花生头条

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新闻

大家好,我是中科院上海天文台的沈俊泰,很高兴来到SELF论坛。今天,我想告诉你一些关于银河系的事情。

这是一张星空的照片。请问在座的各位,有谁真正见过银河系?好像很少见,这也正常,因为上海的天空有点太亮了,还有雾霾,所以我们看不清楚星星。

如果我们参观附近的山,星星非常美丽。银河系是图中的暗带,银河系是太阳所在的星系。

太阳和其他恒星并不是均匀分布在整个宇宙中,而是一个接一个地成为一个群体,然后分布在整个宇宙中。就像人类在地球表面分布并不均匀一样,我们生活在城市中,城市之间的区域人口很少。

我们刚才说银河系是图中的暗带,那么我想问在座的各位,这些不在这个暗带中的恒星是否属于银河系?事实上,这些恒星离我们很近,它们都属于银河系。

如果我们把银河系想象成一个盘子,我们肉眼能看到的所有星星都在图中这个红色的小圆圈里。

所以我们就会觉得这些银河系内的恒星好像是分布在四面八方,但其实它们都在银河系里边。

这是另外一张非常漂亮的星空,是在智利5000米的高山上拍摄的,那是世界上最好的观测台址之一。我们可以看到照片中除了繁星点点,还有一些其他的天体。在人类学会使用望远镜之后,我们对这些天体有了更深入的了解。

比如仙女座大星云、M33星云。还有其他的一些天体,比如说球状星团,非常漂亮,它是1万颗恒星聚集在一个非常小的空间形成的。那么这些天体(星云和星团)在银河系之内吗?我把这个问题的答案留在后边。

我们生活在银河系里,很自然地,我们想知道银河系的全貌是什么样子。我们都知道苏东坡的这首诗“不识庐山真面目,只缘身在此山中”。正因为我们生活在银河系里,我们反而很难看到银河系的全貌。

也许有人就想,我们造一艘宇宙飞船,飞出整个银河系,我们不就能看到它的全貌了吗?现在人类造出的距离地球最远的飞行器叫做旅行者一号,它现在的运行速度是6万公里每小时。我们知道中国的高铁最高速度是300-350公里/小时,这种宇宙飞船比我们的高铁快200倍。如果我们乘坐这艘宇宙飞船,从北京到上海只需要一分钟!

那如果我们乘坐旅行者一号飞出银河系,大家猜猜要多长时间?5000万年!我们人类只有五千年有文字的历史,显然这是天方夜谭,我们不可能飞出银河系去看银河系的全貌。但我们依然可以问这些问题,银河系真实的模样是什么样子?银河系是不是独一无二的?为什么银河系会演化成现在的样子?天文学家一直也在追问这些问题的答案。

大约250年前,英国的天文学家赫歇尔首次勾勒出了银河系的大小。在这个图中我们可以看到,他认为太阳在银河系的中心附近,银河系是一个扁平状的结构,它的直径是6400光年,厚度是1300光年。

又过了一百多年,美国的著名科学家夏普利通过研究球状星团的空间分布,发现太阳其实并不在银河系中心,推翻了有500年历史的日心说,这是我们人类认知宇宙历史上的一个巨大的飞跃。

这个图里有很多小圆圈,每个小圆圈代表1个球状星团,每个球状星团内包含了1万到10万颗恒星,它很亮,所以我们能在很远的地方看到它。图中黄色的小星星代表太阳,当时夏普利做了一个非常大胆的假设,他假设球状星团就是银河系的一个子系统,那么球状星团的中心就应该是银河系的中心,但是通过测量,他发现太阳并不在这些球状星团的中心,所以他就大胆地推测,太阳并不在银河系的中心。

而且他认为银河系就是整个宇宙,我们刚才看到的那些漂亮的旋涡星云,都在银河系之内。当然,并不是每一个科学家都赞同夏普利的观点。1920年,美国科学院就爆发了一场关于宇宙尺度的大辩论,一派以夏普利为代表,一派以柯蒂斯为代表。

夏普利这一派认为银河系非常之大,它就是整个宇宙,旋涡星云就是处于银河系内的气体云。另一派的观点则认为,旋涡星云在银河系之外,它们是恒星系统,不是气体云,而且每一个星云就像银河系一样,是一个岛宇宙,整个宇宙是由很多银河系这样的岛宇宙构成。如果说宇宙是一个大洋,那么每一个星云都像银河系一样,是一个漂浮在大洋上的岛屿。

当时这场论战并没有胜利方,主要是因为当时没有很好的观测设备,我们的科学知识也很欠缺。那么请大家想一想,怎么才能最好地回答这个问题?假如我们有一把量天尺,可以精确地测量离我们最近的星云的距离。如果这个距离大于当时已知的银河系尺度,它们就在银河系之外,反之就应该在银河系之内。

那个时候,大家已经开始意识到,有一种非常有意思的变星,可以作为一个很好的量天尺。这种变星叫做造父变星,变星就是这个星星的亮度在天空中发生周期性的明暗变化。通过测量造父变星的光变周期,我们就可以推出它本身的光度,知道它本身的光度以后,通过和视亮度比较,我们就可以测出距离来。

就好比我们知道一根蜡烛本来是多亮,如果我们看到它很亮,说明它离我们很近,如果看到它很暗,说明它离我们的距离非常远。

四年之后,哈勃果然在仙女座大星云发现了这一类造父变星。哈勃是非常著名的天文学家,现在在地球之外飞行的一个太空望远镜,就是以他的名字命名的,哈勃太空望远镜。左边这个图就是哈勃正在用望远镜进行观测,他用的是当时刚刚落成的世界上最大的望远镜虎克2.5米望远镜。

有了这个观天利器,哈勃就非常详细地研究了仙女座大星云,他发现其中有很多造父变星。他假设这些造父变星都属于仙女座大星云,就可以通过造父变星的距离推出仙女座大星云离我们的距离。他推出这个距离大概是100万光年,远远大于当时已知的银河系的尺度30万光年。所以他就证明了仙女座大星云在银河系之外,银河系并不是整个宇宙。

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