宇宙的谜团-银河系旋臂的奥秘

20 世纪30 年代，人们开始破解银河系旋涡状结构之谜。银河系呈铁饼状，中心为银核，外层为银晕，整体呈旋涡形，因而属于旋涡星系的一种。在旋涡星系内，由年轻亮星、亮星云和其他天体构成的从里向外旋转的“带子”，称作旋臂。到现在为止，人们已发现银河系有4条对称的旋臂，其中的3条是靠近银心方向的人马座主旋臂、猎户座旋臂和英仙座旋臂。太阳就位于猎户座旋臂的内侧。20 世纪70 年代，人们通过探测银河系一氧化碳分子的分布，又发现了第4 条旋臂，它跨越狐狸座和天鹅座。1976 年，两位法国天文学家绘制出这4条旋臂在银河系中的位置，这是迄今最好的银河系旋涡结构图。

旋涡结构

为什么银河系会存在旋涡结构呢？通常的观点认为是由于银河系的自转。20世纪20年代，荷兰天文学家奥尔特证明，恒星围绕银河系中心旋转就像行星围绕太阳旋转一样，并且距银河系中心近的恒星运动得快，距银河系中心远的运动得慢。他算出太阳绕银河系中心的公转速度为每秒220 千米，绕银河系中心一周要花2.5 亿年。

河外星系的奥秘

一般的人在白天或夜晚肉眼所看到的天体，绝大多数都是银河系的成员，那么，是不是说银河系就是宇宙？当然不是！在宇宙中有着数以亿计的星系。所以，银河系并不代表宇宙，它只不过是宇宙海洋里的一个小岛，是无限宇宙中很小的一部分。根据天文学家估计，在银河系以外约有上千亿个河外星系，每个星系都是由数万乃至数千万颗恒星组成的。河外星系有的是两个结成一对，有的则是几百以至几千个星系聚成一团。现在能够观测到的星系团已有一万多个，最远的星系团离银河系约70 亿光年。

“宇宙长城”

1926 年，哈勃根据星系的形态，把星系分为旋涡星系、椭圆星系和不规则星系三大类。后来又细分为旋涡、椭圆、透镜、棒旋和不规则星系五个类型。各种星系中，离银河系较近的星系是麦哲伦云星系和仙女座星系。河外星系除了上述几种星系外，还存在大量各种类型的星系。天文学家估计，在最先进的仪器所观测到的这一部分宇宙里，星系的总数可能达到1000亿个之多。前不久，美国天文学家宣布发现了迄今为止最大的发光结构—一道由星系组成的长为5亿光年、宽为2 亿光年、厚约为1500光年、离地球2 亿～3亿光年的“ 宇宙长城”。这座巨大的“宇宙长城”其实就是一个巨大的河外星系。

宇宙的谜团-银河系的形状

夏夜的星空，银河高悬，仿佛一条天上的河流。中国古人称之为天河、河汉。在中国境内，可以看到银河自天蝎座起，经人马座特别明亮的部分，达盾牌座为止。闪闪的银河引发世人无限遐想，但世人却一直难见银河的真面目。17 世纪，伽利略首先用望远镜观察银河。他发现，这是一个恒星密集的区域。接着英国人赖特提出了银河系的猜想，而且还描绘出了银河系的形状。他假定，银河系像个透镜，连同太阳系在内的众星体都位于其中。

巨大的银河“飞碟”

英国天文学家赫歇尔

18世纪，英国天文学家赫歇尔父子对赖特的猜想进行了验证。他们发现银河系中心处恒星很多，而离中心越远恒星越少。他们的观测表明，银河系确是一个恒星体系，并且其范围是有限的，太阳靠近银河系中心。他们估计，银河系中有3 亿颗恒星，其直径为8000 光年，厚1500光年，整个形状像只巨大的飞碟。1915年，美国天文学家卡普利研究了许多球状星团的变星，发现太阳并不在银河系中心。20 世纪80 年代，人们测得的数据表明，银河系的质量相当于2000亿个太阳的质量，直径10 万光年，厚2000 光年，太阳距银河系中心2.5 万光年。

银河系的核心在哪里

人类对宇宙的认识也是在探索中前进的。古时候人们认为宇宙的中心就是人类居住的地球。16 世纪，波兰的哥白尼把地球作为一颗普通行星，把太阳作为宇宙中心天体。18 世纪，英国的赫歇尔认为，太阳是银河系中心。20 世纪，英国的沙普利把太阳“流放”到银河系的旋臂上，离银河系中心有几万光年之遥。在太阳离开银河系中心之后，谁坐镇银河系中心便成为天文学家关注的大问题。然而，银河系中心充满了尘埃。这层厚厚的“面纱”，让人难以窥视其中的奥秘。

赫歇耳通过计数恒星，描绘出银河系的结构

一个黑洞

银河系的核心在人马座方向，这里是恒星特别密集的区域，大约有1000 亿颗恒星拥挤在一起。由银河系中心核球的红外线和射电波信号很强，人们推测它可能是质量极大的白矮星群。1971年，英国天文学家认为，核球中心部有一个大质量的致密核，或许还是一个黑洞，其质量约为太阳质量的100 万倍。20 世纪80 年代，美国天文学家探测到银河系中心的射电源，这一结果说明银河系中心可能是一个黑洞

太空画：银河系中心可能是一个大黑洞

宇宙的谜团-漂浮的宇宙岛

漂浮的宇宙岛

气体尘埃星云

宇宙岛，是人们对星系极其形象的称呼。在宇宙大爆炸之后的膨胀过程中，分布不均匀的物质受到引力的作用逐渐聚集而形成一个个星系，即宇宙岛。1755 年，德国哲学家康德提出宇宙中有无限多星系的观点，这就是宇宙岛假说的渊源。天文学家通过观测，看到许多雾状的星云，便猜测它可能是由很多恒星构成的，只是离得太远，人们无法一一分辨出。后来，英国天文学家赫歇尔发现许多星云可分解成恒星群，而另一些星云无法分解，于是他提出了星系并非宇宙岛的观点。到了20世纪，科学家们经过精确的测量和论证，才把河外星系定名为宇宙岛。

星系起源

关于星系起源的理论有很多，有代表性的是引力不稳定性假说和宇宙湍流假说。前者认为，在30 亿年间，星系团物质由于引力的不稳定而形成原星系，并进一步形成星系或恒星；后者认为，宇宙膨胀时形成旋涡，它可以阻止膨胀，并在旋涡处形成原星系。二者都认为星系形成了100 亿年。现在人们观测到的河外星系已达上万个，最远者距银河系达7 0 亿光年。估计河外星系数目大得惊人，若画一个半径达20亿光年的圆球，其内含有约30亿个星系，每个星系都包含着数以千亿计的恒星。

华格天体的环

美国天文学家奥康涅尔等人曾专门研究过星系的环，但与椭圆星系的环相比，华格天体的环具有特殊性，它光度均匀，结构对称，十分完美。他们还拍摄到了华格天体的光谱，谱线红移相当于每秒12750千米，证明这种天体确实是在银河系之外。以色列特拉维夫大学天文台的布洛施，通过对华格天体的研究，又有了新的收获。他发现，华格天体的环发出的光比核发出的光还要强。他经过深入研究，认为华格天体的环属于旋涡星系环中的一种特例，是由星系盘的某种不稳定性造成的，也就是说，星系中棒状结构的不稳定性，搅动星系盘而形成了星系的环状结构。

星系的环状饰物

行星状星云

人类常用环状器物做装饰，有趣的是星星也会用环状物装饰自己。不但土星、木星会这样，就是庞大的星系也会用环状物来装饰自己。天空中的确有这样一类星系：它们的中心呈恒星状，周围有一个光度均匀、结构对称的环。它们虽有着酷似行星状星云的美丽外表，实质上却是一个星系。用世界上最大的天文望远镜可以看见它清晰的倩影：核心呈红色，环则有些发蓝。这类天空中的特殊星系又叫“华格天体”。

宇宙谜团-宇宙的归宿

宇宙的归宿

浩渺宇宙在时间中仿佛是一个封闭的果壳

根据宇宙的大爆炸学说，我们的宇宙产生于200 亿年前，而且在不断膨胀。这使得人们不禁要问，宇宙要膨胀到何时，宇宙的归宿是什么样呢？宇宙论学者认为我们的宇宙有三种可能的归宿：第一种情况是宇宙所包含的物质太少，引力无法遏止宇宙继续膨胀，结果宇宙会永无止境地膨胀下去，我们称这个宇宙为“开放宇宙”；第二种情况是宇宙拥有足够的物质，使膨胀的速度逐渐降低，并最终在某一时刻将膨胀逆转为“大压缩”，这种宇宙称为“封闭宇宙”；第三种情况介乎两者之间，宇宙物质的平均密度刚好等于“临界密度”。这时候，宇宙会继续保持膨胀的状态，不过膨胀的速度会随时间而逐渐减慢。我们称这种宇宙为“平坦宇宙”。

宇宙的循环运动

宇宙物质的运动是循环衍生的（生命只是物质运动的一种形式）。据计算，任何恒星经过100 万亿年都会与另一颗恒星接近一次。这样恒星周围的行星就会被撞出而流离失所。这时，90%的恒星逃离星系，剩余者则形成一个大黑洞。新的粒子理论同宇宙的结局密切相关。新理论告诉我们，原子核内的质子可能不是永恒的物质，它的寿命是1 亿亿亿亿年。如果真是这样，经过1亿亿亿亿年后，只剩下几种基本粒子和黑洞了。

宇宙的年龄

说到宇宙的年龄，人类不能再用通常的尺度，不是用百万年，而是用亿年为单位。但对宇宙的年龄，科学家们只是在推测和估算，还没有找到一种绝对准确的方法。所以科学家们采用各种方法来取得能够接近真实的结果。用同位素年代法测量地球、月球和太阳年龄是一种好方法。经测定，地球年龄为40 亿～50 亿年，月球年龄为46 亿年，太阳年龄为50 亿～60 亿年。运用这种方法测定宇宙年龄，天文学家布查测定的结果为120 亿。球状星团测定法是根据恒星演化理论来测算恒星年龄的一种方法，利用该法求得的宇宙年龄为80亿～180亿年。但是，人们对恒星进行观测发现，最老的恒星年龄约200 亿年，因此，180 亿年的年龄是不够的。那么，宇宙的年龄到底是多少呢？

哈勃常数测定法

哈勃空间望远镜

哈勃常数测定法是基于宇宙膨胀的观测事实确立的。在一个不断膨胀的宇宙中，测定膨胀速度可通过红移量的测量来获得。测出邻近星系与地球的距离，再由此标定红移与距离的关系，就可求得宇宙的年龄。由此可知，是测出邻近星系与地球之间的距离。测量地球与邻近星系距离的方法有两种，但两种方法最终求得的宇宙年龄都在100 亿～200 亿年之间。这就是宇宙存在的年限。

宇宙谜团-宇宙有多大

宇宙有多大 '2x] {`n
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?7|uNQn? 在18 世纪人们的眼里，宇宙还只是太阳系。随着科学技术的发展，人们认识到：太阳也只是天空中数以万计的恒星中的一颗。于是，人们心目中的宇宙开始逐渐扩展到了 银河系。近代，人们的认识范围逐渐扩大，人们心目中的宇宙已不再是银河系。人类已经认识到：在银河系以外，还有许多河外星系的存。十几个或几十个星系一起 组成星系群。成百上千个星系则组成更高一级的星系组织—星系团。北冕星座是有一个包含着400 个星系的星系团，离我们更远，光从那里照射到我们地球，需要整整7 亿年之久。这样的一个个星系团共同组成了我们的总星系。人们都说“宇宙广阔无垠”，那么，宇宙究竟有多大呢？
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牛顿的“箱子宇宙”

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牛顿是古典力学的创立者，他曾设想宇宙是个“大箱子”。

从哲学角度上说，宇宙不光在空间上是无限的，在时间上也是无限的。“天地四方曰宇，古往今来曰宙”。正因为宇宙在时间上和空间上的无限，才使得宇宙能够作为一个统一的整体而存在。德国大哲 学 家康德曾提出著名的时空悖论，强调人们关于宇宙有限与无限的理解必然存在着矛盾。古典力学创立者牛顿设想：宇宙像一个无边界的大箱子，无数恒星均匀地分布 在这个既无限又空虚的箱子里，靠万有引力联系着。他的观点引出了有名的“光度怪论”（即“奥尔伯斯佯”）：如果宇宙真是无限的，恒星又是均匀地分布着， 那么夜晚的天空将会变得无限明亮！

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爱因斯坦的“有限宇宙球”

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因斯坦的相对论指出：宇宙中时间和空间是非常复杂地纠缠在一起的。

相对论大师爱因斯坦，于1917 年提出了有限宇宙的模型，“把宇宙看作是一个在空间尺度方面有限闭合的连续区”，并从宇宙物质均匀分布的前提出发，在数学上建立一个前所未有的“无界而有 限”、“有限而闭合”的“四维连续体”，即一个封闭的宇宙。根据爱因斯坦提供的“宇宙球”模型推想，在宇宙任意一点上发出的光，都将会沿着时空曲面在 100 亿年后返回它的出发点。人类目前的认识，实际上是把宇 宙作为在时间上有起点，在空间上有限度的想像模型来对待的。
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宇宙到底是什么样子

英国剑桥大学教授斯蒂芬·霍金（1942～）是继爱因斯坦之后最伟大的科学家之一。

宇宙到底是什么样子？英国物理学家斯蒂芬·霍金的观点比较让人容易接受：宇宙有限而无界，只不过比地球多了几维。比如，我们的地球就是有限而无界的。在地球上，无论从南极走到北极，还是从北极走到南极，你始终不可能找到地球的边界，但你不能由此认为地球是无限的。实际上，我们都知道地球是有限的。地球如此，宇宙亦是如此。怎么理解宇宙比地球多了几维呢？举例来说：一个小球沿地面滚动并掉进一个小洞中。在我们看来，小球是存在的，它还在洞里面，而对于一个假设的“二维”世界的动物来说，它得出的结论就会是：小球已经不存在了！它消失了。为什么会得出这样的结论呢？因为它生活在“二维”世界里，对“三维”世界是无法清楚认识的。同样的道理，我们人类生活在“三维”世界里，对于比我们多几维的宇宙，也是很难理解清楚的。

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英国剑桥大学教授斯蒂芬·霍金（1942～）是继爱因斯坦之后最伟大的科学家之一。

宇宙到底是什么样子？英国物理学家斯蒂芬·霍金的观点比较让人容易接受：宇宙有限而无界，只不过比地球多了几维。比如，我们的地球就是有限而无界的。在地 球上，无论从南极走到北极，还是从北极走到南极，你始终不可能找到地球的边界，但你不能由此认为地球是无限的。实际上，我们都知道地球是有限的。地球如 此，宇宙亦是如此。怎么理解宇宙比地球多了几维呢？举例来说：一个小球沿地面滚动并掉进一个小洞中。在我们看来，小球是存在的，它还在洞里面，而对于一个 假设的“二维”世界的动物来说，它得出的结论就会是：小球已经不存在了！它消失了。为什么会得出这样的结论呢？因为它生活在“二维”世界里，对“三维”世 界是无法清楚认识的。同样的道理，我们人类生活在“三维”世界里，对于比我们多几维的宇宙，也是很难理解清楚的。

宇宙谜团-宇宙诞生的奥秘

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k~, 茫茫宇宙，充满了无尽的神奇与玄妙；点点繁星，引起人们无限的遐想与憧憬。这里展现了一个多彩变幻的寰宇：恒星有着瑰丽的肖像，星系有着漂亮的环状饰物， 一些星体在悄悄地互相吞噬，黑洞正在吞噬它周围的一切，银河系像一个巨大的飞碟，河外星系构成庞大的“宇宙长城”，太阳长着绚丽多彩的“羽毛”，小行星可 能随时撞向地球，“长发美女”彗星不时光临人间……
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{`fn%Y) 当人类第一次把目光投向天空时，就想知道这浩瀚无垠的天空以及那闪闪发光的星星是怎样产生 的。 所以，各个民族、各个时代都有着种种关于宇宙形成的传说。比如盘古开天、女娲补天等优美的神话故事和上帝6 天造出天地万物的宗教观念。不过那都是建立在想像和猜测基础上的。现在，科学技术有了巨大的飞跃，我们的认识已超出地球、太阳系、银河系的范围，而关于宇 宙的诞生和形成，也有了较为明晰的观念。
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“大爆炸”理论

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zoK^G? 1946 年，美国科学家伽莫夫提出“大爆炸”理论。此后，“大爆炸”理论逐渐形成体系，成为人们普遍接受的观点。“大爆炸”理论认为，大约在200亿年以前，构成 我们今天所看到的天体的物质都集中在一起，密度极高，温度高达100 多亿度，被称为“原始火球”。这个时期的天空中，没有恒星和星系，只是充满了辐射。后来不知什么原因，“原始火球”发生了大爆炸，组成火球的物质飞散到四 面八方，高温的物质冷却起来，密度也开始降低。在爆炸两秒钟之后，在100 亿度高温下产生了质子和中子，在随后的自由中子衰变的11分种之内，形成了重元素的原子核。大约又过了1万年，产生了氢原子和氦原子。在这1 万年的时间里，散落在空间的物质便开始了局部的联合，星云、星系的恒星，就是由这些物质凝聚而成的。在星云的发展中，大部分气体变成了星体，其中一部分物 质因受到星体引力的作用，变成了星际介质。宇宙就这样形成了。
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亚稳状态宇宙论

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宇宙一诞生就急剧膨胀， 并在膨胀期孕育了无数个宇宙，可称其为子宇宙、孙宇宙

1999年9月，印度著名天文学家纳尔利卡尔等人提出一种新的宇宙起源理论—“亚稳状态宇宙论”，对大爆炸理论提出挑战。他们相信，宇宙是由若干次小规模的爆炸而不是一次大爆炸形成的。新理论 认为，宇宙在最初的时候是一个被称为“创物场” 的巨大的能量库，而不是大爆炸理论所描述的没有时间、没有空间的起点。在这个能量场中，不断发生爆炸，逐渐形成了宇宙的雏形。此后，又接连不断地发生小规 模的爆炸，导致局部空间的膨胀。而时快时慢的局部膨胀综合在一起便形成了整个宇宙范围的膨胀。新理论犹如一块沉重的巨石，在人们平静的心湖里激起狂澜。人 们开始重新反思生命，以至产生生命的庞大宇宙。
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暴胀宇宙学

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物质在膨胀刚结束后的火球宇宙中诞生。


1979～1981年，美国科学家古思、温伯格和威尔茨克三人提出“暴胀宇宙学”理论。这个学说认为，在大爆炸后不到10-35秒的瞬间，宇宙迅速地膨 胀，故称为“暴胀”。暴胀持续了大约10-32秒。在如此短的时刻内，宇宙的体积却增大了1043 倍！