神奇的太空:青少年看世界(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:马云飞

出版社:湖北科学技术出版社

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神奇的太空:青少年看世界

神奇的太空:青少年看世界试读:

版权信息书名:神奇的太空:青少年看世界作者:马云飞排版:KingStar出版社:湖北科学技术出版社出版时间:2013-04-01ISBN:9787535250001本书由湖北科学技术出版社有限公司授权北京当当科文电子商务有限公司制作与发行。— · 版权所有 侵权必究 · —前言青少年看世界·百科系列“广阔苍茫的山川大地,浩瀚壮阔的幽深海洋,茫茫无际的宇宙星空,这些蕴藏了多少神奇与奥秘?”当孩子用憧憬的目光期望得到你的回答时,大人似乎无法将答案告诉他们。《青少年看世界·百科系列》丛书以最全面的知识、最准确的解读,让孩子得到心目中最想要的答案,并将孩子引领进一个神奇瑰丽的科学世界中;也让孩子在阅读中慢慢了解科学的魅力,爱上科学的神奇。

在人类历经的数千年里,不论是神奇的生命、诡秘的自然,还是浩瀚的科学海洋,它们都以一种神奇的方式为我们呈现了一幅美丽的画卷。随着时间的推移和社会的进步,昨天的种种疑问已被今日先进的科学技术解读。而新的神秘和未知事物又层出不穷,它们静静地守候着那些将要到来的探索者。或许我们对某些未来还一无所知,但是请相信如今的孩子,他们将会在不远的将来为我们一一解答。

当你打开《青少年看世界·百科系列》丛书时,你会感觉到这套科普图书真正满足了你“读图时代”、“知识时代”的需求。该书以青少年阅读兴趣为出发点,丰富的图片与知识的巧妙融合,以图文并茂的形式展现在读者面前,方便了青少年的阅读和理解。知识的融会贯通方便了孩子们全方位地摄取信息,从远古到现代、从人类的起源到发展、从历史的进步到生动的自然世界,都会让孩子们领略科学世界的神奇。在注重内容的前提下,我们也详细地描绘了各个知识点,让孩子能够充分地了解科普知识,我们坚信,《青少年看世界·百科系列》丛书必将是一套家长首选、孩子喜爱的科普丛书。编者第一章浩渺无垠的宇宙宇宙是什么

英国著名博物学家托马斯·亨利·赫胥黎曾说过:“宇宙现在是这样,过去是这样,将来也永远是这样。”只要一想起宇宙,我们的心情就难以平静,时常激动、感叹不已,那种感觉就如同经历一次在悬崖边失足那样令人眩晕战栗。面对浩瀚的星空,我们知道我们在探索最深奥的秘密。浩瀚的宇宙宇宙星空

宇宙神奇非凡,它有纷繁的事实、错综的关系以及微妙的机制。所以我们在探索宇宙的时候,既要勇于怀疑,又要富于想象。想象经常能够把我们带入崭新的境界,没有想象,我们就会束缚自己。而怀疑可以使我们摆脱幻想,还可以检验我们的推测。

宇宙大小和年龄的概念不是一般人所能理解的。相较来说我们的地球只不过是无限永恒的时空中的一个有限世界。在宇宙所包含的众多奥秘中,我们大多数人所了解的知识都可以说是极其有限,甚至是微不足道的。但是,我们人类朝气蓬勃、勇敢好学、智慧无穷。几千年来,我们对宇宙及我们在宇宙中所处的地位作出了最惊人和出乎意料的研究与发现。人类对宇宙的探索,回想起来是令人无比兴奋的。这些探索活动提醒我们:好奇是人类的天性,理解是一种乐趣,知识是生存的先决条件。因为我们在这个宇宙中就如同是天空中飞扬的一粒尘埃那样渺小。所以,我们认为人类的未来,取决于我们对这个宇宙的了解程度。

我们对于宇宙最了解的部分就是我们的家园地球,但它仅是太阳系的第三颗行星;太阳系又仅仅定居于银河系巨大旋臂的一侧;而银河系在宇宙所有星系中,也并不起眼。而这一切,组成了我们的宇宙——它是所有天体共同的家园。

人类对宇宙的认识可以追溯到古代。《淮南子·齐俗》中就记载道:“往古来今谓之宙,四方上下谓之宇。”宇就是空间,宙就是时间。从远古到未来,从巨大的宇宙天体到渺小的微生物,其大无外,其小无内,万物都包含在宇宙之中。

而按照现代的观点,宇宙是指广漠空间和其中存在的各种天体以及弥漫物质的总称,并且宇宙是处于不断的运动和发展之中的。也就是说人类目前所能及的地方,以及人类还没有探索到但是仍然存在的物质都属于宇宙。

人类对宇宙的认识,最初是从人类的家园——地球开始的,然后逐渐延伸到离我们并不太远的太阳系,从而进入到美丽的银河系,再扩展到河外星系、总星系。

如同前文所说,地球在茫茫的宇宙太空之中,只不过是太阳系大家庭中一个普普通通的成员。地球与其他行星“兄弟”一起日夜绕着它们的“母亲”——太阳旋转,连同60多颗“月球”般的卫星、神秘莫测的彗星、数以千计的小行星和无数的流星,组成太阳系。尽管太阳系有这么多成员,但它所占的宇宙空间直径仅120亿千米,距离银河系中心约2.6万光年。人类的家园——地球

比太阳系范围更大的上一级天体系统是银河系。银河系呈旋涡状,有4条螺旋状的旋臂从银河系中心均匀对称地延伸出来。银河系中心和4条旋臂都是恒星密集的地方。银河系包括1200多亿颗类似于“太阳”的恒星,它们在浩瀚的宇宙中发出璀璨的亮光。整体来看,银河系就像一个体育锻炼用的大铁饼。

然而,巨大的银河系也只是宇宙沧海中的一粟,并不是宇宙空间的尽头。在银河系之外,还有许许多多星系,人们管它们叫“河外星系”。天文学家已发现10亿多个河外星系,每个河外星系都包含有几亿、几百亿甚至几千亿颗恒星和大量的星云、星际物质。所有河外星系又构成更庞大的总星系。巨大的银河系射电望远镜

目前,通过射电望远镜和空间探测,人们还观测到距离我们地球约200亿光年的一种似星非星的天体,取名“类星体”。这种天体的发现,一下把今天人类视线拓展到200亿光年远的宇宙深空。

尽管人类对宇宙的探索在不断地深入,对宇宙的认识也在一步步的加深。然而,对人类来说,宇宙迄今为止还是一个无限的概念,还有很多未解之谜等着我们去揭示。宇宙的起源

站在地球的角度上看宇宙,宇宙正在向人类视线所不能到达的更深处伸展。宇宙之大,令众人惊叹。然而,宇宙又是从哪里来的呢?

中非有一个传说:世界最初只有黑暗、水和伟大的上帝。某天,上帝胃痛发作,呕吐出太阳。水的一部分被太阳蒸发,留下土地。上帝的胃痛未止,又陆续吐出了月亮和星辰,然后吐出动物,例如豹、鳄鱼、乌贼等等,最后吐出人,于是就有了宇宙。难道,我们的宇宙真是上帝从胃里吐出来的吗?这显然带有神话的色彩。宇宙

千百年来,科学家们一直在探寻宇宙是什么时候、如何形成的。很多科学家认为宇宙除去一些细微部分外,基本没有什么变化——宇宙不需要一个开端或结束。英国天文学家福雷德·霍伊尔(1915—2001)就是稳恒态宇宙模型的创建者之一。他认为宇宙不断膨胀的同时,物质也在不断生成,从而使整个宇宙基本保持稳定不变。稳态理论的优点之一是它的明确性。它非常肯定地预言宇宙应该是什么样子的。此后,科学家还根据相对论,为稳态的宇宙构筑了一系列数学模型。尽管如此,结果还是遭受到宇宙观测者的质疑或反驳,当宇宙背景辐射被发现后,这一理论基本上已被否定。

现在,绝大多数科学家们认为,宇宙是由大约150亿年前发生的一次大爆炸形成的,这就是“大爆炸宇宙论”。“热大爆炸”观念是俄国天文学家乔治·伽莫夫(1904—1968)于1950年建立的。他认为,在爆炸发生之前,宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起,并浓缩成体积很小、温度极高、密度极大的原始火球,之后便发生了大爆炸。大爆炸使物质四散喷发,宇宙空间不断膨胀,温度也相应下降。后来相继出现在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命,都是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐形成的。

我们所观察到的宇宙,在150亿~200亿年前发生大爆炸,从此开始了我们所在的宇宙的诞生史。宇宙原始大爆炸后温度不断下降,原子不断形成。宇宙间弥漫着气体云,它们在引力的作用下,形成恒星系统。恒星系统又经过漫长的演化,成为今天的宇宙。科学家还发现,大爆炸后的膨胀过程是一种引力和斥力之争。爆炸产生的动力是一种斥力,它使宇宙中的天体不断远离;天体间又存在万有引力,它会阻止天体远离,甚至力图使其互相靠近,引力的大小与天体的质量有关。因而大爆炸后宇宙的最终归宿是不断膨胀,还是最终会停止膨胀并反过来收缩变小,这完全取决于宇宙中物质密度的大小。

然而,因大爆炸而产生宇宙的理论尚不能确切地解释这一问题,即“在所存物质和能量聚集在一点上”之前到底存在着什么东西?20世纪的天文观测表明,宇宙正处于膨胀的演化过程中。在时间上往过去反推,人们估计在100多亿年前宇宙是处于极其紧致极其炽热的所谓大爆炸奇性的状态。宇宙的演化必须服从爱因斯坦引力场方程,但是不同的初始状态会导致不同的演化。大爆炸奇性从何而来,或者宇宙从何而来的所谓"第一推动"问题就摆到了宇宙学家的面前。宇宙大爆炸

因此,真正解决第一推动问题的是霍金1982年提出的无边界条件的量子宇宙论。在他的理论中,宇宙的诞生是从一个欧氏空间向罗氏(罗巴切夫斯基)空间的量子转变,这就实现了宇宙的无中生有的思想。这个欧氏空间是一个四维球。在四维球转变成罗氏时空的最初阶段,时空是可由德西特度规来近似描述的暴涨阶段。然后膨胀减缓,再接着由大爆炸模型来描写。这个宇宙模型中空间是有限的,但没有边界,被称作封闭的宇宙模型。宇宙中的一切在原则上都可以单独地由物理定律预言出来,而宇宙本身是从无到有而来的。这个理论建立在量子理论的基础之上,涉及量子引力论等多种知识。斯蒂芬·威廉·霍金,英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授,当代最重要的广义相对论和宇宙论家,是当今享有国际盛誉的伟人之一,被称为在世的最伟大的科学家,还被称为『宇宙之王』。普朗克尺度-内部结构模型图

从霍金1982年提出这个理论之后,几乎所有的量子宇宙学研究都是围绕着这个模型展开。这是因为它的理论框架只对封闭宇宙有效。如果人们不特意对空间引入人为的拓扑结构,则宇宙空间究竟是有限有界的封闭型,还是无限无界的开放型,取决于当今宇宙中的物质密度产生的引力,是否足以使宇宙的现有膨胀减缓,以至于使宇宙停止膨胀,最后再收缩回去。

然而,现如今经天文观测到的,包括可见的物质以及由星系动力学推断出的不可见物质,两者密度总和仍然不及使宇宙停止膨胀的1/10。不管将来进一步的努力是否能观测到更多的物质,无限膨胀下去的开放宇宙的可能性仍然呈现在人们面前。

迄今为止,人类还在探索之中,宇宙的起源仍然是一个谜。宇宙会死亡吗

宇宙会不会“死亡”?会不会突然发生一次史无前例的大爆炸而消亡掉?大爆炸与宇宙膨胀

自20世纪20年代天文学家哈勃发现宇宙正在膨胀以来,“大爆炸”理论一直都处于被修改的过程中。根据这一理论,科学家指出,宇宙的命运取决于两种相反力量长时间较量的结果:一种力量是宇宙的膨胀,在过去的100多亿年里,宇宙的扩张一直在使星系之间的距离拉大;另一种力量则是这些星系和宇宙中所有其他物质之间的万有引力,它会使宇宙扩张的速度逐渐减缓。如果万有引力大到足以使扩张最终停止,宇宙注定会坍塌,最终变成一个大火球;如果万有引力不足以阻止宇宙的持续膨胀,宇宙最终会变成一个漆黑的、寒冷的世界。宇宙膨胀模式宇宙的膨胀

显而易见,任何一种结局都在预示着生命的消亡。不过,人类的最终命运还无法确定,因为目前人类尚不能对扩张和万有引力作出精确的估测,更不知道谁将是最后的胜者,天文学家的观测结果仍然存在着许多不确定的因素。

那么这种不确定因素又是什么呢?科学家指出,这一不确定因素涉及膨胀理论。根据这一理论,宇宙开始于一个像气泡一样的虚无空间。在这个空间里,最初的膨胀速度要比光速快得多。然而,在膨胀结束之后,最终推动宇宙高速膨胀的力量可能并没有完全消失。它也许仍然存在于宇宙之中,潜伏在虚无的空间里,并不断推动宇宙的持续扩张。为了证实这种推测,科学家又对遥远的星系中正在爆发的恒星进行了多次观察,结果显示有可能存在这种膨胀推动力。

倘若真是这样的话,宇宙未来的命运就不仅仅取决于宇宙的扩张和万有引力,还与在宇宙中久久徘徊的膨胀推动力所产生的作用有关,而它可以使宇宙无限膨胀。宇宙未来的命运

19世纪70年代,一位英国诗人理查德·斯温朋曾写了一首令人感到恐怖的诗:无论是星星还是太阳都不再升起,到处是一片黑暗,没有溪流的潺潺声;没有声音,没有景色,没有冬天的落叶,也没有春天的嫩芽;没有白天,没有劳动的欢乐,在那永恒的黑夜里,只有没有尽头的梦境。

这首诗是斯温朋根据一位著名物理学家的“理论”,对人类和宇宙的未来作的一番描述。这位著名的物理学家是德国人鲁道夫·克劳修斯(1882—1888年),他主要因为他的热力学和气体动理论而著名。他的主要贡献是热力学第二定律——热不能自动地从较冷的物体传到较热的物体。这一定律说明自然界中的一切热现象有关的过程都是不可逆的。克劳修斯建立的热力学第二定律有着极深刻的物理意义,它提出了自然界的过程都是有方向的,并把这个定律外推到无限的宇宙。1867年,他在德国自然科学家和医生的集会上发表演说:“宇宙会进入一个死寂的永恒状态。”但不久,这一说法就被人们遗忘了。鲁道夫·克劳修斯,德国物理学家和数学家,热力学的主要奠基人之一。发出高热和白光的白矮星“死亡”作为自然界不可抗拒的客观规律为人类提供了一个新的疑问。面对在人类眼中几乎永恒的宇宙,我们不禁要问:宇宙真的会死亡吗?

科学家认为,宇宙会逐渐耗尽所有能量并慢慢地停止膨胀。星系、恒星、行星和所有原子都会开始坍缩,紧缩成针尖大小。

多年来一个众所周知的事实是,宇宙正在迅速膨胀,而且这种膨胀速度即便还不足以撕碎宇宙,也足以使遥远的星系以超光速的速度远离我们。银河系以外的任何星系都有可能在1000亿年内消亡。宇宙在向外膨胀时,光波会变长、减弱。科学家认为,尽管光的波长能达到我们星系大小的长度,但也会慢慢被吸收掉。好像在熊熊燃烧的红巨星

刚刚诞生的宇宙是炽热而且致密的,随着宇宙的迅速膨胀,其温度迅速下降。最初的1秒钟过后,宇宙的温度降到约100亿摄氏度,这时的宇宙是由质子、中子和电子形成的。随着温度继续降低,核反应开始发生,生成各种元素。这些物质的微粒相互吸引、融合,形成越来越大的团块,并逐渐演化成星系、恒星和行星,在个别天体上还出现了生命现象。

宇宙死亡和重生的循环是很可能的,或者说,当宇宙的真空突然变成某种完全不同的物质时,宇宙可能会有一个非常奇特的结局。如同霍金1991年1月在剑桥大学的一次讲演中所说:“关键问题在于:平均密度是多少?如果它比临界值小,宇宙就将永远膨胀。但是如果它比临界值大,宇宙就会坍缩,而时间本身就会在大挤压处终结。”宇宙可能在一次大坍塌中向内坍缩,或者我们将迎来另外一种结局——慢慢陷入黑暗,这种结局被称为大撕裂。但是恐惧却不必:漫长的黑夜将会比你想象的有趣一些。

有一个很好的例子,科学家曾研究发现有两颗恒星在引力的作用下互相绕行,其中一颗是缩小的高密度恒星,发出高热和白光,它就是白矮星。另一颗恒星则膨胀成庞然大物,它就是红巨星,它的燃料即将耗尽。这两颗恒星互相绕行时,白矮星会吸取伴星的气体,开始年复一年地长大。白矮星的质量达到一定量时,就会崩溃、坍缩,接着爆炸,释放出耀眼的光线和能量。这说明了宇宙中的支配性的力量是恒星和其他物质之间的引力,这就意味着如同以上所说的两颗恒星一样,宇宙的未来只有两种可能。要么宇宙的密度大到使引力能够克服大爆炸以来的膨胀力,并且把所有的物质在一次大坍塌中重新拉到一起,成为“大坍塌”;要么宇宙的密度不足够大,膨胀将会永远持续下去。要了解宇宙是否会发生坍塌,就必须先弄清宇宙是否仍在膨胀,或膨胀的速度是否正在减慢。宇宙膨胀率

通过比较不同时空的超巨星的位置和年代,可以计算出宇宙的膨胀速度是否在变慢。天体物理学家发现,宇宙的膨胀速度不但没有减缓,反而是正在加速。大约在1000亿年后,太阳燃烧殆尽,所有的星系都会瓦解。宇宙中将只剩下孤立的恒星,这些恒星的能量也将用尽。有些恒星会变成白矮星或褐矮星,有些会坍缩成中子星或黑洞。大爆炸之后数千万亿年,就连黑洞也会消失。所有的物质都会分解成最基本的成分,原子也会分解。最后,连构成原子的质子也会发生衰变。

宇宙的未来很可能非常凄凉,成为寒冷、黑暗和空虚的地方。随着宇宙的不断膨胀,星系也开始互相远离。太空会变成一片空虚,死一般寂静。我们的星系团将以超越光速的速度远离我们,并消失在黑暗中。最后,一切都会陷入停顿,这就是宇宙的结局。宇宙最后将会死亡,剩下的,只有冰冷、黑暗、死气沉沉的空虚。

宇宙到底会不会死亡呢?是最后紧缩成针尖大小,还是最终解体消失得无影无踪呢?迄今为止还没有谁能说清楚。广义相对论预言的一种特别致密的暗天体称为黑洞。人类的未来

通过以上对以上知识的了解,我们大概知道了宇宙最终的结局:宇宙最终不会爆炸,而是逐渐衰变成永恒的、冰冷的黑暗。这似乎太骇人听闻了,然而地球人或许没有必要杞人忧天,因为我们暂时还不会被宇宙“驱逐出境”。据推测,宇宙很可能至少将目前这种适于生命存在的状态再维持1000亿年,相当于地球历史的20倍,或者相当于智人(现代人的学名)历史的500万倍。不管宇宙在亿万年之后的情形怎样,它对今天地球人的生活不会有丝毫的影响。

但是,人们最关心的或许是智慧生命本身。人类将在宇宙中扮演什么角色呢?难道人类注定要灭亡吗?人类已经在越来越快地改变着地球,开始操纵着自己的生存环境,也许到那时,人类会凭借自己的聪明才智获胜,谁知道呢?就让未来的地球人迎接挑战吧。爱因斯坦在写给一个对世界的命运感到担忧的孩子的信中所说:“至于谈到世界末日的问题,我的意见是:等着瞧吧!”

人类对宇宙的认识是永远没有终极的,认识穷尽的那天也许就是人类或宇宙毁灭的那一天。宇宙是由什么组成的

宇宙是有限的还是无限的?有没有中心,有没有边?有没有生老病死,有没有年龄?宇宙是由什么组成的?这些恐怕是自从有人类的活动以来就一直被关心的问题。

我们居住的地球是太阳系的一颗大行星。太阳系一共有八颗大行星:水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星(注:2006年8月24日于捷克首都布拉格举行的第26届国际天文学联合会大会上,位居太阳系九大行星末席70多年的冥王星,最终以237票赞成、157票反对、17票弃权的表决结果,被逐出太阳系九大行星之列。至此,传统意义上的太阳系九大行星,变为八大行星)。除了大行星以外,还有60多颗卫星、为数众多的小行星、难以计数的彗星和流星体等。它们都是离我们地球较近的,是人们了解得较多的天体。那么,除了这些以外,茫茫宇宙空间还有一些什么呢?太阳系结构图恒星和星云

晴夜,我们用肉眼可以看到许多闪闪发光的星星。它们绝大多数是恒星,由炽热气体组成的,是像太阳一样本身能发光发热的球状或类球状的天体。我们银河系内就有1500亿~2000亿颗恒星。

恒星都是大质量、明亮的气体星球。太阳是离地球最近的恒星,也是地球能量的来源。白天由于有太阳照耀,无法看到其他的恒星;只有在夜晚的时间,才能在天空中看见其他的恒星。恒星一生的大部分时间,都因为核心的核聚变而发光。核聚变所释放出的能量,从内部传输到表面,然后辐射至外太空。几乎所有比氢和氦更重的元素都是在恒星的核聚变过程中产生的。恒星天文学是研究恒星的科学。

天文学家经由观测恒星的光谱、光度和在空间中的运动,可以测量恒星的质量、年龄、金属量和许多其他的性质。恒星的总质量是决定恒星演化和最后命运的主要因素。其他特征,包括直径、自转、运动和温度,都可以在演变的历史中进行测量。描述许多恒星的温度对光度关系的图,也就是赫罗图(HR图,恒星光谱型和光度的关系图),可以测量恒星的年龄和演化的阶段。

恒星诞生于以氢为主,并且有氦和微量其他重元素的云气坍缩。一旦核心有足够的密度,有些氢就可以经由核聚变的过程稳定的转换成氦。恒星内部多余的能量经过辐射和对流组合的携带作用传输出来;恒星内部的压力则阻止了恒星在自身重力下的崩溃。一旦在核心的氢燃料耗尽,质量不少于0.5太阳质量的恒星,将膨胀成为红巨星,在某些情况下更重的化学元素会在核心或包围着核心的几层燃烧。这样的恒星将发展进入简并状态,部分被回收进入星际空间环境的物质,将使下一代恒星诞生时正元素的比例增加。哈勃观测到两颗燃烧剧烈的超级恒星

恒星并非平均分布在星系之中,它们常常爱好“群居”,有许多是“成双成对”紧密地靠在一起,并按照一定的规律互相绕转着,称为双星。还有一些是3颗、4颗或更多颗恒星聚在一起,称为聚星。如果是10颗以上,甚至成千上万颗恒星聚在一起,形成相互之间存在物理联系(引力作用)的星群,便称之为星团。银河系里已发现了1000多个这样的星团。

在恒星世界中有一些亮度会发生变化的星——变星,狭义上是指亮度有显著起伏变化的恒星。一些恒星在光学波段的物理条件和光学波段以外的电磁辐射有变化,这种恒星现在也称变星,如光谱变星、磁变星、红外变星等。它们有的变化很有规律,有的没有什么规律,现在已发现20000多颗变星。在变星中还有一些比较特殊的种类,比如有一些时候,遥望星空,你可能会惊奇地发现:在某一星区,出现了一颗从来没有见过的明亮星星!然而仅仅过了几个月甚至几天,它又渐渐消失了。这种“奇特”的变星叫做新星或者超新星。超新星是一种亮度增加得更剧烈的恒星著名的食变星:大陵五

除了恒星之外,还有一种云雾似的天体,称为星云。星云由极其稀薄的气体和尘埃组成,形状很不规则,如有名的猎户座星云。星云包含了除行星和彗星外的几乎所有延展型天体。它们的主要成分是氢,其次是氮,还含有一定比例的金属元素和非金属元素。近年来的研究还发现含有有机分子等物质。

在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里,充满着稀薄的星际气体、星际尘埃、宇宙线和极其微弱的星际磁场。随着科学技术的发展,人们必定可以发现越来越多的新天体。银河系及河外星系

随着测距能力的逐步提高,人们逐渐在越来越大的尺度上,对宇宙的结构建立了立体的观念。其中第一个重要的发展是认识了银河。它包含两重含义,一是了解了银河的形状,二是认识了河外天体的存在。

此外重要的是,并非天穹上一切发光体都是银河系的一部分。对天穹上的某个光点,只有测定它的距离,才能区分它是银河系内的恒星还是银河系外的另一个星系。实际上,天穹上的大多数光点是银河系的恒星,但也有相当大量的发光体是与银河系类似的巨大恒星集团,历史上曾被误认为是星云,但如果用大望远镜看,就会发现,它们不是弥漫的气体和尘埃,而是由可以分辨的一颗颗恒星组成的,形状也像一个旋涡。它们是与银河系类似的天体系统,距离都超出了银河系的范围,因此我们称它们为河外星系。河外星系与银河系一样,也是由大量的恒星、星团、星云和星际物质组成。现在已知道存在100亿个以上的星系,著名的仙女星系、大小麦哲伦星云就是肉眼可见的河外星系。星系的普遍存在,表明它代表宇宙结构中的一个层次,从宇宙演化的角度看,它是比恒星更基本的层次。壮阔的南天银河河外星系

关于河外星系的发现过程可以追溯到200多年前。法国天文学家查尔斯·梅西耶(1730—1817年)为星云编制的星表中,一个编号为M31的星云在天文学史上有着重要的地位。初冬的夜晚,熟悉星空的人可以在仙女座内用肉眼找到它——一个模糊的斑点,俗称仙女座大星云。从1885年起,人们在仙女座大星云里陆陆续续地发现了许多新星,从而推断出仙女座星云不是一团通常的、被动地反射光线的尘埃气体云,而一定是由许许多多恒星构成的系统,而且恒星的数目一定极大,这样才有可能在它们中间出现那么多的新星。如果假设这些新星最亮时候的亮度和在银河系中找到的其他新星的亮度是一样的,那么就可以大致推断出仙女座大星云离我们十分遥远,远远超出了我们已知的银河系的范围。由于用新星来测定的距离并不很可靠,因此也引起了争议。直到1924年,美国天文学家哈勃用当时世界上最大的2.4米口径的望远镜在仙女座大星云的边缘找到了被称为“量天尺”的造父变星,利用造父变星的光变周期和光度的对应关系才定出仙女座星云的准确距离,证明它确实是在银河系之外,也像银河系一样,是一个巨大、独立的恒星集团。因此,仙女星云应改称为仙女星系。

而星系又可以细分成不同种类。目前的星系分类法是哈勃在1926年提出的,分为下列几种。

椭圆星系:椭圆星系是河外星系的一种,呈圆球形或椭球形。中心区最亮,亮度向边缘递减,对距离较近的,用大型望远镜可以分辨出外围的成员恒星。椭圆星系根据哈勃分类,按其椭率大小分为E0、E1、E2、E3、…、E7共8个次型,E0型是圆星系,E7是最扁的椭圆星系。同一类型的河外星系,质量差别很大,有巨型和矮型之分,其中以椭圆星系的质量差别最大。椭圆星系在室女座NGC4414是一个典型的旋涡星系

漩涡星系:太阳系所处的银河系是一个漩涡星系,主要由质量和年龄不尽相同的数以千亿计的恒星和星际介质(气体和尘埃)所组成。它们大都密集地分布在银河系对称平面附近,形成银盘,其余部分则散布在银盘上下近于球状的银晕里。恒星和星际介质在银盘内也不是均匀分布的,而是更为密集地分布在由银河中心伸出的几个螺旋形旋臂内,呈条带状。一般分布在旋臂内的恒星,年轻而富金属,并多与电离氢云之类的星际介质成协。而点缀在银晕里的恒星则是年老而贫金属的。其中最老的恒星年龄达150亿年,有的恒星早已衰老并通过超新星爆发将内部所合成的含有重元素的碎块连同灰烬一起降落到银盘上。

透镜星系:在椭圆星系中,比E7型更扁的并开始出现旋涡特征的星系,被称为透镜星系。透镜星系是椭圆星系向旋涡星系或者椭圆星系向棒旋星系的过渡时的一种过渡型星系。

不规则星系:外形不规则,没有明显的核和旋臂,没有盘状对称结构或者看不出有旋转对称性的星系,用字母Irr表示。在全天最亮星系中,不规则星系只占5%。按星系分类法,不规则星系分为Irr I型和Irr II型两类。I型的是典型的不规则星系,除具有上述的一般特征外,有的还有隐约可见不甚规则的棒状结构。它们是矮星系,质量为太阳的1~10亿倍,也有可高达100亿倍太阳质量的。不规则星系

从河外星系的发现,可以反观我们的银河系。它仅仅是一个普通的星系,是千亿星系家族中的一员,是宇宙海洋中的一个小岛,是无限宇宙中很小很小的一部分。

20世纪60年代以来,天文学家还找到一种在银河系以外像恒星一样表现为一个光点的天体,但实际上它的光度、质量和星系一样,我们称它为类星体。现在已发现了数千个这种天体。

当我们把观测的尺度再放大,宇宙可看成由大量星系构成的“介质”,而恒星只是星系内部细致结构的表现。这样,为了了解宇宙结构,需关心星系在空间的分布规律。星系团

星系的空间分布不是无规则的孤立地分散在宇宙之中,它们也会聚集起来形成一个个集团。这些集团中存在着一种被自然数星系际介质的高温气体保卫,这些扭转的质量相当于星系集团中所有星系质量的总和。科学家通过力学的方法对星系集团的质量进行测定,发现这些星系集团的质量远远大于星系和气体质量的总和,这些多出质量的来源被称为暗物质。这种由星系、气体和大量的暗物质在引力的作用下聚集而形成的庞大的天体系统就是星系团。

星系团按形态大致可分为规则星系团和不规则星系团两类。规则星系团以后发星系团为代表,大致具有球对称的外形,有点像恒星世界中的球状星团,所以又可以叫球状星系团。规则星系团往往有一个星系高度密集的中心区,团内常常包含有几千个成员星系,其中至少有1000个的绝对星等亮于-16等。规则星系团内的成员星系全部或几乎全部都是椭圆星系或透镜星系。近来发现这种星系团往往又是X射线源。星系团CL0024+17的暗物质环星系团

不规则星系团,又称疏散星系团。它们结构松散,没有一定的形状,也没有明显的中央星系集中区,例如武仙星系团。它们的数目比规则星系团更多。大的不规则星系团的成员星系数多达2500个以上;小的只包含几十个甚至更少的成员星系,银河系所在的星系团就属这一类。范围比较大的不规则星系团可以有几个凝聚中心,在团内形成一种次一级的成群结构。整个星系团就是这些较小群的松散集合体,又可称为星云或超星系。不规则星系团总是各种类型星系的混合体,其中往往以暗星系占绝对优势,这也是与规则星系团的不同之处。另外,就目前所知,只有少数不规则星系团发射X射线。

当然,在宇宙中大约只有10%星系属于大星系团。大部分星系只结成十几、几十或上百个成员的小团。星系团代表了宇宙结构中比星系更大的一个层次。大尺度结构

人们把10Mpc(兆秒差距)以上的结构称为宇宙的大尺度结构(目前观测到的宇宙的大小是104Mpc)。至今大尺度上的观测事实远不是十分明确的。

有迹象表明,星系在大尺度上的分布呈泡沫状,即有许多看不到星系的“空洞”区,而星系聚集在空洞的壁上,呈纤维状或片状结构。这一层次的结构叫超星系团。它的典型尺度为几十兆秒差距。

从演化理论来考虑,尺度大到一定程度,应不再有结构存在。这是否符合事实,以及这尺度有多大,都是十分重要,并需要有大尺度观测才能回答的问题。现今对宇宙在50Mpc以上是否还有显著的结构现象存在这个问题,是人们热烈争论中的焦点。若把星系看成宇宙物质的基本单元。那么,星系的分布状况就是宇宙结构的表现。

上面只是我们对宇宙面貌的初步认识,对宇宙更深层次的了解需要科学技术的进一步发展。超星系团

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