作者：火华
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解码自然——宇宙之谜试读：
第一章宇宙的前世今生浩翰的宇宙蕴藏了无穷的奥秘，历来是人们想象力纵横驰骋的原野，它吸引了无数的科学志士为之上下求索。千万年来，地球上的人类一直在问：宇宙有多大？我们所生存的宇宙空间到底是什么模样？宇宙是从哪里来的？它是如何起始的？又是如何演变到今天的？它会不会有终结？如果有，它又将如何告终呢？我们无法回到时间的源头，也看不到宇宙的尽头，但是人们由天文观测结果和积累的科学知识可以追根求源，也可以预测宇宙的未来，宇宙的神秘面纱正被逐渐揭开。第一节石破天惊的混沌初分
当我们仰望浩瀚的夜空，一个很自然的想法便是我们这个宇宙究竟有无起点，如果有，那究竟又是如何诞生的呢？千载以来，无数哲人智者莫不为此苦思冥想，都没有找到合理的答案。直到1948年，美国《物理评论》杂志上发表了一篇重要的论文，题为《化学元素的起源》。这篇文章认为，宇宙起源于一次大爆炸，地球上和宇宙中发现的原子都是大爆炸的产物。大爆炸宇宙假说后来被认为是宇宙学研究中最重要的假说，并成为20世纪的一个热门话题。
奥尔伯斯得了精神病吗
每当太阳西沉，夜幕降临之时，大地便沉浸在一片黑暗之中，天空中只有点点星光与朦胧的月色。所以，人们自古以来就一直认为黑夜本是一个简单的自然现象，但是也有一些人对这一现象进行了长期深入的思考和研究，从中发现了宇宙的奥秘。
最早对这一现象提出疑问的人是十九世纪德国不来梅的奥尔伯斯医生。奥尔伯斯终生是一位天文爱好者。他发现了智神星、灶神星，这些是太阳系里的两颗小行星。但是人们却公认他最伟大的成就是提出了一个看起来很简单的问题：夜晚为什么是黑的？
在一般人看来简直该把他送入精神病院里去，因为古今中外天都是黑的，这已经是天经地义的事了。但奥尔伯斯却是振振有词，他设想：宇宙是个中空的球体，里面布满了无数星体，地球在其中心。无数星光向地球传来，尽管星光在传播过程中逐渐减弱，但是，由于星体数量的增加和距离的增加的比例成几何级数，就如同体积增加和半径增加的比率一样。按照这种设想，无论每一颗星的光线多么微弱，但是如果星球数量足够多，经过了足够长的时间后，地球也会被照得炽热发光。结果，地球连同人类和一切生物都将被化为灰烬！也就是说，夜不应该是黑的，而是应该和白天阳明亮，并且还应比现在亮不知多少倍!
看到这里，你虽然会惊愕不已，但不会感到丝豪害怕。因为事实远非如此，我们还舒舒服服地生活在地球上，一切仍安然无恙。
为什么奥尔伯斯的结论与事实大相径庭呢？对此奥尔伯斯提出了如下解释：可以假定宇宙空间存在着一些星云和尘埃，它们把远处恒星发出的光吸收了。但是，这个解释同样有问题。因为，如果星云和尘埃吸收了光也就是吸收了能量。于是它们的温度就会不斯升高，并且也发出光和其他辐射。这样一来，到达地球上的光还是无限的。
这到底是怎么回事呢？
宇宙
宇宙是广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称。在我国古代把宇宙看成是空间和时间的统一，所谓“天地四方曰宇，往古来今曰宙”。用现代话来说，宇就是空间，宙就是时间。哲学上的宇宙是无限的，它兼有空间上的无限和时间上的无限两个方面，即宇宙在空间上的无边无际和时间上的无始无终。
膨胀的宇宙
你听过救护车或是火车驶过身边时的笛声吗？如果你注意的话，就会发现当车辆向我们驶来的时候，笛声是高亢而尖锐的，而在驶离我们的时候，笛声就变得低沉了。
这就是物理学上的多普勒效应，当物体以一定的速度向我们运动时，它发出的声波的频率会变高，听起来声音就很尖锐，而物体离开我们运动时，它的声波频率会降低，声音就变得低沉了。因此，我们可以根据声音频率的变化来测定物体的运动速度。实际上，多普勒效应不但对声波有效，对光波或者无线电波都是有效的，像高速公路上的雷达测速就是利用无线电波的多普勒效应来测量汽车速度的。
天文学家是如何测量天体的运动速度呢？你会想，当然是直接测量啦。例如，月亮3 0天绕地球一周，也就是每天在天空上走过的角度是12度，我们又知道月亮离开地球的距离是38万千米，这样月亮绕地球的速度是约每秒1千米。可惜，直接测量的方法只是对距离很近的天体才有效。对那些遥远的天体，则主要是用光波的多普勒效应来测量天体的速度。天文学家拍摄天体的光谱，光谱中通常存在着暗黑的线条或是明亮的线条，叫做“谱线”。当天体向我们运动时，谱线会向蓝端移动，也就是向高频移动，称之为“蓝移”，当天体离开我们而去时，谱线会向红端移动，称之为“红移”。
1924年美国天文学家哈勃发现来自遥远星体的光线和来自河外星系的光线有红移现象。他指出，这些星体和这些星系一定是以极大的速度离开我们向外移去。他进一步发现，离我们越远的星体发出的光红移就放大。于是哈勃提出整个宇宙在膨胀，宇宙里一切都在相距越来越远。这就是“宇宙膨胀学说”。
宇宙膨胀学说使奥尔伯斯佯谬最终得到解决，黑夜的奥秘在于宇宙膨胀。河外星系正以极大的速度离开我们向远处移去，极大地减弱了我们地球从它们那里得到的辐射。这样我们生活的地球在夜晚才一片黑暗，也使得我们人类和一切生命免予在炽热的星光中气化。
光谱和谱线
我们知道，白光是由七色光组成的，这红橙黄绿青蓝紫七种颜色的光的排列就是“光谱”。像雨后出现的彩虹就是太阳的光谱。不同颜色的光具有不同的波长和频率，红光的波长最长、频率最低，而紫光的波长最短、频率最高。光的波长和频率的乘积等于光速。在天文学中使用“光谱仪”来拍摄天体的光谱，一般在天体的光谱中会出现暗黑的线或是明亮的线，分别被称之为“吸收线”和“发射线”，统称为“谱线”。谱线是由各种化学元素产生的，只要天体是静止的话，谱线的位置就是固定的。
宇宙是一粒爆米花吗
取一粒小小的玉米放入爆花锅内，并封好顶盖，再把爆米锅放在火炉上加热，随着顶盖的打开，只听“嘭”的一声，蓬松的爆米花出现了。其实，从某种意义上来讲，宇宙的诞生就像爆米花。
既然宇宙是在不断膨胀的，那么以前的宇宙应该比现在更小，物质也更密集。在宇宙的早期，可能是一种非常密集的状态，那时的物质密度非常之高，完全不同于人们如今看到的星空世界。沿着这条线索思考下去，必然要涉及到宇宙的开端问题。1931年，比利时牧师兼物理学家勒梅特从宇宙膨胀理论出发，提出了宇宙起源于一个“原始原子”爆炸的假说。由于缺乏足够的物理证明，勒梅特的这个假说没有引起重视，然而，宇宙膨胀起源于“原始原子”爆炸的设想却成为伽莫夫大爆炸宇宙论的思想渊源。
1948年前后，伽莫夫和他的同事连续发表了《膨胀宇宙和元素的起源》、《化学元素的起源》、《元素的起源和星系分离》等文章，在以上研究的基础之上构造出了大爆炸宇宙论的较完整的框架。大爆炸宇宙论认为宇宙起源于一个高温、高密度的“原始火球”，并有过一段由密到稀、由热到冷的演化史。这个演化过程伴随着宇宙的膨胀，开始时十分迅猛，如同一次规模巨大的爆炸一样，所以被称为大爆炸宇宙模型。
伽莫夫的观点虽说新颖而大胆，但确实太令人不可思议了!我们怎么能想象：如此无边无际的宇宙，竟然出生自一枚小小的“玉米”——宇宙蛋!伽莫夫是当时世界著名的物理学家之一，他年轻时曾在丹麦哥本哈根玻尔主持的理论物理研究所工作过，以善于开玩笑和写打油诗而闻名，是不是他关于宇宙诞生的这个“玩笑”开得过分了?
小宇宙
在膨胀理论基础上，一些人又提出，宇宙由许多相互分裂的部分组成，它们具有不同的膨胀速度，这样每一部分因膨胀都会产生出小宇宙，这些小宇宙都在不断缓慢扩大。即使在今天这些小宇宙也像冒泡一样不断分离产生新的小宇宙，并且新生小宇宙又按着自己的膨胀速度膨胀着。总而言之，宇宙作为大小不等的小宇宙的总和，其中不断有新的小宇宙出现。
该死的噪声送来了惊世发现
1964年5月的一天早上，一个蓬头散发的年轻人出现在美国贝尔实验室刚建成的大型射电望远镜基座旁。他望着天空巨大的喇叭形天线发了半天呆，然后回到控制室里，对一位神色疲惫、双眼都是血丝的小伙子说：“威尔逊，那该死的噪音到底是怎么回事?”威尔逊是一位身形瘦高的小伙子，正埋头在记录着什么，他站起来茫然地摇摇头。
也无怪两个年轻人如此焦急，他们都是刚来实验室不久，主任就把最新研制成功的天线交给他们，也算是青眼有加了。他们正准备大干一番的时候，却意外地发现在7厘米附近的波段处总是有大约5K左右的躁声。这令他们迷惑不解。难道是仪器本身有毛病吗？他们把天线拆开重新组装，还是能接收到那种无法解释的噪声。
突然彭齐亚斯望着天边飞翔的鸽子，灵机一动，莫不是这些家伙在捣鬼?他二活没说就搬起梯子爬上天线，果不出所料，这些可恶的鸽子在上面做了窝，除了一些鸽粪之外，居然还有几只毛茸茸的幼雏，他将天线打扫干净，回去一看，噪音倒是减小到3.5K，但这3.5K是无论如何也摆不脱了。更奇怪的是这种噪音无论春夏秋冬都是不变，倒似亘古以来就一直存在一般。
这究竟是什么？彭齐亚斯和威尔逊想不明白，而普林斯顿大学的一批天文学家却立即判断出，这正是他们想要寻找的来自外太空的宇宙背景辐射——大爆炸宇宙模型的观测证据。
原来据推算，150~200亿年前宇宙大爆炸后，我们的宇宙从最初的高温状态膨胀到现在，已经变得很冷了，而大爆炸后的残余辐射量很小，相应的温度大约是6k。彭齐亚斯和威尔逊的观测结果竟与理论预言的温度非常接近，这正是对大爆炸宇宙论的一个非常有力的支持！
就这样，两位年轻人在这台天线上完全出乎意料地完成了震惊世界的重大天文发现：找到了伽莫夫等人所预言的宇宙背景辐射，温度约为3开。这一重大的天文发现还使彭齐亚斯和威尔逊于1978年获得了诺贝尔物理学奖。
哈勃
哈勃是美国天文学家。由于哈勃在现代天文学，特别是星系天文学方面的杰出贡献，他被后人称为“星系天文学之父”。现代天文学的许多用语和名称与哈勃的名字连在一起。除了哈勃定律、哈勃常数、哈勃隐带等专业性比较强的词汇外，最为公众熟悉是“哈勃望远镜”，因为各类媒体经常会报道它的消息。它是美国在1990年发射到太空的，其实就是一座太空天文台。
产生奇迹的3秒
前面我们提到，宇宙的产生就像爆米花，是在爆炸中形成的。那么，这个大“爆米花”的诞生过程是怎么样的？又经过了多长时间才有了我们周围的物质的世界，有了千千万万个你我？
根据“大爆炸宇宙模型”，科学家给我们描绘了宇宙起源的图景：我们的宇宙起源约150亿年前的一次大爆炸事件，在此之前，宇宙即没有时间也没有空间，大爆炸后，时间和空间开始产生；10万分之一秒(10-6秒)后，构成物质的基本粒子，如夸克、胶子和电子等开始形成；万分之—秒后，温度仍高达几十亿开，光子激烈碰撞而产生出正反基本粒子，正反粒子又相互湮灭而恢复为光子。光子和粒子并存，数量各占一半。
千分之一秒(10-4秒)后，质子和中子开始出现；至13.82秒时，空间温度因膨胀而降低到30亿开以下。温度下降以后，光子碰撞不够激烈，基本粒子的创生过程就结束了。已经产生出来的反粒子全部与正粒子相湮灭，只剩下多产生出来的10亿分之一的正粒子，成为组成字宙物质的全部基本材料。
当宇宙年龄达到3分46秒时，温度降至9亿开以下，中子与质子结合成一个氦等低质量原子核。中子躲进原子核中才不再衰变，被稳定地保存下来。现实宇宙中占物质总量26％的氦就是那时形成的。幸亏有原子核这种形式保存中子，否则，中子统统衰变，宇宙中就只有氢(只有氢原子核不含中子，单由一个质子组成)，而不会有其他任何品种的化学元素了。
当宇宙达到40万岁时，原子核与电子结合形成中性原子；那时，宇宙中光子与稠密的物质粒子胶合在一起，不可能像现在那样通行无阻地运动。辐射既不能自由穿行，宇宙便一片漆黑时代，70万岁的宇宙终于度过黑暗时代，迎来了黎明的曙光，光子可以自由穿行。光明骤降，宇宙从以辐射为主的时期转变为以物质为主的时期，物质粒子开始聚集团；10亿岁时，星系和恒星开始形成；宇宙商100亿岁时，银河系、太阳和地球开始形成了；120亿年后，生命出现。
大爆炸宇宙理论虽然获得了学术界广泛的认同，但是还有一些谜团人类目前尚无法解释：宇宙当初为什么会突然膨胀？那极高的温度、极高的密度，那些能量、那些光子是从哪里来的？为什么正物质粒子比反物质粒子，每10亿个多一个？……
科学不掩盖谜团，而是在执著的追求中不断提高人类揭开谜团的能力。
霍金的时空观念
在早期阶段，霍金的研究主要关注于空间、时间的奇异爆炸概念——这是经典物理学从未涉足的领域。把时间和三维空间合成的概念称作时空。我们最熟悉的奇异概念的例子是黑洞——瓦解的恒星所具有的最后形式。大部分科学家认为时空来自相对论。而霍金在20世纪60年代晚期证明，如果广义相对论是正确的，那么奇异必然来自于一次大爆炸。而大爆炸标志着宇宙的诞生和时空的开始。
吉凶难料的宇宙未来
广袤无垠的星空，一望无际的银河，在我们的头顶上有一个尽一切可能也望不到边缘的天体，这就是宇宙。一切生物都是有生命的，生生不息，周而复始。可是作为一切生物生存之地的宇宙有没有生命呢？它会不会终结呢？它的归宿何在？
科学家认为宇宙的未来有三种可能性。一种是开放式的，第二种是闭合式的，第三种是平直的。
如果宇宙是开放式的，那么它最终的结局是一个绝对的死寂。因为，随着宇宙不断地膨胀，恒星们不断地消耗着能量，最终将成为白矮星、中子星和黑洞。白矮星最后将以一个寂静的黑矮星为终结。随着恒星的死亡和黑洞蒸发的结束，空间的能量完全没有了来源，一切的物理过程全部结束。这一状态出现时，时间已经没有意义，也就说时间也到了尽头。这一状态，叫作热寂。
如果宇宙有第二种命运，那么这是更加奇特的。在未来的某一时刻，膨胀停止，转而成为普遍收缩，这样，空间的收缩带动了恒星，使它们互相靠近。这看起来和大爆炸事件是一个逆转的过程。最后，宇宙聚缩为一个数学点式的微小区域。一切有形的东西部统统毁灭，包抵空间和时间本身。从虚无中诞生的宇宙，曾经灿烂辉煌地存在过无数亿年，最后又回到虚无中去，什么也没有留下。
如果宇宙的命运是平直的，那么宇宙会在膨胀与收缩两种极端情形之间摇摆。也就是说，当引力场足够大时，将使宇宙的膨胀在持续相当长时间之后停下来，并转为收缩。收缩过程会逐渐加速，直到回复到无限密集的状态。接着又可能发生大爆炸，字宙再一次膨胀……宇宙就这样的在膨胀、收缩、再膨胀、再收缩间周而复治地动作着。
由于各种因素和现在掌握的数据都不确定，因此我们的宇宙未来命运是怎样的，至今尚无定论。
爱因斯坦
爱因斯坦是当代最负盛名的科学家，是改变了我们时空观和宇宙观的物理学家。他在量子力学与相对论等诸多领域树立了科学里程碑。他创立的相对论，改造了牛顿的经典力学体系，震撼了整个经典物理的大厦，照亮了广阔的物理学未知领域，开创了原子能时代，在广义相对论的基础上，又开创了现代宇宙学的研究领域，使人类对于宇宙的认识完全建立在科学的基础之上。第二节雾里看花观宇宙
古往今来，人们为探索宇宙之谜而殚精竭虑。但是，宇宙是如此浩瀚无边，人究竟能不能认识宇宙呢？我们认为，宇宙可以认识，不过，对宇宙的认识能有多大范围，能到多大深度则是个具体问题，它是随时代和人类知识的发展而发展的。对人类目前所达到的探测水平来说，宇宙还是一个充满神秘色彩的无边世界。探索宇宙就像雾里看花、水中望月，虽然不一定很真切，但至少我们看到了一个大体的轮廓。
宇宙有颜色吗
随着灰暗的冬天让位给明媚春天，一幅五彩缤纷的绚丽画卷就会向我们展现开来。对我们太多数人来说，这是我们在地球上既熟悉又亲切的生活的一部分。但是你可能想知道，颜色在我们这个小行星之外是怎样起作用的？夜空只是黑和白的学问吗？或者，假如我们能不受大气畸变的影响而看到夜空中的物体，那么宇宙是否会像一副生动的油画，就像我们从无数杂志和教科书上那些激动人心的彩色照片上看到的那样？
事实上宇宙的颜色常常不同于太多数人所想象的那样。例如在一月份你抬头可看到形成猎户座腰带的三颗星，借着这三颗星你还可以看到猎户座肩头上灿烂的叁宿四和在腰带下方相同距离上更加耀眼的参宿七。参宿四红得象一块火炭，而参宿七则闪烁着蓝白色的光辉。
同样，行星也在色彩上迷惑了我们。海王星和天王星呈蓝绿色。它们的富含氢和甲烷的大气层吸收了大多数其它颜色。我们看到火星常联想到战争，那大概起源于迷信的巴比伦人把火星红色的闪光同血与火联系在一起。其实根据在火星着陆的海盗号宇宙飞船拍摄的照片，火星的表面呈赭黄色。由于火星大气层中漂浮的尘埃，使它透过望远镜而呈现出红色。
木星表面著名的红色斑点确实是红色的，虽然由于汹浦的木星大气中扰动气流的变化常使它的颜色发生很大的改变。然而行星的其它可能有的颜色则更值得怀疑。通常在教科节及期刊杂志中经过计算机美化的木星照片，都没有提到其中的鲜蓝色、红色和黄色都是为了增加反差而被夸大了的。事实上人们已经把修饰过的图像当成了真实，而至少有十年没有看到过真实的木星图像了。
绝对光度和视光度
在天文学中，把天体的真实亮度叫做绝对光度，而把看到的亮度叫做视光度。绝对光度L和视光度f的关系为：L=4πd2f，其中d是天体的距离。由于视光度可以通过观测直接得到，这样，知道了天体距离就可以算出天体的绝对光度，或者，知道了天体的绝对光度就可算出天体的距离。
宇宙形状之谜
从天文学家角度来讲，宇宙是有限的，宇宙的范围实际可以认为是总星系的范围，是一个以一定长度为半径的有限的时间和空间范围，总星系是至今为止天文学家所能探测到的最遥远的世界。目前，我们对宇宙的认识只能到达总星系。
但是，总星系到底有多大？它的边缘在哪里？它的中心又在哪里？宇宙是圆的还是扁平的?这些问题至今仍然是天文学中的不解之谜。
爱因斯坦1915年发表广义相对论，1917年就提出一个建立在广义相对论基础上的宇宙模型。这是一个完全出乎人们意料的模型。在这个模型中，宁宙的三维空间是有限无边的，而不受时间变化的影响。最初人们认为，限和边是一个概念，好象桌面边缘。所以桌面是有限有边的二维空间。如果桌面向四面八方无限延伸，那么，这个平面是无限无边的二维空间。
我们再看一个篮球的表面，倘若篮球的半径为r，那么球面的面积是4πr2，大小是有限的。然而，这个球面是无边的。如果有一个小甲虫在它上面爬，永远也走不到尽头。因此，篮球面是一个有限无边的空间。
爱因斯坦为我们提供了一个静态的、有限无边的宇宙模型。人家为此兴奋不已，我们从此得出一个科学的结论，宇宙是不随时间变化的、是有限无边的。于是，关于宇宙有限还是无限的争论终于可以画上一个句号了。
但是随着时代的发展，人们对于宇宙的认识也在发生着变化，从亚里土多德、托勒密、哥白尼、牛顿到爱因斯坦，人们对宇宙的探索在一点点地进步，我们谁也不能预测哪一天会不会有更新的理论取代爱因斯坦的理论。
毕竟，宇宙是不怕研究的。
天文单位
天文学中的数字往往都十分巨大，人们也常把很大的数叫做“天文数字”。比如我们在日常生活中使用的是“米”等作为长度单位，但天文上经常会使用一些自己的单位。比如，地球到太阳的距离平均为1.49597870×1011米，即约1.5亿千米，天文学家把这称为“天文单位”，简记作Au。在谈论太阳系的时候，就经常会用“天文单位”来表示距离。
宇宙到底有多大
就目前来说，我们所看到的空间范围近200亿光年。1986年，英国科学家斯蒂芬?沃伦等人发现的离地球200亿光年的类星体，几乎是我们可见宇宙的边缘。在这之外宇宙还有多大？边界在何方？这个宇宙大小之谜，几百年来一直困惑着人们。
地球的直径是12756万公里，太阳的直径是139万公里，相当于地球直径的109倍。太阳的体积约为地球体积的130万倍，一个太阳就可以放下130万个地球！如果讲到太阳系，那就更大了。它的直径约为118亿公里。地球在太阳系中，就如同一个小小的乒乓球处在一个直径为33.35公里的辽阔空间里，太阳系之大可想而知。
如果把太阳系放在银河系中看，它又小得可怜。银河系实在大得难以形容，太阳只是银河系中一颗不大不小的普通恒星，银河系中约有1500亿颗大大小小的恒星。这1500亿颗恒星，彼此之间距离是很远的，离我们太阳系最近的一颗恒星叫“比邻星”，它与我们的距离是4.27光年，约为45亿公里。如果坐上宇宙飞船，以每秒16公里的高速前进，也要8万多年才能到达比邻星上面。银河系中的牛郎星与织女星，似乎只有一“河”之隔，实际相隔151万亿公里，拍个电报也要16年后才能收到。茫茫银河系的直径为10万光年，即100亿亿公里，约为太阳系直径的9000万倍，跟银河系一比，太阳系就显得微不足道了。
在我们的银河系以外还有千千万万个银河系。而这千千万万个银河系的整体，又可能只是另一个更大体系的一部分罢了！
另外，据科学另外，据科学家说，宇宙的范围还在继续不断地膨胀，也就是说，每隔几十亿年两个银河系之间的距离增加一倍。
宇宙到底有多大？现在仍是一个未知数。
秒差距
秒差距是天文学中除光年外另一个常用的距离单位，简记作pc。一个秒差距的距离对应着地球公转轨道半径的张角是一角秒，而一角秒相当于1/206265弧度，所以，一个秒差距的距离是2106265个天文单位。即：1 pc=206265AU=206265×1.5 ×1011米=3.1×1016米。对于更大的距离，天文学家常用kpc(千秒差距)、Mpc(百万秒差距)和Gpc(十亿秒差距)来作单位。
宇宙的年龄
宇宙何时起源，它有多大年龄？这是自古以来就使许多哲学家和自然科学工作者们感兴趣的问题。我国古代就有盘古开天辟地的神话传说故事，有“以十二万九千六百年为宇宙之终始”的一种说法。在西方，1658年，英国圣公会的厄谢尔就已“算出”创世的时间是公元前4004年。1755年，德国哲学家康德认为地球的年龄为几百万年。
现在，我们根据放射性元素衰变的规律，地质学家和地球化学家们都可以从岩石里铀和铅的含量比重直接计算出岩石的年龄为40亿年。行星地球以目前固态形式存在的年龄大约是47亿年。由同位素的含量定出的太阳系的年龄的上限为50～58亿年。球状星团中恒星的金属含量表明，它们全都属于从原星系凝聚出来的第一代恒星，因而它们属于银河系中的最古老天体。利用球状星团的赫罗图，我们可以推算出星团和银河系的年龄为80～180亿年，这标志着宇宙年龄的下限。
那么宇宙的年龄究竟是多大呢？按照目前公认的标准热大爆炸宇宙模型，现代宇宙学中所述的宇宙的年龄就基本以这一原初大爆炸的时刻为起算点。
1929年，先驱哈勃首先发现河外星系的退行速度与距离成正比规律，并测出其比值为500公里／秒?兆秒差距。国际天文界公认此比值为哈勃常数。1974年以来，桑德奇和塔曼两人经过多年的辛勤工作，用7种距离指标的方法共同修订哈勃常数，得出的哈勃常数值为50公里／秒?兆秒差距，它们只及哈勃当年测定值的十分之一。按照标准大爆炸理论，如果物质是均匀膨胀的，而它们彼此间又没有引力等相互作用的话，则哈勃常数的倒数就直接给出宇宙的年龄，根据估算，约200亿岁。
宇宙的年龄究竟是不是200亿岁？至今还是个谜。首先，宇宙中的物质不可能没有相互作用，宇宙膨胀不可能是均匀的，因此，我们得到的只能是宇宙年龄的上限；其次，哈勃常数的数值测定与许多因素有关。1975年以来，许多天文学家用不同方法测得的哈勃常数值都在50～100公里／秒?兆秒差与距之间。
1986年国际天文学联合会宣布关于宇宙年龄最好的结果是140～200亿年。至于宇宙有200亿岁的说法，目前仍无法确定，还是一个谜。
造父变星
一些恒星的亮度是在不停变化着的，叫做“变星”。有些变星的亮度变化是周期性的，非常有规律，被称为“周期变星”。造父变星是一类高光度的周期变星，其典型代表是仙王座δ星，它的中文名称是“造父一”，因此人们把这一类变星叫做“造父变星”。造父变星的特点是它的绝对光度与它的亮度变化周期具有一定的关系，简称为“周光关系”。
宇宙有中心吗
大家都知道，在中世纪以前，人们认为地球是宇宙的中心，万物都以它为中心。后来，哥白尼提出宇宙中心是太阳而非地球，这在宗教界引起了大轰动。接着，伽利略通过天文望远镜对宇宙进行观测，以确凿的事实说明天外有天。
此后，牛顿以简洁、优美的公式描绘了物体运动的规律，认为宇宙没有什么中心，只要上帝给一个“第一推动力”就可以了。
问题从表面上看似乎简单了——无限的宇宙中不应该存在什么宇宙中心。但是，事实并非如此简单，人们不久就发现，如果宇宙没有中心，那很多现象就无法解释了。
假如宇宙是无限的，而万有引力定律又普遍适用的话，则在宇宙中的每一点，引力都是无限大的。因此，每一个物体将获得无限大的速度和加速度。但是，事实上并没有发生这种情况，这就是牛顿定律不能解释的引力悖论。
另一个牛顿定律无法说明的现象是光度谬论。这种理论假设宇宙无限大并有无限多的恒星均匀分布在宇宙中，那么通过一些数学计算可以推导出天空无限明亮的结论来，而这又与事实不符。
为了消除这两个矛盾，科学家绞尽脑汁，想方设法提出新的观点来说明问题。
大爆炸理论认为，宇宙不仅在时间上有限，而且在空间上也有限，这样一来，光度和引力的矛盾就得以解决。
一般的宇宙学原理认为，一个观察者无论在任何地方观察他周围的宇宙，得到的结果都是相同的。这也就是均匀性假说，也就是说，在他们看来，宇宙是均匀分布的，不应该有什么中心存在。许多观测事实都有力地证明了这一观点。
但是，一些科学家反对均匀性假说，他们认为宇宙存在中心，天体分布不是均匀的，而是逐级成团的，这个观点也就是所谓的等级模型。等级模型同样可以对许多观测事实进行合理的解释。
就目前而言，均匀性理论和非均匀性理论都有其合理之处，究竟哪一个更符合实际情况，还没有最后的结论。
光年
对更遥远的天体，如恒星和星系，一般使用“光年”作距离的单位，简记作ly。“光年”，是指光在一年的时间里走过的距离。我们知道光的速度是c=299792456米/秒，一年为31556926秒，这样，光年的大小是：1ly=9.46×1015米，即9.46万亿千米。
宇宙中到底有什么？
宇宙是物质的，宇宙间充满了运动着的各种形态的物质。
我们居住的地球是太阳的一个大行星。太阳一共有8个大行星：水星、金星、地球、火星、木星、上星、天王星、海王星。除了大行星以外，还有40个卫星（包括月亮）、为数众多的小行星、彗星和流星体等。这些天体组成了我们的太阳系。
无限的宇宙空间还有无数个像太阳一样本身能发光的恒星，在银河系就有1000多亿颗恒星。在宇宙空间，有着各种各样的恒星。有的恒星光度比太阳大上百倍甚至几万倍，这种星叫巨星或超巨星；光度小的星叫矮星。超巨星的体积非常庞大，有的甚至比太阳系中木星绕太阳运行的轨道还要大。恒星世界中最小的要算白矮星，有的只有地球的几十分之一大。不过白矮星上的物质特别“重”，1立方厘米的物质就有几十公斤、几吨甚至上千吨“重”。不过，1976年发现的中子星，半径只有10公里左右，可是它上面的物质“重”到白矮星也比不上。中子星上面1立方厘米的物质要1万艘万吨级的轮船才能拖得动。中子星还不停地发出脉冲，1秒钟发出的能量相当于全世界15亿年内的用电量。这种星现在已发现了300多颗。
恒星也常常爱好“群居”，有的成双成对紧靠一起，称为双星；有的是3颗、4颗或更多，甚至成千上万颗星聚集在一起，形成一团星，这就是“星团”。银河系里就已发现多个这样的星团。在恒星世界中还发现了2万多颗亮度会发生变化的星星，人们称它们为新星。新星并非是新的星星，只是亮度变大了的星星。
除了恒星之外，还有一种形状像天空中的云雾似的天体称为星云，在银河系内的，我们称它们为银河星云，如猎户座星云。在银河系外的称河外星云。目前已发现的河外星云在10亿个以上，例如仙女座星云。
在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里，充满着一种叫做星际物质的弥漫介质，密度非常稀薄。此外，在广阔的星际空间里还存在有宇宙线和极其微弱的星际磁场。
所有这些天体是不断地运动、变化和互相转化的东西。恒星不断向宇宙空间喷射物质，转化为星际介质，星云、星际介质又在漫长的岁月中凝聚成恒星……
宇宙是无限的，人类对宇宙的探索也是无限的，在广袤的宇宙中，我们必定会发现更多的，尚未为我们所知的事情。
超弦理论
超弦理论从20世纪70年代发展起来，从数学上论证了宇宙应该是大于四维的多维空间。这在实质上是把宏观宇宙和微观宇宙在一定程度上结合起来了。超弦理论所刻划的额外的维都是描绘微观宇宙的，例如原子、基本粒子、强力和弱力以及真空要点等。从这一点出发，也就容易理解那些额外维的物理度量，并能够进一步探讨决定微观宇宙的维究竟有多少。
宇宙间有第五种力吗
物理学告诉我们，宇宙间存在着四种基本相互作用的力，即万有引力、电磁力、强核作用力和弱核作用力。这是主导物理学的基本理论。
但是，有人却对此表示怀疑。
20世纪80年代中期，一位美国科学家提出了一个令人吃惊的观点。他认为，宇宙间存在第五种力，这种力的作用距离是几百米到几千米，比强核作用力和弱核作用力的半径大，但比牛顿万有引力和电磁力的作用半径小。这种力的作用大小可能与质量无关，而依赖于物质所含的质子和中子的多少。
判定在宇宙间是否存在四种基本作用力之外的相互作用力，在人类科学技术的发展中占据了相当重要的地位。100多年以前，有科学家提出了七大宇宙之谜：物质和力的本质、运动的起源、意志的自由问题、生命的起源、理性思维及语言的起源等。在七个谜中，物质和力的本质排在第一位，可见其重要性。看来，第五种力存在与否对人类探索宇宙之谜是非常有意义的。
第五种力的提出不是毫无根据的空想。在一些实验中，科学家已经找到了支持第五种力的证据。在澳大利亚一口深1000米的矿井里、在美国一座高600米的电视墙上、在格陵兰岛上深2000米的冰洞中所做的引力实验探测到了反平方律的变化。
依据牛顿万有引力定律，物质间的引力与它们的质量成正比，与距离的平方成反比，也即反平方。但是，一旦第五种力的存在得到证实，那么在这种新型的力的作用距离内，牛顿的反平方律可能是不正确的，而且这种力的强弱将不由物质质量决定。
当然，还有许多科学家持不同意见。
总而言之，现在肯定或否定宇宙间存在第五种力还为时过早。不过有一点可以肯定，如果实验结果确实显示了牛顿定律的异常，那么必然存在着第五种力。
星等
天文学家经常以星等来表示天体的亮度，星等的数值相差5等，亮度相差100倍，星等的数值越大，天体的亮度就越暗，肉眼可看到的最暗的星是6等星。对应着天体视光度的就是视星等，对应绝对光度的是绝对星等。绝对星等的定义是把天体放到距离为10秒差距的地方时看到的视星等，这样，绝对星等M和视星等m的关系为：M=m+5-5lgd，其中d是以秒差距为单位的天体距离。第三节宇宙里的怪物
在宇宙大观园里，稀奇古怪的东西数不胜数。例如，“黑洞”这个名词已经越来越多地出现在报刊上，这个怪物已经开始走出科学家的研究室进到寻常百姓的生活中来了。若干年之后，它可能会像九大行星一样为普通人所了解，但目前它却是使每个人都感到惊异不止的怪物。至今仍有许多难解之谜，在许多方面向科学家提出了严峻的挑战。
什么是黑洞
你在远处看过山洞吗？它只有一个特征，就是黑！为什么黑呢？并不是从洞里向外发射了什么“黑色”的光，而是根本没有光从里面发射出来。既然没有光从洞里射到你的眼睛里，你就只能看到一个黑的洞了。当然，洞里是空的。有趣的是，根据广义相对论，自然界竟然也有“黑洞”存在，而且是实的，密度甚至达到了无限大。
那么，什么是“黑洞”呢？让我们从万有引力谈起。
根据万有引力定律，地球和宇宙间的一切天体（当然包括太阳和月亮），都具有强大的吸引力，它们能把附近的一切物体紧紧地“抱”在怀里，比如地球引力使地表的物质不能任意飞向空中。人们为了把人造卫星送上围绕地球运行的轨道，发射的火箭至少要有每秒钟8公里的速度，否则，人造卫星也会被地球的引力拉回地面；如果我们进一步要把一只飞船送到火星上去，那就要完全摆脱地球的引力控制，这时，火箭的速度就要达到每秒11公里。天体不同，天体的表面脱离速度也不同。例如，月球的质量小，表面脱离速度就比地球的表面脱离速度小得多；而太阳的质量大，表面脱离速度又要比地球表面脱离速度大许多倍。总之，宇宙中的任何一个天体，都有它自己固定的表面脱离速度，达不到这个速度，任何东西都不可能从它那里飞出来。
宇宙中有没有这样一些天体，它们的表面脱离速度比每秒30万公里的光速都大，以至它所发射出来的光，也要被自己的引力拉住而跑不出来呢？科学家认为从理论上说，恐怕是有的。
近代，有许多的科学家，根据牛顿力学和爱因斯坦的广义相对论，预言了“黑洞”的存在。牛顿提出的万有引力理论认为，一个球形的天体，在它的质量大于太阳质量的倍时，它就可能收缩成为体积无限小，质量无限大的质点，这种现象称为“引力崩溃”。爱因斯坦的广义相对论诞生后，德国科学家史瓦西计算出了一个天体半径，并且认为，在具备这样大小的半径的球内，就有无限大的引力，任何物质只能被它吸引进去，而不能从它那儿解脱出来；连速度极快的光线，也在劫难逃。这个有去无回的地方，人们叫它“黑洞”。
如此看来“黑洞”在理论上得到了颇有分量的证明，那么我们在宇宙能找到这种“怪物”吗？
拉普拉斯的预言
1798年，法国天文学家拉普拉斯就以牛顿力学为基础，预言了宇宙中存在着“黑洞”。“宇宙中最明亮的天体，对于我们来说，很可能是不可见的”。他认为，假如有一个天体，它的密度或质量达到一定的限度，我们就会看不到它了，因为光没有能力逃离开它的表面，也就是说光无法到达我们这里。这其实就是一种“黑洞”理论。
恐怖的黑洞之旅
现在航天技术已相当发达。人类已登上了月球，大概很快就要登上火星了。到其他星体上旅行是人类美好的梦想。那么，到黑洞去逛一回将会有什么奇遇呢？
假定你和你的朋友乘飞船离开地球飞向一个黑洞。在离它相当远时，你驾驶飞船绕着黑洞做圆周轨道运动，把你的朋友放出舱外使他在黑洞的引力作用下向黑洞落下去。他身上带一个发报机，不时地向你发回信号报告他的遭遇。先说他自己感受到的遭遇，在刚离开你时，他不会有什么异样的感觉，呼吸和脉搏都完全正常。当离黑洞越来越近时，他路上仍然自我感觉良好，只是向周周看时，发现周围的星体都加速了。这样，他就越过了黑洞的单向壁进入了黑洞。这时，悲惨的事件发生了：大约在跨过单向壁后的10-5秒的时间内，他就要被摧毁而成为那个“奇点”的“一部分”了。他为探险而牺牲了，但遗体连一点体积都没有，完全消失了!
还在飞船上的你将看到什么景象呢？你的朋友发回的信号告诉你，他的脉搏、呼吸(以及一切生命过程)都慢下来了，你也会看到他的身体越来越短了，这都是引力时间延缓和引力长度收缩的结果。越往后你会发现，他发回的信号间隔拉得越米越长，以至到最后，显示他的钟慢得停下来了，他的脉搏、呼吸都停止了，他好像被冷冻起来了一样，这也就是他跨过单向壁时你所观察到的情况。此后，你就再也看不到他了。你的朋友在黑洞中的遭遇你是无法知道的，你只能带着他已经牺牲的不幸消息返回地球。
奇怪的“奇点”
根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度和空间—时间曲率的奇点。在此奇点，科学定律都失效了，日常的时空观念全部变了。根据狭义相对论，在黑洞中，时间已经“凝固”不再流逝，而空间由于“尺短”效应，进入黑洞的物体仿佛走进了一个没有尽头的隧道，将以光速永远不停地向奇点奔去，但却永远达不到奇点。
寻找“无底洞”
通俗点讲，“黑洞”之“黑”，表明它不向外界发射和反射任何光线，因此人们根本无法看见它；它是一个“洞”，则表明任何东西一旦进入其中，便休想再出来。黑洞其实是个“无底洞”，它似乎处于饥饿的状态，永远也填不饱。因此有人又把它叫做“星坟”。“黑洞”何以有如此奇特的禀性？其实这并不神秘。它具有极其强大的引力场，以至于任何东西——甚至包括光在内都不能从中逃逸。不仅如此，黑洞强大的引力场还足以摧垮其内部的一切物体，故黑洞内部不具备现在所知的任何类型的物质结构。
尽管关于黑洞的理论是正确的，但由于它给出的信息如此之少，以至至今没有一个人敢于宣称，他已经确凿地找到一个黑洞。科学家一直在寻找黑洞存在的证据。
黑洞本身虽然不能直接观测到，其强大的引力场却可以影响附近天体的运动，于是人们可以由后者的行为推测前者的存在。另外，当物质落向黑洞，在接近而尚未抵达其视界时，将围绕着黑洞外围高速旋转，形成盘状或喇叭状，而且这些高速旋转的物质，因摩擦而产生高温，会释放出强大的高能X射线，而X射线人们用仪器是可以探测到的，所以这类高能辐射也是搜寻黑洞的重要线索。天文学家就根据这一点，在浩瀚的宇宙中“大海捞针”。
例如，人们在天鹅座附近发现了奇特的强X射线源，称之为“天鹅X-1射线源”；它与一颗比太阳大20倍的亮星彼此围绕着旋转， 估计这个黑洞具有8倍太阳的质量。在一个名叫M87的椭圆星系的核心，则很可能有一个质量高达90亿倍太阳质量的巨大黑洞。由此，某些科学家甚至作了更为大胆的设想，即在整个宇宙中，“黑洞” 不仅普遍地存在，而且很可能是组成宇宙的关键天体。
设想再大胆也还是设想，只要观测中没有找到可靠的证据，就不能过于匆忙地下结论。“黑洞”究竟存在不存在呢？这仍然是一个谜！
太阳变黑洞
太阳半径为70万公里，如果从太阳表面发射一艘宇宙飞船，那么它发射的初速度至少要达到每秒618公里——即太阳的逃逸速度，才能彻底摆脱太阳引力的羁绊。如果太阳不断地收缩，太阳表面的引力场就不断增强，其逃逸速度自然也随之增大。倘若太阳缩成一个半径仅为3公里的球体，其引力强度就会大得使其逃逸速度达到乃至超过每秒30万公里的光速。这样，就连光也无法越出它的引力桎梏，于是太阳就变成了一个黑洞。
宇宙怪兽如何诞生
长期以来，天文学家一直猜测宇宙潜伏着一头巨大的怪物——黑洞，它吞噬一切一切毁灭一切，是死亡与黑暗的象征。那么，宇宙中的这头怪兽是如何诞生的呢？
有人认为是由于恒星在其晚年，因核燃料被全部耗尽，便在自身引力下开始坍缩。如果坍缩物质的质量大于太阳质量的3倍，则坍缩的产物便是黑洞。此类黑洞的质量一般不超过太阳质量的50倍。还有人认为，由于在星系或球状星团的中心部分恒星很密集，而星体之间容易发生大规模的碰撞，由此产生的超大质量天体坍缩后就形成了质量超过太阳1亿倍的黑洞。也有人认为是在宇宙大爆炸时，大爆炸异乎寻常的力量，把一些物质挤压得非常紧密，于是形成了“原生黑洞”。
由此看来，对于“黑洞”的研究，就不单单是这个神秘的天体存在不存在的问题，而是一个关系到宇宙的结构，天体的起源的大问题。
时至今日，虽然黑洞还没有被真正地捕捉到，但人们对黑洞的存在却是确信无疑的，也许一些星团的中心就是黑洞。持有这种观点的天文学家推测，在我们的银河系的中心，很可能隐藏着一个质量是500万个太阳质量的巨大“黑洞”，由于引力巨大，它将成千上万颗恒星吸引住，这些恒星和气体以极高的速度绕着银河系中心旋转，组成了一个庞大的整体，从而构成了气势磅礴的银河系。
除了大黑洞外，很可能还存在着比小行星还要小的黑洞。甚至还有人认为，地球上也存在着黑洞。当然， 这些还都属于假说。
既然很多人认为，找到和证实黑洞只是时间问题，而不是能否问题，就让我们期待伟大的时间揭晓黑洞之谜吧。
黑洞三毛定律
在黑洞中，通常的物理量都失去了原来的意义。比较不同的黑洞，它们不存在什么半径、密度、温度、化学组成、磁场等的区别，在黑洞中，它们都失去了通常的意义，正因为如此，人们戏称“黑洞无毛”。它们的区别只有三点：质量、角动量和电荷，也正因为如此，人们把黑洞的这三点区别称为“黑洞三毛定律”。
贪婪的宇宙豺狼
1996年 7月，设在美国航空航天局地球轨道卫星上的射线天文台发现了一种神秘天体，它正以光速运动着，所到之处贪婪地“吞食”着恒星和行星。从此，美国大文学家卡尔?塞沃林博士和他的同行们便对其进行密切注视和观测。天文学家还发现，这个宇宙怪物偶尔还闪烁发光。有时还发现，它还能像鳄鱼吃动物尸体一样把恒星和行星“咬”成一个个碎块再吃掉。
从事恒星和全球特异现象研究多年的一位美国著名天文学家说：“在我的天文学生涯中，从未见过这种宇宙怪物。”最初，天文学家将其误认为宇宙“黑洞”，即衰亡并发生星体坍缩的恒星，它具有极强的引力，进而能“吞食”其他天体并将其“粉身碎骨”，还能使时间和空间扭曲变形。可后来，当天文学家对其进行连续观测和详尽研究后才发现，它同宇宙“黑洞”之间有着天壤之别，其中一个最大的差异是，它能从恒星的背后悄悄溜过，还能像一只跟踪猎物的豺狼一样穿越整个字宙空间。
天文学家据此推断，在不远的将来，我们地球也会受到这种威胁，并不排除被这种宇宙怪物吃掉的可能。目前，它正以光速运动着，若照此速度计算，再过1万光年时间它就会到达地球。然而，天文学家认为，我们眼下还尚不清楚这个神秘的宇宙天体究竟是何物，所以难以想像它到底能运动得多快，或许它能以超光速10倍、100倍乃至数千倍的速度运动. 如若果真如此，这个宇宙怪物再有几个月时间便会出现在我们地球附近。
黑洞吸积的光度
在黑洞吸积的过程中，如果吸积的物质比较充分的话，那么黑洞吸积过程所产生的辐射光度是与黑洞质量的大小成正比的 这个光度被称之为“吸积光度”。假设黑洞质量是一个太阳质量，它的吸积光度就是太阳光度的3万倍。而在类星体中的超大质量黑洞，其质量平均为1亿个太阳质量，则吸积光度为太阳光度的3万亿倍。
大公无私的白洞
宇宙空间存在黑洞，这是20世纪科学上最引人入胜的预言之一。作为—种看不见的特殊天体，黑洞蒙上了一圈又一圈的神秘“光环”，令人捉摸不透、莫测其高深。
有正必有反。科学家根据广义相对论提出了另一个预言——白洞。
黑洞吞噬一切进入它边界的物质，是个只知索取的自私分子；而白洞则是最大公无私的天体，它源源不断地向外界散发物质和能量，却不能吸收任何物质和辐射。
那么，白洞从哪里获得如此多的物质和能量呢？它又是通过什么方式获得了的呢？
有一种理论认为，白洞源于黑洞，白洞是黑洞的儿子。黑洞自身其实在获取物质的同时也不断地蒸发物质，不过这种蒸发和质量成反比，一个质量像太阳那么大黑洞，约1×1066 年才能蒸发殆尽，而原生小黑洞则会在1×1018分之一秒内蒸发干净。蒸发使质量减小，质量变小之后蒸发速度又加快，在这种相互促进中，黑洞的蒸发越来越快，最后终于变成了一个不断喷发物质的白洞了。
另一种看法是，宇宙是从爆炸开始的。如果原来爆炸时，致密得难以想像的爆炸“奇点”中的某一块因特殊原因而存留下来，那么，当它再度膨胀时，就具有白洞的全部特征了，这就是所谓的“迟核”理论。
还有一种说法是，在不止一个宇宙的前提下，一颗在我们宇宙中形成黑洞的恒星将从另一个宇宙中以白洞的形式出现。这并不是空想，也有其理论基础。
由于白洞包含超高密度的物质并有巨大的能量，科学家常把它与宇宙射线爆发、类星体、超新星爆发等联系起来研究。当然，找到白洞的谜底尚须时日。
爱因斯坦的质量能量公式
爱因斯坦根据它的狭义相对论，证明所有的物质都是和相应的能量联系在一起的。如果物质的质量为m，则它所具有的能量E为：E=mc2，其中c是光速。这就是爱因斯坦的质量能量公式。这样，一克物质的能量如果全部释放出来的话，相当于燃烧近万吨煤所放出的热量。在地球上，氢弹爆炸时的热核反应是释放能量最有效的手段，但这也只是将氢原子核所对应能量的0.7％释放了出来。
探究隐身衣后的宇宙
在茫茫的宇宙中，恒星间相互作用而形成许多有规则的轨道运动，但是，有些运动却找不到对其作用的相应物质。于是，人们就设想，在宇宙中或许存在着我们看不见的物质，就像穿上了隐身衣的人一样，他虽然在做一些动作，比如拿起凳子，放下架子，但是我们却找不到他的踪影。这种人们看不见但又确实存在的物质就是所谓的暗物质。
科学家们很早已指出，为了说明恒星的运动，需要假定在恒星附近存在着暗物质。一些科学家的理论分析也表明，在太阳附近确实存在着与发光物质几乎同等数量的看不见的物质，星系团中也存在着大量的暗物质。
那么这些暗物质究竟是些什么东西呢？
天文学家认为，它们也许是一般光学望远镜观测不到的某种非常暗弱的矮星或者是质量为木星30～80倍的大行星，因为天文学家已在望远镜所拍摄的天空照片上发现质量不足半个太阳的Ｍ型矮星。
从探测到的Ｍ型矮星的数目可推断出，它们的质量只相当于在银河系应有的失踪质量的一半，并且每一颗Ｍ型矮星发光期最多只能有几万年，所以人们认为银河系中一定存在许许多多的这些小恒星燃烧后的“尸体”，这才足以提供理论计算所需的全部暗物质。
至今，已有不少天文学家认为，宇宙中绝大多数的物质是以“暗物质”的方式隐藏着的。但是，这些暗物质到底是什么东西？它们究竟势力有多大？我们能利用它们做些什么？还有待人们进一步观测和研究。
暗晕
大量的观测结果和理论分析表明，漩涡星系外围存在着大质量的暗晕。对于这些暗晕的组成成分，英国天文学家认为有三种可能：第一种就是上面讲的小质量恒星或大行星；第二种是很早以前由超大质量恒星坍缩而成的相当于200个太阳质量的大质量黑洞；第三种是奇异粒子，比如总质量很大的中微子等。
时空隧道之谜
爱看科幻小说的人对“时空隧道”一定非常熟悉：通过时空隧道，老人能亲眼回顾自己的童年；现代人也能步入未来世界去领略种种新事物；人们还可能回到更古老的年代去与恐龙一起漫步……这样的故事吸引着我们。那么，时空隧道真的存在吗？
有位著名的科学家提出了一种理论，那就是令人惊奇无比的“虫洞”理论。什么是虫洞呢？科学家们作了个“望文生义”的比喻，虫洞正是“虫咬的洞”。你可以想像眼前有一只大苹果，上面有一只苍蝇，如果这只苍蝇想到苹果的另一面去，它能采取的办法只能是飞过苹果的表面绕到另一面去。换个角度，如果不是苍蝇而是有尖牙的虫子呢？它的最短途径还是绕苹果表面爬过去吗？它可以选一条最短的路径，用它的牙齿在苹果上咬个洞爬过去，这个虫咬的洞就是虫洞。当然，虫洞在苹果这样的三维空间上是毫无奇特之处的，如果把三维曲面扩展到我们在活的这个四维曲面的世界，虫洞就成为四维空间中可能存在的多连通结构了。
这样一来，虫洞概念在四维空间中就容易理解了；它是空间的“短路”现象，是时间与空间整体结构上的一个洞，是通向宇宙更遥远地方的通道，它把原来相距很远的点联结在一起了。
时空隧道的想法虽然近乎于“幻想”，但它不乏科学依据。早在相对论提出之时，爱因斯坦就曾经预言，在密度极大的物质周围，空间和时间将会受到影响而发生“畸变”，结果可能在宇宙中发现一条通道，它可能会通向宇宙中的任何一个地方，甚至是几十亿光年之远。
如果虫洞真的存在的话，人类可能克服时间的限制，穿越时间隧道，回到过去，走进未来，去领略美好惊奇的非现在世界了。
那么，人们能否找到或制造这种能穿越时空的虫洞呢？目前科学家们还不能肯定。即使虫洞理论成立，我们也不得不承认，以人类现有的技术水平，别说制造虫洞，就连寻找虫洞也不可能。或许，地球外的某种智慧生命已经掌握这种技术了吧！
反物质
现代物理学发现所有的基本粒子都是成对的，成对粒子的质量是相等的，但所带的电荷或其他特性是相反的。比如有带负电荷的电子，就有对应的带正电荷的正电子；有带正电荷
的质子，就有对应的带负电荷的反质子；有中子，就有对应的反中子。我们把自然界存在的质子、中子和电子等以及由它们组成的各种物质统称为“正物质”，而把相对应的反质子、反中子和正电子等以及由它们组成的各种物质统称为“反物质”。第二章探奇揽胜九重天第一节天空中奇妙的“河”
在盛夏、秋初的晴朗夜晚仰望星空，你会看到一条淡淡的光带从东北向南横贯天穹，宛如奔腾的河流一泻千里，这就是我们太阳系所在的家园——银河系。茫茫的银河有多“长”?我们身居在银河系如何知道它的模样?近年在银河系内又探测到了哪些新的奥秘?让我们在本章向朋友们细讲。
版本不一的神话
在晴朗无月的夏夜，抬头仰望天空，在深蓝而又暗灰的天幕下，有一条模糊的、白茫茫的光带，好像奔腾的河流，银光闪闪、浩浩荡荡地从南到北穿过天空，这就是银河，又叫银汉，也就是民间传说中的天河。
古往今来，美丽而又带有神秘色彩的银河，引起了多少遐想。触景生情，借题发挥，许多关于银河的神话应运而生，流传至今。
古埃及人认为银河是天神铺撒的麦子，印加人说银河是金色的星尘，爱斯基摩人(现称因纽特人)把它看作条雪路，阿拉伯人认定它是天上的河流，玻里尼西亚(中南太平洋上的一个岛)人却认为它是吞食乌云的鲨鱼。真是见仁见智，不一而足。
在非洲的博茨比纳，银河常常在天幕的中央，正好位于他们的头顶之上，沙漠里的游牧部落把高悬在上空的银河称为“夜的脊梁”。他们把天空描绘成一头巨兽，银河则是其脊椎，没有银河的支撑，天就会塌下来，正是“天欲堕，赖以柱其间”。
在中国，银河是横亘在相爱的牛郎织女之间的一条不可逾越的鸿沟，牛郎、织女的自由相爱冒犯了天廷，王母娘娘勃然大怒，用银簪划出一条天河——银河，把他们隔开，每年，只在“七夕”(农历七月初七)那一天，牛郎织女才能渡过鹊桥相聚，一诉衷肠
在古希腊，故事又有所不同，大神宙斯是个不忠实的丈夫，为了使他与阿尔其墨涅所生之子赫拉克勒斯成为最伟大的勇士，乘妻子天后赫拉熟睡之际，把孩子放在她的胸前，吮吸天后的乳汁，赫拉被咬痛，从梦中惊醒，妒火焚烧，怒将孩子推开，乳汁喷洒而出，流成了河，银河的英文名称Milky way(乳汁之路)即源于此，它似乎启发我们：正是苍茫的天穹，哺育着地球和地球上的各种生命。
神话不是科学，但它寄托着人们的情思，当我们转向科学的探索时，不妨把这些神话留在美好的记忆之中。
定位银河
在天空中找到牛郎星和织女星，找到它们之间明亮的十字形星座(天鹅座)，沿着它的长轴方向，就可以看到银河。银河最亮的部分是从天鹅鹰、天鹰座到人马座这一段，这里，有许多美丽的星团和星云。在南天，当银河达到天鹅座与天蝎座之间时，光带似乎又分为两支，其间是暗黑的一块，称为裂隙
银河系的奇妙结构
在晴朗的星空中，有一条横亘天穹的光带，被人们称做“银河”。实际上它是由群星和弥漫物质集成的一个庞大天体系统，称做“银河系”。
我们平常所见的满天星斗，初看好像同“银河”没有关系，其实它们不仅同“银河”里密密麻麻的星星一样，而且还都属于银河系“一家子”哩！这就是说，满天星斗，包括我们的太阳系在内，什么巨星、矮星呀，什么变星、新星呀，什么双星、聚星呀，什么星团、星云呀，统统都是组成银河系这个庞大恒星集团的成员。
我们的太阳不过是组成银河系的1000多亿个恒星中的一个。要在太阳系里看清楚我们自己所在的庞大的银河系的真实面貌是不容易的。但是，随着科学技术的进步，这件事情我们现在终于办到了。
作个形象的比喻，整个银河系好象是包在“棉絮团”里合在一起的两片“铜钹”。我们把扁圆形的“铜钹”叫做银河系的“银盘”，把“铜钹”中心凸起的部分叫做银河系的“银核”，把包裹在“铜钹”周围的“棉絮团”叫做“银晕”。“铜钹”的四周较薄，越靠近中心越厚，中心部分尤其凸出。“铜钹”范围里的恒星很密，“棉絮团”里的恒星很稀，1000多亿个星星，绝大多数都聚集在“铜钹”里。
那么，这个巨大的“铜钹”——银河系究竟有多大？根据最近的测定，“银盘”的直径大约是10万光年，也就是说，从“银盘”的这一头发出的光，要经过10万年的漫长岁月之后，才能穿过“银核”到达“银盘”的另一头。“银盘”的厚度各处不同，中心部分最大厚度达16000光年，边缘地带很薄的地方有1000光年上下。
一下子恐怕你还想象不出银河系有多大吧？为了使我们对银河系的大小有个更明确的概念，我们设想把银河系缩小10000亿倍，这时候，太阳变成象一粒芝麻那么大，最大的行星——木星变成象一粒灰尘，我们的地球小到必须用放大镜才能看见，地球到太阳的距离被缩小到只有15厘米，整个太阳系的直径也只剩下12米左右，但是，银河系有多大呢？直往100万公里！你想想，在一个直径100万公里的银河系里，可以容纳得下多少个比灰尘还要微小的地球啊！
星系分类
几千年来，人们一直靠肉眼观测天空。因此，长期以来人们习惯于恒星高悬天空的现象，很自然地把那些辐射主要来自其中各个恒星的星系称为正常星系。其余能在可见光外其他波段发出更强辐射的星系，则统统称之为活动星系。其实，每个正常星系都有不同规模的活动，也可能都经历过活动的阶段，所以，这种分类带有一定的任意性。
银河系悬臂的秘密
如果某一天你拥有了超能力，能够跃出我们的地球，在太空中观察我们的银河，你会惊奇的发现，旋转的银河系周围有4条美丽悬臂，在太空中婆娑起舞！天文学家分析，在这4条旋臂上，恒星、星际物质非常密集，而在旋臂之间恒星和星际物质却很稀薄；旋臂处恒星和星际物质的密度大约是旋臂之间密度的10倍。
我们的太阳系以每秒250公里的速度在悬臂中穿行，大约2.5亿年转一圈。这其中，它平均6千万年在悬臂中，8千万年在悬臂外，恐龙是在悬臂外灭绝的，而我们在悬臂中诞生，这或许让我们对悬臂充满好感。那么，这些旋臂是怎样形成的呢？
早期，人们认为旋臂上的恒星和弥漫的星际物质是固定居住在那里的“居民”。但是，1942年瑞典科学家林德布拉德对此提出了异议。他认为，银河系的旋臂不是由一些固定恒星组成的，因为果真如此的话，银河系的悬臂会因为里面比外面转得快而越转越紧。也就是说，随着时间的推移旋臂会变得越来越密。然而，直到目前并没有找到这方面的任何证据。他提出了旋臂结构的密度波理论，即认为，旋臂是恒星在各自的轨道运行中由于某种原因速度不同而密集和疏散各异的一种动态现象。
1964年以后，中国的天文学家发展了密度波理论。他们认为，恒星在绕银心旋转时，绕转速度和空间密度都是波动变化的。当恒星和星际物质进入引力势较低的区域时速度变慢，显得恒星密集，密度极大的波峰处就呈现为旋臂的图像。这如同有的街道汽车运行受阻就行驶变慢因而出现塞车，而有的街道车辆畅通无阻行驶很快看起来车辆就稀疏一样。恒星和星际物质运动有快有慢，川流不息，因而就呈现出有不同旋臂的旋涡图像。
翘曲的银盘
最近，英国牛津大学的天文学家利用欧洲空间局伊巴谷卫星，发现了一批离我们有1600光年远的蓝星，它们都朝着银河系的边缘方向运动，致使银河系的银盘形象发生了不匀称的翘曲变形，这种翘曲从太阳轨道内侧就开姑了。这说明银河系正在不断改变着自己的风貌。
太阳是银河系的中心吗
早先人们以为太阳是银河系的中心，正像一开始人们把地球看成是太阳系的中心一样。如果太阳真的是在银河系的中心，那么在我们的中心位置观看“天河”，任何方向恒星的密度分布都应该是差不多的，而且越向外面恒星的密度越稀。但是事实却不是这样。我们看到的“天河”，在人马星座的方向上又宽又亮，越往远处，星星不是越稀而是越密。这就告坼我们，太阳不在银河系的中心，银河系的中心应该在人马星座方向的某个位置上。
后来的许多观测实践都证明了这一点。
那么我们的太阳系究竟在银河系的那个位置呢?
首先，太阳不是在“棉絮团”的“银晕”中，而是在“铜钹”的“银盘”里。太阳也不在“银盘”中间的对称平面上，不过离开对称平面很近。也就是说，太阳基本上在两片“铜钹”的中间，离“铜钹”上下两面的距离差不了多少。
其次，根据最近的资料，太阳既不在“银盘”的中心，也不在“银盘”的边缘，而是在离开“银盘”中心27000光年，或者离开“银盘”边缘23000光年的地方。
太阳在银河系里的位置决定了我们看到的“天河”——银河系的面貌。
因为太阳系处在星星密集的“银盘”里，所以从我们地球上顺着“银盘”的方向看过去，看到的星星密集得多，这就是“天河”。它象一条白色的亮带，环绕着我们的地球。
因为太阳系不在“银盘”的中心，所以我们往“银盘”的中心方向看去，星星更加密集，从这个方向看到的“天河”， 就是夏天晚上看到的比较显眼的“天河”，往“银盘”的边缘方向看去，星星比较稀少，从那个方向看到的“天河”，就是冬天晚上看到的另外半圈比较暗窄的“天河”。
物质交流
最近，空间探测揭示出银河系和它的近邻里系大麦哲伦云与小麦哲伦云之间有气流相互作用。从这些近邻恒星系统涌出的气流，叫麦哲伦气流。此气流的迹线长达银河系直径的2倍。此外，在这条麦哲伦气流的对面还观测到有另—条细细的气流，它的迹线表明，从麦哲伦云到银河系平面之间有气流连续运动，似乎要把银河系“割裂”，这奇观壮景真是令人震惊。
银河的运动之谜
春夏之交，晴夜无月，群星弄眼，脉脉传情，夜境显得分外宁静，好象天空里少了个什么似的。留神看，哦，“天河回家”去了，怪不得夜景这般寂寥！
其实，“天河回家”并不罕见。“运动是物质内存在方式”，宇宙间一切都处在永恒不息的运动之中。月球在自转，同时绕着地球公转；地球在自转，同时绕着太阳公转；太阳在自转，同时绕看银河系的中心公转……从地上看大空，只觉得天旋地转，日、月、星、辰都有升有落，时隐时现。“天河”即属庞大的恒星集团——银河系的一部，当然也是一样。
那么，你知道银河系是怎么运动的吗？一般来说，银河系的运动分为整体的运动和内部的运动。让我们先来看看银河系内部的情形吧。
我们知道，整块的固体物质(比如我们的地球)绕轴自转的时候，各个部分旋转一周所需要的时间是一样的，离开自转轴越远的地方旋转的速度越大。银河系是由上千亿个恒星组成的，它的自转同整个固体物质的自转情况不同。从银河系的中心往外，开始一段各个恒星的旋转周期相等，离中心越远的恒星旋转速度越快。但是过了一定界限以后，情况变了，离银河系中心更远的巨星，旋转速度不仅不再增加，有的甚至反而降低，于是它们统着银河系中心旋转一周所需要的时间也越来越长。
为什么银河系的内部运动这么奇怪，现在还说不清楚。我们只知道在我们太阳处，围绕银河系中心旋转一周，大约需要2亿年的时间。在上一旋转周时，地球上是恐龙的一统天下，转了一周之后，恐龙灭绝，后来地球便成为人类的天下了。真是翻天覆地的变化！太阳的年龄只有50亿年，所以太阳从诞生到现在围绕着银河系中心，总共只不过旋转了25圈。这似乎表明，太阳的旋转速度是很慢的，其实用地球上的尺度来衡量，其速度大得惊人，达到250公里/秒！问题在于，太阳所转的这个大圆圈实在是太大了!
银河系除了自转以外，它作为一个整体还在无边无际的宇宙空间里运动着。人们已经提出了一个初步的结果，认为我们的银河系携带着全部恒星，目前正以每秒211公里的速度朝着麒麟星座的方向疾飞猛进！
这样一来，我们所知道的银河系在宇宙空间里的运动，就好比是一个滚动着的车轮，一面在自转，一面在不停地前进！
γ射线晕
80年代初，γ射线天文卫星完成了对整个银河系的γ射线探测，发现在银河系的高银纬处存在着弥散的γ射线辐射。1997年11月，科学家又进一步找到银河系存在巨大γ射线晕的证据。观测到的γ射线图像表明，除了已知的点源和在银心区的辐射增强外，还有延伸到高银纬的大尺度弥散的γ射线辐射，笼罩整个银河系周围，称为γ射线晕。
银河系形成之谜
我们所看到的银河，是由无数大大小小的星星组成的。这些星离我们非常远，肉眼不可能分辨出一颗颗单独的星，看上去就形成了一条白花花的银河。其实，辽阔的太空中，哪有什么天河。
在银河系中球状星团内都是些老年星，他们至少有100亿岁的高龄，换句话说，它们是银河系里最早形成的天体。我们的银河系的年龄至少比它们大。天文学家根据大量的观测事实提出了银河系形成的许多假说，这里我们介绍一种主要模型。
很久很久以前，宇宙中有许多浩大的星云，其中有一个质量至少包含现在我们银河系的总质量、密度分布不均匀的气体云，它在自身的引力作用下不断地收缩凝聚，内部逐渐形成许多密度较大的球状团块，每个球状团块至少有10万倍的太阳质量。这些团块在自身引力作用下进一步收缩，而且它们比银河系整体收缩得更快，最终破碎成许多小块密度凝聚区，它们就是新生的恒星。众多的恒星和星际气体物质形成了球状星团，这些球状星团在空间成球状分布，并在空间沿圆轨道运动。其余的气体云继续塌缩，压扁成盘状，核区的气体物质塌缩得最快，所以核区密度最大。由于物质的角动量是守恒的，伴随着气体云的塌缩，引力能的释放加速了旋转，这就形成了银河系的自转。在核区内都是老年星，在银晕的球状星团里也聚集着高龄的老年星，而在银盘里居住的大都是些中、青年星。从银河系形成起至今，我们的银河系一直不断地成长和发展。
上述描述只是银河系形成的简化模式，它忽略了伴星系及内部磁场的作用，也没有解释银河系的细致结构及旋臂的形成。我们知道，银河系并不是孤立的，它的诞生与生命历程都要考虑与邻近星系的相互作用。最近哈勃望远镜探测到，距离我们银河系中心5万光年的人马座矮星系正朝着银河系方向下落，将在几亿年内被银河系吞食掉。由此可见，绝不能忽视星系之间的相互作用。
至于这种理论正确与否，同样有待新的探测研究来证明。
碰撞星暴说
我们的银河系与河外星系的碰撞与合并在其形成与演化的历程中起着重要的作用。最近，宇宙学家提出一种“碰撞星暴”的假说，即认为两个星系之间碰撞时，气体云朝着较大星系的中心聚集凝结，在此同时，气体云的小密度凝聚块以非常高的速度凝结，并发生爆发，形成恒星。第二节多姿多彩的河外星系
我们的银河系在宇宙的汪洋大海之中只是“沧海一粟”，在银河系以外是一个更为广阔、蔚为壮观的河外星系世界。著名的大麦哲伦云、小麦哲伦云及仙女座大星云等都是河外星系。众多的河外星系千姿百态、神采各异；有的正在孕育形成，有的风华正茂，有的已历经沧桑处于暮年；星系之间有的互相连接，也有的在分裂瓦解或互相吞并。展现在人们面前的是一个神奇壮观、魅力无穷的星系世界。
河外星系是怎么发现的
在广袤无垠、浩渤辽阔的宇宙海洋中，肉眼所见的天体，绝大多数是银河系的成员。那么，银河系就是通常所说的宇宙吗？远远不是!人类的认识能力是无限的，随着科学技术的发展和观测工具的进步，对宇宙的探索逐步迈向深处。现在已经认识到，在宇宙中存在着数以亿计的星系。为了同我们的银河系相区副，人们把它们叫做“河外星系”。
人们发现的第一个河外星系是是“仙女座大星云”。我们之所以把它叫“星云”，也是因为人们开始并没有认清它的真面目，以致把它同我们银河系的星云混为一谈的缘故。后来随着观测技术的进步，人们终于能够把它里面的一个个的恒星分辨出来，这才最后肯定它也是像我们银河系一样的庞大的恒星集团。
为此，天文学家还进行过异常激烈的辩论呢，辩论的主题便是“仙女座大星云”究竟是在银河系内还是在银河系以外，辩论的双方是沙普利和柯蒂斯。
在20世纪初，由于天文学观测手段的进步和理论的发展，沙普利等人确定了银河系的中心和银河系的大小。只是当时还不知道银河系中到处存在的星际介质对光线有吸收作用，使得沙普利得出的银河系的尺寸非常大，因此他当然认为仙女座大星云是在银河系内的。
但是，柯蒂斯根据仙女座大星云中的新星爆发而计算出星云离我们的距离超过了银河系的大小，从而认为它是银河系以外的天体，应该是与我们银河系一样的星系。柯蒂斯当时还不知道仙女座大星云中爆发的其实是超新星而不是新星，超新星的真实亮度要比新星大多了，因此仙女座大星云的真正距离要比柯蒂斯计算的还远得多。
这个争论最后被美国著名天文学家哈勃给解决了。哈勃利用当时世界上最大的胡克望远镜拍摄了仙女座大星云的照片，星云的外围已被分解为恒星。通过仔细观测，哈勃发现了星云中的“造父变星”，从而精确地测定了仙女座大星云的距离，证明了仙女座大星云远在银河系之外。
现代天文学测定出仙女座大星云离我们的距离为220万光年，它的个头比银河系还大上一倍，它也是距离我们最近的旋涡星系，由此可想宇宙是多么巨大!
造父变星
造父变星是一种变星，它们的亮度是周期性的变化。天文学家观测一批在小麦哲伦云中的造父变星时，发现它们的绝对光度，也就是它们的真实亮度，是和亮度变化的周期有关系的，这个关系被叫做“周光关系”。造父变星的亮度变化的周期越大，它们的绝对光度也就越大。这样，不论是多远的造父变星，只要测出它们的亮度变化的周期，就知道了它们的绝对光度，也就能够确定它们的距离。这样，造父变星便被誉为宇宙中的“量天尺”。
奇妙的“宇宙岛”
银河系里星星的分布情况决定了我们的星空景色。同样地，各个河外星系里星星的分布情况也决定了它们自己的星空景色。从这个意义上说，河外星系就是“天”外的“天”。
大家一定很想看看这“天外天”的壮丽景色。但是遗憾得很，因为它们离开我们实在太远，所以除了极个别的例外，我们用肉眼简直是什么也看不见的。
即使是那几个我们用肉眼看得见的河外星系吧，看起来也很不显眼。比如，离开我们最近的两个河外星系——“大麦哲仑星云”和“小麦哲仑星云”，“大云”在剑鱼星座，“小云”在杜鹃星座，“大云”直径约3万光年，“小云”直径约2.5万光年，它们离开我们银河系的距离是16万到18万光年。从我们地球上看来，大、小麦哲仑星云就是两个发亮的云雾状斑点，一点特别的地方也没有。大、小麦哲仑星云只能在南半球的天空里看到。在我们北半球的星空里，唯一能够见到的河外星系是“仙女座大星云”，离开我们大约有220万光年。
打个比方说，假设银河系是10千米大小的“岛屿”，那么18千米外是大小麦哲伦云星系，而仙女座大星云则离开有220千米。这样，宇宙中的一个个星系确实像汪洋中的孤岛一样，成为名副其实的“宇宙岛”。
那么，现在我们能够看到的最远的“岛屿”离开我们有多远呢?
1958年，有人用五米直径的望远镜看到了一个包含有60个星系的星系团，离开我们有60亿光年。后来随着观测技术的进步，又有人找到了一个100亿光年远处的星系。
100亿光年！这就是说．光从那里射到我们地球上，需要100亿年之久!地球的历史总共不过50~60亿年，所以我们现在看到的从那上面射来的光，其实早在我们地球形成以前很久很久(40~50亿年以前)就射出来了。
但是，宇宙是无边无际的。100亿光年以外还有数不清的星团和星系，100亿光年远的星系还没有超出总星系的范围。总星系有多大？它的边缘在那儿？它的中心在何方？这些问题我们到现在还没有弄清楚。
康德与“宇宙岛”
1755年，著名的哲学家康德在提出太阳系起源的“星云说”的同时，便指出我们看到的一些星云实际上是和银河系一样的星系，只是离我们太遥远了，才看起来像是一个模糊状的星云。据此康德提出了“宇宙岛”的概念，就是说各个星系如同一座座岛屿一样分布在宇宙中，而我们的银河系仅仅是其中的一个岛屿，整个宇宙就是由无数个“岛屿”所组成的系统。
百变星君
18世纪以前，在人们的眼里，宇宙实际上只是太阳系。随着科学技术水平的提高，人们的认识扩展到银河系，眼界扩大了1亿倍，又有人认为银河系大概就是整个宇宙了。不久以后河外星系的发现宣告了这种学说的破产，人类对于宇宙的认识范围扩展到了总星系。
作为总星系的一员，河外星系到底是什么模样？它们彼此之间是“一奶同胞，相差无几”，还是“龙生九子，各有不同”？随着科学的发展，借助于各种先进的望远镜，“河外星系”的模样终于展现在我们面前了。
最常见的一种河外星系呈旋涡形，叫“旋涡星系”，占已经发现的河外星系的80%。旋涡星系从核心部分往外螺旋式地伸展出若干条旋臂，形成旋涡状结构。从正面看去，它有完全舒展的形状，好像江河海水里的旋涡一样。从侧面看去，绝大部分的恒星和星际物质都集中在扁扁的圆盘内，像个圆饼的样子。
还有一种星系叫椭圆星系，约占已知河外星系的17%，有的呈椭圆形，有的近乎圆球体，还有的是梭形。这类河外星系比旋涡星系要小一些，没有旋涡结构，星云和星际物质也少。
再有一种星系叫棒旋星系，数量很少，形状也很特别，像是一根长长的棍棒，棒的两头有向不同方向伸出的旋臂。大、小麦哲仑星云就属于棒旋星系。
最后一种星系叫不规则星系，它们的形状不规则，不像其它星系那样有一定的结构形式。我们已经看到的不规则星系数量极少。由于它们又小又暗，不容易被人发现，所以实际上不规则星系可能要比我们看到的多一些。
你看，银河系外不仅还有“银河系”——河外星系，而且河外星系竟是那样的琳琅满目，品种不少哩！
不同的发展阶段
现在人们认为，不同类型的星系代表着不同的发展阶段：不规则星系是比较年青的星系，旋涡星系和棒旋星系是中年的星系，椭圆星系则是年老的星系。银河系属于旋涡星系，处于中年期，年龄不小于1000亿年。
成群结队的伙伴
现在，我们用大望远镜已经看到了许许多多的河外星系。往往在一个满月大小的星空区域里，就可以找到500多个河外星系。据估计，在我们银河系周围5亿光年的范围里，河外星系的总数大约是1亿个！
这样自然就出现了一个问题：一个个的河外星系是被此孤立的吗？它们之间有着什么样的关系呢？
事实上，同星系里的恒星关系一样，一个个的星系本身也是按照共同的运动规律聚集在一起，成群结队地在宇宙中游荡。由两个星系聚集在一起的叫“双重星系”，由三个星系聚集在一起的组成“三重星系”。此外还有“四重星系”、“五重星系”等等。我们的银河系就同大、小麦哲仑星云一起组成为一个三重星系。在19个离开我们最近的星系里，约有一半是属于双重星系或多重星系的。
十几个或几十个星系还在一起组成为“星系群”。我们的银河系同它周围的19个星系组成了一个星系群，这个星系群的直径大约是260万光年。
比星系群更高一级的星系组织是“星系团”，它是由成千上百个星系组成的。室女星座里有一个星系团，包含1000个以上的星系，离开我们大约2000万光年。更大的一个星系团在后发星座里，距离我们2.4亿光年，包含有2700个星系。北冕星座里有一个包含400个星系的星系团，离开我们更远，光从那里照射到我们地球上，整整需要7亿年之久!
我们已经发现的河外星系团有几千个。这一个个的河外星系团还有集合成为更大的物质系统的现象，这就是所谓的“总星系”。
总星系是整个宇宙，还是宇宙的一个角落？随着社会生产的发展和科学技术的进步，我们将会看到越来越大的世界吗？等我们找到了我们所在的总星系的边以后，会在总星系之外发现新的总星系吗？
星系分布
20世纪80年代，天文学家发现宇宙中的星系分布十分复杂。比如，在宇宙中有些地方，众多星系构成了像长城一样的“星系巨壁”，而有的地方却没有什么星系，形成了宇宙中的“空洞”。在今天，天文学家就是通过研究星系在宇宙中的分布来确定宇宙的结构、宇宙的演化和星系的形成等重要问题的。
星系大火拼
尽管星系间的距离十分遥远，却也不是“鸡犬之声相闻，老死不相往来”。除了星系常常会成群结队外，有时两个星系之间还会发生冲突，甚至还会互相吞并。
1934年，美国天文学家基难在叶凯士天文台发现了一对奇特的星系，在它们中间存在着像桥一样的物质，把两个星系连起来。到20世纪50年代，兹威基等人指出两个星系之间因为万有引力的相互作用而破坏了星系的正常形态，就会出现物质桥这样的现象。到80年代，天文学家发现星系之间不但会互相干扰，两个星系甚至会发生碰撞，并进而上演“大鱼吃小鱼”的星系并合的现象。
星系间的碰撞并不是像我们所想的那样，来个硬碰硬的撞击。实际上，在两个星系的引力场作用下，星系中的恒星和气体等物质在万有引力的作用下重新分布。两个星系在接近时，由于它们的强大引力而将大量星体给拉了出来，形成很壮观的桥梁、尾巴和圆环。有时，引力相互作用使它喷射出两条巨大的尾巴，就像昆虫的触角一样。
当两个星系靠得太近而陷入了它们共同的“势力范围”内时，这两个星系会继续扭曲，甚至分裂对方。最后，在未来的几十亿年内，它们会渐渐融合，从而形成一个共同体——一个新的而更大的星系。
天文学家们已使用计算机来模拟出星系大冲撞的各种样子，而哈勃空间望远镜也发现了大量的星系碰撞的例证。现在，天文学家认为今天所看到的星系，包括银河系，都是由一些小的星系在几十亿年前发生并合而产生的。因为在宇宙早期，星系之间的距离比较近，一些小的星系经常碰撞和并合，从而形成今天所看到的较大的星系。
星暴星系
在星系发生相互作用的时候，会在星系中心聚集大量的气体和尘埃，从而大规模地诞生出恒星来，这种星系被称为“星暴星系”。星系的并合使得新恒星不断产生，这种过程往往是非常激烈的，把大量的热气体吹到星系外面。由于星暴星系中存在着大量的气体和尘埃，这使得它们辐射出很强烈的远红外射线。第三章探寻星际空间的“暗箱”
当我们提到宇宙空间时，我们往往会想到那里是一无所有的、黑暗寂静的真空。其实，这不完全对。恒星之间广阔无垠的空间也许是寂静的，但远不是真正的“真空”，而是存在着各种各样的物质，而且还会上演一幕又一幕的“宇宙大戏”。那么，到底空阔星际之间有哪些物质在游荡？这些“宇宙大戏”大戏的场面又有多么壮观？就让我们打开这个“暗箱”，慢慢欣赏吧。第一节瀚海星云的秘密
恒星固然可以组成美丽的星座图案，但这些图案只能凭借人们的想象力而存在。用望远镜观察，恒星只是一个个单调的光点，真正美丽的是由星际物质组成的各色各样的星云。星云是宇宙中最强大的射电源之一，它本身又具有复杂的物理结构，尤其是在其中发现了脉冲星以后，天文学家们更是对之刮目相看。现在就让我走近星云的世界去一探究竟。“火凤凰”的涅槃
西方有一个古老的关于“火凤凰”的美丽神话。火凤凰原是生活在阿拉伯沙漠中的一只神鸟，其寿命长达几百年。在它自感生命即将衰竭时，就会筑起一个由香木组成的巢窝，并从中发光自焚。烈火烧尽了它身上的污秽，于是在一片灰烬中它又获得了新生……如此循环不已，神鸟就得到了永生。
从星云中脱胎而出的恒星，就像是一只“火凤凰”。在漫长的岁月中，它走完了一生，有的又变成了星云物质。经过曲折的过程，从这些灰烬（星云）中又会孕育出新的恒星。也有人把星云和星比作鸡和蛋的关系，星云中生出了恒星，恒星又转化为星际间的弥漫物质……如此循环不已。由此可见，宇宙中耀眼的星星固然十分重要，但也不应冷落暗淡的星云。它实在是宇宙无限发展循环中不可缺少的中间环节。
星云的研究起步很晚，这是因为除了个别特例外，它们都在肉眼所见的范围之外。凭肉眼可见的云絮状的光斑仅只4个：仙女大星云、猎户大星云、大麦哲伦云、小麦哲伦云，但惟有猎户大星云才是真正的银河系中的云状物质。在冬天的晴夜中，观测条件良好时，人们可从猎户悬挂的宝剑中见到一团“云气”。最引人之处是在那儿发现了许多原恒星、红外星、天体及球状体，可见它是正在孕育出新恒星的“温床”，因而备受天文学家的青睐。
星云也是千差万别的：有的如美丽的玫瑰，有的似柔软的丝巾，有的如地图上的北美洲……真是千姿百态，变幻无穷，似乎很惹人喜爱，但在18世纪望远镜的威力还很小的时代，它们都毫无动人的风采。在小望远镜的视场中，它们“千人一面”，都是黄豆般大小的一小块模模糊糊的云絮状光斑，简直与还未长出尾巴的彗星无异，因此只有那些专门研究彗星的人才肯在它们身上花些工夫。法国天文学家梅西耶所以着力编纂世界上第一本星团星云表（即M星表），正是为了防止犯下这种“指鹿为马”的错误。
星表和星图
几千年来人们苍穹中的繁星，一代一代不断地观测，得到了恒星精确坐标，然后将它们编制成星表和星图。大地天文工作者，观测这些具有精确坐标的恒星，就可以测定大地上各点的天文经纬度和大地边的天文方位角。所以星表和星图是大地天文测量很重要的工具。
怪名字的由来
1779年，英国有一个名叫威廉?赫歇耳的乐师磨制了一架反射望远镜。虽然它的口径只有6.5 英寸（16厘米），焦距长2米，但质量却相当出色。每到夜幕垂临，他常带着比他小12岁的妹妹，一同用这架望远镜观察有趣的星空。他决心要巡视整个天区，结果在天琴座内发现了一个略带淡绿色、边缘相当清晰的小圆面。赫歇耳深知，恒星在他望远镜中决不会变成绿色圆面的，它倒有些像太阳系中的行星（如火星、木星那样），因而把它称为“行星状星云”。后来，赫歇耳终于成了一代天文宗师，荣任英国皇家天文学会首任会长。正是他那显赫的声誉，使这个名不副实的怪名字一直沿用到今天。
后来，人们用大望远镜仔细端详了这些奇特的圆斑，发现原来它们乃是一些动人的环状星云。乍一看去，宛如美丽的戒指，仔细审视，还可发现，“戒指”中央往往还有一颗白色或蓝色的恒星，就像镶嵌在戒指上的一枚华贵的宝石。
随着望远镜的增大，行星状星云的数目也很快增加，在1940年时人们仅知130多个，但到1977年已达到1237个。通过大望远镜，人们更看清了它们的庐山真面目，原来它那环状或盘状的星云内，还有纤维、小弧段、气流、斑点等精细结构。并且，还发现了一些形状奇特的行星状星云，如位于狐狸座内的M27，就是一个很有名的“哑铃星云”，其外形与锻炼身体的哑铃酷似。
研究后表明，行星状星云气壳内的物质稀薄得难以想像，以致天文学家宁愿用粒子密度来表示——每立方厘米中只有102~108个原子。所以即使以105个原子/厘米3计算，可以作如下比喻：如果切一条长达日地距离——1.5亿千米、截面为10平方米的体积，其总重仅只0.15克左右！它们都在不断地向外膨胀，膨胀的速度约1015千米/秒。由此可见，天长日久，它们将变得越来越稀薄，并最终完全消散在广袤无垠的宇宙。
数量
现在所发现的1000多行星状星云，都分布在银道面的两侧，因而有人认为，肯定还有更多的行星状星云被暗星云挡住了，进而得到太阳附近行星状星云的平均密度是每千立方秒差距中30~50个。按这样的比例推论，银河系中应有4~5万个行星状星云，即现在发现的仅占2%~3%。“天马行空”的秘密
在我国《山海经》中记述着一种“天马”：“马成之山，其上多文石，其阴多金玉。有兽焉，其状如白犬而黑头，见人则飞，其名曰天马，其鸣自詨（詨同叫）。”后来人们把汉代西域大宛产的好马称为天马。1969年在甘肃省一个东汉古墓中，还出土了一件铜质的天马。现在，“天马行空”已作为武威市的市徽，耸立在市中心的广场上。
有趣的是，古人出于想象的东西，经常可在茫茫的宇宙中找到对应的天体。天空中有个大名鼎鼎的猎户座，在它的腰带中星附近，用大望远镜仔细观测，在茫茫一片星光中，可以见到一匹回首长嘶的“骏马”，这就是大名鼎鼎的“马头星云”。与猎户星云不同的是，它如同皮影戏的“影子”，又像照相中的底片。天文学家称这类明暗颠倒的星云为暗星云。暗星云与亮星云并无本质的区别，它们都是银河系中较密集的弥漫物质。只是亮星云比较“幸运”，它们中间有明亮的恒星把它们照亮了，我们见到的是它们反射的这些恒星光。暗星云则只是因为它们附近没有明亮的恒星而已。
其实，银河系中暗星云应该是很多的，有人甚至认为一些亮星云本身是被一个更大的暗弱的暗星云包围着。但不少暗星云的“运气”比马头星云、S星云等更糟，不仅没有恒星来照亮，连后面可以映托出它们容貌的星光也没有，这样人们也就视而不见了。幸得现在天文学家不仅有了光学望远镜，还有红外望远镜、射电望远镜，它们可以帮助天文学家一臂之力，尤其是“哈勃”太空望远镜，更是在探测暗星云中大显身手，有众多惊人的新发现。
近年来，一些人主张把似云非云的球状体也划归暗星云的范畴。因为它们除了体积略比一般暗星云更小一个数量级、密度大几个数量级、形状比较规则外，其他便几乎没有什么不同了。何况现在人们发现的几百个球状体，也多集中分布在暗星云的周围。这无异表明，二者之间确有密切的“血缘”关系。到底是什么样的关系呢？现在还说不清楚。
区别
暗星云与亮星云是有一些区别的。它们的直径似乎略比亮星云小，最小的暗星云质量只有太阳质量的千分之几。而且暗星云中所含的固态尘埃物质大约占1%~2% ，这比亮星云中的比例要高得多。尘埃粒子的大小约为0.1微米左右，它的成分主要是铁、硅、镁、镍及其氧化物、石墨、冰晶等。
宇宙中的横行将军
古诗曰：“不到庐山辜负目，不食螃蟹辜负腹。”螃蟹，人称“无肠公子”、“横行将军”。它是人间桌上的珍品，也是天文学家的“座上宾”——宇宙中有一只、也仅此一只千年不衰的“大螃蟹”。它虽然硕大无比，可凭人的肉眼却看不到，必须用较大的望远镜才能窥知它的尊容。18世纪时，法国天文学家梅西耶把它列入“梅西耶星团星云表”上的第一号“人物”，记为M1。
19世纪中叶，英国一位酷爱天文学的罗斯伯爵，通过10多年的不倦努力，前后花了12000英镑的巨资，终于在1845年造出了一架超过威廉?赫歇耳的大望远镜，并一度称雄世界。它那块大镜头的口径为72英寸（184厘米），重达3.6吨。这架望远镜的镜筒是用厚木板制成的。为了加固，外面套上了许多铁箍。这个木制镜筒直径为2.4米，长17 米，竖起来有6层楼那么高。为了使这架庞然大物不受大风的影响，罗斯只能把它安置于两堵高墙之间，它们都有17米高、22米长。夹在中间的大望远镜可以在南北方向的子午面附近自由转动，但要在东西方向运转却很困难。罗斯对自己的成果得意地称之为“列维亚森”，这是《圣经》中一种巨兽的名字。
1848年，罗斯仔细观测了M1星云，发现它原来是一个形状不规则的云雾块，中间还有许多明亮的细线纵横交叉。他想到了八足两螯的“横行将军”，故称它为“蟹状星云”。这个形象而奇特的名字一直沿用至今。
寻找“大螃蟹”
蟹状星云位于金牛座内，角大小为7’×4’ ，距离太阳1.9千秒差距，由此可算出它的实际大小是12×7（光年），总质量约为二三个太阳质量。它的可见光不算太强，但总辐射（包括从射电，红外到紫外、X射线、Y射线）却比太阳强几万倍，为1031焦耳。
慢慢长大的“螃蟹”
蟹状星云没有辜负天文学家赋予它的美名，秀丽的外观在星云中可算得上出类拔萃，细心端详，真好象一只大螃蟹团伏在那里。更有意思的是，这只天蟹居然还真的会动，不仅会动，而且在一天天长大起来。
1972年，美国天文学家对比了相隔12年的照片后发现，这只“螃蟹”还在不断长大。几年后，有人算出了它的膨胀速度为1100千米。这样不难从现在7光年的直径算出，大约在900多年前，这只“螃蟹”差不多还只是“卵”样的一点！
只是欣赏或堆积资料算不了科学，科学需要分析和思索。既然蟹状星云是在向外膨胀，那么它当初应该是怎样的呢？900多年前到底发生了什么事？
事有凑巧，人们发现我国古代史书《宋会要辑稿》中有载：“至和元年（1054年）五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”参照其他史料可知，它爆发于1054年7月4日，最亮时白天也可见到它，一直到1056 年4月6日才从肉眼中消失，在天空中出现的时间长达643天。通过反复论证，蟹状星云正是这次“天关客星”超新星爆发后的产物，所以称之为“超新星遗迹”。因为我国史料有众多的记载，故这颗超新星也常称为“中国超新星”。
超新星遗迹本身就是当代天文学中最热门的研究课题之一，因为它涉及超新星爆发原因及爆发以后如何演化的问题。但研究超新星又谈何容易，谁能预见哪颗星将会爆发？所以只能从历史资料中去搜集蛛丝马迹，而蟹状星云则提供了最生动的实例。它是所有超新星爆发记录最周详的，也因为有这些资料才证实了“超新星遗迹”，证实了恒星演化理论。蟹状星云是超新星遗迹中的佼佼者。
中微子失踪之谜
根据理论的语言，在恒星的热核反应中会放出大量的中微子。20世纪50年代，美国的戴维斯决定探测来自太阳的中微子。他坚持了30年时间，才探测到约2000个中微子。与太阳中微子理论的计算值相比，观测到的中微子只有不足一半，这就是有名的“太阳中微子失踪之谜”。
透视天蟹的心脏
美丽的珍珠埋藏在珠贝里，如果不是细心的渔夫把珠贝打开，谁也不会相信这些闪闪发光的珠宝竟藏在这些小小的壳壳里。天蟹看上去是那么蓬松，谁又会想到它这里也同样埋藏着一颗“明珠”呢？
实际上，蟹状星云的中间有一颗“中心星”，蟹状星云里的许多现象都与它有关。人们一直把这颗星叫做“中心星”，其实这个叫法并不确切。当时为了避免“喧宾夺主”，才起了这样一个名字，它的真正名称应该是“脉冲星PSR0531+21”。
PSR0531+21是脉冲星中的“上品”，在许多方面，它堪称脉冲星之冠。它是一般脉冲星中脉冲周期最短的，为0.033秒，这说明它的自转是每秒钟30 圈——比飞旋的马达还快得多，其赤道线速度更是快得无法想象。PSR0531+21的发现，证实了科学的恒星演化理论，也证明了超新星与超新星遗迹、脉冲星之间的演化关系。这颗脉冲星特别有价值的另一点是，除了射电脉冲外，它还发出可见光脉冲、红外线脉冲、紫外线脉冲、X射线脉冲及丁射线脉冲，是脉冲品种最齐全的难得的“样品”，为人们用各种手段来研究脉冲星开了方便之门。
明珠只是把皇冠装饰得更美，而这颗脉冲星还充当着整个天蟹赖以生存的“心脏”。
蟹状星云是一团非常稀薄的气体，别看它样子动人，还有许多名目繁多的结构花样，但它自身却不能产生任何能量。蟹状星云每秒钟耗费的能量大约是1038尔格。我们知道，太阳1秒钟发出的能量相当于l万亿亿度电，比全世界每年的发电量还大1千多万倍，而蟹状星云发射的能量相当于10万个太阳。此外，蟹状星云本身的膨胀还要消耗巨大的能量，据计算，它比辐射消耗的功率还要大。如此庞大的能量消耗，谁来维持呢？能源只有一个，就是埋藏在里面的脉冲星。蟹状星云里的这颗明珠从诞生起就一直“供养”着天蟹，真是名副其实的天蟹的“心脏”。等到脉冲星的能量耗尽了，“心脏”停止跳动，美丽的天蟹也将慢慢失去它的光辉。
体积与质量
据统计，星云的边界虽然不很明显，但直径大致为1~300光年间，平均约为几十光年。因其体积庞大，所以在银河系中，星云的质量小的也有太阳质量的十分之几，大的竟可达几千倍太阳质量，平均为10M左右。蜘蛛星云是迄今所知的最大的星云。据测定，它的直径达170秒差距，是猎户星云的34倍，总质量为106M。第二节震撼寰宇的奇观
在深邃的宇宙中经常发生极其强烈、震撼寰宇的奇观，有时是星体“复仇”，有时是星系“厮杀”，有时是“喷泉如林”，有时是“天体爆发”……它们携带着宇宙更深层次与天体内部核心的秘密，向人们提供了重要的信息，因此对于探索宇宙深处的奥秘具有极为关键的作用。
惨烈的殊死报复
彗星、流星这类小天体看拟势单力薄，却往往有“惊天动地”的举动。
慧星撞击木星——这发生在我们眼皮底下的天体相撞事件和宇宙奇观，想必大家到现在还记忆犹新、印象深刻。这次事件的肇事者——苏梅克—列维9号慧星，是由美国的一对天文学家夫妇——卡罗琳苏梅克和尤金?苏梅克以及他们的朋友和合作者大卫?列维在1993年3月共同发现的。他们当时发现了一颗新天体长相有点怪，一个拉长的压扁的天体，经天文台观测证实，确定是颗新慧星，只是慧核已碎成21块，串珠般地一字排开，长达16万千米以上，可以绕地球4圈，就像一辆包括20来“节”车厢的“彗星列车”。从地球上看过去，长度相当于满月直径的1／30，苏梅克一列维9号彗星成为迄今为止形态最奇特的天体之一。
过去名不见经传的彗星，引起了天文学界的广泛关注。他们认为敲碎这颗彗星的大力士不是太阳，而是“行星之王”——木星。这颗彗星在飞向太阳系的路途中，曾一度与木星表面接近到只剩4万千米，与中心相距11万千米。要知道，在木星周围大约存在19万千米的“辖区”，木星的强大引力作用担当着管理工作，既然彗星成了不速之客，木星也就施展威力把本来凝聚力就比较弱的来客碾碎了。
紧接着，美国哈佛史密松天体物理中心的马斯登等人，预告了一个更惊人的消息：根据计算出来的彗星轨道，苏梅克—列维9号彗星正处在一条最终将与木星相撞的轨道上。1994年7月下半月的某个时候，彗星碎片将在好几天里频频撞向木星，似乎要对火星进行殊死的报复。
于是全世界的目光齐齐转向慧星、木星，天文学家都组织了起来，把最先进的观测仪器和设备织成了一张“慧木碰撞监测网”。这次大碰撞持续了5天，其中一块直径为3.5千米的彗核，撞击木星后，产生的烈焰升至1600千米高空，形成的撞击点相当于地球面积80％，释放能量相当于3亿个原子弹同时爆炸，在经过一连串撞击后，木星上留下的直径为1万千米以上的创面就有8个。
射电天图
在天空中布满了各式各样的射电源，有的天区密集，有的天区稀疏，有的强，有的弱，有的紧密的像一个小点，有的展布到一定的面。把这些源按照它们的位置、强弱、大小绘制成一张图——射电天图，就展现了一幅跟肉眼看见的星空景象很不相同的射电天空景象。
星系相撞之谜
1994年7月的“彗木之吻”使天文学家们亲眼目睹了一场天体大撞击的宇宙奇观和悲剧般的后果。然而，这不过是在太阳系内一次普通天体撞击现象。倘若两个对面飞驰而来的星系相撞，或彼此“擦肩而过”，那便是天体力学上一个惊人庞大的宇宙过程，要从头至尾观测完这一过程需花费几亿年的时间，即使是几十代天文学家的辛勤努力也难以胜任这一天文观测任务。
1997年10月底，美国天文学家们借助修复后的“哈勃”太空望远镜拍摄了一张发生宇宙大悲剧的照片——触角星云中的两个大星系相撞，发生悲剧的地方距离我们6300万光年远。“哈勃”在瞬间拍下这一星系撞击的宇宙悲剧的同时，又在这一“瞬”的宇宙尺度内拍下100多个新诞生的恒星群。
这些细微宇宙照片使天文学家们大为震惊，他们通过亲眼目睹这一星系大撞击的宇宙奇观才如梦方醒，原来，星系之间并非相互隔绝，也并非静止不动，恰恰相反，它们相互撞击，融为一体并贪婪地“吞噬”着它们的“近邻”，与此同时，爆发出强烈的闪光并突然冒出火光，改变着自己的形状。
为了全面揭示和研究星系相撞会导致什么样的悲剧性后果，日本天文学家借助计算机和数学模拟系统，总共只用了几小时的时间就完成了通常需要几亿年时间才能完成的一项星系碰撞模拟实验。
在实验现场显示出两个相撞后相互作用的星系之间出现的遥远异地的宇宙奇观：在对撞的两个星系之间出现光桥、光尾、纽带状和圆盘状星系的扭曲变形等现象。但模拟计算并不能对相互作用星系的某些特性做出解释，比如：两个星系相撞时的颜色为什么往往跟单个星系的颜色截然不同？两个星系较高的x射线亮度与什么有关？
如今，天文学家还尚不知晓星系相撞的模拟实验是否跟实际上的天文观测相吻合。
宇宙射线
宇宙射线是指来自宇宙空间的各种高能粒子，主要是质子，即氢原子核，其次是氦原子核，和少量的其他种类的原子核，以及电子、中微子和高能光子等。1912年奥地利物理学家黑斯利用高空气球发现了宇宙射线，从而获得了1936年的诺贝尔物理学奖。
宇宙喷流之谜
1917年，美国的柯蒂斯观测到一个奇妙的天文景观：在室女星座方向的椭圆星系M87西北方向上，有一束又细又直的发光带，很像是星系喷出的流体。它笔直地指向透镜星系M84的方向，距离达5000光年，人们认为它是联结星系M84和M87的物质“桥”。那到底是什么东西呢？
原来，那是一种河外星系的喷射现象，在宇宙中相当普遍，天文学家形象的称之为宇宙喷流。大的喷流速度可高达20万公里/秒，延伸长度可达百万光年，相当于太阳到地球距离的100亿倍；由它带出的能量相当于1000万棵恒星质量全部转化得到的能量，实在是用诸如“宏伟”、“壮观”等汉语词汇也难以表达其规模和气魄的万分之一！喷流的形态是各不相同的，有单侧的喷流，有双极的喷流， 有直有弯，有对称的，也有反对称的。
这种壮观的景象是怎么发生的呢？人们发现，大到星系的喷流，小到新生原恒星和年轻星体的喷流，都被厚厚的气体云或尘埃云包裹着；再加上喷流是在超高密、超高压、超高温等条件下发生的，这就无法用实际观测和科学实验的方法弄清喷流的形成之谜。目前，人们能做的，只是对这种现象做出较为合理的推测。
有一种磁力线假说，认为宇宙间的稀薄气体因引力作用而相互聚合，在磁场对荷电粒子的作用下，一个与原始宇宙磁场相垂直的盘形成了。这个盘的旋转使磁力线发生扭动，在靠近盘的地方这种扭动尤其剧烈，磁场能量越聚越高，就产生了“磁压”，这种“磁压”把物质推出去，喷流就形成了。
还有一种假说设想存在一个旋转的黑洞，带动周围气体运动，因为与中心距离不同，气体的转速也不同，气体间就会有摩擦，一部分气体逐渐向中心“吸积”。于是中心就变成了一个高温高压的辐射场，辐射压使气体盘形成了一个喷口，气体就不断地喷射出去。
像很多未经证实的理论一样，这两种说法都是天文学家所做的科学假设，目前对喷流的问题下定论，还为时尚早。
红外线辐射
早在1800年，英国著名天文学家赫歇尔在观测太阳光谱时，利用温度计发现了红外线辐射。但直到20世纪60年代，由于红外探测技术和空间技术的发展，红外天文学才得以迅速发展。因为地球大气的吸收，在地面上只能探测几个近红外波段的“小窗口”，而远红外波段的观测则只能到大气层以外进行。“喷泉如林”的奇景
高温高压的地下水，透过岩层罅隙，夹带着团团白色蒸汽啸叫着喷出地面，冲向半空，在那里化为无数五光十色的珍珠碎玉，飘飘扬扬，洒回地面。这就是自然界的奇观——喷泉。可以想象，这种现象如果不是发生在地球表面，而是发生在茫茫太空，又将是何等壮观啊。经过长期探索，夭文学家已经发现，我们居住的银河系里的确存在着规模宏大的冷热气体的环流现象，这就是银河喷泉。
当我们的目光超越地球和太阳系的狭小天地，投向广袤无限的宇宙空间时，就会发现如同人类聚居于城市和村镇一样，恒星也是聚集在大大小小的恒星城市——星系里的。我们的太阳寄居其中的银河系，就是一个具有一千亿颗以上恒星的中等“星城”。银河系中游漫着巨大数量的星际气体尘埃物质。由于受银盘中心平面内恒星的引力作用及银河系旋转运动的影响，绝大部分气体被压缩成巨大的旋臂束缚在中心平面附近，厚度不及银盘直径的百分之一。这些貌不惊人的星际气体，却在天体物理学舞台上扮演着重要角色。
银盘内星际气体较密的地方，原子和分子会彼此吸引而相互结合，逐步形成稠密的暗星云，这里正是恒星孕育形成的场所。当一颗大质量恒星演化到晚期寿终正寝的时候，会发生灾变性的超新星爆发。爆发产生的激波会压缩暗星云而触发形成新一代恒星的过程。同时激波把周围气体加热到100万度以上的高温，具有巨大动能的高温气体克服银盘引力急速上升，一直到达远商银盘的高空，形成所谓高速云。随着高度的增加，高速云逐渐减速和冷却，气体又重新凝聚并在引力作出下降落回银盘，这一循环现象就是我们所说的银河喷泉。
我们知道地球大气在太阳的加热作甩驱动下进行着复杂的流动，造成了风、雪、雨、雹等多种天气现象。银河喷泉发生的机制与此类似，只不过规模和能量都要大得不可比拟罢了。据估计，银河系内大约每100年就有一颗超新星爆发，比之于星系存在的时间而言，这不过是瞬息之间。因此，银河喷泉的发生是此伏彼起、极为频繁的，整个银河系真可说是“喷泉如林”。
探测宇宙射线
宇宙射线在进入地球大气后，会发生作用而产生很多其他的粒子。一般把进入大气前的叫做“初级宇宙射线”，而把它们与大气作用后产生的粒子叫做“次级宇宙射线”。使用地面上的粒子探测器来观测次级宇宙射线，就可以测量出初级宇宙射线的各种性质。
X射线爆发之谜
你可曾知道，在茫范的太空中，有着许许多多的“X射线源”？它们不停地发射自强烈的X光。由于X射线不能穿透地球大气，所以长期来，人们不能发现这些X射线源。最近几十年，随着空间天文学的发展，天文学家们已能通过发射到空间轨道上的望远镜观测来自宇宙的X射线了。但X射线爆发是怎样产生的，至今仍是众说纷纭。由于新探测到的X射线爆发没有一个和已知天体对应，因此产生了各种各样的假说。
有人认为，X射线爆发是引力波与引力透镜效应二者结合的结果，也有人认为来源于脉冲星或中子星，各种说法不一。
1979年3月5日，科学家们又探测到一次X射线爆发，这次爆发的强度极高，比以往最强的X射线爆发强几十倍，爆发的脉冲上升时间极短，比一般的X射线爆发短几百倍。另外，它爆发的时间也极短，整个爆发阶段只持续120毫秒，爆发的形态极特殊，爆发源的方向与已知天体方向完全一致。
有人分析，这次X射线的爆发方向同大麦哲伦云中超新星爆发遗迹N49相符。它距地球约18万光年，如果这次爆发真的来源于N49，那么它应该是河外源，可能来自一颗中子星。也有人认为，X射线应产生于银河系以内，距地球不超过1000光年。
前苏联科学家萨格吉也夫在观察哈雷彗星时，发现它的核比预计的要暗得多。他认为，并不是彗星撞击中子星的表面产生了X射线爆发，而是当彗星穿越中子星的磁场时，在彗星中感生出强电流导致其蒸发。从彗星散发出来的带电物质使中子星磁场“短睡”而产生X射线爆发，越经中子星磁层的彗星要比撞击中子星表面的彗星多一些。萨格吉也夫认为，大多数X射线爆发发生在星际空间的彗核穿越与其本无联系的中子星之时。有些天文学家却发现，有时同一方发生不止一次X射线爆发。萨格吉也夫认为是来自围绕着中子星的云中的彗星引发的。
X射线到底为什么爆发，科学家们目前还没有形成统一的观点，所以仍是个谜。
X射线
X射线是波长介于紫外线和γ射线间的电磁辐射。1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线，又称“伦琴射线”，为此，伦琴在1 901年获得了第一个诺贝尔物理学奖。之后，X射线以其穿透力强而得到了广泛的应用，比如在所有的医院里都有X光机。但长期受X射线辐射对人体有伤害 。
伽马射线暴之谜
伽马射线是比X射线的能量还要高的一种辐射，在原子弹爆炸时会产生大量的伽马射线。冷战时期，美国发射了一系列的军事卫星来监视全球的核爆炸试验，在这些卫星上安装有伽马射线探测器，用于监视核爆炸所产生大量的高能射线。
侦察卫星在1967年发现了来自宇宙空间的伽马射线爆发，也就是来自宇宙空间的伽马射线在短时间内突然增强的现象，人们称之为“伽马射线暴”。这个发现直到1973年才公布出来，随后，不断有高能天文卫星对伽马射线暴进行监视，差不多每天就能观测到一两次的伽马射线暴。
伽马射线暴的持续时间很短，长的一般为几十秒，短的只有十分之几秒。而且它的亮度变化是复杂而无规律的。但伽马射线暴所放出的能量却十分巨大，在若干秒钟时间内所放射出的伽马射线的能量相当于几百个太阳在其一生（100亿年）中所放出的总能量!
比如说，在1997年12月14日发生的伽马射线暴，它距离我们远达120亿光年，所释放的能量比超新星爆发还要大几百倍，在50秒内发出的伽马射线能量就相当于整个银河系200年的总辐射能量。这个伽马射线暴在一两秒内，与除它以外的整个宇宙一样明亮。在它附近的几百千米范围内，再现了宇宙大爆炸后千分之一秒时的高温高密情形。比之更甚的是在1999年1月23日发生的伽马射线暴，它所放出的能量是1997年12月14日的伽马射线暴的10倍，这也是我们目前已知的最强大的伽马射线暴。
到今天为止，我们对伽马射线暴的成因还不清楚。有人猜想它是两个中子星或两个黑洞发生碰撞时产生的，也有人猜想是大质量恒星在死亡时生成黑洞的过程中产生的，但这个过程要比超新星爆发剧烈得多，因而叫做“超超新星”。
伽马射线
伽马射线是在20世纪初人们研究放射性衰变时发现的。1948年以后就有人进行过宇宙伽马射线探测，但未成功。1958年莫理圣从理论上预言某些天体可能发射强的伽马射线，接着发现了太阳的伽马射线爆发。以后又发现了弥漫宇宙伽马射线背景辐射、来自银盘的伽马射线辐射以及宇宙伽马射线暴。第四章疑云笼罩的一家人
太阳系是一个庞大的天体系统，也是个大得不能再大的家庭。太阳就好比严厉的父亲，他有好多宝贝儿子，其中最受宠的是8大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。另外，他还有一个漂亮的女儿，那就是月亮，千百年来不知多少文人墨客、科学巨擘为之倾倒。我们生活在太阳系中，相对来讲对它们的了解应该会多一点，但是知道的越多疑问越多，至今太阳系中还有很多秘密等待着我们继续探索……第一节走近“阿波罗”
在绚丽多彩的希腊神话中，太阳神被称为“阿波罗”。他右手握着七弦琴，左手托着象征太阳的金球，让光明普照大地，把温暖送到人间，是万民景仰的神灵。那么，这位伟大的太阳神与周围的行星是什么关系？他“脸上”怎么会不时长“雀斑”？他的构造和能量还有哪些秘密？
太阳与行星有血缘关系吗
在太阳系中，几颗大行星围绕在太阳身边，就像亲密的一家人。那么，太阳和这些行星之间有没有“血缘关系”？这些大行星是太阳的“亲生子女”还是被太阳“收养”的？两个多世纪以来，许多卓越的思想家也在探讨这个问题，并提出了种种假说，其中较为盛行的，主要有以下几种观点。
灾变学说：这个学说的首创者是法国的布封，20世纪前50年，又有一些科学家相继提出太阳系源于灾变。这个学说推断太阳是先形成的。在一个偶然的机会中，一颗恒星（或彗星）从太阳周围经过（或撞到太阳上），它把太阳上物质吸引出（或撞出）一部分。这部分物质后来就形成了行星。根据这个观点，行星物质和太阳物质具有相同的来源。它们有“血缘”关系，或者说太阳和行星是母子关系。
星云说：这种观点的首创者是德国伟大哲学家康德。几十年以后，法国杰出数学家拉普拉斯再次提出了这一问题。他们一致认为，整个太阳系的物质是由同一个原始星云形成的，星云的中心部分产生了太阳，星云的外围部分产生了行星。然而康德和拉普拉斯也有分岐之处，康德认为太阳系是由冷的尘埃星云的进化演变，先形成太阳，后形成行星。拉普拉斯则持相反意见，认为原始星云是气态的，且温度较高，因其迅速旋转，先分离成圆环，圆环凝聚后形成行星，太阳的形成要比行星晚些。虽然他们之间有如此明显的差别，但是他们的大前提是一致的，因此人们便把他们的观点合二为一，命名为“康德—拉普拉斯假说”。
俘获学说：这个学说认为太阳在星际空间运动中，遇到了一团星际物质。太阳通过自己的引力把这团星际物质俘虏了。于是，这些物质在太阳引力作用下加速运动。如同在雪地里滚雪球一样，逐步变大，最后形成了行星。根据这个学说，也是太阳先形成，但是行星与物质没有“血缘”关系。
尽管以上假说都有充分的观测、计算和理论根据，却都有致命的不足，所以直到今天也没有一种被普遍认可的假说。太阳系起源之谜还有待进一步探索。
太阳档案
质量：1.989×1030千克
日地平均距离：约149598000千米
半径：69600千米
亮度：3.85×1023千瓦
表面温度：5780开氏度
中心温度：1300万开氏度
自转周期：26.9天（赤道）
寿命：100亿年
太阳“脸上”的“雀斑”之谜
在诗人的笔下，每天早晨从东方地平线上冉冉升起的红日是最美丽的了，它仿佛是天上的仙女青春靓丽的面庞，漂亮极了。可是，如果你仔细打量，就会发现这天上仙女秀丽红润的面庞竞然也长有“雀斑”！那么，这太阳上的“雀斑”叫什么呢？它们又是怎样产生的呢？
据科学家们介绍说，平时我们看到的太阳上的暗黑的斑点，在天文学中叫做“太阳黑子”。黑子的中心部分最黑，叫做“本影”。本影周围亮一些，但比其他部位还是暗—些。
据说，黑子是太阳上物质激烈运动的一种现象，它们是一种巨大的漩涡形状的气流，是由于太阳上的天气活动而形成的。打个比方吧，就像是地球上大气的运动会形成热带台风一样，黑子也可以说是太阳上的“风暴区”。不过，这种“太阳风暴”比地球上的台风要猛烈得多。平时，10级以上的台风就大得不得了啦，在海洋中的船只如果不提前躲进避风港，就很可能被强台风掀翻。然而，地球上的这坚强台风要是拿到太阳上就根本不算什么了，因为，地球上最大的12级台风，风速每秒也不超过50米，可太阳上的黑子风暴，气流运动的速度竟会达到每秒钟1000米~2000米以上，想想看，那太阳风暴是多么强烈啊！
就像地球上潮涨潮落很有规律、呈周期性变化一样，太阳上的黑子变化也呈周期性变化。经天文学家们长时间观察，发现太阳黑子变化的周期一般在11年左右。也就是说，太阳中的黑子有的年份多些，如果从某一黑子年份最多的时候开始观察，就会发现在以后几年中黑子数目会逐渐减少，减少到一个最小的数日，大约经过11年以后，又逐渐增多，然后又征逐渐减少，如此循坏往复，无休无止。另外，有人将我国各地五百年来的水、旱、寒灾的记录进行分析，发现也有11年的周期，与太阳黑子活动的周期相对应。
目前，天文学家主要利用在太空飞行的欧美联合研制发射的太阳观测卫星“SOHO”对太阳黑子活动进行考察。尽管如此，科学家对太阳活动特别是太阳黑子活动的了解还微乎其微，只能提前3天预报太阳黑子活动的最高峰和太阳风暴的到来。太阳剧烈活动、太阳黑子爆发、太阳风暴对地球的具体影响以及如何预防，还有待于科学家进一步研究。
金乌
我国古典小说常样这样的话：“不觉金乌西坠，玉免东升。”玉免是月亮，金乌就是太阳。太阳为什么叫金乌呢？我们的祖先从油面的太阳反射现象中，很早就发现了太阳中的黑子，因此编出了其中有乌鸦的神话，所以称太阳为金乌。
太阳是不是单身汉
我们知道，太阳有儿——大行星，有女——月亮，那他的妻子呢？怎么没听人提起过？难道他至今还是孤独的单身汉？其实在几十年前，天文学家就提出了这个问题。天文学家对此进行了认真的考察和计算，得到的结果是：太阳是一个独身者。
由于没有得到新的材料，这个结论维持了十几年。但是，天文学上的理论总要受到当时的观测水平的限制，所以，有许多结论并不是一成不变的。后来，有两件事使得天文学家又重新关注起这个问题来。
第一件是，1969年2月8日，在墨西哥的阿仑德地方下了一场陨石雨。本来，地球土出现陨石雨是常事。但是，阿仑德陨石却与众不同。原来，在分析阿仑德陨石的化学成分时，发现其中含有钙、钡和钕三种元素。它们都是比较复杂的元素。按照流行的太阳系起源理论，它们是很难形成的。这就引起了天文学家的极大关注：它们从何而来？
于是，有人提出了如下的推测。大约50亿年前，太阳系处于形成的初期，还是一片弥漫的气体和尘埃——太阳星云。在太阳星云的附近，有一颗恒星正发生大爆炸，抛出了大量物质，其中就包含了钡、钙和钕这3种元素。这些物质的一部分就抛进了太阳星云，以后就一直留在太阳系的范围内。那颗爆炸后的恒星，以后就变成体积很小而密度很大的中子星或者黑洞，成了今天难于找到的太阳伴星。
另一件事则是，在最近的初步测定中，发现了太阳在某个方向具有加速度。这种加速度当然是由力引起的。这力又来自何方？银河系整体产生不了这么大的力（因为距离太大），于是就只能假设太阳有一颗伴星，这力正是来自伴星。
如果太阳真有这么一颗伴星，为什么我们至今没有找到它？对此，最合理的推测只能有两种。一种推测是，这颗伴星是一颗中子星，因此它很暗，而且很小。我们记得，一颗质量等于太阳质量的中子星，半径只有10公里。另一种推测则是，它是一个黑洞!若是如此，我们就根本看不见它。而且，它比中子星更小，半径只有太约3公里!
由上可见，太阳究竟有没有伴星，目前还无法断言。这是一个很具吸引力的谜。这个谜何时才能解开呢？这取决于两个方面：一是有关这个问题的新的发现，二是更新、更有力的观测手段。我们期待着这一天的到来！
环状结构
在太阳系的九大行星中，已发现4颗是有环状结构的。经过科学家们的不懈努力，发现太阳也有环状结构：那是两个尘埃环，它们分别位于太阳表面145万千米和240万千米的上空，并且都呈椭圆形。它们的物质成分可能是类似于石英的硅酸盐，温度高达1300℃，但是密度却较小，估计总质量约100万吨。
太阳构造之谜
太阳看起来像是一团均匀的气体球，简单得不能再简单了，但实际上它却由若干界限分明的层组成，类似于行星的固体部分与大气层。太阳的构造到底是怎样的呢？太阳的大气层根据高度和性质的不同，分为3个圈层，它们分别是“光球”、“色球”和“日冕”。
人类肉眼所见的是太阳大气的最底层——“光球”，厚约500千米。光球实际就是我们看到的太阳圆面，它有一个比较清楚的圆周界线，太阳直径就是根据它确定的，光球看上去像是一个光滑的固体，其实却是由平均密度只有水的几亿分之一的气体构成的。在光球之上的是“色球”，厚约2000千米。它是有颜色的球，看上去像套在太阳上的一个玫瑰花环。由于光球太亮，色球完全被湮没了。色球之上的那部分灰白色称为“日冕”，向外延伸达数百万千米，其厚度约为好几个太阳半径。“日冕”是不是太阳大气的最外层呢？不是，它的外表面还有“太阳风层”。这里经常喷发一种带电粒子流，称为“太阳风”，它主
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