尋找宇宙邊緣(上篇)

2010-06-22 09:32編譯劉聲遠(yuǎn)

大自然探索 2010年8期

編譯劉聲遠(yuǎn)

八層樓高的巨型門滑開，一雙巨大的“眼睛”將它的“目光”投向太空最深處——這就是大名鼎鼎的“大型雙筒望遠(yuǎn)鏡”。作為地球上最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡之一，位于美國亞利桑那州的這架大型雙筒望遠(yuǎn)鏡價(jià)值超過1.2億美元，它那直徑超過8米的鏡子能搜集到只有人眼可見光強(qiáng)度的百萬分之一甚至千萬分之一的光線。這架600噸重的機(jī)械望遠(yuǎn)鏡的能見距離超過130億光年，也就是我們所在宇宙的最邊緣。

像大型雙筒望遠(yuǎn)鏡這樣的超級望遠(yuǎn)鏡能拍攝到天空中哪怕最黑暗角落的實(shí)時(shí)圖像。從這些圖像上我們可以看到，如巨浪翻滾的氣體和塵埃云正在與超音速風(fēng)搏斗，其搏斗場景被成千上萬顆充滿活力的新生恒星點(diǎn)亮。這些高達(dá)92萬億千米的巨型云團(tuán)其實(shí)正是“恒星產(chǎn)房”，它們是恒星群誕生的地方。

突然，一顆恒星的爆發(fā)性死亡發(fā)出的超熱氣體以每秒上千千米的速度撕裂太空；與此同時(shí)，在遙遠(yuǎn)星系中，一個(gè)超大質(zhì)量黑洞——宇宙中最神秘的物體之一——正在發(fā)出不可見的能量射流。借助高科技的望遠(yuǎn)鏡，無論是對恒星爆發(fā)產(chǎn)生的超熱氣體，還是對超大質(zhì)量黑洞發(fā)出的能量射流，天文學(xué)家都能為其拍攝照片。

自第一架望遠(yuǎn)鏡于17世紀(jì)誕生以來，短短幾百年間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)改變了人類認(rèn)識自己和認(rèn)識自然的方式。隨著一架比一架更先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡的問世，人類看得更遠(yuǎn)，知道的也更多。

認(rèn)識太陽系

關(guān)鍵角色：伽利略

1609年夏天，意大利數(shù)學(xué)教授伽利略·加里雷正在完成自己的一項(xiàng)發(fā)明，那是一架被叫做“望遠(yuǎn)鏡”的東西。在古希臘文中，這個(gè)名詞的意思是“能看見遠(yuǎn)處的東西”。很快，他的新發(fā)明像野火燎原一樣蔓延整個(gè)歐洲。

當(dāng)時(shí)，在荷蘭的一個(gè)小鎮(zhèn)，眼鏡制造者在制作精確的透鏡時(shí)發(fā)現(xiàn)，假如把兩類不同的透鏡以相隔合適的距離放置，就能產(chǎn)生令人吃驚的光學(xué)效果——這兩面透鏡起著放大遠(yuǎn)處物體的作用。伽利略立即意識到了這一發(fā)現(xiàn)的潛在意義。他利用這個(gè)原理制作出了可見距離為人眼可見距離8倍的望遠(yuǎn)鏡。很快，威尼斯軍隊(duì)買下這架望遠(yuǎn)鏡，用來監(jiān)視敵人的船隊(duì)。接著，伽利略又將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)太空，從而開始了一場革命。在伽利略之前，所有天文學(xué)家都認(rèn)為天宇就是他們裸眼能看見的一切——星星和月亮。他們用肉眼看到，天空中有5顆星有時(shí)比其他星星都亮，如果連續(xù)數(shù)夜觀察，這5顆星在其他群星的背景上移動，并且這5顆星時(shí)而可見時(shí)而不可見。

他們稱這5顆星為“行星”，這個(gè)名字在希臘文中是“流浪者”之意。其中，金星被稱為晚星，它總是在日落時(shí)分掠過地平線；火星亮得有些發(fā)紅；木星和土星比周圍的星星都亮。我們現(xiàn)在已經(jīng)知道這些“流浪”的星星實(shí)際上都是像地球一樣的行星，但在伽利略時(shí)代，每個(gè)人都相信這5顆星只不過是一般的星星，宇宙中只有一個(gè)世界，那就是地球，地球是宇宙的中心，白天太陽圍著地球轉(zhuǎn)，月球和其他星星則在漫漫長夜里以巨大的軌道環(huán)繞地球打轉(zhuǎn)。

然而，伽利略向人們證明：這不過是錯(cuò)覺而已。當(dāng)伽利略開始用望遠(yuǎn)鏡觀察月球時(shí)，人們已知的世界秩序也就開始被打破。在舊的宇宙學(xué)中，所有的天體都是完美無缺的，月球是一個(gè)天體，因而它在人們眼中也是完美的。但是，穿越40萬千米的太空，伽利略所看到的月球遠(yuǎn)不如他所期望的那樣平滑——月球表面實(shí)際上布滿瘡痍，到處是隕擊坑和峽谷。

既然在月球上并不鮮見地球地貌，那么地球在宇宙中自然也就算不上獨(dú)一無二了。這還只是一個(gè)開端。接下來，伽利略將望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)了木星——“流浪的星星”之一。裸眼看去，木星是一顆明亮的星，確切說是一個(gè)光點(diǎn)。透過伽利略的望遠(yuǎn)鏡看去，所有其他星星都只是光點(diǎn)，而木星突然變成了一個(gè)大得多的圓盤。盡管望遠(yuǎn)鏡的鏡頭質(zhì)量不佳，無法看清木星的真面目，但根據(jù)透過望遠(yuǎn)鏡所看到的模糊不清且搖晃厲害的木星圖像，伽利略做出了一個(gè)偉大的結(jié)論：木星一定是球形的另一個(gè)世界（也就是我們今天所說的另一顆行星）。

伽利略所畫的月球（左圖）和真實(shí)的月球圖像（右圖）

在木星周圍，伽利略有了更驚人的發(fā)現(xiàn)。他透過望遠(yuǎn)鏡看見，木星旁邊還有兩到四顆星，它們就像小鴨跟在木星這個(gè)“大鴨”的后面。夜復(fù)一夜，伽利略注意到這些新星的位置不斷變動。在觀察這些“小鴨”一兩周之后，伽利略意識到它們其實(shí)是環(huán)繞木星的衛(wèi)星（木衛(wèi)）。伽利略知道自己獲得了重大發(fā)現(xiàn)，并且把這些發(fā)現(xiàn)寫在了他出版的《星之信使》一書中。

然而，更大的發(fā)現(xiàn)還在后面——伽利略的觀察記錄將永遠(yuǎn)改變?nèi)祟惖挠钪嬗^。伽利略當(dāng)時(shí)觀察到，金星在一個(gè)月里不斷地改變其形狀和大小。具體而言，伽利略發(fā)現(xiàn)，金星每個(gè)星期都在改變，從一個(gè)大新月形變成一個(gè)小圓盤，接著陰影再次爬上金星，讓它又回復(fù)到大新月形。伽利略認(rèn)為，他在金星上看到的陰影只可能意味著一件事：金星在圍繞太陽運(yùn)行。這就是說，與當(dāng)時(shí)人們的信仰——每個(gè)天體都圍繞地球轉(zhuǎn)不同，地球不再是宇宙的中心。

對于伽利略的這些發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)的羅馬天主教會非常不滿，因?yàn)榻虝蛉藗児噍數(shù)挠^點(diǎn)是：上帝把人類放在地球上，也就是放在了創(chuàng)世的正中心。以太陽為中心的宇宙挑戰(zhàn)了教會的權(quán)威，教會對此當(dāng)然不能容忍。然而，伽利略對太陽系的認(rèn)識是完全正確的，他的發(fā)現(xiàn)永久性地改變了世界。

探索土星環(huán)

關(guān)鍵角色：“卡西尼號”

今天，望遠(yuǎn)鏡以當(dāng)年伽利略只能夢想的細(xì)節(jié)向我們展示了太陽系：太陽表面的爆發(fā)威力高達(dá)1000萬億噸梯恩梯；木星表面的大紅斑實(shí)際上是一個(gè)超巨型風(fēng)暴渦旋，它大得足以吞沒三個(gè)地球；在木星的衛(wèi)星伊娥（木衛(wèi)一）表面，火山將氣體和塵埃噴進(jìn)太空；在火星上，有一個(gè)比地球上著名的大峽谷（位于美國西部亞利桑那州西北部的凱巴布高原上，全長446千米，平均谷深1600米）深6倍的峽谷，有一座比珠穆朗瑪峰高3倍的火山；在金星大氣洶涌起伏的硫酸云之下，山脈自金星的巖石表面崛起；在太陽系的邊緣，由巖石和冰構(gòu)成的矮行星正環(huán)繞太陽運(yùn)行。

不過，有一顆行星一直充滿謎團(tuán)，就連最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡也不能破解它的秘密，這就是土星和它的環(huán)系統(tǒng)。伽利略是首先看出土星與眾不同的人，他觀察到土星有兩只奇異的“耳朵”，并推測它們是土星的衛(wèi)星。后來的天文學(xué)家看出，這兩只“耳朵”實(shí)際上是一條環(huán)繞土星的巨大扁平環(huán)。再后來，有一個(gè)人發(fā)現(xiàn)，這個(gè)大環(huán)其實(shí)是由多個(gè)同心環(huán)組成的。此人就是在意大利出生的法國天文學(xué)家喬凡尼·卡西尼。

現(xiàn)在，一項(xiàng)以卡西尼的名字命名的探測計(jì)劃——美國宇航局的“卡西尼任務(wù)”正在實(shí)施中，其目的是查明為什么土星會有環(huán)，以及土星環(huán)是由什么構(gòu)成的。在“卡西尼號”飛船前往伽利略時(shí)代太陽系中最遠(yuǎn)的衛(wèi)星——土星的過程中，飛船借助木星巨大的引力拉動使自己朝著目的地方向彈射出數(shù)百萬千米。借助木星的引力，“卡西尼號”的速度高達(dá)每小時(shí)11萬千米以上，即使這樣，這艘飛船還是花了7年時(shí)間才抵達(dá)距離地球遠(yuǎn)達(dá)15億千米的土星。接著，它下潛穿過土星的外環(huán)，進(jìn)入環(huán)繞土星的軌道。

從“卡西尼號”拍攝的土星環(huán)照片上看，土星環(huán)好像是完整的固體，但實(shí)際上土星環(huán)是由數(shù)十億塊冰和巖石構(gòu)成的，這些冰和巖石的大小從一粒沙到一幢房子都有，它們散落在寬達(dá)數(shù)十萬千米的范圍內(nèi)。問題是，這些東西是從哪里來的呢？“卡西尼號”攜帶的望遠(yuǎn)鏡的觀測結(jié)果證實(shí)，土星環(huán)的內(nèi)環(huán)是由隕星碰撞土星的衛(wèi)星（土衛(wèi)），從土衛(wèi)表面彈射出的材料構(gòu)成的。不過，土星最外環(huán)的來源一直還是謎。

“卡西尼號”拍攝的土星環(huán)

木衛(wèi)一（伊娥）表面的火山（想象圖）

由“卡西尼號”拍攝的圖像顯示，土星最外環(huán)與最內(nèi)環(huán)不同，是由微粒構(gòu)成的，看上去就像是鬼魅的霧。天文學(xué)家懷疑冰質(zhì)的土衛(wèi)二——恩克拉多斯可能是這團(tuán)霧的來源，但這中間的具體機(jī)制卻無人知曉。不過，他們通過“卡西尼號”的望遠(yuǎn)鏡看到了一個(gè)前所未見的現(xiàn)象：巨大的蒸氣柱自恩克拉多斯表面的裂縫噴涌而出，高度達(dá)數(shù)百千米。這些蒸氣柱會不會正是土星外環(huán)的來源呢？為找到答案，“卡西尼號”做了一件很了不起的事：直接飛到蒸氣柱中，用它搭載的探測器“品嘗”了蒸氣柱的“味道”。在地球上的任務(wù)控制中心里，天文學(xué)家緊張地分析“卡西尼號”發(fā)回的數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，恩克拉多斯噴出的蒸氣是由冰、鹽和氨組成的，同土星外環(huán)的成分完全一致。這就確鑿地證明了恩克拉多斯噴出的蒸氣柱正是土星外層霧環(huán)的來源。

這真是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)?！翱ㄎ髂崽枴贝钶d的空間望遠(yuǎn)鏡正在破解困擾了天文學(xué)家?guī)讉€(gè)世紀(jì)的土星環(huán)之謎。今天的望遠(yuǎn)鏡正望向越來越深的太空，以發(fā)現(xiàn)伽利略或許從未想見的秘密。但是，為了捕捉到清晰的太空圖像，望遠(yuǎn)鏡不得不經(jīng)過了深刻的變革才發(fā)展到今天的地步。

革新望遠(yuǎn)鏡

關(guān)鍵角色：牛頓

這場變革的第一步是盡量增加望遠(yuǎn)鏡的長度。讓我們回到17世紀(jì)50年代。早期望遠(yuǎn)鏡的一個(gè)主要問題是影像模糊，原因在于透鏡的形狀。當(dāng)用一個(gè)強(qiáng)彎曲度的鏡頭來折射光線時(shí)，光線不能全部匯集到一個(gè)點(diǎn)，因而影像模糊；此外，一些光線的顏色可能出現(xiàn)分色——彩虹色，這也會扭曲圖像。

盡量避免模糊與彩虹色的唯一方法就是使用更薄的透鏡，透鏡的彎曲度也應(yīng)更小，但這樣一來光線的聚焦點(diǎn)就遠(yuǎn)離了透鏡，結(jié)果是折射望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)越大則望遠(yuǎn)鏡的長度也就越長。到了大約1660年，望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)已增加到50～100倍，與此同時(shí)，望遠(yuǎn)鏡的長度也達(dá)到了荒謬的程度：最長竟超過45米，也就是相當(dāng)于一個(gè)橄欖球場的一半長度了。

如此笨重的望遠(yuǎn)鏡的確效果更好，但天文學(xué)家希望看到更多的細(xì)節(jié)，而這些望遠(yuǎn)鏡依然無法消除彩虹色。接著，最偉大的科學(xué)巨匠之一伊薩克·牛頓開始著手解決這個(gè)難題。他關(guān)注的是光線本身。牛頓發(fā)現(xiàn)，白光其實(shí)是由所有不同顏色的光組成的，這些顏色共同構(gòu)成了彩虹色。當(dāng)白光透過一面玻璃棱鏡時(shí)它會折射分解成彩虹色，這就是天文學(xué)家碰到的透鏡望遠(yuǎn)鏡難題的根源。于是牛頓想到：好了，我們必須全盤拋棄折射望遠(yuǎn)鏡，因?yàn)樗训礁F途末路，我要設(shè)計(jì)出新型望遠(yuǎn)鏡，它不能使用透鏡。

牛頓在他的新型望遠(yuǎn)鏡上使用的是鏡子，他堅(jiān)信鏡子照樣能達(dá)到并超過折射望遠(yuǎn)鏡的效果，這是因?yàn)楫?dāng)鏡面彎曲時(shí)一樣能讓光線聚焦。實(shí)際上，用這樣的鏡子聚焦陽光的確能點(diǎn)燃紙張。但鏡子和透鏡有一個(gè)本質(zhì)的區(qū)別：光線從鏡子表面反射，而不是穿越鏡子，因而就避免了彩虹色。牛頓制作了一架小小的鏡面望遠(yuǎn)鏡，其長度不到20厘米。他將一面直徑僅為3.8厘米的彎曲的鏡子安裝于望遠(yuǎn)鏡鏡筒的底端，來自天宇的光線進(jìn)入鏡筒，到達(dá)彎曲的鏡面并反射，接著再到達(dá)一個(gè)不彎曲的鏡面并反射，最終聚焦于目鏡。這么一架小小的鏡面望遠(yuǎn)鏡，同長度超過120厘米的透鏡望遠(yuǎn)鏡效果一樣好。

亞利桑那鏡子實(shí)驗(yàn)室內(nèi)景

牛頓制作的第二部反射式望遠(yuǎn)鏡（復(fù)制品）

牛頓運(yùn)用鏡子制作望遠(yuǎn)鏡，一舉消除了彩虹色這個(gè)自伽利略時(shí)代以來一直困擾著望遠(yuǎn)鏡的難題。今天，望遠(yuǎn)鏡從分布于世界各地的天文臺望向太空，不斷擴(kuò)展人類的宇宙視野，捕捉發(fā)射于幾十億年前并穿越我們所在宇宙的光線。所有這些望遠(yuǎn)鏡都依賴于形狀完美的大型鏡子，而制造出這些鏡子是精密工程學(xué)的豐功偉績。

在美國亞利桑那大學(xué)的足球場的地面下深處，是一個(gè)高科技鏡子實(shí)驗(yàn)室。在那里，玻璃塊在巨大的熔爐中于1100℃以上的高溫下被熔化，這一溫度相當(dāng)于火山熔巖的溫度。接著，熾熱的玻璃液被旋進(jìn)超光滑的彎曲碟子中。20噸重的碟形冷卻玻璃接下來被用直徑不到人發(fā)絲的粉末進(jìn)行打磨，以制作精確的形狀。最終，覆上一層厚度僅為100納米的極薄的鋁膜，玻璃碟就變成了鏡子。亞利桑那大型雙筒望遠(yuǎn)鏡的鏡面就是這樣制成的。其中每個(gè)鏡面的直徑超過8.5米，面積是牛頓制作的第一面鏡子的64000倍，能夠捕捉來自數(shù)十億光年距離以外的光線。

回溯到牛頓時(shí)代，要想制造形狀正好的大型鏡子真是難上加難。在牛頓之后100年，一個(gè)新的先驅(qū)重拾起牛頓的革命性設(shè)計(jì)，并將它加以革新。這個(gè)人就是英國單簧管演奏家兼業(yè)余天文學(xué)家威廉·赫歇爾。雖然身為音樂家和作曲家，赫歇爾的真正興趣卻在天文學(xué)，他有一個(gè)雄心壯志，就是使用大型的牛頓式鏡面望遠(yuǎn)鏡望向更深的太空，要比所有前人都望得更遠(yuǎn)。

發(fā)現(xiàn)天王星

關(guān)鍵角色：赫歇爾

為了看見當(dāng)時(shí)其他望遠(yuǎn)鏡都看不見的最微弱的星星，赫歇爾需要更大的望遠(yuǎn)鏡。然而，在赫歇爾時(shí)代，制作大型曲面鏡仍是一大技術(shù)挑戰(zhàn)。當(dāng)時(shí)玻璃鏡子尚未問世，鏡子仍然使用金屬來制作。赫歇爾在他的地窖里用熔化的錫和銅來鑄造金屬碟，這是制造金屬反射鏡的第一步。為了將冷卻后的平面金屬碟變成閃光的曲面，赫歇爾不厭其煩、不辭辛苦地純手工打磨金屬碟，直到其形狀恰好能形成圖像。這就是反射鏡面，是鏡面望遠(yuǎn)鏡最寶貴的部件。

赫歇爾發(fā)現(xiàn)天王星時(shí)所用的望遠(yuǎn)鏡（復(fù)制品）

運(yùn)用這樣的望遠(yuǎn)鏡，赫歇爾在200多年前取得了一個(gè)革命性的發(fā)現(xiàn)。1781年，赫歇爾透過自己制作的鏡面望遠(yuǎn)鏡夜復(fù)一夜地望向蒼穹，在他身旁是他的妹妹卡洛琳，她記錄他們觀測到的所有結(jié)果，最終自己也成了著名天文學(xué)家。那一年的3月13日，赫歇爾透過望遠(yuǎn)鏡看到一個(gè)他們此前從未記錄過的天體——一顆看似在群星背景上移動的非常暗弱的星，這顆“流浪之星”就是天王星。

自有一整套環(huán)的天王星，大小是地球的63倍，但人用裸眼幾乎看不見它，在赫歇爾之前無人記錄過這顆行星。天王星距離太陽30億千米（這是土星與太陽之間距離的兩倍），也是當(dāng)時(shí)所知最遠(yuǎn)的行星?？梢哉f，一夜之間，赫歇爾就把太陽系擴(kuò)大了一倍。這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們尋找行星的狂熱潮流，也使全球望遠(yuǎn)鏡越來越先進(jìn)，這一趨勢持續(xù)至今也不停歇。

在美國夏威夷的死火山莫納克亞山巔，黃昏的太陽正在降下。凱克天文臺的巨型圓頂開啟，10米直徑的望遠(yuǎn)鏡望向太空。喬夫·馬西是全球最頂尖的“行星獵人”之一，他正運(yùn)用凱克望遠(yuǎn)鏡尋找太陽系中除地球之外的行星。仰望夜空，你會看見成千上萬個(gè)閃爍的光點(diǎn)，它們是像太陽一樣的恒星，像馬西一樣的“行星獵人”相信，其中許多恒星都可能像太陽一樣擁有自己的行星。

然而，要想尋找太陽系以外的行星就像大海撈針一樣難。尋星望遠(yuǎn)鏡直到1995年才在這方面有了突破：它們觀察到一顆很平常的恒星正在輕微晃動，這意味著某種引力正在拉動恒星，而這正是一顆不可見的行星存在的證據(jù)。環(huán)繞這顆恒星的行星就是飛馬座51b星。這顆太陽系外的行星的發(fā)現(xiàn)，在人類歷史上真是一個(gè)重大事件，因?yàn)樗蛭覀兪状巫C明太陽系之外照樣存在行星，其中說不定還有像地球一樣的生命之星。

從那以來，全球天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過400顆太陽系以外的行星存在的證據(jù)。不過，其中大多是像木星那樣的氣態(tài)巨行星，它們在過于靠近母恒星的軌道上運(yùn)行，因而不可能支持生命。而找到另一顆支持生命的行星，才是“行星獵人”的真正目標(biāo)。生命之星必須溫度適宜，有液態(tài)水或其他液態(tài)物質(zhì)，還必須滿足其他一些基本條件。而要有像人一樣的智慧生命，則條件更為苛刻。

尋找像地球這樣個(gè)頭較小的巖石行星絕非易事?，F(xiàn)在讓我們來看美國宇航局的一類全新的空間望遠(yuǎn)鏡——“開普勒號”。發(fā)射“開普勒號”的目的，正是為了尋找在某些方面同地球相似的行星——類地行星。具體而言，在“開普勒號”的3年任務(wù)期里，它要尋找和地球一般大小、環(huán)繞其他恒星運(yùn)行的行星?！伴_普勒號”計(jì)劃搜集來自銀河系中10萬顆恒星的光線，在其中查找其他行星世界的線索。

測量星光的一個(gè)重要思路，就是當(dāng)行星從正面經(jīng)過其母恒星時(shí)，會遮擋恒星的很小一部分光線，因此恒星會略微變暗一點(diǎn)。也就是說，只要觀測到這種變化，就可間接證明行星的存在。運(yùn)用這一思路，“開普勒號”已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多顆太陽系之外的行星。雖然它至今未找到一顆類地行星，但天文學(xué)家相信這只是時(shí)間問題，也許再過幾年就會找到另一個(gè)像地球一樣的生命家園。

飛馬座51號恒星及其行星飛馬座51b（想象圖）

盡管“開普勒號”要觀望多達(dá)10萬顆星，但那仍只是天空的微小一隅，仍有數(shù)千億顆恒星等待我們?nèi)ニ褜?。“行星獵人”們還有別的辦法，就是利用地面望遠(yuǎn)鏡來研究距離我們最近的那些恒星。運(yùn)用小型機(jī)器人望遠(yuǎn)鏡，一次可以掃描2000顆亮度遠(yuǎn)比太陽小的恒星，也更易于觀測從正面經(jīng)過母恒星的較小個(gè)頭的行星。通過這種辦法，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一顆大小只有地球2.7倍的行星。這是一顆“超級地球”，它很可能擁有水和大氣層，但表面200℃的溫度還是太高，因而不能支持生命存在。不過，它向我們發(fā)出了一個(gè)信號：太陽系以外應(yīng)該還有更誘人的行星存在。

為了發(fā)現(xiàn)可居住的行星，專業(yè)天文學(xué)家還借力于業(yè)余天文學(xué)家。全球各地都有業(yè)余天文學(xué)家，他們所擁有的望遠(yuǎn)鏡也能進(jìn)行天文調(diào)查。專業(yè)天文學(xué)家不可能花太多時(shí)間夜復(fù)一夜地凝視同一顆恒星，但業(yè)余天文學(xué)家卻像當(dāng)年赫歇爾發(fā)現(xiàn)天王星那樣能做到這一點(diǎn)。運(yùn)用這種辦法，業(yè)余天文學(xué)家迄今已發(fā)現(xiàn)了多顆太陽系外的行星，遺憾的是它們都太靠近自己的母恒星，因而無法支持生命存在。不過，同所有已知的太陽系外的行星一樣，它們都在我們所在的星系——銀河系內(nèi)環(huán)繞各自的母恒星運(yùn)行。

“開普勒號”空間望遠(yuǎn)鏡（想象圖）

認(rèn)識星云

關(guān)鍵角色：赫歇爾

今天我們已經(jīng)知道，銀河系中有很多很多的恒星，太陽只不過是其中的一顆而已。而短短200年前，人們還根本不知道自己生活在一個(gè)星系中。直到1781年，威廉·赫歇爾建造了一架長6米多的反射式望遠(yuǎn)鏡（鏡面望遠(yuǎn)鏡），運(yùn)用它，他看到了比當(dāng)時(shí)地球上任何其他望遠(yuǎn)鏡看到的數(shù)目都多的星星。他對夜空中的一部分觀察得尤其仔細(xì)，這個(gè)由群星組成的條狀地帶就是我們今天所稱的銀河系。

在能見度高的夜晚，銀河系簡直就是一大景觀，是我們頭頂上一條明亮的星光帶。對古人來說，它就像牛奶潑在了天幕上，這是古希臘人稱之為“牛奶圈”的原因所在，也是今天的“銀河系”（“銀白或乳白色的星系”）一詞的來源。天文學(xué)家們至今對銀河系十分著迷。從地平線到地平線，銀河系跨越天空，仿佛一條巨大的帶子環(huán)繞著我們。于是，從地球上看去，我們就像是坐在輪轂上，而銀河系就是環(huán)繞著我們的一個(gè)巨大輪胎。

伽利略是第一個(gè)透過望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)銀河系由群星組成的人，但當(dāng)時(shí)無人知道它是一個(gè)星系，甚至也不知道它的形狀。而這正是赫歇爾當(dāng)年最著迷的一點(diǎn)：“銀河系究竟是什么形狀？我們應(yīng)該是置身于銀河系中央吧？從它外面看它是什么樣子呢？”他不知疲倦地夜夜望天，為群星的位置畫圖。就這樣，對于他能看見的那個(gè)劃破天空的大圓圈內(nèi)的所有星星，他都畫出了它們的位置，還數(shù)出了它們的數(shù)量，從而開創(chuàng)了天文學(xué)中的星星計(jì)數(shù)法。

這項(xiàng)精準(zhǔn)的繪圖和計(jì)數(shù)調(diào)查花了赫歇爾一年多的時(shí)間。最終，他根據(jù)他的觀測結(jié)果繪制了一張“磨石”圖。在人類歷史上，赫歇爾率先看出銀河系并不僅僅是天空中的一條星帶，而且還是很大很大的一塊星盤。赫歇爾相信，這便是整個(gè)宇宙了。也就是說，這個(gè)星盤的邊緣也就是宇宙的邊緣，太陽系就躺在星盤內(nèi)部。令人驚訝的是，赫歇爾在200多年前的認(rèn)識竟然有大部分是正確的?，F(xiàn)在，最強(qiáng)大的地面和太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)揭示，地球和整個(gè)太陽系位于銀河郊區(qū)的一條旋臂上，而整個(gè)巨型銀盤中竟有2000億顆恒星。

銀河系實(shí)在是太大了，哪怕以光速（每秒30萬千米）從銀河系一端跑到另一端也要花10萬年時(shí)間。為了更深入地了解銀河系，科學(xué)家設(shè)計(jì)了一架新型望遠(yuǎn)鏡，計(jì)劃最廣泛、最深入地觀察銀河系，它就是“赫歇爾太空天文臺”（簡稱“赫歇爾”）?！昂招獱枴币獮檎麄€(gè)銀河系繪制地圖，包括恒星的形成與死亡，以及星系是怎樣成為一體的。

經(jīng)過多年細(xì)心準(zhǔn)備，調(diào)制好的“赫歇爾”終于發(fā)射升空。在離地160萬千米的太空，這架迄今最大的太空望遠(yuǎn)鏡在人眼無法看見的可見光波段以外的遠(yuǎn)紅外光波段觀測太空，這意味著它能測量溫度的細(xì)微改變，從而看穿宇宙塵埃云，以空前的清晰度拍攝宇宙的圖像。

“赫歇爾”果然不負(fù)眾望，從它傳回的圖像十分驚人。通過它，天文學(xué)家一直看到了恒星的誕生地。如果用可見光觀察恒星誕生地，你會看見那里到處都是恒星；而用紅外光觀測，你會發(fā)現(xiàn)銀河系的絕大部分其實(shí)是由塵埃和氣體構(gòu)成的，而恒星正是從塵埃和氣體中孕育的。

沒有其他任何望遠(yuǎn)鏡能看清銀河系的如此多的細(xì)節(jié)。200多年前，赫歇爾根本無法看見銀河系一些區(qū)域中的群星。雖然他在夜空中看到的星星比當(dāng)時(shí)其他任何人看到的都多，而且他還通過望遠(yuǎn)鏡觀測為星星們畫出了地圖，但仍有一個(gè)未解之謎困惑著他：夜空中有成千上萬個(gè)奇奇怪怪的東西，也就是被天文學(xué)家稱之為“星云”的東西。

羅斯爵士（右圖）和他制造的巨無霸望遠(yuǎn)鏡（左圖）

威爾遜山天文臺外景

夜空中有一些模糊的塊狀地帶，它們看上去就像是被撕裂的銀河碎片。你甚至用肉眼也能看見幾個(gè)這樣的“碎片”，例如仙女座。但透過望遠(yuǎn)鏡，你能看見上萬個(gè)這樣的塊狀地帶，它們形狀大小各異，美麗而又神秘，如仙女座，它從邊緣到中心越來越亮。赫歇爾記錄了超過2300個(gè)星云，并且對它們進(jìn)行了分類，但他無法看出這些神秘物體究竟是什么，也不知道它們具體是在哪里。

在赫歇爾之后，星云之謎又繼續(xù)困擾了天文學(xué)家60年，直到古怪的羅斯爵士在愛爾蘭的比爾堡制造了當(dāng)時(shí)世界上最大的望遠(yuǎn)鏡。六層樓高的墻支撐著羅斯爵士的20米長的望遠(yuǎn)鏡鏡筒，鏡面直徑竟相當(dāng)于一個(gè)成年人的身高。他將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)星云，繪出自己看見的一切。這樣一來，模糊的星云被首次聚焦。在一些星云內(nèi)部，羅斯爵士看見了恒星和旋臂結(jié)構(gòu)。但有一個(gè)問題，羅斯爵士的望遠(yuǎn)鏡只能上下移動，因而圖像容易變得晦暗，這讓他很失望。

星云之謎的最終破解是在80年之后。到了這個(gè)時(shí)候，望遠(yuǎn)鏡已變得如此先進(jìn)和巨大，是200年前的伽利略所無法想象的。破解這一奧秘的望遠(yuǎn)鏡位于美國加利福尼亞州高高的威爾遜山山頂上，它揭示出當(dāng)初由羅斯爵士所畫的螺旋狀星云實(shí)際上是獨(dú)立于銀河系之外的其他星系。這樣一來，宇宙的范圍就大大拓寬了，銀河系不再是宇宙中唯一的星系。迄今我們已發(fā)現(xiàn)數(shù)千億個(gè)星系，它們在一個(gè)大得我們無法想象的宇宙內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

望遠(yuǎn)鏡為我們認(rèn)識宇宙打開了一扇全新的窗戶。建造更大更先進(jìn)望遠(yuǎn)鏡的競賽至今也未終止。如今我們不僅能制造巨型地面望遠(yuǎn)鏡，而且能發(fā)射空間望遠(yuǎn)鏡，從而能觀測宇宙中最遙遠(yuǎn)的東西。可是，數(shù)十億光年外那些碰撞的星系會告訴我們有關(guān)銀河系的什么呢？在宇宙的邊緣，大爆炸的余輝究竟會告訴我們有關(guān)我們宇宙起源的什么呢？每一次嘗試探索宇宙的一個(gè)新的部分，天文學(xué)家都會有新的發(fā)現(xiàn)、新的驚奇。而望遠(yuǎn)鏡迄今為止所揭示的最大一個(gè)驚奇就是：直到現(xiàn)在，我們只能看見宇宙的5%。換句話說，我們只能看見構(gòu)成宇宙的物質(zhì)中的很小一部分。問題接踵而來：剩下的宇宙是由什么構(gòu)成的呢？

望遠(yuǎn)鏡將指向一種令人難以捉摸而又強(qiáng)大無比的力量，這種正在決定我們宇宙的力量就是暗能量，它也被天文學(xué)家稱為迄今為止所發(fā)現(xiàn)的最神秘物。望遠(yuǎn)鏡正處在一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)和探索時(shí)代的邊緣，越來越大型、越來越復(fù)雜的望遠(yuǎn)鏡永無止境地探尋太空的邊緣。新一代望遠(yuǎn)鏡將讓我們看見一個(gè)點(diǎn)上的10000個(gè)星系，讓我們回到更遙遠(yuǎn)的從前，讓我們推測宇宙起源的情景。想知道這一切激動人心的新知嗎？敬請關(guān)注本刊下期文章《尋找宇宙邊緣（下篇）》。

相關(guān)鏈接

星云示例

“愛斯基摩”星云

美國宇航局的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡從1999年開始服役，圖為它在服役初期拍攝的一個(gè)壯觀的行星狀星云，實(shí)際上是一顆像太陽一樣的恒星死亡時(shí)的發(fā)光殘骸。威廉·赫歇爾在1787年首先注意到這個(gè)星云，并將它命名為“愛斯基摩”星云（現(xiàn)在稱之為NGC 2392），這是因?yàn)閺牡孛嫱h(yuǎn)鏡看去它就像是一張被皮毛大衣包著的愛斯基摩人的臉。

在這張“哈勃”圖像上，“皮毛大衣”實(shí)際上是一個(gè)很大的物質(zhì)盤，裝飾著一圈彗星形狀的物體，這些“彗星”的尾巴從中央的死亡恒星發(fā)散出去。而這張“愛斯基摩人”的“臉”也包含一些驚人的細(xì)節(jié)。盡管明亮的中央?yún)^(qū)域看上去像一團(tuán)麻線，但實(shí)際上它卻是由中央恒星的密集“風(fēng)”（由高速材料構(gòu)成）刮向太空的物質(zhì)泡泡。

“愛斯基摩”星云從大約10000年前開始形成，當(dāng)時(shí)這顆死亡的恒星開始向太空拋射物質(zhì)。這個(gè)星云由兩個(gè)橢圓形狀的物質(zhì)裂片組成，兩個(gè)裂片中的物質(zhì)分別在這顆死亡之星的上面和下面流動。在這張照片上，一個(gè)泡泡位于另一個(gè)的正前方，從而遮擋了后者的一部分。

科學(xué)家相信，一圈在紅巨星階段（恒星死亡之前的一個(gè)階段）噴出的密實(shí)材料環(huán)繞著這顆恒星的赤道，形成了這個(gè)星云的形狀。這圈密集材料以每小時(shí)11.5萬千米的速度環(huán)行，阻止了高速的恒星風(fēng)將物質(zhì)推向赤道。結(jié)果，速度為每小時(shí)150萬千米的恒星風(fēng)將物質(zhì)刮向恒星的上方或下方，從而形成拉長的泡泡。這些泡泡并不像氣球那樣光滑，而是具有由高密度物質(zhì)構(gòu)成的細(xì)絲。其中每個(gè)泡泡的長度約為1光年，寬度約為0.5光年?？茖W(xué)家仍不清楚“皮毛大衣”上那些彗星形狀的特征的來源，一種可能的解釋是：當(dāng)快速或慢速移動的氣團(tuán)發(fā)生碰撞時(shí)，這些“彗星”就形成了。

“愛斯基摩”星云位于雙子座，距離地球約5000光年，星云中的發(fā)光氣體構(gòu)成了圖中的各種顏色：氮（紅色）、氫（綠色）、氧（藍(lán)色）和氦（紫色）。

礁湖星云

在這張由哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片上，顯示了一對長達(dá)0.5光年的星際“龍卷風(fēng)”——怪異的漏斗和扭繩狀結(jié)構(gòu)。這個(gè)“龍卷風(fēng)”位于礁湖星云的中央，這一星云位于人馬座方向，距離地球5000光年。

位于照片中右下側(cè)的熾熱恒星——“o 赫歇爾 36”星，是星云中最明亮區(qū)域的離子化（離子化是指通過增加或移出電子或其他離子等帶電微粒、從而將原子或分子轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子的物理過程；離子是指原子由于自身或外界的作用而失去或得到一個(gè)或幾個(gè)電子，使其達(dá)到最外層電子數(shù)為8個(gè)或2個(gè)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)）輻射的主要來源，這個(gè)區(qū)域被稱為“沙漏”。礁湖星云中還有許多別的恒星，它們一直在對其他的可見星云物質(zhì)進(jìn)行離子化。離子化輻射導(dǎo)致云團(tuán)表面氣體被剝離，并趕走能撕裂較冷云團(tuán)的暴烈恒星風(fēng)。

與地球上壯觀的龍卷風(fēng)相似，云團(tuán)熾熱的表面和低溫的內(nèi)部之間極大的溫差，再加上恒星光的壓力，可能就產(chǎn)生了強(qiáng)烈的水平大剪刀效應(yīng)，從而將云團(tuán)扭曲成龍卷風(fēng)形狀。不過，雖然渦旋形狀暗示云團(tuán)正在“扭曲”，但是否真的如此還有待于進(jìn)一步的觀測，尤其是要查明云團(tuán)的速度。