中学生科普百科全书(彩图精装)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)


发布时间:2020-08-05 17:28:23

点击下载

作者:郭和益

出版社:中国华侨出版社

格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT

中学生科普百科全书(彩图精装)

中学生科普百科全书(彩图精装)试读:

前言

遥远的星空正发生着什么?宇宙的尺度用什么测量?星系是如何形成的?地球最初的外壳是怎样的?沧海桑田,经历着什么样的变化?厄尔尼诺到底是怎么回事?动植物有哪些秘密习惯和武器?计算机又怎样改变我们的生活?……“科学是第一生产力”,科学是人类生存和发展智慧的产物,可以给世界带来了翻天覆地的变化。中学生了解了科学体系的概貌,形成与之相匹配的知识结构,才能够与时俱进地进行知识更新,才能透彻理解和轻松应对有关科学的各种问题。

如今,是一个科学大爆炸的时代,科学处在不断的变化、发展和更新之中,呈几何倍数增长,为了让中学生及普通科普爱好者对现代科学有更准确、系统的了解,我们出版了这套《中学生科普百科全书》。

本书是献给渴望探索世界的青少年读者的科普百科全书,将为其奉上一场知识的盛宴。全书以“权威、全面、前沿”为编撰宗旨,摒弃了刻板教条的方式,对中学知识进行了全面的概括和梳理,涵盖了中学期间应当掌握的知识内容,兼具知识性和实用性。同时,作者紧跟科技发展潮流,选取最新的科学概念和数据,增加了大量最新的科学信息,展示了一个科学的世界,讲述了人类在科学发展中的成就以及最新的科学发现。

本书内容全面,涉猎广泛,自成体系。书中介绍了8个学科的内容,涵盖宇宙、地球、生态、动植物、物质和能量、化学、计算机、进化与遗传;近200节,系统介绍每个学科的相关内容,形成了一个完整的知识体系。通过本书,读者可以打开科学殿堂的大门,从而提高科学素养,提升自己的社会竞争力。

本书图片精美,有形有色。全书选配了2000余幅图片,或是实物照片、现场照片,或是手绘插图,也有大量原理示意图和结构清晰、解释详尽的分解图等,涵盖面广、表现形式丰富的图片与简洁、准确的文字交相呼应,共同打造了一座彩色科学展览馆。通过这个有形有色的展览馆,读者可以更加形象、直观地理解各学科知识。

这是一本简单而不枯燥,全面而不艰涩的科普读物,绝对会给你一种趣味纷呈的感觉。本书既适合阅读,也具有研究参考价值,还方便读者快速、便捷地查询特定信息。通过本书,读者不仅可以认识奇妙的宇宙、美丽的地球家园,还能深入动物世界或计算机学等领域,去了解人类最先进的研究成果。

让阅读成为生活习惯,科学成为思维态度,希望本书能为读者打开一扇扇奇异的科学之门,引导读者享受知识、走进科学的世界。  第一篇宇宙的诞生1 规则的宇宙

从最小的粒子到最大的星系,宇宙中的一切无不遵循物理定律所描述的规则。将这些定律写成公式传统上是物理学家的工作,而将天体绘制成图表并归类的工作是由天文学家完成的。出于这些物理定律在整个宇宙中都应适用的认识,新型的科学家——天体物理学家出现了。天体物理学家运用天文学家的观测结果和物理学家提出的规则,根据在地面的实验室中验证过的物理学定律来解释宇宙中的物体和现象。

除了被认为是弥散于整个宇宙中的神秘暗物质外,其他所有可见的物质都是由五种稳定的基本粒子——电子、质子,中子、中微子和光子——组成。也可能存在名为引力子的第六种基本粒子。前三种粒子组成了宇宙中全部的可见物质,另外两种粒子以及假想的引力子携带着由前三种粒子相互作用产生的能量。这些相互作用是由自然力所引起的。总共存在有四种基本力——强核力、弱核力、电磁力和引力。宇宙中任何物体间的相互作用都可以用这四种力来解释。遥望星空

眼睛是人们最熟悉的用来观察电磁波谱的工具。和人眼聚焦光线、探测并将图像送往大脑进行处理的方式一样,现代望远镜被用以将图像的光线聚焦并完成计算机对其处理之前的准备工作。一些光学望远镜像眼睛一样使用透镜收集并聚焦来自夜空的光线,但大部分大型天文望远镜使用反射镜将光线聚焦。使用大型望远镜是因为它们能够比小型望远镜汇聚更多的光线,使天文学家看清更加模糊的物体。世界上最大的单体望远镜是位于夏威夷莫纳克亚山的凯克望远镜,它有着10米大的光圈。事实上,凯克望远镜包括双子望远镜——凯克Ⅰ和凯克Ⅱ。世界上最大的望远镜——超大望远镜(VLT)位于智利加罗帕拉拿,是一架欧洲设备,它有着四台8米望远镜,能够协同工作。

简单的反射式望远镜通过使用多种形状、大小和结构反射电磁射线聚焦光线,如牛顿式望远镜,通过一个抛物面形状的曲面主镜聚焦光线,光线被平坦的副镜折射出镜筒,到达可以被观测到的一侧。

另一种使用透镜和反射镜的设计是施密特式望远镜。收集到的光线会被聚焦到镜筒中一个难以到达的位置。为了克服这一困难,这种望远镜被设计成类似于将胶片放置于焦点位置的相机的结构。光线成的像聚焦于一个曲面上,而胶片也相应被弯曲,从而保证整个图像的对焦。

马苏托克夫式望远镜设计更为优良,它通过镜片系统纠正图像的误差。它的主镜是一个球面镜;副镜是球面修正透镜上的镀银区域。尽管这些望远镜能够获得更好的图像,但由于在它们边缘安装大型透镜的难度较高,因此并不实际。这种设计的最大望远镜直径只有1米。

为了充分利用这些望远镜所有优势,它们被安放在海拔很高的偏远地区。它们必须距离城市光源很远,并且尽量位于所需穿越的大气层厚度较小的地区,以减少对来自天体的光线的干扰。位于太空中的望远镜完全离开了地球的大气层,能够提供最清晰的图像。

使用透镜的望远镜称为折射式望远镜,使用反射镜的叫做反射式望远镜。反射镜被用于大型望远镜上是因为光线能够在镜筒中被“折叠”,这意味着它们不需要像折射望远镜那么长。牛顿式设计使用一个弯曲的主镜和一个平坦的副镜将光线聚集,卡塞格伦式望远镜通过使用两个曲面镜对它进行了改进。

尽管性能好的望远镜能够在正对天体时给出高质量图像,但大多数望远镜还是不能对天体非直线传来的光线成功聚焦,例如位于同一视场中的两个天体,这就是所谓的离轴像差。还有色度光行差和球面光行差等类型。色度光行差是由透镜无法将不同波长(颜色)的光汇聚到同一个焦点而产生的。这要通过使用两种或者多种玻璃的复合透镜纠正。球面光行差对反射镜和透镜都有影响,是由于打磨它们曲面的难度造成的。不存在光行差的反射望远镜可以通过透镜和反射镜的组合构成,它们被称为镜面反射。

从地球上看,恒星好像在天空中穿过,这种“天体视动”是由地球的旋转产生的。如果用一台望远镜对着天空,并拍下看到的图像,图像将会是模糊的,因为恒星在夜空中穿过。因此望远镜的底座也必须移动来抵消旋转的影响,保持望远镜正对着所关注的目标。最简单的是地平式装置,但它需要计算机以跟踪天体,因为这两个轴必须被同时立即移动。另一种更好的设计是所谓的赤道式装置。它们的轴向与赤道和地球旋转轴对齐,只需要一个发动机来驱动望远镜,绕极轴旋转来跟踪物体。

其他一些用于天文学的仪器有光度计——被用来测量具有不同波的天体亮度,还有分光计——将光分成可用于研究的光谱。狭义相对论

狭义相对论由阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出。他在这一理论中给出了对宇宙可观测特性的最详尽的数学描述。由于物理定律宇宙普适性,忽略观测者是处于静止还是运动,宇宙的这些特性对任何观测者来说都是一样的。狭义相对论给出了这么一种解释——尽管它只适用于观测者的运动是恒定的。如果观测者的速度变化(例如受到引力影响),那么必然有一个外力作用于他,这一状况在爱因斯坦1915年的广义相对论中被解释。

狭义相对论有着两个指导原则。第一条被称为“相对性原则”,指出运动不是绝对的,只能是相对于其他事物。例如,如果坐在以100千米/小时的速度向西行驶的车上的特技演员攀爬以完全相同速度飞行的飞机上的梯子,飞机相对他就是静止的。

但是,对于站在地面上的观测者来说,车辆和梯子上的人确实是以100千米/小时的速度向西运动的。但是如果相同的事件从太阳上或者太阳系中的不受地球引力影响的一点上看,车辆的运动将叠加上地球的自转和它环绕太阳的运动。

前一个观测者相对于地球来测量汽车的运动;后者则相对于太阳观测。但即便是太阳也并不是静止的:如果观测者能够抛开它的引力影响,并且再次测量汽车的运动,那么汽车、梯子、飞机、地球和太阳的运动将是相对于我们星系的星系核的。近几年,科学家证实了银河系本身也正在宇宙中运动,因此根据狭义相对论,宇宙中不存在能够用以观测的绝对静止点。

相对性原则也指出:不存在能够给出某人在空间中的绝对运动的实验。攀爬移动中的汽车和飞机间的梯子的难度将和它们静止的时候一样。只有外部事件比如气流能够让车上的人、飞机或是梯子确定车是在运动还是静止的。类似的,在地球上不能感受到地球的转动,这只能通过外部事件(太阳在天空中明显的运动)作为参照被观测到。

第二条前提性假设是:当所有的其他运动都是相对于一个观测点时,光的速度是绝对的并且恒定的。19世纪90年代的实验表明:光速不论实验在测量时具有多快的移动速度,始终保持不变。爱因斯坦声称他在推导狭义相对论时并没有意料到这一结论。

爱因斯坦发现两个相对运动中的观测者会得到关于长度、时间、速度、质量、动量和能量的不同观测结果,这些不同随着速度的增加而增大。

这两个原则的另两个重要推论由爱因斯坦得出。第一条是没有任何物体能以超越光速的速度穿过空间,因为在那样的速度下,它的质量将变为无穷大。第二条是质量是能量的体现。当太空飞船接近光速,它的质量增加,用以加速的能量转化为它的质量。这一质量和能量的关系式在爱因斯坦的著名等式:E=mc2(能量等于质量乘以光速的平方)中体现。

相对性原则指出:运动是相对于观测者的观察点的。从运动的汽车中爬上飞机(1)的特技演员看到的飞机是静止的,而地面上的观测者(2)看到汽车和特技演员都正在相对地球以固定的速度和方向运动。位于太阳(3)上的假设的观测者将看到汽车的运动和地面上的观测者由于受到地球(4)自转和环绕太阳旋转(5)的影响也在运动;而位于银河系中心的一颗恒星(6)上的观测者将同时看到太阳环绕星系的运动。不相容和测不准

原子周围的电子更倾向以量子态存在而不是存在于轨道上,这是因为每个电子都拥有其独一无二的量子态,由它的能量、角动量和自旋等特性所定义。电子根据所含的能量聚集成群,被称为电子壳。在这些电子壳中,电子按照它们的角动量又分组为子壳。最后,电子也具有自旋,这指示了电子的磁场的方向。

不存在围绕任意原子的具有相同量子态的两个电子,使它们具有相同的量子态就像是两个物体尝试占据桌面的同一个物理空间一样。例如,如果环绕某个原子核的两个电子有着相同的能量和角动量,那么它们的自旋肯定不同,这样它们这种不处于相同的量子态上。

这种电子在特定状态上的不相容性就是泡利不相容原理(以奥地利裔瑞士物理学家沃尔夫冈·泡利[1900~1958]的名字命名)。因为电子被限制在特定的量子态中,这就给原子的结构下了明确的定义。这一结构决定了原子的行为方式。总之,这导致了宇宙中大部分的物理现象的产生。

不相容原理给出了电子环绕原子核的确定规则,但另一个原理建立了它们位置和动量的不确定性。测不准原理是基于波粒二象性的:粒子占据了空间中一个确定的位置,而波通常被认为是被拉伸的物体蜿蜒穿过空间。通过简单的数学计算,德国物理学家沃纳·海森堡(1901~1976)说明定位波的一个部分——波包是可能的,它将被看作是一种粒子:光子。另一个例子是德布罗意对于电子的表述。但是定位只是在一定的精度上的,同时确切知道一个波包或者一个粒子的位置和它的运动方向是不可能的。粒子的位置被测量得越准,它运动的细节能够被知道的也就越少。粒子因此仍显得有些神秘。

虚粒子能够存在的时间取决于它们的质量:它们的质量越大,它们的存在时间也就越短,因为它们的寿命是通过普朗克常量除以它们的质量得到的。如果具有硬币质量的这类事物能够存在1秒,那么氦原子就能够存在1000万年。单个的质子在这一条件下,将会存在1亿年。人类只能存在十万分之一秒,而汽车只能存在百万分之一秒。

测不准原理是位于最小尺度上的宇宙的基础特征。时间和能量的量同样与测不准原理相关。将能量具体化为质量的粒子能够存在一定的时间,由能量的量的乘积得出的生命周期不超过普朗克常数。这就是测不准原理解释虚粒子如何短暂存在的问题的方面。

电子在原子周围的位置由量子数量化。每个电子壳包括了具有相同能量的原子。这些壳能被分为子壳,是按照电子轨道的角动量将电子分组。电子的方向取决于它所处的最初的壳和子壳。轨道图画出了具有相同子壳的电子可能出现的区域。

在这幅猎户星座中恒星生成区域M42的图片中,红光来自于氧原子,它的两个外层电子因为中心恒星发出的强烈紫外辐射而剥离。这些原子产生的单一的光的波长称为禁线,因为除非是在太空环境中,否则电子无法达到这一轨道状态。这类环境在实验室中很难重现,在很长的时间内,天文学家一直在思考这些光是如何产生的。

测不准原理对于我们关于真空的感知有着有趣的联系。阴极射线管(如电视机或计算机中的)在它关闭的时候内部是真空的。根据左边的传统视图,真空将是简单意义上的空的空间。实际上这是不可能的,这里面始终会存在少量的原子。在量子视图中,海森堡测不准原理的结果就是一些虚粒子会短暂地存在于真空中,但我们不能直接测量到它们。弦、超弦和膜

在粒子物理的标准模型中,粒子都被视为一种点状物体,它们在空间中自由移动,被它们相互间的作用力所指引,这些力通过四种基本力——引力、电磁作用、强核力和弱核力——产生。粒子相互作用的众多方式都能由名为“载荷”的特性所解释,并与每个粒子在空间中的速度和位置有关。电荷是其中最为人熟知的一种,它决定了粒子通过电磁力相互作用的方式。质量也是一种载荷,它支配着粒子间基于引力的相互作用。其他的载荷还包括了强核力的颜色载荷和粒子的自旋。

这幅图显示了位于南天极附近的200万个星系。红色的星系比蓝色星系远。粒子物理将极小(如电子)与极大(如宇宙本身)联系起来,而这种差异只有科学家理解大爆炸的最初阶段粒子之间是如何相互作用之时才能完全解释清楚。

标准模型在运用量子物理的概念解释电磁力、强核力和弱核力上都十分的成功,也就是说“真实”粒子之间的力都是由虚粒子携带的。但是,引力却不能用这种标准模型和量子理论来解释,因此物理学家一直在寻找其他的解释,其中之一就是弦理论。

在弦理论中,粒子被弦所取代。它们要么是闭环的,要么是开环的,就像一缕头发一样。弦以不同的方式振动,不同的振动模式产生了宇宙中所有不同的粒子。因此每种粒子都是对同一种潜在对象的不同表达——一个弦。在大部分情况下,这些振动都发生在我们所能知到的三维之上的维度。事实上,弦理论是建立在10维或者是11维的空间上的。这些额外的维度被想象成空间的环,它们像互为相连的带子一样结合在一起,并且它们极小。它们据说是被压密的,这就是为什么即便它们支撑了我们周围的整个宇宙的外貌,而我们仍然不能察觉到原因。

根据粒子物理的“经典”模型,所有基础粒子都是点状物体(A)。但是根据波粒二象性,粒子能够表现为波状(B)。在弦理论中,一条振动的“弦”(C)取代了粒子。在M理论中,额外的维度使得弦变成圆柱状的结构,称为膜(D)。

物理学家使用加速器来研究亚原子粒子。在弗吉尼亚杰弗逊实验室中的的粒子加速器(如图上人为加上颜色的部分所示)中,电子在品红色的建筑物(左中)里产生,然后用绕着黄色轨道的磁铁加速。五圈之后,电子离开轨道,进入三个绿色实验场地之一。一些轨道通过蓝色的“计数”屋。超弦理论和超对称理论要求存在一种比所有已知的基本粒子大得多的超粒子。为了产生它们,粒子加速器需要有更高的能量。但至今仍然没有确切地生成过一种超粒子。

物理学家所注视的屏幕显示了一个质子和一个反质子(白色线)在一个粒子加速器中的碰撞。释放出来的能量导致新粒子的大批呈现,它们有自己独有的彩色轨迹。

在最初的构想中,弦只适用于玻色子——一种携带力的粒子。应用另外一种被称为超对称的理论,弦变成了超弦,并且能够用来解释费密子(拥有半自旋的物质粒子)——例如电子和夸克。这就出现了一个问题,三种不同的超弦理论很快被提了出来,同时也产生了另外两种混合理论,它们被合称为杂化弦。

这一直是个重大的困惑——直到科学家认识到所有的单弦理论能够被置于一个更大的理论框架中。这就是M理论,意即母理论。五种自成体系的弦理论就像是M理论海洋上的小岛。理论物理学家正致力于研究M理论的可能性,因为为了建立一种合理的弦理论,引力也必须被包含进来,所以所有四种基本力都一下子被包括到一个理论中,而不再经由一个中间的大统一理论阶段。

一个形容11维空间的独特的弦理论引起了广泛的关注:第11个维度被想象成一个被压密的环,它能够将弦转变为一个开放的圆柱体,就像吸管一样。这些物体被称为膜,以突出它们与弦的区别。

M理论和膜理论最令人激动的方面是:在小尺度上,它们重现了量子论的效应,在最大尺度上,它们也满足广义相对论。尽管在这种理论最终成型前仍有很多工作需要做,但看起来物理学家最终将找到一种所谓的关于所有事物的理论。广义相对论

20世纪早期由阿尔伯特·爱因斯坦推导出来的狭义相对论描述了观测者和系统相对彼此处在统一的恒定运动中。爱因斯坦想要将这一工作扩展到系统变化其速度的情况中去——比如某些物体正在加速时。通过将相对性扩展到加速参照系中,爱因斯坦系统地阐述了关于引力的一种新理论,到目前为止,它被证明是最为正确的。

广义相对论的基石是等价性定理。这一定理提出势阱——具有引力场的物体的周围区域——中的状况可以通过一个加速中的参照系得到再现。有一个力——比如引力——作用于其上的参照系可以通过恰当的加速度的应用而抵消。因此,这意味着力和加速度等价。

运用广义相对论的定律,空间的三个为人所熟知的维度——上和下、左和右以及内和外——可以与向前的一维——时间相连。它们可以被看作是四维的时空连续体,连续体中两个物体间的最短距离是测地线。尽管测地线通常都是直的,但时空连续体可能是弯曲的,因此测地线的真实形状也是弯曲的。这种弯曲发生在大质量物体——例如恒星、行星以及在更大尺度上的星系——扭曲了时空连续体并成为势阱时。电磁辐射中的光子在时空连续体中沿着直线传播,但当它们靠近势阱时,它们在三维空间中转化为曲线。这导致的一个结果就是名为引力透镜的现象,它使得遥远的一个天体(如类星体)分解成了两个或者更多的图像,这是由一个介入中的星系的引力场造成的。

广义相对论不再将引力作为一种力来解释其效应,这可以通过对行驶在道路转弯处的汽车来解释:乘客被离心力推向一侧。但这仅仅是一种表观力,乘客的身体实际尝试继续沿直线运动,但与正向新方向运行的汽车的侧面接触。引力可以被看作是一种类似于离心力的表观力。

弯曲的时空连续体中直线路径的概念可以通过地球表面上的两个人形象化;他们都站在赤道上,但位于不同的经度,没有人会怀疑如果他们走在平行的路径上,那么他们不会相交。但如果他们持续向北沿直线走到北极点,他们会越来越接近。如果他们以相同的速度前进,那么他们将在北极点相遇。这看起来像是一种引力将他们拉到了一起,但他们所做的只是沿着弯曲表面——地球——上的直线路径行走。引力可以用这种方式来理解,但因为人类是三维的存在,所以我们不能够感知宇宙在第四维上的弯曲。这种弯曲的效应就是被称为引力的力。

根据广义相对论,太阳会导致时空连续体内的变形,并且使经过太阳附近区域的无线电信号发生延迟。这些效应由美国国家航空航天局(NASA)于20世纪70年代中期发射向火星的“海盗号”空间探测器测试过。当火星位于太阳的远端时,无线电信号的传输时间比所需的时间多了100毫秒。多出的时间等价于无线电波多传播了30千米,这被解释为无线电波进入再穿出太阳的势阱造成的。

欧洲到北美的最短距离看起来是地球表面的二维地图上的一条直线。然而地球是三维的,所以两点间的实际路线是一条曲线。这类似于物体和辐射在时空连续体中穿越的状况。尽管它们看起来是沿着空间中的直线传播,但实际上它们正在四维空间里沿曲线运动。2 宇宙大爆炸

宇宙正在膨胀这个事实于20世纪20年代由美国天文学家埃德温·哈勃发现。在研究由遥远星系发出的光里所含的特定元素的谱线特征时,哈勃发现每条线都向光谱末端——更长波长的红端移动,这说明这些光波被拉伸了。

这可能意味着所有星系都正在离我们远去。实际上这些星系并不移动,而是时空连续体本身在膨胀——尽管膨胀的效应可能会在局部地区内被引力所抵消。空间在地球上、太阳系内部乃至整个银河系内部都没有膨胀,但星系组之间的空间确实在膨胀着。星系被分开就像蛋糕中的葡萄干在生面团发酵膨胀时分离开来一样。

随着宇宙的膨胀,从这些星系发出的光波被拉伸了,使它们向光谱的红端移动。距离最远的星系,光谱移动得也最多。这种现象被称为红移。

据此推测,宇宙曾经比现在小得多。这种逻辑引出了大爆炸理论,宇宙以及其内部的所有事物——空间、时间、物质、能量,甚至所有的物理定律和自然基本力——诞生的初始事件。宇宙的尺度

天体物理学包含了宇宙中应有的所有可想象的尺度。其中的一些尺度与我们最为熟知的那些(从微米到数千千米)的尺度看起来大不相同。在这一极限范围之外,就更需要使用我们的想象力。宇宙在这些不同的尺度上看起来有很大的不同,但是物理定律对它们都适用。

在现代科学所能达到的最小尺度——约10-16米——上,物质由名为夸克的基础粒子构成。它们三个一组,形成基本粒子——质子和中子。原子的大部分质量都集中在它的原子核内,原子核直径为10-13米。事实上原子的所有体积都由电子占据,它们存在于原子核周围,位于通常被称为电子云的区域中。电子云的直径大约是原子核的1000倍,或者说10-10米。

在人类的尺度上缺乏亚原子尺度上的量子现象以及大尺度上的相对性效应。我们能够透过放大镜观察并且未意识到量子相互作用导致光子从物体上反射,到达我们的眼睛,让我们能够在更大尺度上看到一个较小的物体。在更大的尺度上,我们以十、百乃至千米为单位测量,这些或许能够很方便地以指数表达出来:地球的直径是107米,地球和太阳之间的距离是1.49亿千米,或者说是一个天文单位(AU)。同样作为太阳系中的一部分的水星——距离太阳最近的行星——到地球的平均距离为0.39AU;地球到达最遥远的冥王星(现已被降级)的平均距离为39.44AU。

当千米数或是天文单位数超出了人类所能理解的范围,天文学家就以光年为单位测量。1光年相当于95万亿千米(或63240AU)。太阳系的外部区域被称为奥特星云,可能延伸了到半人马座比邻星——距离我们最近的恒星——4.3光年之外的距离的1/4。以10千米/秒行进的火箭将需要10万年才能到达这颗“邻近”的恒星太阳系存在于银河系——一个包含了超过1000亿颗恒星、直径延伸了8万光年到10万光年的巨大系统——中的一条旋臂上,太阳距离银河系中心大约2.8万光年。夜空中每颗可见的恒星都位于银河系中。

银河系是名为本星系群的星系团中的一部分,其半径大约为250万光年。它在本星系群中的最近邻居位于16万光年以外。位于230万光年以外的仙女座星系是在良好条件下通过裸眼能够观察到的最远的天体。本星系群属于本超星系团,本超星系团半径为5000万光年。

可见的宇宙是由其年龄定义的:宇宙大约有150亿岁,而我们也不可能看到超过150亿光年以外的物体。在这一限度内能够探测到极大量的星系,一些天文学家相信在我们永远不能达到的地方存在着相同数量的星系。大爆炸

天文学家们相信,宇宙及其内部的物质和空间,都是在大爆炸以及大爆炸后极短的一瞬这个关键过程中产生的——那时的温度要远高于现在的宇宙。

当前的宇宙平均温度为3K(可由当前的宇宙背景辐射探测出来),但是最初要热得多。普朗克时间的末期,宇宙的温度为1032K。能量由光子所携带,但是早期的宇宙十分致密,以至于光子在被再次吸收之前不能传播很远的距离——温度从那时开始逐步下降。

人们常常问到,大爆炸之前存在着什么?宇宙最终会膨胀成什么样子?然而“大爆炸之前”这个概念几乎是没有意义的,因为时间本身是在大爆炸之后产生的。如果空间就如时间一样,是在大爆炸中产生的,而且如果空间本身就处在膨胀中,那它并不需要膨胀形成任何东西。

宇宙从产生的那一刻开始就处在不断演化中,而理论物理学家和宇宙学家已经给出了关于这些事件可能次序的描述,这也就是我们所知的宇宙的形成过程。

在最开始的一段时间,空间和时间仍在形成中,自然力组成了一种单一的、原始的超力。这就是我们所说的普朗克时间,它的细节可能永远无法被解释,因为物理定律仍在定义中。

到了第10-35秒时,空间已经膨胀到足以使温度降到1027K的程度,由具有极端能量的光子携带。引力已经成为了一种分离的力,大统一理论(GUT)力这时分离为强核力和弱电作用,伴随着夸克、轻子以及它们的反物质的迅速产生。这个过程在宇宙恢复它原先的膨胀速率前,经历了一个短暂却十分剧烈的膨胀阶段(持续了10-32秒)。

在第10-12秒时,弱电作用分裂成电磁力和弱核力,于是所有的四种自然力现在都被分离和区分开来。宇宙里的粒子及其反粒子处在了稳定地形成与湮灭的状态,轻子分离成了中微子与电子。夸克依然独立存在,因为宇宙当时的温度阻碍了它们结合形成更重的粒子。

在10-43秒之前,早期的宇宙(1)是无法描述的,但到达10-35秒后,两种自然力分离开来,并且最轻的粒子——夸克与轻子产生了(2)。到10-12秒时(3),所有的粒子都处于一种稳定地产生与湮灭的状态中;直到10-6秒(4),夸克开始结合在一起形成中子与质子,尽管几乎所有的这些粒子同样也在与它们的反粒子的碰撞中湮灭了,剩余的粒子形成了今天我们在宇宙中能够发现的物质(5)。很长时间以后,到大爆炸后15秒时,这些质子与中子结合在一起形成氘核(6),并且在几分钟后,氦核(两个质子与两个中子)产生了(7)。30万年以后,随着电子被原子核捕获(8),原子开始形成,而四种自然力中最弱的引力开始使宇宙成形,导致物质开始聚结形成云团并进而形成星系与恒星。

到第10-6秒时,夸克两个或三个一组结合了起来,形成了介子和重子(包括质子和中子)——因为在那个时刻夸克无法独立存在。它们的反粒子也发生了同样的情况,并且在那以后与物质发生湮灭,但是极少数的残余(每10亿个里有1个粒子)被遗留了下来,继续形成现今宇宙中的所有物质。在这个过程中也产生了大量的光子。

到第1秒结束时,温度已经降到了1010K;5秒以后,中微子与反中微子不再与其他形式的物质发生相互作用。宇宙到达第10秒后,质子与中子开始结合形成氘核。

在第1到第5分钟之间,强核力发挥主导作用,使中子和质子结合在一起形成氦核,并阻止中子衰变为质子和电子。宇宙中的氢和氦的比例就是这个时候确定下来的。这时的能级依旧很高,使得原子完全离子化,并且以原子核的形式存在于电子的海洋。

大爆炸后大约30万年后,温度下降到了足够低的程度——约为3000K,从而电磁力使得电子被原子核所捕获。随着空间不再由自由电子的海洋所充斥,光子终于可以第一次在不与物质相互作用的情况下行进很长的距离——宇宙变得透明起来。在这个被称作是物质与能量去耦的时期,宇宙背景辐射被释放了出来。随着包含在宇宙中的物质上的辐射压的移除,原子开始受到引力的控制并集结形成巨大云团,宇宙的大尺度结构开始演化。

在宇宙背景微波辐射被释放到150亿年后的今天之间,宇宙膨胀了1 000倍,而物质聚积并且浓缩形成了星系、恒星(包括我们的太阳)和行星。随着这些情况的发生,宇宙的温度继续下降。宇宙膨胀

今天我们所见到的能被观测的宇宙起源于一个比原子还要小的区域空间。大爆炸事件被广泛认为是创造了宇宙的事件,它发生在100到150亿年以前,导致其产生的原因仍然是未知的,但天体物理学家已经整理出了一套关于大爆炸后的异常详尽的知识体系——开始于大爆炸后极短的时间。此时传统的物理定律被认为已经产生了。

在极早期的宇宙中,四种自然力——引力、电磁力、强核力和弱核力——被合并成单一的超力。物质与能量并非今天这样明显分离。即使是空间也因为这个时候宇宙所占据的小得难以置信的体积而持续被打破和折叠。随着时间的推移,宇宙不断膨胀,而在它膨胀时,超力分成了引力与大统一力。

关键的下一步发生在宇宙的第10-35秒时。此时,宇宙已经膨胀并且冷却到足够使大统一力进一步分离成强核力和弱电作用。伴随这一分离的是夸克与轻子的突然产生,这个过程与大气中的水蒸气在周围空气的温度充分低的时候凝结成云是一样的道理。正如水蒸气凝结成水释放热能一样,物质粒子的自发形成导致了宇宙内的变化,这产生了巨大的压力,使得宇宙以一个极大的加速度速率膨胀——比光速还快。这一过程就是暴涨,它将宇宙扩大了1050的指数,而这一切仅仅发生在10-32秒之内。尽管如爱因斯坦所说,没有东西在空间中运动速度能够超过光速,但是这一限制并不适用于空间本身,所以在暴涨的过程中并没有违背任何物理定律。

暴涨理论并未被证明,并且人们还提出了许多其他的想法。最近的一个是由普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特和英格兰剑桥大学的尼尔·图洛克提出的循环宇宙理论。它以M理论为基础,指出我们的宇宙只是在更高维度上连接起来的多个宇宙中的一个。这可以被想象作两张二维的纸被分开放置在一个三维的房间里,这两个宇宙毫不相关,除非它们发生偶然的碰撞,此时它们产生出类似于大爆炸的状况。这一理论被称为火宇宙模型,名称来自于希腊斯多葛学派哲学家,他们相信“大火”——宇宙将周期性地被火毁灭的想法。

其他天文学家则相信,在未来几年里,空间探测器对于充斥整个宇宙的微波背景辐射的更深入观测将证实暴涨的发生。

被观测到的所有视界距离为150亿光年的空间区域都发出相同的温度的辐射。为什么它们温度相同并且发射出相同类型的辐射?在暴涨(1)前,空间被紧密压缩,因而所有区域都是相邻着的,因此存在着热平衡的状态。在宇宙以超过光速的速度短暂地“暴涨”(2)之后,类星体和星系等物体形成,它们都有自己的视界,由大爆炸后光所传播的距离决定。因此A和B就都位于对方的视界之外。在现代的宇宙(3)里,仍然存在着相同的几何关系——尽管宇宙额外的年龄意味着视界的扩张。在(2)和(3)阶段中,类星体A和B并不互相接触,因而不可能知道对方的存在,然而我们知道它们都存在是因为它们都会待在我们的视界里。

在地球上,地平线是我们所能看到的最远点,这是因为我们世界的弯曲。在宇宙中,我们的视界就是我们所能看到的最远点,受到宇宙的年龄以及光的有限速度的限制。如果宇宙是150亿岁的话,那么我们的视界就是150亿光年。任何距离大于150亿光年的两个物体不能知道对方的存在,因为它们所发出的光线没有足够的时间到达对方。宇宙暴涨前,我们的视界以光速扩展。当暴涨发生时,宇宙的半径只有10-35光秒。随着大统一力的分裂,宇宙内部的空间按指数函数膨胀。因此,宇宙变得比所能看到的部分要大得多。原来相接触的区域随着空间的膨胀被分离开来,而分离速度是光速的许多倍。

测量距离

天文学家们使用几种长度单位。跨越太阳系的距离使用天文单位(AU)来测量,一个天文单位是地球与太阳间的平均距离——1.496×108千米。测量恒星间更长距离用光年(ly)作为单位,1光年等于光在一年里所走的距离——9.46×1012千米,或者63240AU。

另一个单位——秒差距被定义为1AU的距离划过的1弧度秒(这是个非常小的角度,1分的弧度包含了60秒,60分为1°)的弧长。1秒差距等于3.26光年。

对于秒差距的定义涉及一种叫做视差法的测量恒星距离的方法。随着地球围绕太阳旋转,邻近恒星的位置相对于更远处的恒星产生移动。三角函数被用来计算这些距离。宇宙的婴儿期

宇宙在第10-12秒时,弱电作用分解为电磁力与弱核力。在此之前,所有轻子——电子、中微子等不由夸克组成的基本粒子——行为方式相同。但是现在,随着这两种力(支配轻子的反应)的相互分离,电子和中微子独立开来。电磁相互作用开始在所有带电粒子之间发生,光子开始大量地生成。

宇宙在这一阶段的组成部分都处于稳定地产生并相撞的状态中。物质粒子与它们的反粒子碰撞,随即湮灭并产生一对高能光子。这些光子很快地又衰变回粒子-反粒子对,于是碰撞-湮灭的过程又重新开始。

这种物质与能量间的循环转换是可能发生的,因为这时的宇宙十分致密且灼热:大爆炸后不到一百万分之一秒内,温度高于10万亿K。在这种环境下,夸克可以作为独立粒子而存在,因为它们与其他夸克之间建立的任何连接不久就会被碰撞所破坏。

当宇宙年龄到达1微秒时,情况又变了:这时,它已经充分地膨胀与冷却,以至于像以前一样在那么大范围内自发产生新物质不再可能。此时,粒子与它们的反粒子相碰撞所产生的光子不再重新转变成物质。

随着宇宙的冷却,强核力把夸克拉在一起组成质子与中子。其中的大部分粒子都在与它们相对的反物质的碰撞中湮灭了。然而,由于宇宙中有着虽然小但仍可测量的趋势,并且创造出反物质更多的物质,一些基本粒子残留了下来。每10亿对粒子-反粒子对中,就有1个粒子在没有相对的反物质的条件下产生。这些残余的物质粒子就构成了我们今天所发现的每一个原子核。

到那时为止,中微子和反中微子就一直处于一个恒定地与宇宙其他物质相碰撞的状态中。随着宇宙到达诞生后第1秒,它们都停止了与其他粒子的反应。这个过程称为中微子的去耦,可能是大爆炸后最早的可探测事件之一:如果有足够多的强力中微子探测器的话,就能以中微子流背景的形式被探测到,使得天文学家们可以研究宇宙在其第1秒时候的状态。

更早的唯一可能被探测到的事件是引力子的去耦,这被认为发生在大爆炸后的第10-12秒。然而,引力子的去耦比中微子去耦更为不确定:与中微子不同,人们至今仍然没有证明引力子的存在。

宇宙中的所有物质(包括图中所示开放星团NGC3293中的恒星)都是由没有伴随的相应反物质生成的物质粒子所组成。光子占据了宇宙内物质粒子中的大多数,其比例为109:1。宇宙中最早的恒星是仅由氢与氦组成的。更重的元素还没能合成,因为这些过程只能在大质量恒星的中心进行。只有当第一代的恒星到达了它们生命的尽头时,它们才能在宇宙中留下比氦更重的元素。星系被认为在大爆炸后大约10亿年开始形成,对于这些物体的探测是现代天文学的一个重心。

在非常早期的宇宙中,空间的密度很高,以至于光子经常碰撞。这导致它们自发地转变成为物质粒子以及相对的反物质。粒子的精确类型取决于光子的结合能。物质与反物质也会相碰撞,它们互相湮灭,并且再次产生一对光子。这个过程就是对生,它在现代宇宙中适当的条件下仍在发生。物质粒子在没有相对的反物质的条件下产生的情况每10亿次里面有1次。这就通过粒子“种下”了宇宙,因为它们没有使它们重新变回带能量的光子相应的反物质。混沌之初

随着宇宙的膨胀,大爆炸后几秒,宇宙的温度一直持续下降。当宇宙到达第15秒时,温度已经降到足以阻止电子-正电子对的自发形成。同样地,中子和质子,以及它们相应的反物质,相互碰撞湮灭并留下少量的物质剩余,而电子和正电子也一样。再一次,产生物质的微小偏向使得每10亿电子-正电子湮灭时,就有一个电子留存下来,这意味着对应于一个物质粒子就有几十亿个光子同时存在。

尽管这时的宇宙仍被光子与中微子所支配,但是原子的组成成分(质子、中子和电子)的条件已经具备。宇宙中基本粒子的总比例已经确定,它们处于一种恒定的碰撞状态中。

当宇宙年龄到达1分钟时,条件变得适宜中子与质子通过核聚变结合成为原子核(核合成)。这一过程是可能的,因为当时发生的碰撞——尤其是发生在重子(中子与质子)间的碰撞——已经因为宇宙的冷却以及粒子不再以那么高的速度运动而变得没那么激烈了,这就使得强核力能够在粒子接触时发生作用。

经过了大约4分钟的核合成之后,宇宙充分地膨胀,其温度也相应地降低,以停止这一进程。宇宙这时包含了氢原子核(单个质子)以及它的同位素——氘(一个质子和一个中子)和氚(一个质子加三个中子),以及氦(两个质子和两个中子)与它的同位素氦-3(两个质子一个中子)。

因为中子要保持稳定必须有其他重子的存在,那些在原子核之外的中子就衰变成一个氢原子核(单个质子)、一个电子和一个中微子。

这时的宇宙仍然处于非常高能的状态,以使电磁力将电子束缚在原子核边上。任何被原子核捕获的电子很快就在与光子的碰撞中又获得了足够多的能量,从而再度逃离原子核。宇宙在这种恒定的离子化状态中度过了好几十万年。

在宇宙年龄大约30万到50万岁间,宇宙中发生的一个最重要的变化——所谓的物质和能量的去耦。随着宇宙的膨胀,温度降低,光子要把电子从原子核边撞离变得更加困难了。随着电子被原子核所吸引,光子变得能够在宇宙中长距离传播而不与其他粒子碰撞。从某种意义上看,宇宙对其中的光子来说变得透明了。

这个过程中发出的辐射到今天仍可以探测到,这就是宇宙微波背景辐射,这些辐射由于宇宙的膨胀发生了巨大的红移。这一现象在整个天空中十分一致,以3K的温度为表征。

物质与能量的去耦是宇宙中可观测到的最早的事件。1965年宇宙背景辐射的发现,为大爆炸理论提供了第一个决定性的证据。

20世纪80年代末,通过COBE卫星对于这个辐射微小变动——小于万分之一——的观测提供了更多更重要的证据。证据显示,这个时候的宇宙并不是均匀的,有的区域比较热但比较稀薄,有些区域相对比较冷,但比较致密。

从COBE开始,就有了大量的球载实验,诸如MAXIMA(国际毫米波各向异性实验成像阵列)实验与回飞棒(河外星系毫米波射电和地球物理国际气球观测)实验,它们对于宇宙微波背景辐射的细节进行了详细地观测。其他的地面微波望远镜则以不同的波长观测天空。它们一起为研究单个星系团的形成提供了非常重要的线索。NASA发射了一个COBE的后续探测器,被称为微波各向异性探测器(MAP),并刚开始以极高的灵敏度和精确度对整个天空进行测绘。,欧洲航天局(ESA)已启动普朗克计划,这是在更高精度下测绘微波背景的另一项任务。

一旦物质间的碰撞以及辐射停止,远远小于其他力的引力就能把原子拉到一起,这就意味着宇宙大尺度上的结构开始了演化进程。尽管天文学家还不能完全解释这个过程中的细节,但很可能就是因为原子云聚集,才形成了我们所看到的宇宙的不同星系,并且最终云团内部进一步崩塌,形成在其核内发生核聚变的恒星。3 星系和类星体

星系在大爆炸后的10亿年中出现,它们来自于因为自身的引力发生崩塌的巨大物质云。随着它们的成形,它们所累生的物质也开始崩塌。在这持续的碎片化过程中,较小的物质团形成了恒星。于是星系在它们内部恒星形成的同时形成了。

星系是大量恒星以及其他较暗物质的集合。一些星系只包含了老年恒星;有的星系中则存在不断生成新恒星的区域。星系可能包含数百万颗恒星,也有着多种形状。

太阳属于银河系,银河系里的恒星分布在一个平坦的螺旋盘状结构中。在没有仪器辅助下我们肉眼所能看到的每颗星星都属于银河系。只有三个星系(除了银河系外)能通过裸眼看到,其中两个——大、小麦哲伦星云,是银河系的卫星星系。第三个可见星系看上去就像一颗暗淡的恒星,但实际是一个邻近的螺旋状星系,被称为仙女座星系。天文学家通过望远镜观测的大多数星系都位于极遥远的地方,它们看上去就像模糊的旋涡状光斑,其中的恒星并不能被单独辨认出来。星系是怎样形成的

大爆炸后大约30万年,物质与能量去耦以后,在宇宙微波背景辐射释放的过程中,引力成为宇宙中的支配力,并把物质云团拉到一起。这一崩塌被认为是“无尺度”过程,其中大小物质云团都受到同样的影响。最小的区域最早结束崩塌,因为它们所包含的被聚集到一起的物质较少。事实上,那些最大的物质集合——超星系团,至今仍可以被观测到处于崩塌过程中。

去耦以后的时期被称为宇宙历史中的黑暗时期,这个名字的由来是因为这个时期宇宙中不存在恒星。但是随着初生星系的形成,恒星自然地形成并发光。

对这一过程的计算机仿真模拟说明:小块的不规则星系最先形成,它们相互碰撞或者从周边环境中逐渐累积更多的物质。在发生碰撞的状况中,星系组成中的恒星将会被甩到随机方向的轨道上去,从而产生一个椭圆星系。而那些逐渐累积物质的星系将会发展成为美丽的螺旋星系。然而,任何时候,如果一个螺旋星系与另一个类似大小的星系相撞,它脆弱的螺旋臂将被毁坏,从而形成一个椭圆星系。

哈勃天文望远镜的观测表明:大多数星系都在宇宙初始的几十亿年中形成,并且从那时起,星系改变不大。现在,大量证据还表明:大多数星系中心都存在着一个超大质量的黑洞。目前的一个研究的中心就是关于黑洞是什么时候形成的。超大质量黑洞不像超新星爆炸中形成的黑洞,它并非极端致密且只有几千米宽,它们大约和我们的太阳系一样大,密度和水差不多。然而,在它们吞噬恒星时,会释放出大量的能量,这造成了它们所在星系中心的剧烈活动,使星系成为活动星系。

两个星系在慢速碰撞中的画面被捕捉到,这一过程将会持续数百万年的时间才能完成。这种碰撞现在十分稀有,但被认为在早期的宇宙中星系还很小的时候很常见。

宇宙的黑暗时期在第一代恒星开始发光时结束。在大爆炸后大约十亿年,还不存在着可辨认的星系,只有大团的极热和明亮的蓝色恒星。这是一幅画家对于可能围绕着这些超能恒星的粉红色氢气泡印象的图画。

星系的成长过程在今天的宇宙中仍在继续。在这幅哈勃天文望远镜拍摄的图像里,NGC 2207星系(左)与IC2163(右)星系正在相互靠近形成合并。大约4000万年前,IC2163与这个更大的星系撞开,现在正被拉回。

天文学家们使用计算机对现在宇宙中的星系分布的形成建模。单个的星系聚集在一起,红色代表最老的星系,蓝色代表最年轻的。为了准确地重现这些星系的状况,天文学家必须假设宇宙中的很大一部分是由暗物质组成的。

深入观测星系形成期对全世界的天文研究小组来说都是一个很大的挑战,因为他们所探测的天体所发出的光线需要数百万年才能到达地球。目前,望远镜还不能很好地完成这项任务,但一系列的新型空间望远镜正在设计建造中,以观测到更多黑暗时期的信息。名为赫歇尔的一架空间望远镜已于2009年发射,而NASA/ESA合作的下一代空间望远镜(NGST)将会是一台直径达6米的仪器,它们对于红外波长都更加敏感,这使得它们能追溯回宇宙的黑暗时期,以看到最早的恒星和星系。星系有几种

已发现的星系外形和大小各异,但是大部分能够按照它们的外观分为两个主要的类别——几乎所有的星系在外观上是椭圆的或螺旋的。

分类一般是按照形状进行的,运用一种叫“音叉”图的方式,它在20世纪20年代由美国天文学家埃德温·哈勃最早设计出来。椭圆星系是巨大的恒星集合,其形状范围包括了从完美的球形到雪茄状的扁平椭圆形。已知宇宙中的最大星系是巨大的椭圆星系,它们处在致密星系团的中心,据估计包含着数千亿颗恒星。

看起来这些星系都是依靠吸收周围离得太近并被它们的巨大引力场所捕获的小星系而变得如此之大的。另一方面,椭圆矮星系是已知的一些最小的恒星系统,只拥有大约100万颗恒星。一般认为存在着大量的这类星系,但因为它们小且暗,因此很难被探测到。椭圆星系中的所有恒星都是很老的,并且目前也没有新的恒星在其中形成。

螺旋星系是美丽的天体,就像风车一样,它表现出当前存在并且持续下去的恒星形成的迹象。它们包含了由老年恒星组成的中央凸起部位——核,围绕着持续形成新恒星的物质的盘。恒星在盘状物质中形成的地方发出强烈的光芒,并且环绕着核形成螺旋形的图样。这些螺旋的“臂”随着产生新恒星的盘状物质的被压缩区域逐渐环绕星系旋转。

螺旋星系有很多种类,通常根据它旋臂缠绕的紧密程度以及核的大小来区分。大约所有目前被辨识出来的螺旋星系中的一半都有着附加的可区分特征,这就是从星系核中释放出来并延伸到星系盘中的一个由恒星构成的直的棒状结构,一般的旋臂将会从这些棒状结构的末端开始缠绕。这种星系被称为棒旋星系。与螺旋星系一样,它们也可以根据旋臂缠绕的紧密程度和核的大小进一步分为不同的类型。棒状结构的产生看起来与螺旋转动的恒星引力的相互作用有关。

透镜星系构成了一种中间状态的星系类型,介于椭圆星系与螺旋星系之间,它们有着核凸以及恒星构成的薄盘状结构,但是没有螺旋臂。有时候透镜星系也有棒状结构。

没有明显的结构或者核的星系被称为不规则星系。I型不规则星系显示了旋臂曾以某种方式分布的迹象;II型不规则星系则纯粹是一团混乱的恒星。有证据证明,这种类型的很小的星系比如矮星系,可能是因为更大的星系间碰撞时抛出的物质落入星系间空间而形成的。与螺旋星系一样,不规则星系正处在恒星形成的过程中。

哈勃音叉图展示了几种不同类型的星系。总共有7种类型的椭圆星系(1~3),取决于它们的扁平程度;螺旋星系(4~6)和棒旋星系(7~9)通常都如右侧图表现的那样。螺旋星系进一步分成三种类型,取决于核的大小以及旋臂围绕的紧密程度。透镜星系一般介于螺旋星系与椭圆星系之间。不符合这些分类的星系被称为不规则星系。

星系是宇宙中最大的单个物体,平均跨度大约为10万光年。M83是一个位于长蛇座中的螺旋星系,它有两条明显的旋臂和一条相对较暗的旋臂。M83位于离我们银河系大约2700万光年的地方,其直径大约为3万光年。

星系曾被天文学家认为是椭圆形并且随着旋转逐渐变得扁平的。人们相信星系在这之后产生了旋臂,进而形成螺旋和棒旋星系。但是,现在人们知道事实并非这样。换言之,哈勃音叉图上的不同类型的星系并非一个演化序列。星系的哈勃分类永远不会改变,除非星系发生极剧烈的变化,例如与其他星系相撞。事实上,椭圆星系是在螺旋星系相撞并合并后产生的。走进星系内部

螺旋星系的可见区域曾一度被认为代表了它的整个系统。天文学家现在相信:形成恒星的物质仅仅是包含在星系中所有物质的极小部分,其余的质量以灰暗物体的形式存在,它们太暗,以至于我们无法从观测星系时看到,或者甚至这些我们无法探测到的物质形式就是暗物质。

在从地球无法看到的昏暗物质中,螺旋星系盘中含有大量不发光的尘埃与气体线。有时候尘埃线能被看到是因为它们挡住从旋臂上发出的光,从而使我们能看到它们的轮廊。星系盘中同样包含着许多的更暗、更老的恒星,因为它们的光芒被旋臂上年轻明亮的恒星掩盖,所以无法被看到。恒星围绕螺旋星系的旋转为我们提供了许多关于星系中包含的比可见部分更多物质的重要线索。恒星移动得很快,以阻止星系飞离天文学家们相信的围绕着螺旋星系的巨大、隐藏着的球状物质晕。

从可见的证据上来,星系的质量与太阳系一样,似乎集中在它的核内。这也许意味着,随着星系的旋转,离核心较远的恒星要比距离较近的恒星移动得慢。但是,实际观测并不支持这点。相反,星系的质量更像是存在于它的可见区域之外,包含在巨大的球状物质晕中。

晕中的物质被认为包括了好几种不同的物体,例如星系盘中逃逸出来的灰暗恒星;失败的恒星,它们被称为矮褐星;恒星崩塌、死亡之后的遗迹形成了包括中子星、黑洞在内的物体。气体云可能也存在于星系晕中。除了灰暗物体之外,星系晕也包含了名为球状星团的发光体。

球状星团类似于椭圆星系,它们是被相互间的引力束缚在一起的恒星的球形集合物。在球状星团中没有恒星产生,它们环绕着自己的母星系,并且界定出一个球状区域,这被认为代表着星系晕边界。

球状星团包含了非常老的恒星——大部分被认为是在100亿年前形成的。然而一些恒星甚至更老,有着估计和宇宙一样的年龄。最大的球状星团包含了几百万颗恒星。典型的螺旋星系有大约150个球状星团,而椭圆星系可能包含上千个。一般认为气体云团崩塌形成星系时,孤立区域会各自崩塌并形成球状星团。

许多天文学家相信,在星系晕之外,还存在着一个甚至更大的球形区域,这被称为冕。星系冕可能有星系晕的4倍大的直径,可能包含了奇特的暗物质粒子,它们的行为特征与五种稳定的基本粒子大不相同。受到技术的限制,甚至使用目前最先进的设备也探测不到这些粒子,然而它们的存在却可以通过它们对星系中发光物质的引力作用推测出来。一些天文学家提出,星系冕可能占据了多达星系总物质量90%的比例。

M13是一个与银河系相关的球状星团。这类星团存在于星系周围的晕中,并且环绕其母星系核的轨道运行。在螺旋星系中,这些轨道使得星团穿过星系盘区域。然而这里的恒星密度很低,因此球状星团完好无损地出现在星系盘的另一侧。

草帽星系(M104)位于处女座中,是一个侧视的螺旋星系(左)。横穿星系中部的暗条是由尘埃构成的。成熟的计算机图像处理使得昏暗的星系晕变得可见(右)。星系的一张“底片”被叠加了上去,以揭示它的位置。

螺旋星系的可见部分是一个大得多的结构中的一部分。照片中是一个典型的侧视的螺旋星系;盘状结构被晕包围,球状星团显著存在于晕中。此外,晕中被认为还包含了灰暗恒星、死亡恒星如白矮星和中子星甚至黑洞。

在螺旋星系的晕的外部,一些天文学家相信存在着一个更大的包含物质的球形区域,这被称为星系冕,根据目前的理论,它包含了大量的暗物质。目前没有人探测到这种物质,但它的存在能够通过星系团中星系的运动推测出来。冕内暗物质可以解释星系在旋转中的奇怪表现。

球状星团帮助一位美国天文学家——哈罗·沙普利在1920年作出了对于银河系的第一次准确测量。观测整个星系是十分困难的,星系平面上的星际尘埃限制了我们的视野。球状星团(位于黄线的末端)位于平面上侧或下侧尘埃较少的地方。沙普利假设星团系统的中心与星系中心重合,并利用星系到达这些星团的距离估计了银河系的大小。

试读结束[说明:试读内容隐藏了图片]

下载完整电子书


相关推荐

最新文章


© 2020 txtepub下载