银河系奥秘

编译 刘声远

银河系全景

科学发展到今天，你或许会认为我们所在的星系——银河系已经没有什么奥秘可言了，但你错了，因为从它致密的中心到它稀疏的外围，我们对银河系还有太多东西不了解。惊人的是，其中一些奥秘之所以产生，纯粹是因为它们就站在我们的宇宙家门口。例如，地球所在的位置使得我们在地面难以说清银河系的旋臂究竟在哪里，甚至就连银河系到底有多少条旋臂也不清楚。我们对于那些遥远星系的了解，反而比自己所在的星系多得多。

为了查明地球的真正形状，地理学家们曾奔赴全球进行调查。这样的重任目前已由轨道卫星来担当。人造卫星不仅揭示了我们在地面上根本看不见的地质结构和考古遗址，而且还把我们的视野延伸到了很宽很宽的范围。

银河系的反物质工厂

取100亿吨反物质和100亿吨物质，进行搅和。银河系每秒钟都在混合如此巨量的爆发性“鸡尾酒”，从而产生了银河系内部的一种温暖的伽马辐射光晕。在此过程中创造的每一个光子所携带的能量，都正好等于一个电子和它的反物质对应物——一个正电子的湮灭质量。但哪儿来这么多的正电子呢？

包括可见光、紫外线、红外线、X射线、无线电波以及其他能量的伽马射线在内，大多数的星系辐射主要来源于银河系的圆盘——明亮、短命的新恒星的诞生地。

但湮灭伽马射线主要来自于银河系那小得多的、鼓鼓的中心。这自然是一件怪事，科学家对此也有一些很奇怪的推测。例如，这些正电子可能是由衰变的暗物质或奇异的量子物质——Q球创造的，也可能是由微型黑洞或缠绕的宇宙弦喷出的。但也可能是我们熟悉的东西。银河系圆盘中的超新星爆发会产生放射性同位素，它们在衰变过程中会发射正电子。当它们从一颗伴星吸食材料大餐时，中子星和黑洞能制造反物质。这些天体中的一部分也住在银河系中心，但它们只能解释那里可见的伽马射线辐射量中的一部分。

如果银河系的磁场能把正电子从银盘（即银河系圆盘）推进到银河系中心（银心）的鼓起里，那么情况就不同了。这取决于磁场的基本形状，而通过观测来自于遥远源头的无线电波怎样被极化，科学家就能知道这个形状。这还取决于正电子能否在穿行数万光年后才被湮灭。实际情况是否如此则很难探明，因为它取决于磁场的小规模细节以及星系际气体，而现有的望远镜对它们都无能为力。

量子世界（写意图）

如果正电子真的能走这么远，那么另一种可能性就出现了。它们可能来自于很久以前在银河系中心黑洞（银心黑洞）发生的事件。因缺乏燃料，银心黑洞眼下很安静。

但在数百万年以前，它可能曾突然闪耀，输出超大量正电子。这些正电子由银心向外一路推进，从而创生一个球状的湮灭晕。当然，在得到更详尽的伽马射线辐射图之前，真相不可能大白。

银河系的模样

清朗之夜走到郊外，远离城市灯火，你会看见一道奶白色的星带横跨夜空，它就是我们所在的岛宇宙——银河系。我们住在银河系中，只要看穿恒星密集的银盘，我们也就看到了银河系。可是，如果从外面看，银河系又是什么模样呢？

最简洁的答案是：我们不知道。我们的望远镜揭开了其他星系的面纱，但自省却复杂得多。我们认为自己居住在一个螺旋星系中，宇宙中到处散落着这样的螺旋星系。然而，我们在银盘中的低视角意味着：别说搞清楚银河系旋臂是如何卷曲的，就连数清银河系有多少条旋臂都很难。

星际尘埃挡住了我们的视线。（想象图）

星系际尘埃帮不了忙： 它们挡住了我们的视线，使我们只能看到几千光年远，让我们无法通过旋臂上的恒星来画出遥远旋臂的地图。于是，我们只好追踪氢原子云，它们会以一种大约为21 厘米的典型波长发射无线电波。这种长波辐射能穿透尘埃，通过测量波长的改变（即多普勒频移），科学家就能算出氢云向着我们而来或离开我们而去的速度。再把速度与星系不同部分应该有的旋转方式作比较，就能确定氢云的位置。

目前这方面已有的非成熟结果暗示，银河系很复杂也很乱，有着多条旋臂。不过，这种认识饱受争议。首先，科学家甚至对银河系的旋转方式都不很了解，而个体的氢云并不一定遵从平均运动模式，于是不同的模型就产生了不同的银河系地图。而当我们朝着或离开银心望去时，氢云相对于我们几乎完全是向着两侧运动，用多普勒频移是无法确定它们的距离的。科学家只能以旋臂的部分来拼接旋臂的整体，这显然有太多的主观性。

另一种同样有局限的绘图法，是运用悬浮在银河系内一部分区域周围的一氧化碳气体的无线电发射。自2008 年以来， 这种方法已经揭示了银河系结构的更多细节，包括看来是新旋臂的结节。更好的图标或许是星系际云，那里的水或甲醇分子充当激光，把微波辐射的窄窄谱线放大成明亮的点。这些“微波激射器”是如此集中，科学家能看见它们的位置怎样随着地球环绕太阳而移动，于是运用三角测量法算出了它们与地球之间的精确距离。虽然微波激射器对于绘制银河系地图来说远远不够，但它们可用于测试来自于其他方法的结果。也许，微波激射器测距最终能揭开银河系的真面目。

银河系里的五个怪物

麒麟座 V838 星 2002 年2 月，这颗此前未得到辨识、距离地球大约20000 光年的恒星在短时间内达到太阳亮度的100 万倍。次月，这一幕重现。4 月再现。起初科学家以为它是一颗新星——从伴星那里抽取气体、直到在自己表面引发热核爆发的白矮星。然而，新星不会在连续爆发三次后安静下来。

那么，它会不会是难得一见的巨星临终闪耀呢？或者是两颗恒星相撞时发出的惊叫呢？再或者是一颗恒星接连吞噬了三颗巨行星？科学家能够确定的是，这轮三连爆的光线被附近的尘埃反射，并且以迅速变换的光壳包围了这颗恒星，让它成为名副其实的“宇宙佳丽”。

蓝色另类 银河系的球状星团是由红色、轻质和古老的恒星构成的球状星群，其中大多数恒星的年龄都超过100 亿岁。然而，球状星团中的一些恒星却闪耀蓝白光，这暗示了某种炙热、年轻而明亮的东西。科学家现在认为，这些“蓝色另类”其实和它们的伙伴们同样古老，但又以某种方式重返青春。一些蓝色另类可能从一颗相邻恒星抽走气体，压缩它们自己中心的核引擎，使自己燃烧得更快、更热。另一些蓝色另类则可能是恒星合并（两颗较冷的红色恒星聚合成一颗炙热的蓝白恒星）的后代。

①麒麟座V838星

②蓝色另类（想象图）

③人马座A*`

④蓝白恒星S2（想象图）

⑤SDSS J102915+172927星（示意图）

人马座A* 人马座A* 是位于银心的一个无线电发射源，银心被认为潜伏着一个质量为太阳的400 万倍的巨大黑洞。在一些星系中，这类黑洞可能是可怕的辐射源，随着自己吞噬附近的恒星而闪耀可见光和X 射线。银心黑洞却非如此。部分原因是人马座A* 的气体供给量实在不足，因此它显得昏暗，把气体转变为光和热的效率看来很低。真相究竟如何，2013 年有望揭晓——届时银心附近的一团气云可能会坠入银心黑洞的魔爪。

S2 S2 是一颗快速、致密的蓝白恒星，其疑点可真不少。它围绕银心黑洞——人马座A* 的“一根须”运行，最高速度为每秒5000 千米，也就是光速的2% 。在S2与黑洞之间的距离上，黑洞的超巨大引力应该会在气云聚合形成新恒星之前把气云撕碎。虽然恒星可能会从平静得多的诞生地向银心迁徙，但S2 是一颗明亮的年轻恒星，最大年龄不超过大约1000 万岁，在如此短暂的生命历程里不可能已跋涉到银心附近。

SDSS J102915+172927 星 今天大多数恒星所包含的传承自先辈恒星的重元素都不多， 但这颗距离地球超过4000 光年的恒星却是个例外。它直到2011 年才被发现，几乎纯粹是由氢和氦所组成，只有0.00007% 的其他成分。这与宇宙大爆炸之后浮现的原始物质相似。由于缺乏有助于气云冷却、聚合的碳和氧，如此纯净的气云被认为只能形成巨大而短命的恒星。无人知道这颗怪星是怎么形成的，或许它只是一颗超巨星在诞生期间甩出的一块碎片，当时仍处于宇宙的黑暗时期。

银河系的姊妹——仙女座

科学家2007 年比较了仙女座、银河系与更遥远的星系，结果发现，仙女座是一个适应力很强的大螺旋，而银河系却是个另类——与大部分同类相比，它显得很暗、很安静。这也许是因为像仙女座这样的典型螺旋星系在一生中经历了多次与其他星系的碰撞，这些暴烈事件重组了仙女座的气体，从而形成新恒星和球状星团，还搅动并且把星系圆盘延展得更远，可能还射发了一些气体和恒星，导致它们坠入并喂养星系中心黑洞。

相比之下，银河系的生涯必定未受到过大的纷扰。除了与一些小星系（例如银河系正在吞噬的人马矮星系）遭遇过之外，银河系在过去100 亿年里都没有大动荡。或许这才是两姊妹的最大不同。更动荡的螺旋星系中有更多的超新星爆发和其他“风云”，相对平静的银河系才尤其适合于复杂生命的存在。上述猜测也许看似疯狂，但并非完全没有可能。

美丽的仙女座

银河系的小伙伴

在银河系的许多暗弱伴侣中，有两个闪亮的例外——大、小麦哲伦云，它们是迄今已知的银河系的两大矮星系“随员”。在这两团复杂又活跃的巨“云”里，恒星生生死死此起彼伏——正像1987年大麦哲伦云中发生的超新星爆发所揭示的那样。

银河系有这两个小伙伴看来还真不赖，问题是它们可能并不是银河系的卫星星系。2006年哈勃太空望远镜的观测表明，这两个矮星系正在以每年不到一百万分之一度的速度在天空中爬行。这个速度听上去很慢，但这两个伙伴与银河系的距离都超过150000光年，因此这个速度被翻译成每秒钟超过100千米，这样的速度或许并非是银河系的引力能束缚得了的。

大麦哲伦云

银河系在未来能否守住它的这两个小伙伴，取决于它的总质量。银河系的大部分质量被认为都存在于它周围的暗物质晕中，这个晕延伸到明亮的银河系圆盘之外很远的地方。估算整个银河系质量的最好办法，就是追踪那些在更稳定轨道中运行的较小的卫星星系的运动，看它们怎样对银河系的引力作出反应。但这类小星系比大、小麦哲伦云都暗，运动也慢，也就是说很难追踪到它们的运动。目前对银河系质量的最佳估计是在太阳质量的1万亿倍至3万亿倍之间。

这就意味着至少有三种可能性。如果银河系质量在估计值的上限，那么它就应该能守得住这“两朵云”，它们可能在银河系形成后已环绕了银河系多次；如果银河系质量在估计范围的中间，“两朵云”可能就是首次接近银河系，在今后几亿年中它们会逐渐远离银河系，之后又会回来，就像处在扁椭圆轨道上的彗星那样；但如果银河系质量处在估计值的下限，“两朵云”就只是银河系的匆匆过客而已，最终我们不得不依依不舍地和它们说再见。

银河系附近的看不见的“军团”

正在形成中的矮星系（想象图）

10亿年甚至更长时间里，26个小星系缓慢环绕着银河系踱步，看上去它们或许算得上银河系的一帮忠诚追随者。但科学家认为，银河系的跟班应该是一队大军。这种期望建立在有关暗物质怎样帮助形成星系的流行模型上。科学家迄今仍不知道暗物质的组成是什么，但相信暗物质与一般物质之间的质量比是5比1。对早期宇宙的模拟显示，暗物质的冷团块吸引普通气体形成首批星系构筑单元。

这种理论在大规模上完全说得过去，模拟结果能复制宇宙中到处可见的星系及交替着空洞的海绵模式。然而，针对小规模的模拟却显示，在每一个大型螺旋星系的周围，暗物质团块都应该雕凿出成千上万个矮星系。

布莱德先生慢慢地说：“死亡是需要学习的。临死的时候，很多人不知所措。没有人教授这种知识。当死亡来临时，人们一无所知。我们就是要帮助大家，当然，也是在帮助我们自己。只有懂得生命的意义的人，才有勇气探讨死亡。只有对死亡有了更深入的了解，人才能更深刻地把握生命。死亡，其实就是一切事物的本质。”

对于上述差异的一个可能的解释是，暗物质既不冷也不是团块，而是由不太容易形成小团状的轻质量粒子组成的一种比较炙热的气体。或者，暗物质也许根本就不存在：如果引力强度会大范围改变，那么无需这么多矮星系也照样能完成暗物质能完成的事。

摆弄引力尚存争议。一种不那么极端的观点是，那些小小的暗物质团块的确存在，只不过我们看不见它们。

由于它们的引力太弱，气体在许多恒星能够形成之前可能就已被推到了外面。例如，一些巨星很可能在自己的凶猛热量和爆发性死亡中炸得粉身碎骨。可惜这种理论难以模拟。而如果这种理念无误，则有着惊人的含义：成千上万个矮星系正排列在银河系周围——一个没有失落、但不可见的军团。

银河系失落的超新星

几十亿光年外，在超过宇宙一半直径的地方，科学家都看到过烈焰一般明亮的超新星。那么，在银河系自家后院为何却见不到超新星？与类似的螺旋星系进行的比较暗示，银河系每100年应该有3次恒星爆发，但在过去1000年中只看到了5次或6次这样的爆发。

所有这些爆发都发生在我们周围大约15000光年的范围内，而银盘直径为100000光年。我们之所以没看到更遥远的爆发，理由很简单：我们的低视角意味着银盘的大部分都隐身于星系际尘埃后面。

随着超新星的冲击波向外推进并进入太空，它会使粒子的能量升高而发射无线电波，尘埃不会吸收无线电波。科学家正在发现越来越多的这些超新星残余。2008年，银河系中心附近的一次超新星被算出是已知最年轻的超新星。其光线很可能在大约110年前到达地球，遗憾的是尘埃挡住了我们的视线。

让问题变得更加复杂化的是，这些爆发都发生在创生恒星的复杂区域，那里的离子化气云也在发射无线电波。科学家推测，超新星应该都在那儿，只是我们还没有找到它们而已。

超新星（想象图）

宇宙十大奥秘

2012年5月，国外媒体评选出了宇宙十大奥秘。本刊简介如下。

暗能量据信占宇宙的大约70% ，科学家目前试图观测暗能量的效果。但暗能量并不是宇宙中唯一的暗东西，大约25% 的宇宙是由完全独立的材料——暗物质组成的。无论是望远镜还是人眼都看不见暗物质，因为暗物质既不发射也不吸收可见光（或任何形式的电磁辐射）。不过，暗物质的引力效应在星团和个体恒星的运动中很明显。许多科学家推测暗物质是由亚原子粒子组成的，这些粒子与创造我们周围万事万物的粒子有着本质的不同。

宇宙会怎样了结

科学家现在普遍相信宇宙始于大爆炸。但它会怎样结束？基于一系列因素，理论物理学家相信宇宙的命运可能是以下完全不同的几种之一。如果暗能量的数量不足以抵御引力的压缩力，整个宇宙就可能坍缩成一个奇点，这便是大爆炸的一个镜像——被称为“大收缩”。然而，最近的发现却表明，大收缩的可能性不如“大降温”高。所谓大降温，就是暗能量迫使宇宙进入缓慢、渐进的膨胀，最终所有的残余——燃尽的恒星和死亡的行星，死气沉沉地徘徊在绝对零度之上一点点。如果存在足够的暗能量来压制所有其他力量，就可能发生“大撕裂”—— 所有星系、恒星甚至原子皆被撕裂。

星系回收

近年来，科学家注意到，星系形成新恒星所消耗的物质似乎多于星系实际上包含的物质。例如，银河系看来每年都会把一颗太阳那么多的尘埃和气体转变成新恒星，但它却没有足够的多余物质来长期维持这种造星速度。一项对遥远星系的研究可能为此提供了答案：科学家注意到，被星系排斥掉的气体正在重返星系中心。

外星人在哪儿

什么是暗物质

1961 年，美国天体物理学家弗兰克·德雷克设计了一个颇有争议的公式： 通过一系列与外星生命存在的可能性有关的因子（例如宇宙中的恒星形成速率、拥有行星的恒星比例、拥有适合生命存在的条件的行星比例等）的相乘，他猜想其他行星上存在智慧生命的可能性相当大。但问题是：我们至今未听见任何外星人的声音。不过，最近发现了理论上可能拥有生命的遥远行星，这再度激发了科学家寻找外星人的热情。

矩形星系

2012 年初，科学家注意到大约7000 万光年外的一个天体在可见的宇宙中显得非常特别： 这个星系——LEDA 074886 的形状竟然颇像矩形（长方形）。尽管大多数星系都呈圆盘状、椭球状或不规则球状，这个星系却是矩形和钻石形状。一些科学家推测，这个形状可能源自两个螺旋星系的碰撞。但原因究竟是什么，则无人知道。

脉冲星为何脉动

脉冲星是遥远的迅速自转的中子星，它们以规则的间隔发射一道电磁辐射柱，就像旋转的灯塔光柱扫掠海岸线。虽然第一颗脉冲星早在1967 年就已发现，科学家几十年来却一直在苦苦探寻导致脉冲星脉动和停止脉动的原因。2008年，一颗脉冲星突然关闭了580天，科学家通过观测终于确定了脉冲星的“开”、“关”周期与导致脉冲星的自转速率降低的磁电流有某种关联。目前，科学家首先想弄明白的是这些磁电流为何会震荡。

锂在哪里

宇宙大爆炸模型表明，元素锂在整个宇宙中都应该很丰富。但实际情况并非这样。对古老恒星（它们的原材料与大爆炸产生的原材料最相似）的观测显示，锂的数量只有理论值的30% ～50% 。新的研究暗示，其中一些锂可能被混合进了恒星的中心，望远镜看不到它们。但也有科学家推测，假想中的亚原子粒子——轴子可能吸收了质子，并且降低了在大爆炸之后产生的锂的数量。

费米泡泡

所谓费米泡泡，是指从银河系中心发出、在银盘上下延伸大约20000光年的神秘的巨型结构。这个奇异的泡泡在2010年首次发现，由超高能伽马射线和X 射线辐射组成，肉眼看不见。科学家假设说，这些伽马射线可能是正在被银心超大质量黑洞吞噬的恒星所发出的冲击波。

月球磁场

月球的最大奥秘之一是： 为什么月球地壳中只有部分看来有磁场？这个奥秘困扰科学家已经几十年，但一些科学家现在相信他们找到了答案。在运用电脑模型分析月球的地壳后，他们相信月球地壳的磁性可能是一颗直径约200 千米的小行星在大约45 亿年前撞击月球南极，从而散落了磁性材料留下的遗迹。另一些科学家则相信，月球磁场或许与其他最近的碰撞有关。究竟孰是孰非，目前仍无定论。

跨越多重宇宙

理论物理学家推测，宇宙可能并非唯一的。他们的理念是，我们的宇宙存在于一个泡泡内，多个替代宇宙则被包裹在它们各自的泡泡内。在这些其他宇宙中，物理常数甚至物理法则都彼此大相径庭。尽管多重宇宙理论就像是来自于科幻小说，科学家现在却在寻找物证：大爆炸留下的宇宙背景辐射中的圆盘状模式，可能标志着与其他宇宙的碰撞。