1、第28卷第10期 2009年1O月 大学物理 C0LLEGE PHYSICS Vo128 N01O 0ct2009 4银河系 相对论、宇宙与时空连载 深入浩瀚的星空(下) 赵 峥 (北京师范大学物理系，北京100875) 当伽利略把望远镜指向银河的时候，发现夜空 中那像薄雾般淡淡的带子，原来是密密麻麻数不清 的星星人们逐渐认识到这是一个巨大的旋转的盘 状星系，由大约2 000亿颗恒星组成，我们的太阳系 是这个巨大星系的一部分，位于它的转盘的边 缘 (图l6，图17) 图l6银河系(侧视图) 图17银河系(俯视图) 这个巨大的星系称为银河系，直径约10 1y太 阳系距银河系中心约310 1Y，它
2、以250 kms的 速度围绕银河系的中心旋转，转一周需要25亿年 银河系的2 000亿颗恒星，分别组成自己的太 阳系，它们都可能有自己的行星和卫星不过，像我 们这样只有1个恒星的太阳系，在银河系中并不多 见大多数都是由2个恒星组成的双星系，或2个以 上恒星组成的聚星系 各个太阳系之间，至少相距几个光年例如，离 我们最近的恒星比邻星，属中国人所说的南门 二，希腊人称半人马座 ，这是3颗相互围绕旋转的 三合星，它们离我们大约4 1Y，它们还可能与我们 的太阳是一个整体，围绕共同的重心在旋转如果是 这样，我们的太阳系就是这个聚星系的一部分 行星和卫星小而不发光，因此，寻找其他太阳系 的行星是一件十分
3、困难的工作但是，最近已经有报 道，发现了其他太阳系中的行星我们极感兴趣的 是，这些行星上是否存在生命，特别是有没有类似于 人类的智慧生物不过从目前的认识水平看来，如果 生命只能由蛋白质构成，那么生命产生和存在的条 件是极为苛刻的，因而出现高级智慧生物的概率更 小例如，有2个以上太阳的太阳系，行星穿行于若 干个太阳之间，离它们忽远忽近，行星表面的温度变 化会很剧烈，生命，特别是高级的智慧生物，将很难 在这类星球上生存 但是，硕大的银河，有几百亿个太阳系，各种自 然条件应有尽有，肯定会有许多适合生命存在的行 星和卫星，肯定会有高级的地外生命存在，也几乎可 以肯定有比我们更为发达的地外文明存在此外，
4、认 为生命只能由蛋白质构成，只能以地球上生命的形 式存在，说不定是人类幼稚无知的一种表现现代的 自然科学从哥白尼提出日心说算起只不过存在了 500年，人类文明有文字的历史也不过存在了6 000 年，相对于星系和恒星演化的年龄来说，的确是太短 暂了，我们所了解、所掌握的东西还是太少了 仔细研究表明，银河系中物质的分布是不均匀 的它的主要部分集中在中心凸、四周薄的一个铁饼 状物上中心凸起的椭球称为核球；周围扁平的转 盘，称为银盘，恒星基本聚集在银盘和核球上银盘 直径约1010 1y，盘的靠近核球的部分厚约6 000 第1O期 赵峥：相对论、宇宙与时空连载 63 1Y，边缘比较薄核球长约1510 l
5、_Y，厚约10 1y，由大量密集的恒星组成核球的中心有一个更 为致密的部分，称为银核或银心，在直径1 1y的范 围内聚集着相当于400万个太阳的质量银心发射 出很强的无线电波、红外线、x射线和 射线，辐射 出惊人的能量银心究竟由什么物质构成目前还不 清楚有人推测，那里可能存在有巨大的黑洞 银河系聚集了2 000亿颗恒星，这些恒星主要 集中在银盘上这些恒星还形成双星、聚星和星团， 它们除围绕银心旋转外，还围绕各自的重心转动支 配它们运动的是爱因斯坦的广义相对论但是，在银 河系这个层次上，除去黑洞等特殊情况之外，万有引 力定律已经足够精确，广义相对论效应仍显得十分 微弱，可以忽略不计 5河外星系。
6、红移与哈勃定律 望远镜不仅使人类看清了银河系的本来面目， 而且发现我们的银河系在宇宙中不是孤立的类似 于银河系的星系，在宇宙中大量存在我们称这些星 系为河外星系，意思是银河系之外的星系。 ” 离我们最近的河外星系是大、小麦哲伦云(图 18)，分别离我们1610 l_y和1910 1y，它们 之间相距510 1y一般说来，星系的直径在10 l_Y的数量级上 图l8大小麦哲伦云 星系和星系还结合成团，在万有引力作用下，围 绕共同的重心旋转星系团中的星系一般在100个 以上，有的可达上千个不足100个星系的星系团称 为星系群我们的银河系就和大、小麦哲伦云、仙女 星系(即仙女座大星云，直径16X10
7、1Y，距我们 22x10。1y，图19)等30多个河外星系一道，组成 一个星系群，称本星系群这个群中的星系相互间离 得较远，是一个疏散星系群，半径约3 X10。l_y通 常，星系团的半径在810。1y左右(图20) 观测表明，我们的本星系群还同其他50多个星 系群(团)一起，构成一个超星系团，称为本超星系 图l9仙女座星系 图20星系团与星系群 团，半径在10 1y左右 在大于10。I_Y的尺度上，物质不再呈现成团结 构，也就是说，超星系团不再组成更大的团，而是在 宇宙中均匀各向同性地分布着 天文观测表明，其他星系团中的星系发出的光， 都有红移现象，即与地球上同种元素的同一根光谱 线相比，从遥
8、远星系传来的光的谱线频率变小，波长 变长，向光谱的红端移动这一现象称为宇宙学红 移长期以来，大家认为这是多普勒效应造成的，它 表明远处的星系都在远离我们在地球上的光学实 验中，我们已经观测到了多普勒效应，相对论精确地 算出了这一效应当观测者与光源相互远离时，发生 红移 1+vc 2 当观测者与光源相互接近时，发生紫移 041-vc Lj 式中 是光源相对观测者静止时，测得的光谱线的 正常频率； 是光源与观测者相对运动时测得的频 大学物理 第28卷 率c为光速， 为光源相对观测者的运动速度 1929年，美国天文学家哈勃(EPHubble)总结 当时的观测数据，得出一条经验规律：河外星系(指 其他
9、超星系团中的河外星系)的红移正比于它们离 我们银河系中心的距离。 ，“ ，即 z：1no (4) C 红移量z定义为 Z=(A-A。)A。 (5) 其中J)L。为没有红移时的谱线波长，A为发生红移后 的波长；D为河外星系离我们银河系中心的距离，常 数日称为哈勃常数由于多普勒红移的红移量与光 源退行速度 成正比，哈勃定律又可表为 ：HD (6) 为河外星系退行速度 6 类星体 宇宙中除去恒星和星系等发射可见光的天体之 外，还存在一些发射无线电波、微波、x射线和 射 线的辐射源后来发现，一些发射无线电波的“射电 源”有光学对应体也就是说，这类源既发可见光， 又发不可见的无线电波，以及其他波段的电磁
10、辐射 例如编号3C48和3C273的射电源，其光学对 应体很像一颗恒星，在望远镜中看是一个点奇怪的 是，没有人能够认得出它们的光谱究竟属于哪一种 元素 1963年，荷兰天文学家施米特(MSchmidt)突 然识别出它们是氢光谱，只不过谱线发生了很大的 红移，因此很难认出来3C273的红移量Z=0158， 3C48的红移量更大，Z=0367这类具有极大红移 量、光学对应体很像恒星的射电源，被命名为类 星体 7I ， 目前，人类只知道两种红移机制一种是光源移 动造成的多普勒红移另一种是引力红移，例如大质 量恒星表面附近，由于时空弯曲造成的红移如果类 星体的红移是多普勒红移，巨大的红移量表明它们 在
11、高速逃离我们，用公式 Z： 一1 (7) c一 、 不难算出，Z=03的类星体，正在以 =026c一75 10 kms的速度逃离我们，简直是惊人的 如果哈勃定律对类星体适用，它们应该离我们 非常遥远，Z=03的类星体，不难从哈勃定律 =HD 算出，大约离我们D=2510 1y 近年来，发现的类星体越来越多，其中有的红移 量超过Z=6不难算出，Z=35的类星体，其逃离我 们的速度已达到 =09c 2710 kms，距离我们 D一10。1Y 令人极其不解的是，光的强度和距离的平方成 反比，如果类星体离我们那么远，我们怎么能够看见 它呢?只有一种可能，类星体发的光非常强我们目 前能够看到它，但不很亮
12、，是因为它离我们太远的缘 故有人计算过，如果把一个类星体移到织女星的位 置(距我们25 1Y)，那么它将比太阳还亮100倍 这是多么惊人的情景要知道，光从太阳到地球只需 8 min，从织女星到地球则要25年在那么远的地 方，还那么亮，这需要非常强的发光机制才能实现， 目前已知的各种能源机制，都不能解释类星体的强 大能源 有些人认为类星体的红移可能不是多普勒红 移，或不完全是多普勒红移，试图这样来解决类星体 距离和亮度产生的矛盾但是，用引力红移来解释类 星体的红移，也碰到了一些困难 进一步的研究表明，类星体的红移量一般在1 3之间，似乎最大不超过8，Z=34之间的也不 多另一方面，也不存在红移量
13、很小的类星体这表 明，类星体按离我们的远近有一个分布，主要分布在 几亿几十亿光年的距离上，10 lI Y以内的近处也 没有由于光传播需要时间，我们所看到的距离我们 l0 1y的物体，是它们10 年前的像这就表明，类 星体似乎有一个产生，增多，然后减少直到消失的演 化过程似乎最早的类星体诞生于大约100亿年前， 然后逐渐增多，亮度逐渐增大，到一定数目后又逐渐 减少，时至今日已不复存在 人们还发现，类星体不是一个光点，周围还有模 糊的云状物，甚至还有喷射物质类星体中心的光度 呈周期性变化这些特征，与人们已观察到的“活动 星系”有某种类似性 7活动星系核与喷流 星系核有活动现象的星系，最早是由美国天
14、文 学家塞佛特在1943年发现的通常的星系，核心部 分都聚集着大量恒星和物质，都比较亮活动星系的 核比较小，但特别亮，而且亮度不断变化直径几万 光年的星系，核的亮度在几个月内就会发生巨大变 化它们往往向外大量喷射气体和物质(图21)活 动星系在光谱上也有不同于一般星系的特征，例如 含有较宽的发射线，辐射以非热辐射为主 等等 ，89，I2_ 第l0期 赵峥：相对论、字宙与时空连载 65 图21星系喷流 活动星系约占全部星系的1研究表明，类星 体与活动星系核在许多方面相似，例如都有比较小 的核，核有高亮度和剧烈光变，有的还伴有喷流现 象，它们的光谱特征也较为相近因此，可以把类星 体看作激烈变化的活
15、动星系类星体现象，很可能就 是存在于遥远区域的活动星系核的猛烈变化现象 另一方面，普通星系也有一些类似活动星系的 地方例如，普通星系的核心部分也有喷射物质的现 象我们的银河系在1 000万年前就发生过从银心 向外喷射大量气体的激烈活动 银河系附近的星系，都是正常星系活动星系存 在于较远的地方类星体则处在更远的位置它们之 间很可能存在演化上的联系 一个可能的图像是，宇宙诞生的初期，开始产生 类星体，然后存在一个类星体繁荣的时期，不仅数量 多，而且能量大、活动剧烈后来，类星体逐渐演化成 活动星系，星系的核心部分的活动从剧烈慢慢变为 平稳，最后形成普通的较为稳定的星系，我们的银河 系就是其中之一 宇
16、宙中的喷流也是特别有趣的现象，既有恒星 级的喷流也有星系级的喷流 银河系中的SS433是一个双星系统，其中一颗 是致密星(中子星或黑洞)，致密星有一个气体吸积 盘，从盘的两侧反向射出两股气体喷流由于盘面与 双星轨道面不重合，两股喷流绕着垂直于轨道的轴 发生进动，周期为164 d我们可以看到喷流面向我 们和背向我们时，光谱线紫移和红移的交替 离我们1610 y的半人马座A是距离我们 最近的射电星系，两股壮观的气体喷流从星系中心 向两侧喷出，延伸到10。1Y之外，喷流的终点是两 块称为“瓣”的云，那里发出同步射电辐射注入瓣 中的能量相当于几百万颗超新星爆发，可见半人马 座A的核心质量应在10 m。
17、以上 对于喷流的机制，目前还没有定论 类星体、活动星系核、宇宙喷流、超新星爆发等 巨大的能源机制，都可能与弯曲时空中的黑同活动 有关许多科学家认为，不仅类星体和活动星系核的 中心存在大质量黑洞，而且我们的银河系及其他河 外星系的中心，也可能存在大质量的黑洞这类星系 级的黑洞，质量大概在10 个太阳质量以上 参考文献： 1 胡中为，萧耐园，朱慈墙天文学教程M2版北京： 高等教育出版社，2003 2 温学诗，吴鑫基观天巨眼天文望远镜的400年 M北京：商务印书馆，2008 3 刘学富基础天文学M北京：高等教育出版 社，2004 4 庄得新，聂清香天文学M济南：山东大学出版 社，2002 5 刘学富
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