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第10章 广袤的天河(3)

1971年,两位英国天文学家在分析了对银河系中心区的观测结果以后指出,银河系的中心应该是一个有着一定质量的黑洞。他们还预言,如果他们的假说是正确的话,那么,银河系中心还应该有一个强射电源,并且这个强射电源发出的辐射应该是同步加速辐射。

几年之后,人们果然在银河系中心方向发现了这样一个发出强烈同步加速辐射的强射电源,它就是人马座A,是迄今所知银河系内最大的射电源。

通过对人马座A的观测和分析,科学家们发现,人马座A的大小与普通恒星相当,但它发出的射电辐射的功率却比普通恒星的光度强上万倍。在人马座A的周围,还有大量的电离氢气,正以高达300公里/秒的速度向外运动。此外,那里还有强红外源。红外源的大小比射电源更小,而它的红外辐射比射电辐射更强。如此强大的红外辐射不可能是由尘埃产生的,看来应该是由高能电子产生的。

没有结果

人马座A的特征绝非一般恒星级天体所具有的,这是可以肯定的。根据科学家们的分析,如果银河系中心存在着一个大质量黑洞,那么这个黑洞就会从周围吸收气体,气体螺旋形地掉入黑洞时,会形成一个环状的吸积盘,这个盘就会发出强大的射电波和红外波。

人马座A的情况正好与科学家们的分析相符合。但是,我们现在仍然只能把人马座A看作是大质量黑洞的最佳候选者,还不能给它下最后的结论。

原因之一,对于银河系中心存在强射电辐射和红外辐射这种现象,用其他非黑洞解释也能说明。原因之二,人们对银河系中心的情况了解得确实太少,比如,银心发出的可见光我们完全看不到,而实际上恒星物质的辐射绝大部分都是在可见光波段。在只看到一个物体的很小一部分时,就想对整个庞然大物进行整体描述,那是不恰当的,肯定会出很大差错。因此,银心处物质的真实分布情况究竟如何,总的来说,我们仍然不是很清楚。

在人们为银河系中心是否有黑洞难下结论的时候,一些科学家仍然坚持银河系中心可能是密度极高的恒星集团,恒星之间频繁、剧烈的碰撞或许也能产生人们已经观测到的那些现象。当然,这种说法也没有充分的观测证据,也无法下最后的结论。

银河系的中心究竟是什么?还有待人们进一步去揭开它的奥秘。

流动的星河

自从威廉·赫歇尔两个世纪前首次论证银河系的结构后,有些天文学家就从恒星系的形状像个扁平的盘子出发,推测它有可能在空间不停地旋转。

因为根据牛顿力学原理,快速旋转的物体不可能是球状的,连固体的地球也因为自转而成为一个赤道部分稍稍往外鼓出的扁球,所以银河系的扁平形状很可能是它快速自转的产物。

推测不能算数,还要有观测事实作证。俄国天文学家斯特鲁维首先想到了这一点,19世纪中叶,他想利用恒星自行的数据来研究银河系的自转,但是由于有关资料太少,精度又低,所以没有获得肯定的结果。

1904年,长期用统计法研究银河系结构的荷兰天文学家卡普坦,在观测和分析了恒星运动的资料后,发现恒星除了太阳运动引起的视差外,它们的相对运动,即恒星自行不是杂乱无章的,而是朝着两个相反的方向运动,也就是说,在银道面内存在着彼此相背而行的两大星流,这种现象叫做“二星流”现象。当时不少天文学家对“卡普坦星流”进行了研究,但没有给予确认,卡普坦自己也未能对这一现象作出正确的解释。但是,“二星流”现象的发现却为后来探索银河系自转作出了贡献。

进入20世纪20年代,有关银河系自转的研究又活跃起来,有好几位大文学家在这方面作出了贡献,如瑞典的斯特龙贝格和林德布拉德,都曾根据自己的观测和研究提出了银河系自转的假说,但其中最有成就的是荷兰天文学家奥尔特。

在自己和前人观测研究的基础上,奥尔特首先论证了银河系的“较差自转”。他指出,银河系不是一块固体,它基本上由无数单个的恒星组成,所以它的自转与固体的轮子不同。轮子是整体的旋转,所有各点的角速度都相同,线速度则随离轮心距离的增加而按比例增大。银河系是较差自转,即靠近银河系引力中心的那些恒星,比离得远的恒星旋转得快一些,也就是说,在旋转中,靠近银心(即人马座方向上)的那些恒星,相对于我们太阳来说应该有超前移动的趋势,而远离银心(与人马座方向相背,即双子座方向上)的恒星则有后退的运动。这恰恰是20多年前卡普坦发现的“二星流”现象。

接着,1927年,奥尔特又推导出了银河系较差自转对太阳附近恒星自行和视向速度的影响的公式(又称奥尔特公式),并通过对一些恒星视向速度的观测和分析,证实了银河系在自转,即银河系中的恒星和星际物质都在绕着银河系的中心——银心作有快有慢的转动。

射电天文学兴起后,天文学家又观测到了银河系内有中性氢原子发出的射电辐射,根据它们谱线的位移(红移或紫移),可以求得中性氢的视向速度,从而推出它们的自转速率。

现在我们知道,银河系的自转方式很特别:在银核和靠近银核部分的区域,它固体的自转相仿,自转的线速度与离银心的距离成正比,银河边缘的区域,同行星绕太阳旋转的方式相似,按开普勒定律运动,离银心越远,速度越慢。太阳绕银心旋转的速度是每秒约250公里,这个速度比步枪射击子弹的速度还快250倍,尽管如此,它绕银心旋转一圈仍需2.5亿年!

银河系内各部分旋转速度的分布,是由其中引力的分布决定的,而引力的分布又同物质数量的分布有直接的关系,为此,可以根据银河系的旋转求出银河系的质量,如同可以根据行星的运动推算太阳的质量一样。已经测知银河系的总质量为1400亿个太阳质量,而太阳在银河系中是一颗中等质量的恒星,所以不妨认为银河系中包含有大约1500亿颗恒星,这个数字要比当年威廉·赫歇尔估计的数字高出上千倍。

以上所说银河系的总质量是指银核和银盘的质量之和。银盘外面还有一个庞大的包层——银晕,其中的质量主要集中在为数不多的球状星团里,其余就是非常稀薄的星际气体。虽说银晕的体积超过银河系主体部分体积的50多倍,但它包含的物质质量估计只有银河系总质量的1/10。不过,近年来由于天文学家发现银河系中存在着大量看不见而没有被估计进去的“暗物质”,所以关于银晕物质数量的估计,现在又成了一个悬而未决的问题。

70年代,前苏联天文学家在银河系外其他一些星系的外围,发现有一个更大的包层——星系冕。由星系冕联想到银河系冕,经过探索,证明“银冕”

确实存在。银冕包在银晕之外,没有星体,物质分布极为稀薄,但它体积极大,所以质量要比银河系大10倍左右。这个发现意义重大,因为它使人们对宇宙物质的存在形态有了新的认识。过去人们只知道有凝集状态的星体,弥漫状态的物质即使有也不会很多,但现在这个认识可能要倒个个儿,即宇宙物质的大部分可能处于看不见的弥漫状态,而形成恒星或恒星系统可见物质的反倒只占其中的小部分。

银道面与太阳的距离

太阳在银河系内的位置对我们理解银河系的外貌、结构和演化是至关重要的。但是太阳距银心的距离(大约25000光年)虽已相当好地确定,而太阳距银河平面的相对位置却还有争论。大约50年以前,天文学家们注意到朝向南银极方向(位于玉夫座)的恒星比朝向北银极(后发座)的恒星看起来要多。因为银河系的恒星集中在银盘中,当我们朝南看到较多的恒星时,太阳必然位于银河平面的北侧,距离多远呢?过去半个世纪以来的多数研究得到从13光年到130光年各种数字。不过,新近的三个研究结果却较接近于一致。

利用红外天文卫星测定的红外点源表,M柯恩对朝向每一银极方向的星作了计数。柯恩说,除了在可见光波长和射电波长计数不同星族样品外,在红外波长也作了计数,以此对太阳的位置提供一个补充的透视考察。在比较了从两个方向上看到的星数,他得出太阳位于银河平面北距离为50±2光年处的结果。柯恩也分析了远紫外空间望远镜所获得的远紫外星在北银极方向的计数结果,得到与之不矛盾的数值:47±5光年。

这期间明尼苏达大学的天文学家们详察了12张帕洛玛巡天底片,也得出类似的数据,即太阳位于银河平面北67±11光年处。他们工作的创新之处在于数据的总数,他们计数了10000多颗恒星,其结果几乎和柯恩的结果相一致。

第三个研究结果是P.L.哈姆麦尔斯雷所领导的天文小组所作的——太阳的位置距离银道面50.5±10光年。

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