望遠(yuǎn)鏡里的宇宙

策劃 本刊編輯部

探索星空世界

李 元

星空璀璨，遙不可及，自古以來令人們遐想無限，但是直到1630年，當(dāng)伽利略第一次將望遠(yuǎn)鏡指向月球，人們才開始揭開星空的神秘面紗，而現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡的直用，更是將人們的視野一直擴(kuò)展到了遙遠(yuǎn)的宇宙深處。

我曾在中央電視臺“百家講壇”節(jié)目做了一次題為“望遠(yuǎn)鏡里的宇宙”的講座。為宇宙天體壯麗風(fēng)光及神秘感所吸引，觀眾反映十分強(qiáng)烈，據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約有一百多萬人觀看了這個(gè)節(jié)目。感謝《大自然探索》編輯部盛情邀我撰文，使那些經(jīng)歷漫長歲月(以百年、千年、萬年、億年為單位)、穿越浩瀚太空來到人們眼前的宇宙圖照得以時(shí)光常駐、美景再現(xiàn)。這真是一次科學(xué)與藝術(shù)相結(jié)合的宇宙之旅。

眼睛·望遠(yuǎn)鏡·天體攝影

要想探索星空的奧秘，欣賞宇宙的奇觀，必須具備三個(gè)最基本的條件：眼睛、望遠(yuǎn)鏡、天體攝影。眼睛是人瞭望世界、觀賞星空的窗口，但是眼睛所見有限，只能看到天地之間的浮光掠影，也就是山光水色、日月星辰而已。望遠(yuǎn)鏡是眼睛的延長，為我們揭開了天體的一層層面紗：月球上的山脈、太陽上的黑子、行星的一些細(xì)節(jié)，特別是月牙狀的金星、火星的極冠、有大紅斑的木星、令人贊不絕口的土星環(huán)。當(dāng)然，還有那些壯麗無比的星系、星云……

雖然我們能從望遠(yuǎn)鏡中看到一些目所不及的世界，但是，由于人眼的疲勞感和遲鈍感，通過望遠(yuǎn)鏡觀星不能持久，更不能辨別遙遠(yuǎn)天體微弱星光中的細(xì)節(jié)和色彩。那些星光來自天邊遠(yuǎn)方，經(jīng)過漫長旅途來到地球，地球大氣層把它們層層過濾，又經(jīng)過人為的污染感光，能留在我們眼前的已經(jīng)是疲軟無力的暗淡微光，即使用再大的望遠(yuǎn)鏡去看，看得再久，也無濟(jì)于事，反而是疲勞觀測，越看越不清楚。

照相技術(shù)的發(fā)明和發(fā)展給天文學(xué)送來了福音。天體攝影不但使人們觀賞到了從望遠(yuǎn)鏡中看不到的景象，而且還拍攝了天體照片成為天文學(xué)研究的重要資料。所以可以說，沒有望遠(yuǎn)鏡和天體攝影，現(xiàn)代天文學(xué)就無從談起。

天體攝影的成果不但供天文學(xué)家們作為科研之用，也讓普通大眾對宇宙天體有了正確的認(rèn)識，同時(shí)還可以讓人們欣賞那無比壯麗的宇宙美景，把人和宇宙的距離大大縮小。

以觀測為基礎(chǔ)

天文學(xué)是一門自然基礎(chǔ)科學(xué)，其最大特點(diǎn)是以觀測為基礎(chǔ)。但是，不像物理、化學(xué)、地學(xué)等可以到野外去考察，可以在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)，天上的星星月亮是沒法拿到地上來做實(shí)驗(yàn)的，只能進(jìn)行觀測，然后根據(jù)觀測資料進(jìn)行研究，這就是天文學(xué)家為什么要用望遠(yuǎn)鏡觀測宇宙的原因。在天文觀測中，天體攝影是最重要的、不可或缺的工作。從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，天體攝影技術(shù)逐漸發(fā)展，人們從此可以用大型望遠(yuǎn)鏡拍攝非常遙遠(yuǎn)的天體。到20世紀(jì)50年代，彩色天體攝影技術(shù)的應(yīng)用更是使天文觀測大放光彩。到1957年，人造衛(wèi)星發(fā)射成功，人類進(jìn)入太空時(shí)代，各種行星探測器(如“旅行者號”飛船)、太空望遠(yuǎn)鏡(如“哈勃”望遠(yuǎn)鏡)的問世，使人們對宇宙的認(rèn)識有了飛躍的進(jìn)步，許多星球世界的神秘面貌更加展示無遺。

天文學(xué)又是一門精確的科學(xué)，因?yàn)樘祗w照片必須精確無誤。在1926年出版的一本《天文圖冊》中，詳細(xì)記錄了拍攝天體照片所使用的望遠(yuǎn)鏡的規(guī)格、天體照片的曝光時(shí)間，等等。除了太陽、月球等明亮天體可以在秒、分級的時(shí)間段中拍攝，其他天體的拍攝大多要用幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)。例如，拍攝一些銀河系的局部照片需要曝光3個(gè)小時(shí)，人馬座三葉星云照片需要曝光2．5小時(shí)，大熊座星系M101照片需要曝光7．5小時(shí)，而獵戶座旋渦星系所需要的曝光時(shí)間甚至達(dá)到10．5小時(shí)!

為星星照相

怎樣用望遠(yuǎn)鏡拍攝天上的銀河和燦爛的繁星呢?簡單地說，就是打開天窗，用望遠(yuǎn)鏡尋找到要拍攝的星星并對準(zhǔn)，然后把大型照相底片放在望遠(yuǎn)鏡后面的底片盒子里，對著天上的星星照相。不過，不像人們在地面拍攝，使用1／60秒、1／125秒或1／250秒進(jìn)行曝光，拍攝天上的星星需要進(jìn)行長時(shí)間的曝光，幾十分鐘、幾小時(shí)、甚至十幾個(gè)小時(shí)。50多年前，我在紫金山天文臺曾用了3個(gè)多小時(shí)拍攝著名的仙女座星系，可惜沖洗底片時(shí)不慎使星像破壞，令我心痛無比1 1995年，“哈勃”望遠(yuǎn)鏡拍攝北斗星附近、距離地球百億光年(光走1年的距離被稱為1光年，約為9．5萬億千米)遠(yuǎn)處的星系照片時(shí)，足足拍了好多天!

由于地球在自轉(zhuǎn)，天上的星星在底片上會留下一道一道的痕跡，為了保證望遠(yuǎn)鏡里面的星星不動(dòng)，望遠(yuǎn)鏡必須跟著地球轉(zhuǎn)動(dòng)。望遠(yuǎn)鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)依靠機(jī)械裝置完成。最早的機(jī)械裝置是手搖的或者是上發(fā)條的，后來有了電動(dòng)的。但還是不可靠，還要靠人盯著，這叫導(dǎo)星。使用導(dǎo)星鏡時(shí)，先將星星鎖定在鏡筒的十字絲上面，然后進(jìn)行微調(diào)，讓它保持在中心。過去，天文觀測人員用望遠(yuǎn)鏡拍攝天體照片是非常辛苦的事情。如果拍攝一個(gè)天體需要曝光10小時(shí)，那么觀測人員就要在望遠(yuǎn)鏡旁待10小時(shí)。為了保證星象成為圓點(diǎn)而不是橢圓，觀測人員要用眼睛從望遠(yuǎn)鏡中監(jiān)視位于十字絲中心的天體，稍有移動(dòng)就立刻調(diào)整。此外，為了使天文觀測室中的空氣達(dá)到最大的寧靜，在整個(gè)觀測時(shí)間里，觀測室內(nèi)不可使用電扇或暖氣。現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)、大型地面天文望遠(yuǎn)鏡、在太空中飛行的望遠(yuǎn)鏡和無人宇宙飛船(行星探測器)的應(yīng)用，大大改進(jìn)了天文觀測的條件，促進(jìn)了天文學(xué)的發(fā)展。

我相信，未來更好的望遠(yuǎn)鏡將會為我們帶來更多更美好的宇宙勝景。

作者簡介：李元，1925年6月出生，山西朔州人。曾任《大眾天文》總編輯、中國天文學(xué)會理事、北京天文館學(xué)術(shù)委員、中國科普研究所研究員、中國科普作家協(xié)會常務(wù)理事等職。1990年獲“建國以來有突出貢獻(xiàn)的科普作家”稱號，1998年獲永久編號第6471號小行星被命名為“李元星”的國際榮譽(yù)。

星團(tuán)

天上的星星多數(shù)不是單顆的。還有2顆的、3顆的，金牛星座里的昴星團(tuán)(也叫七姐妹星團(tuán))里的恒星，古人用肉眼看有7顆，現(xiàn)代人用肉眼看只有6顆，而用望遠(yuǎn)鏡看則有數(shù)百顆之多。這種有一定聯(lián)系的恒星集團(tuán)叫“星團(tuán)”。星團(tuán)分球狀星團(tuán)和疏散星團(tuán)兩種。球狀星團(tuán)像一個(gè)球，也像一朵盛開的菊花，里面可能有幾十萬顆恒星。這些星星看起來好像都重合在一起，其實(shí)彼此之間的距離都在許多光年以上。疏散星團(tuán)零零碎碎不成形狀，一般由十幾顆到幾百顆恒星組成。

星系

茫茫宇宙就像海洋，無數(shù)個(gè)“島嶼”星羅棋布，被稱為“星系”。我們居住的地球就在一個(gè)巨大的星系——銀河系里，而宇宙中像銀河系這樣的星系還有很多，被稱為“河外星系”。星系由無數(shù)顆恒星組成，銀河系里有1000多億顆恒星：星系不停地旋轉(zhuǎn)，銀河系每轉(zhuǎn)一圈需要2億年的時(shí)間。

嬰兒時(shí)代的宇宙

如果我們能拍到130億光年以外的星球，就表示我們看到了宇宙大爆炸開始時(shí)候的景象，也就是宇宙的發(fā)端。這張具有劃時(shí)代意義的照片，是100多億光年以外的宇宙，也就是說，100多億光年以外的星球星系都縮影到了這張照片里，讓我們一覽無余。我們真幸運(yùn)，能夠看到嬰兒時(shí)代的宇宙，

星云

星云是由星際空間的氣體和塵埃組成的云霧狀天體，其中的物質(zhì)密度非常低。星云的形狀千姿百態(tài)。距離地球1500光年的獵戶座星云真是美不勝收，它是人用肉眼所能看到的銀河系里最漂亮的一個(gè)氣體星云、獵戶座星云主要由氣體組成，它里面的恒星的氣體由各種化學(xué)元素組成，包括氫、氦、氧、氮等：氣體被激發(fā)后發(fā)出各種不同顏色的光，猶如宇宙中的“霓虹燈”。

揭露天機(jī)的望遠(yuǎn)鏡

薛 亭

在晴朗無月的晚上，你站在燈光較暗的郊外高坡上仰望星空時(shí)，那些錯(cuò)落有致、疏密得當(dāng)、亮暗分明、相映成趣的星星使你感到星空的浩瀚和神奇。星光不僅裝點(diǎn)著美麗的星空，而且是宇宙的信使，人類的天文知識都是由星光透露的。那么，人類是用什么方法揭示星光奧秘的呢?

古人觀天

人類的祖先在很早以前就開始觀測天象了。在風(fēng)掃地月當(dāng)燈的遙遠(yuǎn)古代，他們?nèi)粘龆鳎漳憾鴼w，過著原始生活。在長期與自然的接觸中，他們發(fā)現(xiàn)太陽、月亮和星星的位置同天氣冷暖和節(jié)氣變化有關(guān)，因而他們注意觀天，用天象來安排狩獵和農(nóng)時(shí)，這樣就慢慢誕生了古代天文學(xué)。公元前2000年左右，蘇美爾人和阿卡德人定居在兩河流域(今天的伊拉克境內(nèi))，在這一時(shí)期，他們通過觀測星空，發(fā)現(xiàn)了水星、金星、火星、木星和土星這五顆明亮行星在天空中的運(yùn)動(dòng)。古埃及人在長期觀測中發(fā)現(xiàn)，天狼星的出現(xiàn)同尼羅河河水泛濫有關(guān)，并且根據(jù)它們之間的關(guān)系推算出一年是365天。古希臘人經(jīng)過觀測，認(rèn)識到“一旦大角星的光輝在薔薇色的黎明中閃耀，就到了收獲葡萄的季節(jié)”。瑪雅人則建高臺觀金星，根據(jù)金星出現(xiàn)的位置，選擇攻擊鄰近部落的時(shí)間。我國古人更是能根據(jù)大熊座(北斗七星)的位置來確定季節(jié)：“斗柄東指，天下皆春；斗柄南指，天下皆夏；斗柄西指，天下皆秋；斗柄北指，天下皆冬。”這里的“斗柄”就是“大熊尾巴”。

古人的天文知識是用眼睛獲得的，古天文儀器如星盤、日昝和占星表等都是肉眼觀天的輔助工具。古人用眼睛加上簡單的器具取得了豐富的觀測資料，建設(shè)了燦爛的古代文明。

光學(xué)時(shí)代到來

1609年，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡問世，從此天文學(xué)進(jìn)入了現(xiàn)代時(shí)期。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是由伽利略引人天文學(xué)的，但他并不是望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明人。據(jù)說望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明人是荷蘭一位名叫黎伯希的磨鏡師的徒弟。一天黎伯希外出，小徒弟在家無事，拿起幾塊鏡片玩耍，無意間從重疊的鏡片中看到一個(gè)毛茸茸的凸眼“怪物”正揮舞著前爪向他爬來，他嚇了一跳，趕緊把鏡片扔掉了。過了一會兒，他又看了一次，才發(fā)現(xiàn)原來自己是把在窗戶上爬行的一只蒼蠅當(dāng)成了怪物。當(dāng)他拿起重疊的鏡片觀察窗外時(shí)，發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處的鐘樓一下子全跑到跟前來了。黎伯希回來后，小徒弟把看到的情況告訴了師傅。后來，黎伯希把兩塊鏡片裝在一根長長的管子兩端，制成了一架放大3～4倍的“幻鏡”。1608年10月，他又制成一架放大30倍的雙目望遠(yuǎn)鏡。

當(dāng)這個(gè)消息傳到伽利略的耳朵里時(shí)，他突發(fā)奇想：如果讓威尼斯人看望遠(yuǎn)鏡，不是更能激起他們的好奇心嗎?于是，他嘗試著制造自己的望遠(yuǎn)鏡。他憑借熱情和道聽途說，在從未見到過荷蘭望遠(yuǎn)鏡的情況下，制成了一架放大3倍的小望遠(yuǎn)鏡。經(jīng)過改進(jìn)后，他又制成放大10倍的望遠(yuǎn)鏡。他帶著這架望遠(yuǎn)鏡來到威尼斯進(jìn)行演示，結(jié)果大獲成功，不但得到了榮譽(yù)，還被加薪晉級。

如果伽利略安于現(xiàn)狀，到此為止，他很可能成為一個(gè)富翁，過著悠閑的生活，也可能在歷史上留下一些注釋。然而，他沒有這樣做。在一個(gè)深沉的夜晚，他開始了一場革命——把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了月亮。這一舉動(dòng)讓他發(fā)現(xiàn)，月面并不像人們所想象的那樣完美無缺，潔如明鏡，而是坑坑洼洼、崎嶇不平，整體特征與地球大體相同。

這一發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)引起很大震動(dòng)，許多人認(rèn)為伽利略是錯(cuò)的，甚至有人說，如果伽利略看到了粗糙的月面，那么就意味著整個(gè)月亮被一個(gè)透明、光滑、肉眼看不見的晶體覆蓋著。在這些聒噪聲中，1610年1月7日，伽利略又把放大30倍的望遠(yuǎn)鏡指向了木星，并在木星周圍發(fā)現(xiàn)了四顆小星。其后幾周的觀測表明，這些小星是圍繞木星旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星，在現(xiàn)代天文學(xué)上稱為“伽利略衛(wèi)星”。

在伽利略生活的年代，當(dāng)時(shí)的教會竭力鼓吹特勒玫的“地心說”，認(rèn)為所有天體都是圍繞地球轉(zhuǎn)的，而伽利略的發(fā)現(xiàn)正好與此相反：既然有衛(wèi)星圍繞木星轉(zhuǎn)，怎么能說所有天體都圍繞地球轉(zhuǎn)呢?伽利略的觀測結(jié)果有力地駁斥了“地心說”，支持了哥白尼的“日心說”。接著，伽利略又發(fā)現(xiàn)太陽有黑子，土星有“腫塊”(后來證明是土星環(huán))，金星形狀像月亮(即有從圓變到缺和從缺變到圓的位相變化)，這些發(fā)現(xiàn)為科學(xué)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。然而，由于當(dāng)時(shí)教會的黑暗統(tǒng)治，這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)不但沒有為伽利略帶來榮譽(yù)，反而是“罪名”，成為教會迫害他的理由。因?yàn)檫@些發(fā)現(xiàn)，偉大的伽利略遭到了終生監(jiān)禁。不過，烏鴉的翅膀遮不住太陽，科學(xué)的宇宙觀最終照耀全世界。望遠(yuǎn)鏡很快取代了眼睛，成為400年來天文觀測的主要儀器。

現(xiàn)代天文學(xué)分為三個(gè)發(fā)展時(shí)期，不同時(shí)期使用不同類型的望遠(yuǎn)鏡。從1609年伽利略使用望遠(yuǎn)鏡起至20世紀(jì)30年代為第一時(shí)期，即光學(xué)觀測時(shí)期。在這一時(shí)期，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一統(tǒng)天下。

光學(xué)觀測的輻射波段是可見光，即眼睛能夠看見的紅橙黃綠青藍(lán)紫等有顏色的光線。可見光只是天體輻射的一部分，在可見光外面，兩端都有波段很寬的、人的肉眼看不見的光線，其中波長比紅光長的有紅外光(或稱紅外線)、射電波(或稱無線電波)，波長比紫光短的有紫外線、x射線和伽瑪射線。

天文望遠(yuǎn)鏡與普通雙目望遠(yuǎn)鏡不同。后者用來觀看近處景物，只要求它能清晰分辨景物細(xì)節(jié)就行了，對它能否觀測到較暗的物體沒有嚴(yán)格要求，因此要求它有較大的放大倍數(shù)。而天文望遠(yuǎn)鏡則用來觀測遙遠(yuǎn)的星光，一般不要求它有很高的放大倍數(shù)，而是要求有很強(qiáng)的收集光線的能力，以觀測到較暗的星。這一要求只能用增加望遠(yuǎn)鏡的口徑來完成。望遠(yuǎn)鏡的口徑越大，收集光線的能力越強(qiáng)。

隱形光線現(xiàn)身

射電天文觀測為第二個(gè)發(fā)展時(shí)期，出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代。1928年，剛剛大學(xué)畢業(yè)的央斯基在美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室研究短波無線電通訊中的干擾因素，他研制了一架接收機(jī)和一個(gè)長30．5米、高3．66米的“天線陣”。“天線陣”被裝在一個(gè)基座上面，基座下裝有4個(gè)輪子，每20分鐘繞中心旋轉(zhuǎn)1圈，活像希臘神話中攻打特洛伊城的木馬，人們戲稱它為“旋轉(zhuǎn)木馬”。央斯基用這個(gè)“旋轉(zhuǎn)木馬”發(fā)現(xiàn)了來自銀河系中心的干擾源。

1942年，正值第二次世界大戰(zhàn)最激烈的時(shí)期。一天，英國防空部隊(duì)的雷達(dá)突然收到一個(gè)電波干擾，指揮機(jī)關(guān)以為敵機(jī)要來空襲，急忙發(fā)出防空警報(bào)，可是警報(bào)發(fā)出很久也沒見到敵機(jī)蹤影。為了弄清信號的來源，科學(xué)家海伊進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)干擾信號不是來自地面，而是來自太陽。類似的例子還有很多。種種跡象表明，天空存在無線電輻射。為了探索天體的無線電輻射，形成了射電天文學(xué)。

射電天文觀測設(shè)備叫做射電望遠(yuǎn)鏡，簡單地說，就是一架天線、一部接收機(jī)，外加一個(gè)資料處理裝置。天線接收天體輻射的射電信號，接收機(jī)接收天線輸出的信號，資料處理裝置記錄和處理接收機(jī)的輸出信號。

1937年，雷伯制造了第一架拋物面天線。這是人類第一架觀測看不見的光線的“千里眼”。美國射電天文學(xué)家充分發(fā)揮想象力，在波多黎各阿雷西博鎮(zhèn)附近的死火山口建成了305米直徑的特大射電望遠(yuǎn)鏡天線。這架望遠(yuǎn)鏡于1963年竣工并投入使用后，為天文學(xué)做出了巨大貢獻(xiàn)。上個(gè)世紀(jì)90年代，“月球探測者”飛船發(fā)現(xiàn)月亮南極附近的隕擊坑里有水冰存在。為了證實(shí)這個(gè)發(fā)現(xiàn)，美國天文學(xué)家啟動(dòng)阿雷西博射電望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測，結(jié)果不僅證實(shí)月亮上有水，而且測出了水的含量。

不過，無論是光學(xué)觀測還是射電觀測，都是在地面進(jìn)行的。由于地球大氣的吸收和散射，紫外線、x射線、伽瑪射線和大部分紅外線被擋在大氣之外，射電觀測和光學(xué)觀測因此受到嚴(yán)重限制。

20世紀(jì)60年代，天文望遠(yuǎn)鏡終于可以搬上“天”了。空間天文觀測把所有天體輻射統(tǒng)統(tǒng)請了出來，形成了全波天文學(xué)。這就是現(xiàn)代天文學(xué)的第三個(gè)發(fā)展時(shí)期。

空間天文觀測有“三新”：天文臺臺址新，觀測儀器新，觀測的輻射波段新。空間天文臺建在“天上”，建臺“地址”是人造衛(wèi)星、科學(xué)氣球、運(yùn)載火箭、載人及不載人飛船、航天飛機(jī)和空間站等。現(xiàn)在，科學(xué)氣球和運(yùn)載火箭基本不再使用了，使用最多的是天文衛(wèi)星。

空間天文觀測的儀器設(shè)備與光學(xué)天文觀測和射電天文觀測迥然不同。空間探測儀器要求體積小，重量輕，能力強(qiáng)，功耗低，結(jié)構(gòu)簡單和牢固可靠。空間天文探測不同的輻射使用不同的儀器。例如，“哈勃太空望遠(yuǎn)鏡”觀測可見光和紅外線，用的是光學(xué)望遠(yuǎn)鏡和紅外望遠(yuǎn)鏡“康普頓伽瑪射線天文臺”觀測伽瑪射線，用的是伽瑪射線望遠(yuǎn)鏡；“錢德拉x射線衛(wèi)星”和“XMM一牛頓天文臺”觀測x射線，用的是x射線望遠(yuǎn)鏡；“斯匹策紅外空間望遠(yuǎn)鏡”觀測紅外線，用的是紅外望遠(yuǎn)鏡。

20世紀(jì)70年代，射電天文一舉奪得類星體、脈沖星、星際分子和宇宙微波輻射背景四項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，開創(chuàng)了天文觀測的新局面。現(xiàn)代天文學(xué)的發(fā)現(xiàn)幾乎都與空間探測有關(guān)，黑洞存在的證據(jù)、伽瑪射線爆的發(fā)現(xiàn)、在火星上找到水、一大批土星衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)以及暗能量和宇宙膨脹加速的發(fā)現(xiàn)等，都是由空間天文觀測完成的。今天，空間天文學(xué)的成就大大改變了人類根據(jù)地面觀測所形成的許多傳統(tǒng)觀念，把人類的視野伸展到了遙遠(yuǎn)的宇宙深處。

無與倫比的太空勝景

編譯 吳剛

穿越太陽系，飛向星云和星系，尋找恒星誕生的搖籃，觀賞恒星死亡時(shí)的最后輝煌，造訪字宙黑洞“怪獸”，展望宇宙未來命運(yùn)……“哈勃”所拍攝的絢麗而具動(dòng)感的畫面帶領(lǐng)我們探索宇宙深處的秘密。

1990年4月，“哈勃”由美國航空航天局的航天飛機(jī)發(fā)射升空。這是一臺巨大的太空望遠(yuǎn)鏡，重1．1萬千克，鏡面直徑240厘米，在距離地球表面580千米高空的軌道上運(yùn)行。到目前為止，它以向地面發(fā)送無線電波的方式為科學(xué)家提供了無數(shù)極有價(jià)值的圖片，特別是近幾年來，“哈勃”似乎達(dá)到了高產(chǎn)時(shí)期，它發(fā)回的觀測數(shù)據(jù)使科學(xué)家對宇宙的研究取得了突破性的進(jìn)展。

太空花園

由瀕死的恒星拋棄自己的外層大氣所形成的天體被命名為行星狀星云，之所以這樣命名，僅僅是由于從地球上看去它們是球形的，就像行星那樣。“哈勃”打碎了這一錯(cuò)覺，但同時(shí)又帶來了新的奧秘。

如果從純美學(xué)的角度來看，“哈勃”所拍攝的行星狀星云照片是無與倫比的。照片中那些繽紛的色彩、閃亮氣云的復(fù)雜形狀，絲毫不亞于地球上那些照管得最好、布局最精細(xì)的大花園。

下面這些照片被認(rèn)為是“哈勃”所拍攝的最漂亮的星云景觀。

“哈勃”講述的我們宇宙的童年往事。

宇宙螞蟻(圖1)

螞蟻星云的正規(guī)名字是“門澤爾3”，之所以又被戲稱為“螞蟻星云”，是因?yàn)閺牡孛嫱h(yuǎn)鏡看去，它的形狀很像是一只螞蟻。這幅照片揭示了“螞蟻的身體”像一對火焰瓣從一顆正在死亡的恒星上伸了出來，它打破了人們此前對這只太空“螞蟻”的錯(cuò)覺，更對人們此前對恒星死亡最后階段的認(rèn)識提出了挑戰(zhàn)。科學(xué)家現(xiàn)在急于弄清的是：為什么一顆球形的恒星能夠以如此非球形、卻又如此對稱的形狀噴射氣體?

蝴蝶星云(圖2)

在距離地球2100光年的蛇夫星座里，一對雙星正在以極度危險(xiǎn)的近距離“跳舞”。其中．較強(qiáng)健的“舞者”也許正在劫掠“舞伴”身上的物質(zhì)，并像甩飛盤一樣將這些物質(zhì)拋進(jìn)太空。天文學(xué)家估計(jì)，被這個(gè)蝴蝶星云排斥掉的氣體的逃逸速度高達(dá)每秒320千米以上。

沙漏星云(圖3)

在“哈勃”拍攝到這張照片之前，沙漏星云的結(jié)構(gòu)從地面看上去就像是一對較大的外環(huán)和一個(gè)較小的中心環(huán)。這張照片則顯示．這塊星云其實(shí)很像一個(gè)沙漏，壁上還精雕細(xì)鑿。這個(gè)“沙漏”是怎樣形成的?目前仍是一個(gè)謎。

老鷹星云(圖4)

恒星在死亡過程中拋棄的物質(zhì)或許會被回收為組成新恒星的材料。距離地球7000光年的老鷹星云就是恒星“產(chǎn)房”的典型代表。在老鷹星云中．低溫氣柱雄偉壯觀地從灰暗的氫分子氣云中傲然升起。

南環(huán)星云(圖5)

南環(huán)星云中一顆瀕死的恒星照亮了正在膨脹的氣云。這顆恒星——圖像中央兩顆星中亮度較弱的那一顆，目前已經(jīng)變得比我們的太陽還小，但是又比太陽熾熱得多。

開辟新紀(jì)元

2002年4月，“哈勃”又新添了一只新的“慧眼”。這一次，航天飛機(jī)為“哈勃”安裝了一架新的高精度數(shù)字照相機(jī)——“高級探測照相機(jī)”，還完善了“哈勃”的供能系統(tǒng)。這樣一來，“哈勃”如虎添翼，洞察太空的能力更上一層樓。“高級探測照相機(jī)”拍攝的第一批照片，就讓天文學(xué)家們驚詫不已。當(dāng)時(shí)一位天文學(xué)家這樣評價(jià)：盡管“哈勃”在這之前已經(jīng)拍攝了12年的宇宙照片，為科學(xué)做出了12年的偉大貢獻(xiàn)，它的新相機(jī)卻在提示我們：實(shí)際上我們一切都還未看到。

氣柱升騰(圖6)

在距離地球2500光年的麒麟星座中，一根巨型紅色氣柱正在升騰而上。“哈勃”的新相機(jī)捕捉到了所謂的“錐形星云”，天文學(xué)家相信這塊星云正是一個(gè)新恒星的“孵化器”。這張照片顯示的是這塊星云中上面2．5光年范圍內(nèi)的情況。

太空調(diào)色板(圖7)

歐米加星云的大小是太陽系的3500倍。在這個(gè)星云中，從發(fā)光氣體的艷麗“地毯”上正在誕生新的恒星，而發(fā)光氣體則躺在冷暗的氫云中。這個(gè)區(qū)域也被稱為“天鵝星云”，它位于距離地球5500光年的射手星座。來自年輕大質(zhì)量恒星的熾熱紫外輻射將這塊星云照亮，其中每顆恒星都比太陽大30倍以上，熾熱6倍以上。照片中的藍(lán)、綠、紅色是由高能氫、氮、氧和硫造成的，其中的紅光源于氫和硫。

宇宙碰撞(圖8)

在距離地球3億光年之遠(yuǎn)的地方，兩個(gè)螺旋狀星系正位于相互碰撞的軌道上。在幾十億年之后，銀河系和它的近鄰——仙女座也可能發(fā)生可怕的相撞。星系碰撞之后，最終會合并成一個(gè)巨大的新星系。這個(gè)星系被稱為“老鼠”．這是因?yàn)槊總€(gè)碰撞星系的巨大引力都會從對方星系中拖曳出氣體和恒星物質(zhì)，所以看上去這些恒星就像是長出了尾巴的老鼠。

太空蝌蚪(圖9)

天龍星座距離地球4．2億光年。盡管4．2億光年的距離遙遠(yuǎn)得讓人難以想象，“哈勃”的新相機(jī)卻發(fā)現(xiàn)那里有一個(gè)形狀怪異的螺旋形星系，科學(xué)家將這個(gè)星系戲稱為“蝌蚪”。蝌蚪星系的尾巴的長度竟達(dá)28萬光年，科學(xué)家懷疑這是由一個(gè)入侵的高密度熾熱星系的引力所致。在這幅照片中，這個(gè)“入侵者”位于“蝌蚪”的左上角。不過，最讓科學(xué)家感興趣的．卻是背景中可見的大約6000個(gè)星系．其中很多星系都是在宇宙大爆炸剛剛結(jié)束之后形成的，而大爆炸被認(rèn)為是宇宙的創(chuàng)生原因。“哈勃”的舊相機(jī)曾在1995年拍到過一張當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是很了不起的照片，因?yàn)檎掌嫌胁簧俚男窍怠Ｈ欢肮钡男孪鄼C(jī)只用了不到舊相機(jī)1／12的時(shí)間，就拍到了比舊相機(jī)所拍多一倍的星系。

恒星的生與死

所有的恒星都會經(jīng)歷從誕生到死亡的演化過程，而且古老恒星的死亡之地也正是新恒星的誕生之地，這正是宇宙的無比奇妙之處。“哈勃”迄今為止取得的最大成就之一，就是拍攝到了恒星“產(chǎn)房”的照片。NGC 3603星系中的恒星“產(chǎn)房”是其中最有名的(圖10)。

盡管巨大的NGC 3603星云中動(dòng)蕩不安，但并不妨礙恒星“嬰兒們”的穩(wěn)定出生。該星云中的一個(gè)安全地帶就是圖像中高聳的氣柱，這些氣柱能抵御星云中狂暴的輻射——這些輻射是核聚變的副產(chǎn)品，正是核聚變讓恒星燦爛發(fā)光。盡管外面風(fēng)暴肆虐，氣柱內(nèi)部的氣體和塵埃卻能降溫固化成塊，最終坍縮形成恒星。

星云中新恒星的第二個(gè)來源是被稱為“波克球”的塵埃和氣體云團(tuán)，這些云團(tuán)密度很高，并且像洋蔥一樣分層。假如波克球的外層塵埃能通過吸收輻射來保護(hù)內(nèi)部，那么內(nèi)層就可以降溫至大約零下263攝氏度。哪怕這些降溫的氣體和塵埃以超音速攪動(dòng)，它們也會向波克球的中心聚集。就這樣，一個(gè)波克球能“孵化”不止一顆恒星。波克球“孵化”恒星的原理是：在波克球內(nèi)部，首先形成由氣體和塵埃構(gòu)成的密實(shí)而低溫的內(nèi)核；接著，內(nèi)核的引力吸引更多的氣體和塵埃；最終，內(nèi)核在自身重量下坍縮，變成一個(gè)大質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)球體。就這樣，一顆體積尚小的恒星“胚胎”便成形了。

如果這個(gè)恒星“胚胎”要想最終誕成恒星，它就必須在輻射風(fēng)暴攻破自己所在的波克球外部防線之前更迅速地收集能源。每個(gè)恒星“嬰兒”都會繼續(xù)收集能源，直到自己變得足夠重、足夠熱，以至于自己身上的氫原子開始聚合并散發(fā)輻射，至此，才最終形成真正意義上的恒星。恒星引力控制范圍內(nèi)剩余的氣體和塵埃則逐漸平整成“原始行星盤”，環(huán)繞恒星的赤道運(yùn)行。通常，原始行星盤會聚合成太空“石頭”——包括彗星、小行星和行星等。

黑洞證據(jù)

在NGC 3603星系中，至少有10顆恒星的體積在太陽的100倍以上，或許還有10000顆以上的恒星大小跟太陽相仿。為何會出現(xiàn)這樣的情況呢?至今仍是一個(gè)謎。

在這幅NGC 3603星系照片上，最明亮的恒星是Sher 25星，它在走向死亡的路途中“獨(dú)辟蹊徑”——其“死亡悸動(dòng)”已經(jīng)在其赤道附近形成了一個(gè)環(huán)，其兩極上空還各有一個(gè)正在膨脹的球形氣泡。當(dāng)Sher 25最終發(fā)生超新星爆發(fā)時(shí)，其外層氣殼將以每秒鐘數(shù)千千米的高速向外部噴射物質(zhì)并被撕裂。這顆恒星的每一個(gè)碎片屆時(shí)都將收集太空中的稀薄氣體，聚合成新的氣團(tuán)。隨著每個(gè)氣團(tuán)的降溫，其中一些氣體會凝固成塵埃，而這些具有保護(hù)作用的塵埃則讓氣體進(jìn)一步降溫。于是，又一輪造星大潮開始了。

心大星(圖11)

在這張星云照片的上半部分，充滿了反射自熾熱恒星的藍(lán)色光暈。這些恒星位于一個(gè)巨型低溫塵埃氣云附近，這一氣云正是這些恒星的誕生地。占據(jù)這張照片下半部分的，主要是紅巨星一一心宿二，也稱心大星、大火、天蝎座α星。它是一顆巨大的、可變化的紅色雙星，也是天蝎座最亮的星，距地球約424光年。

貓眼星云(圖12)

貓眼星云其實(shí)是個(gè)俗稱，其正規(guī)名字是NGC6543，它也是迄今為止觀測到的最復(fù)雜的行星狀星云之一。貓眼星云的“心臟”可能有一個(gè)雙星系統(tǒng)，其中一顆恒星正在死亡，拋出它的大氣，而雙星相互繞行“舞蹈”，形成了星云的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。貓眼星云被認(rèn)為是瀕死恒星最終演化過程的可見的“化石記錄”。

“探照燈光柱”(圖13)

這張卵形星云照片，顯示了環(huán)繞一顆瀕死恒星的“探照燈光柱”和多重亮弧。

NGC 3372星云(圖14)

NGC 3572星云的腹心結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這個(gè)星云在1838年首次得到詳盡描述，當(dāng)時(shí)，英國天文學(xué)家赫歇爾看見了位于這張照片上半部分的明亮圓殼。這個(gè)殼往南延伸，形成了鎖眼形狀的星云。

黑洞：無底的深淵

沒有人見過黑洞，并且永遠(yuǎn)也不可能有人目睹黑洞。但是，天文望遠(yuǎn)鏡觀測告訴我們，黑洞的存在是確定無疑的事實(shí)。其實(shí)，直到1998年都沒有人敢肯定地說“黑洞存在”。就在這一年，美國天文學(xué)家想辦法將設(shè)在夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)了銀河系中心的恒星(在此之前，因?yàn)榫嚯x地球過于遙遠(yuǎn)，那里的恒星從地球上看去也過于暗弱，無法被探測)。天文學(xué)家觀察到銀河系中心的恒星運(yùn)動(dòng)之快簡直堪稱瘋狂，由此推知它們所環(huán)繞的物體的質(zhì)量之大——比太陽的質(zhì)量大250萬倍以上。什么不可見的物體會有這么大的質(zhì)量?只有黑洞。現(xiàn)在，就讓我們來看一看“哈勃”所提供的黑洞證據(jù)。

黑洞塵埃(圖15)

在這幅照片中顯示了一個(gè)螺旋狀的塵埃盤，它正在被NGC 4261星系中心的一個(gè)超大質(zhì)量黑洞吞噬。據(jù)天文學(xué)家估算，這個(gè)位于塵埃盤中心的黑洞的質(zhì)量是太陽的120億倍，其體積卻比太陽系大不了多少，足見其密度之高。

寬邊帽星系(圖16)

在著名的寬邊帽星系中央，正在發(fā)生著極富活力的事件，因?yàn)椤肮碧綔y到那里有超量的×射線發(fā)出。這些×射線，再加上該星系中央恒星快得離譜的運(yùn)行速度，讓許多天文學(xué)家相信在寬邊帽星系的中心存在黑洞。