夜空的脊柱：恒星與銀河系

去到岸邊，那里的波濤將涌來親吻我們的雙腳，神秘憂郁的星辰會在我們的頭上照耀。

——阿·普列謝耶夫*

(*俄羅斯詩人，1825-1893，柴可夫斯基在他的管弦樂套曲《四季》的《六月：船歌》中用這段詩句做配詩。)

在18世紀之前，由于觀測手段落后，人類對天空的認識只局限在太陽系內(nèi)，它的疆域以土星為邊界。太陽是宇宙的中心，所有的星星都繞著它旋轉。除了幾顆行星之外，天空中其他的星星是什么，人們對它們一無所知，一般就把它們看做是鑲嵌在天空中的發(fā)光的寶石。它們是些什么東西呢？讓我們來做一番認識吧。

盛夏的夜空，銀河從北到南橫貫天際。當我們的祖先抬頭仰望夜空時，他們發(fā)現(xiàn)，天上的星星可以分為兩種不同的類型：一種在天空中的相對位置不會發(fā)生改變，這種星星在夜空中占絕大多數(shù)；另外一種則在經(jīng)過一段時間后相對于前一種星星的背景發(fā)生了移動。由于有這樣的區(qū)別，人們把能夠移動的星星叫做“行星”，相比之下，那些不動的星星就叫做“恒星”。

這是對恒星的一種樸素的、原始的定義?，F(xiàn)在我們知道，這種定義既不準確也不科學。按照現(xiàn)代天文學的觀點，恒星是能夠靠自身的熱點燃氫聚變反應并向外發(fā)出光和熱的天體。我們看到行星在夜空中發(fā)光，那是因為它們反射太陽的光，它們不是恒星。我們的太陽是一顆恒星。天空中的星星大多數(shù)是能夠自己發(fā)光和發(fā)熱的，它們是恒星。

恒星離開我們非常遙遠。比如說，離地球最近的一顆恒星叫做比鄰星，它離開我們足足有4.2光年。什么是光年呢？光年是天文學家用來量度恒星之間的距離的一種單位。1光年等于光在一年中走過的距離。恒星之間的距離非常大，用普通的計量單位來計量，數(shù)值極其巨大。對于剛剛提到的比鄰星，如果用米做距離的計量單位，數(shù)值高達10¹⁶米。顯然，這樣的單位使用起來極不方便。因此，天文學家常常用光年這個更大的單位來量度恒星之間的距離。天文學家還常用秒差距作為距離的計量單位，1秒差距等于3.26光年。

對于比較近的天體，可以利用視差法測定天體對某條基線所張的角度，稱之為視差角，再利用平面三角公式計算它的距離。由于恒星距離地球非常遠，所選擇的基線必須非常長，否則，恒星對基線的張角就太小了，無法進行測量。通常使用地球的公轉軌道的平均直徑做測量的基線，這時，視差角為 1" 的天體距離我們3.26光年，也就是1秒差距。這正是秒差距這個計量單位的來源。但是，對于距離更遠的天體，這條基線就顯得太短了，在這種情況下，視差法就無能為力了，必須利用其它更有效的方法，才能測量恒星的距離。天文學上常用恒星的光譜、造父變星的周光關系等方法測定遙遠天體的距離。

在我們的感覺中，天上的星星要比太陽暗得多，個子也比太陽小得多。但是，事實上許多恒星比太陽明亮，個子也要比太陽大。我們的錯覺是由恒星之間的巨大的距離造成的。在歷史上，人類的錯覺曾經(jīng)多次使我們遠離宇宙的真實面貌。

恒星的大小千差萬別，小的只有太陽直徑的幾十分之一，比如說，20世紀60年代發(fā)現(xiàn)的中子星，其直徑甚至只有幾十千米，而最大的恒星，其直徑比太陽大幾千倍。不過，由于恒星離開我們非常遙遠，因此，即使是在最大的望遠鏡中，它們看起來也只不過是一個發(fā)光的點。由于恒星離開我們太遠，它的直徑對我們的張角（角直徑）太小，不能使用地面上常用的三角法直接測量它們的大小。對于某些距離較近的恒星，可以利用一種叫做“干涉儀”的儀器測定它們的角直徑。天文學上測定恒星大小的另一種比較可靠的方法是利用雙星系統(tǒng)。由于很難直接測量恒星的角直徑，到目前為此，只有極少數(shù)恒星的大小能夠被直接測量出來。

與恒星的大小比較，恒星的質量的差別就比較小。大多數(shù)恒星的質量與太陽差不多，只有極少數(shù)恒星的質量比太陽大幾十倍或小幾十倍。絕大多數(shù)恒星的大小和質量是用各種天文和物理方法估算出來的。

在古人認為是恒星的那些天體中，有一些靠反射鄰近恒星的光而被看到，叫做“星云”，它們是在夜空中除了恒星這個主要的角色之外的另一些重要的天體。在這些星云中，有一些是還未形成恒星的塵埃團，有一些正在準備加入恒星的行列，而另外一些則是恒星演化到晚期時留下的殘骸。夜空中還有一些天體既不是恒星也不是星云，而是由恒星和星云組成的集團。銀河系中的恒星并非全是像太陽那樣，孤零零地獨處一方。天文觀測顯示，幾乎有一半的恒星不是孤立的。它們要么雙雙結伴而行，要么三五成群、甚至成群結隊地在太空中漫游。天文學家分別把這些恒星的集體稱為雙星、星群和星團。恒星的這種在物理上的緊密聯(lián)系暗示了它們應該具有共同的起源。除了這些用肉眼可以看到的星星外，夜空中還有許多我們看不見的暗天體。這些形態(tài)各異的天體就構成了我們這個多姿多彩的星空世界——銀河系。

實際上，恒星也在發(fā)生變化。在夜空中，不斷有恒星產(chǎn)生、也不斷有恒星死亡。不過，恒星的壽命很長，距離我們又很遠，因此，在我們的一生中，甚至在若干個世紀內(nèi)也觀測不到它們的變化。這種情況一直持續(xù)到18世紀初才開始發(fā)生改變。

哈雷(Edmond Halley，1656~1742)于1718年首先發(fā)現(xiàn)，恒星在天空中的視位置發(fā)生了改變，我們把這種變化叫做恒星的自行，它是恒星的運動在天空中的投影。恒星的運動沿視線方向還有一個投影，它就是恒星的視向運動。

從原理上看，測定恒星的自行很簡單：只要比較不同時刻恒星相對于天空某一固定點的位置——絕對自行，或者相對于附近恒星的位置——相對自行，就可以確定恒星的自行。計量自行的方法是恒星每年在天空中移動的角度，一旦知道了恒星的距離，就可以將移動的角度換算成移動的距離。不過，由于恒星離開我們的距離很遠，運動的速率又不高，由此引起的角度變化很小，因此，測定恒星自行的工作極為困難。恒星的視向速度可以通過一種叫做多普勒效應的現(xiàn)象進行測量。物理學家發(fā)現(xiàn)，當發(fā)光體靠近或者遠離我們的時候，它所發(fā)出的光的波長相對于靜止光源所發(fā)出的光的波長會發(fā)生改變。當發(fā)光體靠近我們的時候，波長要變短，遠離的時候波長則要變長。這就是多普勒效應。于是，測量恒星的視向速度實際上就是要測量恒星的光譜線相對于靜止光源的光譜線的偏移，這相較于測量自行是一件比較簡單的工作。測量出恒星光譜線相對于正常光譜線的偏移，就可以確定恒星的視向速度。測定視向速度的準確度與恒星的距離無關，只取決于光譜的特性以及攝譜儀的成象質量。測定了恒星的視向速度和自行，就可以確定它的運動速度了。

研究恒星的祖師爺赫歇爾(William Herschel，1738~1822)在對恒星的自行做了仔細的研究后發(fā)現(xiàn)，有7顆恒星的自行的趨向是一致的，這種一致性實際上反映了太陽的運動。這個發(fā)現(xiàn)打破了哥白尼的日心宇宙理論中太陽靜止不動的觀念。

在花了許多年時間用他的巨型望遠鏡巡視天空之后，赫歇爾發(fā)現(xiàn)，恒星在天空中的分布很不均勻，在靠近銀河一帶，恒星極其密集，而在與銀河垂直和背離銀河的方向上，恒星的數(shù)目稀少。由此可以推斷，包括太陽在內(nèi)的天空中所見到的恒星組成一個龐大的恒星集團，這個恒星集團就是我們現(xiàn)在所說的銀河系。由“在與銀河垂直的方向上恒星的數(shù)目稀少”可以推斷，銀河系的外形一定很像一個扁平的圓盤；由于“在靠近銀河一帶恒星極其密集，而在背離銀河的方向上恒星的數(shù)目稀少”，因此，太陽系一定位于銀河系中靠近邊緣的地帶。盛夏時節(jié)，地球位于公轉軌道上靠近銀河系中心的一側，入夜之后夜空正好就在銀河系中心的方向上，所以我們能夠看到繁星滿天，而在深冬季節(jié)，地球位于公轉軌道上靠近銀河系邊緣的一側，寒夜的星空自然就不會有太多的星星了。赫歇爾的這個發(fā)現(xiàn)再一次打破了太陽作為宇宙中心的觀念。我們看到，天文學的每一項重大發(fā)現(xiàn)都使人類更加遠離宇宙的中心，最終人們發(fā)現(xiàn)，宇宙沒有中心，宇宙中的一切位置都是平權的。

我們已經(jīng)對夜空中最普遍的一種天體——恒星有了一個簡單的認識。然而，這還不是故事的結束，夜空中還有更美麗的景象等待我們?nèi)ビ^賞。