里)，而中心的膨脹部位的直徑為1400光年。後來。隨著天文觀測儀器的進步，特別是由於射電天文望遠鏡和紅外天文望遠鏡的使用，人們才對銀河系的結構有了比較清楚的認識。
今天我們知道如果從正面俯視銀河系，它就猶如急流中的旋渦；如果從側面觀看，它就如同一個投擲中的鐵餅：銀河系主要由扁平的銀盤、中央凸出的核球和銀暈三部分組成。銀盤的直徑約10萬光年，銀盤中有幾條像風車那樣的巨大的螺旋狀結構，稱為旋臂。而我們的太陽系就位於獵戶座旋臂上。距離銀河系中心約3萬光年，差不多是在銀河系的邊緣了。銀盤中間厚，外面薄，其中間厚度約1萬光年，而到了太陽附近就只剩一半厚度了。核球中的恒星分佈相當緻密，直徑約為1.2—1.5萬光年，略呈橢圓球狀。
銀暈是彌散在銀盤周圍的一個球形區域，直徑約為10萬光年，體積至少是銀盤的50多倍，但品質卻只占銀河系的1／10，主要是由稀散的恒星和星際物質組成。有人認為，在銀暈外面還存在著一個巨大的呈球狀的射電輻射區，稱為銀冕，銀冕至少延伸到距銀河系中心32萬光年遠處。對於銀暈和銀冕的結構，目前還有很多不清楚的地方。銀河中央的橢球狀核球是恒星密集的區域，而且越靠近中心越密集。這些恒星的年齡大約為100億年，其形成年代可以追溯到銀河系本身形成的時期。
核球按照銀盤的同一方向轉動，但其中恒星的運行軌道卻是橢圓形的，軌道平面與銀河系的轉動平面相交叉。銀盤中包含各個年齡階段的恒星，它們以每秒200～250公里的速度環繞銀心運動。例如太陽位於銀河系赤道平面的一條旋臂上，距銀心約3萬光年。它帶著太陽系所有成員環繞銀心旋轉，運行一周為2.5億年，稱為一個宇宙年，地球自形成之日起已跟隨太陽繞行，旋轉了約18圈，即度過了18個宇宙年。
銀河系週邊由稀疏分佈的恒星和星際物質組成的球狀區域叫銀暈。銀暈中的主要成員是球狀星團。球狀星團由成千上萬顆、甚至幾十萬顆恒星密集組成。球狀星團的成員星是銀河系中形成最早的一批恒星，年齡大約為100億年。球狀星團以偏心率很大的巨大橢圓軌道繞著銀心運轉，軌道平面與銀盤成較大傾角，週期一般在3億年上下，天文學家認為，球狀星團曾一度充滿了整個銀河系。在銀河系剛形成時，可能有數千個球狀星團在銀河系中運行。後來許多球狀星團由於彼此碰撞，或者和銀心碰撞而消失了。
此外，天文學家曾猜想，在銀暈中可能還存在一些“暈族大品質緻密天體”(MACHO)。它們是一些非常暗淡的天體，恒密度很大。這個猜測已在不久前被證實。假設能夠一直抵達銀河系的“心臟”，那我們將會看到什麼樣的奇觀呢? 天文學家早已確信，在銀河系的中心存在一個巨大的黑洞。天文學家之所以這樣肯定，是因為他們對構成銀心的物質的密度和品質進行了詳細運算的結果。
例如在距離銀心大約1光年處的恒星和星際之間的氣體是以每秒100公里以上的速度在運轉的。為了有足夠大的引力來吸引這些高速運動的氣體和恒星，銀心中就至少要由相當於100萬個太陽的品質的物質構成。而這樣大的品質能夠聚集在銀心這樣小的空間中，只有用黑洞才能解釋。天文學家的計算表明，銀河系中心的這個黑洞的直徑大約為300萬公里。在那個區域附近，星際氣體被非常強大的引力吸引，形成了一個高速旋轉的吸積盤。吸積盤旋轉所產生的強大的電磁場將星際氣體加速到很高的運動速度，使它們噴湧而出，產生宇宙噴射現象。
另外銀心附近的恒星密度高得令人難以置信，與太陽附近的恒星密度相比，前者是後者的100萬～1000萬倍。宇宙的某個角落是否存在著其他富有智慧的生命形式?天文學家發現的間接證據增加了這種可能性：這些證據表明，銀河系中還有無數顆與地球類似的星球。 一項關於“太陽系外行星”的存在有多少可能性的調查發現，銀河系中的多數恒星都有圍繞它們旋轉的類地行星體。這些物體看起來是大量鬆散岩石的集合；但在某些情況下幾乎必然形成體積較小、類似地球的行星。
這項由多倫多大學的諾曼·默里領導的研究，對銀河系中的466顆恒星進行了抽樣調查。結果發現，這些恒星中有一半以上可能擁有自己的“地球”。據估計，僅銀河系就包括1000億顆恒星，而宇宙中又有1000億個銀河系；因此，我們附近存在著另一顆地球並非沒有可能。默里教授在美國科學促進協會於三藩市召開的年會上說：“我們推測，在太陽一類的恒星周圍，類似地球的物質十分常見。”他說：“如果其他恒星的軌道上有類似地球的物體，那麼，類似地球的生命存在的可能性就比我們發現這一證據之前增加了。這表明，生命在銀河系中可能是一種普通的東西。”
這項研究的重點是恒星的含鐵量。天文學家認為，這項指標可用於測量有多少岩石構成的物質圍繞恒星運轉，以及在那個“太陽系”中是否有這些岩石構成的行星。鐵是關鍵的研究物件，因為像地球這樣的類地行星都含有大量的鐵。比如，地球就有一個鐵芯，而且地球上的固體物質大約有三分之一是鐵。
對我們自己的恒星(太陽)的研究表明，數億年來，它吞噬了大量由岩石構成的含鐵小行星和彗星。科學家在太陽中發現的鐵足以表明，重量相當於地球兩倍的岩石材料撞入了我們的恒星。這說明兩點：我們自己的太陽系富含這種構成行星的基礎材料；其他一些巨大的物體(值得注意的是木星)有足夠大的引力讓含鐵岩石脫離軌道，使它們撞入太陽。
一說起天體的光環，人們首先就會想到土星光環，這不僅因為土星光環是人們最早發現的光環，而且因為土星光環具有驚人的美麗，號稱太陽系的光環之王。1986年，“旅行者”2號在掠過天王星附近時，又發現天王星也存在多個精細的光環，但這些光環十分暗弱，在地球上用肉眼幾乎無法看見。
太陽系內行星光環的發現使人們對行星具有光環這個事實習以為常，但是，如果說星系也有光環，很多人必定會大吃一驚的。據英國《新科學家》雜誌和英國廣播公司近日的報導，英國和美國的兩個研究小組宣佈，在觀測銀河系週邊時，他們分別發現了一段由恒星構成的、以銀河系中心為圓心的圓弧，這兩段圓弧離銀河系中央的距離相等，這意味著它們可能是同一個銀河系恒星環的不同部分。
在此之前，科學家還在一些與銀河系同類的旋渦星系週邊發現暗淡的恒星環。由於受銀河系內部大量星光的干擾和技術條件的限制，天文學家對銀河系週邊的觀測反而滯後於對其他星系週邊的觀測。科學家希望繼續尋找銀河系恒星環的其他部分，研究它的成因和組成。燦爛奪目的太陽位於太陽系的中心，支配著太陽系的命運、給諸行星以生命。然而，它只是龐大的銀河系中毫不起眼的一顆恒星。那麼，位於銀河系中心的又是個怎樣的天體呢？85年前，人類終於認識到太陽並不位於銀河系中心，從而揭開了孜孜不倦地尋找銀河系中心天體的百年史。
夏日的夜晚，一條淡銀色帶子在黑色夜幕上橫空出世，從北向南蜿蜒伸展，在天鵝座處忽而一分為二，並繼續向南奔瀉而去，經過人馬座後又合二為一，最後消失在地平線上。這就是銀河，我國古代稱它為天河、星河，在古希臘和歐洲被稱為牛奶河。
銀河由恒星組成，這是400年前伽利略首先發現的。16世紀到18世紀初，是從托勒梅的地心說向哥白尼的日心說轉變的時期，人們從地球是宇宙中心的思想中解放出來，轉變為太陽是宇宙中心的觀念，恒星則是固定在天球上的發光點，圍繞著太陽運行。18世紀中葉，德國大哲學家康得和幾位思想家開始意識到，銀河的恒星可能組成一個扁平的龐大系統，我們的太陽是其中的一員，銀河的輪廓不均勻是因為太陽不在這個系統中心的緣故，並提出了“星系”的名稱。
不過由於缺乏先進的觀測手段，這種思想在那時只是一種推測，得不到多數人的支持。1781年，英國天文學家威廉·赫歇爾發現了天王星，這個驚人的發現得到了英王喬治三世的賞識。赫歇爾被封為宮廷天文學家，並享受終身的俸祿。有了這些條件，赫歇爾研製了兩台大望遠鏡，一台50釐米，另一台120釐米，後面—台成為當時世界上最大的望遠鏡。由於擁有先進的設備，使他發現了許多新的現象，其中包括恒星的自行，即恒星在天球上的運動。赫歇爾還發現，太陽也在運動，在向天球的某個方向運動，這使他對宇宙的結構發生了興趣。他不辭辛苦，對全部恒星一個個進行計數，並根據康得等人的思想，第一次繪出了銀河系的外貌：一個呈扁盤狀而且分叉的形狀，還估計了它的相對大小。由於赫歇爾不知道恒星的距離，所以依然認為太陽離這個盤的中心不遠。
20世紀初，荷蘭著名天文學家卡普坦來到了美國威爾遜天文臺，該天文臺擁有當時世界上最大的反射望遠鏡——60英寸(直徑約23.6cm)反射望遠鏡。卡普坦發起了一項涉及40個天文臺、歷時8年的國際合作計畫。他在天空的不同方向選擇了206個天區，對這些天區裏的恒星進行計數，並測量它們的位置、亮度、光譜和運動速度。最後，他得出了銀河系的直徑(4萬光年)，不過，他還是認為太陽離銀心不遠，甚至得出了兩者相距2000光年的結論。1918年，美國天文學家沙普利測定了各個球狀星團的位置，發現各個方向上的球狀星團並不一樣，也就是相對於太陽並不對稱。他發現，離太陽6萬光年處有一個點，如果以這個點為中心的話，球狀星團就呈現出對稱的分佈。沙普利正確地指出，太陽不是銀河系的中心，那個對稱點才是銀河系的中心。從此，人類對宇宙的認識進入了一個新的境界。
現在我們已經知道，銀河系是個旋渦星系，形狀像個鐵餅，中間對稱的平面稱為銀道面。由於旋轉和引力的結果，恒星和星際介質——塵埃和氣體都向銀道面的兩側集聚，越靠近銀道面，越接近銀心，密度也越高。太陽大致位於銀道面上，相距銀心2.6萬光年。因此，我們是從側面去觀測銀河系的，這有點像“橫看成嶺側成峰”的廬山，恒星密集的銀河系在我們的眼中成為了一條發光的銀帶。銀河系中心在人馬座方向，那個方向上大量的星際介質吸收和阻擋(統稱為消光)了它們背後和中間恒星發射的星光，其作用類似於地球大氣和塵埃對星光的阻擋，結果，從天鵝座到人馬座呈現出一條黑色的影帶，造成了銀河的分叉。因此，銀河分叉只是個表面現象，它是銀道面上大量塵埃和氣體(即星際介質)造成的陰影。
星際介質主要吸收可見光和紫外光。但是，隨著波長的增加，星際介質的消光作用迅速下降，銀心深處的星光能夠穿透重重的星際介質，被我們的望遠鏡“看到”。在這些波長上看來，銀河是不分叉的。特別是銀心中某些原子和分子(如氫原子、一氧化碳、氨、水、氧化矽等等)產生的紅外譜線、射電譜線，幾乎可以毫無阻擋地穿透星際塵埃和氣體。在電磁波譜的另一端，即X波段和y(伽瑪)波段，星際介質也變得漸漸透明，也成為我們探測銀心的好工具。當然，由於地球大氣對遠紅外光、X輻射、Y輻射的吸收和阻擋，我們只能通過衛星、飛船或高空氣球上的望遠鏡來“看”銀心。正是紅外輻射、射電輻射、X輻射以及伽瑪輻射使我們瞭解了銀心的秘密。
銀心區充滿了形形色色的天體，幾乎包羅了銀河系中所發現的各類天體，就像一個“天體博物館”。銀心區各處佈滿了大量的分子原子氣體和塵埃，其形態不一，有的呈圓環狀，那是超新星爆發的遺跡，有的呈弧狀，似乎是電離氣體沿著電磁場運動的軌跡，還有的十分複雜，電離氣體和分子氣體混合在一起，內部可能有許多剛剛生成或還在形成之中的恒星。在銀心可以看到一個呈環狀的巨大分子雲，我們稱它為中央分子帶，那裏面一簇簇地集聚著許多分子雲，它們不對稱地環繞著銀心，構成半徑約600光年的環帶，而且以每秒100～200千米的速度向外膨脹。有人推測，數百萬年到上千萬年以前銀心發生過大規模的恒星爆發，巨大的星風與下落的氣體相互作用，就造成了今天這個環狀分子雲的遺跡。
銀心區還有許多由各種恒星組成的星團，它們大多很年輕，品質很大，也有不少已經變成了紅超巨星和藍超巨星。在銀河系的其他地方，迄今發現的最熱最藍的恒星是O5型星，表面溫度達到4萬攝氏度，但是在銀心的星團裏我們發現了更熱更藍的O3型星，有的品質高達太陽品質的100多倍。這種現象非常奇怪，因為銀心區的環境對恒星形成來說非常惡劣，很強的潮汐力，強磁場和很高的溫度和壓力，使得分子雲不能像其他地方那樣容易坍縮形成恒星，這是由於潮汐力會撕裂分子雲，強磁場和內部壓力會抵抗氣體的壓縮。那麼，是什麼原因驅動銀心區的分子雲形成恒星呢，尤其是形成那麼多的大品質恒星?有人認為，很可能開始形成的恒星都不大，由於銀心區恒星的密度太高，小恒星相互碰撞、相互吞併，於是像滾雪球似地變成越來越大的恒星。
最有趣的還是銀心區的中央，那裏有個長10光年的扁盤狀氣體塵埃環，環的內部有3條微型旋臂，整個形狀有點像3條車輻的車輪。另有一條形如舌頭的塵埃帶從環外伸人環內，直指微旋臂的交叉處，那裏是銀心的真正所在，似乎有物質在流向銀心。銀心周圍3光年的空間裏還有個很年輕的星團，稱為中央星團，年齡只有數百萬年，其中有許多品質很大的恒星。微旋臂交叉處有個微小的腔體。從銀心所在的位置，天文學家接收到很強的無線電波和X輻射，奇怪的是，在那裏天文學家沒有看到對應的紅外天體，顯然那是個很強的射電源和X輻射源。根據測量，這個源發射的總功率高達10億億億千瓦，而且都發自於一個比1天文單位(即日地距離1.5億公里)更小的區域。這個雖看不見的、卻發射如此強功率的暗天體是個什麼類型的天體?這引起了天文學家的極大興趣。
由於不清楚這個發射無線電波和X輻射的天體的性質，20年前天文學家給它取了個古怪的名字“人馬座A星號”，因為它位於一個名為人馬座A的分子雲的內部，用“星號”來區別這個分子雲和雲內的其他天體。除了探測到無線電波和輻射之外，我們再也看不到人馬座A星號裏面有什麼發光的東西。但是，天文學家用盡了當今所有的觀測手段，確確實實感受到那裏面有個不發光的暗天體存在，這個神秘的傢伙究竟是個什麼樣的天體呢?
人馬座A星號的周圍有許多恒星，它們是中央星團的成員。天文學家想到，如果這個神秘天體存在，它必然會影響這些恒星的運動。於是他們開始年復一年地測量這些恒星的位置，計算它們在天空中的移動速度。他們還根據這些恒星發射的某些光譜線計算出恒星在我們觀測視線方向上的速度。根據這些恒星的運動，天文學家能夠計算出銀心區所包含的物質的品質。可以想像，空間範圍越小，所包含的物質也越少，這是顯而易見的。當天文學家測量的銀心區範圍由大變小時，所包含的物質的品質確實越來越少。但是，天文學家驚訝地發現，當銀心區小到3光年以下時，它所包含的物質的品質變成了一個固定的常數，不論範圍變得多小，所包含的物質品質總在260萬個太陽品質上下。目前天文學家已經把這個範圍縮小到了約0.5光年。
這就是說，在銀心0.5光年半徑的範圍裏有一個品質很大的天體，它包含260萬個太陽品質的物質。要理解這一點並不困難，如果你用紗布將一個很重的小鉛球(比如半徑為10釐米)一層一層包起來，包成一個很厚很大的球(比如半徑1公里)，然後你開始稱這個球的重量。每脫一層紗布就稱一次重量，開始時紗布很厚，它們的重量不可忽略，所以球的總重量等於紗布加鉛球的重量。隨著紗布層越來越薄，薄到一定的程度時，紗布的重量比起鉛球來說完全可以忽略，這時得到的總重量就幾乎不再隨球的半徑變化，總是近似等於鉛球的重量。銀心區就是這樣一種情況。
在非常靠近人馬座A星號的地方有3顆恒星，其中一顆甚至近到距離銀心僅80天文單位。從1992年到2002年，天文學家對它們觀測了整整10年，發現它們在橢圓的軌道上繞人馬座A星號運動，就像地球和諸行星繞太陽轉動一樣，其中最近的那顆每15.2年繞銀心一周。根據引力定律，很容易算出中心天體的品質，上面的結果再次得到了證實。
看來，銀心處確實存在一個品質無比巨大、體積或半徑又極小的天體，這是個非常奇特的天體。可以與太陽系比較一下，太陽的直徑大約是太陽系的萬分之一，而銀心天體的直徑至少在銀河系直徑的百萬分之一以下，究竟小多少，目前不得而知。但是，在這麼小的體積裏卻集聚了大量的物質。與太陽更不同的是，銀心的天體不但不燦爛奪目，相反卻是“漆黑一團”。這是個什麼樣的天體呢?人們首先想到的是“黑洞”。
在銀河系以外，在其他星系的中心，天文學家找到了大品質黑洞的證據，這些黑洞的品質可從數百萬到數十億太陽品質。很自然，銀河系中心的神秘天體也很可能就是這樣一個大品質的黑洞。一個260萬太陽品質又不旋轉的黑洞，半徑約為750萬公里或0.05天文單位(大約是太陽半徑的10倍)。如果銀心暗天體是個黑洞，那麼周圍的物質在黑洞強大的引力作用下就會快速地向銀心旋落(稱為吸積)。當物質在落入黑洞的視界之前，會發射強大的無線電波和X輻射。這一切與觀測到的人馬座A星號非常相像。(續)
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