二、天文发现

恒星的演化

人类对恒星演化过程的了解，要比对恒星起源的认识更为全面和深入。

经过恒星的幼年，恒星才真正成为一颗天体。年轻的恒星仍在收缩。因此温度仍在升高。升到1000万℃以上时，星系核心的氢元素开始进行聚变反应，并释放能量。这样一来，恒星变得比较稳定，并进入“青壮年期”。

人类对恒星的演化过程的科学研究中，最重要的成就是20世纪初丹麦天文学家赫茨普龙和美国天文学家罗素对恒星光谱和光度关系的研究，他们将此绘制成图，人们称此图为赫茨普龙—罗素图，简称赫罗图。由此可知，恒星要经过主序星（青壮年）阶段和红巨星（老年）阶段。

赫罗图非常直观，人们借此可发现在观测到的恒星中，有90％是处在主序星阶段（太阳也处在这个阶段）。这个阶段是恒星经历最长的阶段，约几亿年到几十亿年。这时的恒星已恒星由宇宙间的尘埃组成。无数的恒星又组成了星团和星系。不收缩了，燃烧后的能量全部辐射掉。它的主要特征是：大质量恒星温度高，光度大，色偏蓝；小质量恒星温度低，光度小，色偏红。

当恒星变老成为一颗红巨星时，在它的核反应中，除了氢之外，氦也开始燃烧，接着又有碳加入燃烧行列。此时它的中心温度更高，可达几亿度，发光强度也升高，体积也变得庞大。猎户座的参宿四就是一颗最老的红巨星。太阳老了也会变成红巨星，那时它将膨胀得非常大，以至于会把地球吞掉——如果那时人类还存在着，就要“搬家”了，搬到离太阳远一些的行星上去住。

赫罗图的建立，是天体物理学研究取得的重要成就之一。但是由于材料尚不够完善，人们对恒星演化过程的许多细节还不很清楚，如星际物质的化学成分，尘埃和气体的比例，尘埃的吸收能力等，这也使恒星演化理论受到了一种很大的挑战。

恒星运动的发现

在离开非洲西海岸1800千米的南大西洋中大约西经10°、南纬16°的万顷碧波中，有一个名声显赫的火山岛——圣赫勒拿岛。1502年时它首先为葡萄牙军队占领，后来易手为荷兰人管辖，1659年至今属于英联邦的范围。

这个面积仅只120多平方千米的小岛所以举世闻名，是因为它是拿破仑兵败之后的放逐地。1821年，拿破仑在这个岛上绝望地结束了自己的一生。

对于天文学来讲，圣赫勒拿岛也是一个值得一提的小岛。在17世纪前，所有的天文知识都囿于北半天球。1676年11月，刚满20岁的一个英国大学生——哈雷在巴黎天文台台长卡西尼的鼓励下，踌躇满志地登上了英国东印度公司的一艘海轮，来到了这个荒岛。他带着一架焦距为7米的折射望远镜和其他一些天文仪器，在那儿建立了一个临时性的天文台，这是人类科学史上第一个位于南半球的天文台。哈雷一年的观测，使天文学家第一次了解了全天的所有恒星。1678年哈雷回到英国，发表了他的观测结果，并编出了一本包括381颗恒星的星表，使人们对这位青年肃然起敬，并称他为“南天的第谷”。

1718年，哈雷完成了一系列重大发现后，又继续研究星表。他把自己测出的一些恒星位置与古希腊的星表进行比较，发现不少恒星的相对位置有了改变，而且改变的方向和大小漫无规律。他在疑惑之余又与一个世纪前观测大师第谷的结果进行了对比，发现三者都不完全相同，但他与第谷的差别极微。哈雷经过仔细研究，终于大胆提出了“恒星不恒”的观点——恒星有“自行”，它们在天球上的位置在移动着，而且年代越长，移动的角距离越大。

自行是恒星在垂直视线方向上的“横向”运动，科学地讲是切线方向，故称切向。很明显，人们见到的恒星切向运动不仅与这星的切向速度有关（速度越快，移动越大），也与这颗星离开观测者的距离关系极大。一架飞翔在高空的飞机，尽管时速可达几百、上千千米，但在人们眼里，它的切向移动还不如小鸟快，所以自行又与恒星的距离成反比。

正是因为这个原因，恒星的自行都是十分微小的——一般都小于0．1″／年，这相当于它们10年移动的角度仅仅与6千米外的一枚50分普通邮票相当！难怪在哈雷以前谁也没有想到过恒星竟然是“不恒”的！

测定恒星的自行是不容易的，常常要与100年（至少50年）前的底片比较——而这种底片却是不多的，因照相术发明用到天文上，至今不过140多年的时间。经过天文学家的艰苦努力，人们现在已经有了40多万颗恒星的自行数据。在现阶段，这似乎也到了“尽头”，因为更加遥远的天体其自行已小得微乎其微，超出了仪器的能力。在已知自行的恒星中，只有千分之一即400颗在1″／年左右。但是也有个别的恒星自行很大，达10．31″／年这就是位于蛇夫座内的巴纳德星。它是一颗肉眼看不见的10等星，也是离太阳第四近的恒星。它之所以能夺冠，“近水楼台”就是一个重要的因素。自行的亚军是位于南天绘架座内的卡普均星，它的自行值是8．8″／年，这颗星离太阳3．9秒差距。

必须指出的是，自行与真正的切向速度之间不能划等号。例如，冠军巴纳德星的切向速度是每秒85千米，而亚军卡普坦星的实际速度几乎是其2倍——每秒163千米。

在人的一生中，恒星自行的影响一般可不予考虑，但是日积月累从历史角度来考察，却是惊人的。以北斗七星为例，它在10万年之前与10万年之后的形状就不大一样。如果当年北京猿人也画下他们所见的星图，相信到现在谁也无法辨认了。

由此可见，所谓“星座”，实在是人为的“拉郎配”，它们并不是一个什么系统。星座中各个恒星的半径、质量、运动和离太阳的距离，都是“独立自主”各不相干的。

变星的发现

水有源、树有根，在希腊神话中，众多的妖魔精怪都源出一“人”，那就是号称“众怪之父”的福耳库斯。他住在人们到不了的遥远的大海之中。在他众多的儿女中，有三个蛰居于戈耳工的女妖，小妹妹叫墨杜莎。两个姐姐的头顶上没有柔软的秀发，却是无数盘蜷吐舌的毒蛇；口内没有整齐的洁齿，却长着野猪般的獠牙；身上也不是细嫩的肌肤，而是龙鱼般的片片鳞甲。她们的四肢是金属的，背上长着可以御风而行的金翅。更厉害无比的是三人的眼睛有奇特的魔力，只要狠狠盯上一眼，可在顷刻间让被盯住的生灵化为顽石。墨杜莎与两个姐姐长得十分相像，很难区分，惟一不同的是她为肉身——因为她原本是人间一个异常美丽动人的少女，因狂妄地要与智慧女神雅典娜比美，才受到了神的惩罚，沦为女妖。

墨杜莎后来被希腊英雄帕耳修斯所杀。他得到了几个仙女的相助才完成了这一充满危险的功业。墨杜莎的头颅一直挂于他的腰间，她那闪闪发光的双眼，便是著名的变星——大陵五（英仙p）。

从亮度而言，大陵五是变星世界中的“冠军”，最亮时为2．13等，最暗时也有3．40等，而且它常常处于离地平很高的天上，所以一闪一闪的光芒十分引人注目。中国古代把它和周围的7颗星看成一个大陵的形状。“陵”者，专指皇家的坟墓。古阿拉伯人对它捉摸不定的星光也有所察觉，故称它为“阿哥尔”，意思是“变幻莫测的神灵”或“魔星”。古人总是把无法理解的事情推到超自然的神魔头上。

尽管人们发现大陵五的光度变化很早，但长期以来，多数人对这个事实总是疑虑重重，迷惑不解。因为人们不相信星光会有变化。最早对它进行研究、揭示它光度变化规律的，并不是拥有良好设备的天文学家，而是一个天文爱好者——又聋又哑的古得利克。1783年，他测出这颗“魔星”的光变周期是2天20小时49分（与现代准确值仅差4．6秒）。更令人钦佩的是这位19岁的青年，对它作了十分合理的解释。他认为魔星不魔，其光变原因是恒星中有类似日食、掩星那样的交食现象。大陵五可能是一对大小、光度有较大差别的恒星（双星），在互相绕转中由于彼此遮挡而使光度发生了变化。平时两星在B、D及其附近状态时，人们见到的星光是两星的光度之和，所以显得明亮；但当运行到A的位置，较暗的伴星挡住了较亮的主星（类似于月球挡住了太阳），于是所见的星光大减；而在C这种情形时，被挡住的是本来不太明亮的伴星的一部分，所以光的损失并不太大，减弱不算太多。

后来人们又发现了一系列这种由于互相挡掩而引起光变的变星，遂把它们归为一类，称为交食变星。又因为它们本身是双星，所以更多的人称它们为食双星。随着研究的不断深入，食双星还可分为好几种不同的类型，大陵五仅是其中之一而已。

还有一种是渐台二型。它的典型代表即是渐台二（天琴p），位于织女的东南方。它的光变也是古得利克发现的（1784年）。周期大约为12．91天。据测定，渐台二距离我们500秒差距（1630光年），其光度为太阳的5000多倍。渐台二的光变曲线与大陵五有较大的不同，它几乎没有平直的线段部分，就是说，它的光强时刻都在变化。这说明这对双星的两颗子星相距很近，而且，相互间的引力（实际应是潮汐力）使它们的形状都变为扁球或椭球形了。第三种则是大熊W型食变星。这种双星的两颗子星距离更近，已经到可以互相交换物质的地步，所以主极小和副极小几乎没有区别。

当然三类食变星的共同特点是，它们光度变化仅仅是几何原因——互相遮挡，而并非本身真在作亮暗的变化，所以天文学上称之为“几何变星”或“外因变星”，它们都是“冒牌货”。因此天文学家常常把它们从变星中除名出去，而把它们归入“双星”之列。

或许有人会问：星光闪烁的原因是由于大气抖动，食变星的光变是因为互相掩挡，那么宇宙中有没有真正的变星呢？它们的光变是什么原因造成的呢？

恒星的“脸谱”之谜

人云：“天上星，亮晶晶。”一般人认为所有星星都是白色的。果真如此吗？其实不然，每颗恒星都有各自不同的“脸谱”。

早在汉代，我们充满智慧的祖先，通过细心观察已经把恒星分出白、赤、黄、苍、黑5种颜色。1665年，英国的牛顿利用三棱镜发现了太阳的连续光谱，从而知道日光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等各种不同颜色的光混合而成的。1814年，德国的夫琅和费继续做太阳光谱的研究，他在一间暗室的百叶窗上开了一条狭缝，让太阳光通过狭缝照射到一块棱镜上，棱镜后面则是一架小望远镜。夫琅和费通过小望远镜，惊奇地发现太阳的“七色彩带”样的光谱中又出现了许多条暗线。经过反复计数，这样的暗线共有567条之多。

现在我们知道，上述的几项发现已经构成一幅恒星真实的肖像。其在肉眼下（或在望远镜里）颜色的不同，表明的是各个恒星温度的不同，比如白色温度高，红色温度低，而众多的“夫琅和费线”则是由于太阳或恒星大气中的各种气体元素按一定的波长选择吸收太阳或恒星的辐射而成的。换句话说，光谱是了解恒星物理性质、化学成分的“钥匙”。

有鉴于此，美国哈佛天文台的皮克林对全天24万多颗恒星都拍摄了光谱，他组织了十几位终身不嫁而一心一意为天文学献身的女性，对这20多万颗恒星的光谱进行分类和研究。最后，以坎农女士的结论为准，她按照恒星的表现温度由高到低的顺序，从温度最高的O型星开始，构成了如下的序列：

O—B—A—F—C—K—M

为了便于记忆，有人利用这些字母编了一句话：“Oh！BeAFairGirl，KissMe”（译成中文为“啊，好一个仙女，吻我吧”）。这句话中每个词的第一个字母恰好构成上述光谱的次序。每个光谱型又更加细致地划分成10个次序，例如从B型过渡到A型又有B0，B1，B2……B9这10个次型，太阳便是一颗G型星，其表面温度略低于6000℃，是一颗具有中等发光能力的恒星。

这便是非常有名的“哈佛分类法”，全世界的天体物理学家都信赖它，而哲学家称其为“可能是发现世界秩序的最简单方法”。但是恒星的电子辐射“脸谱”究竟如何演变，还是个谜。

各型星的颜色和在普通蓝紫波段的主要光谱特征如下：

O型：蓝白色。紫外连续谱强。有电离氦、中性氦和氢线；二次电离碳、氮、氧线较弱。

B型：蓝白色。氢线强，中性氦线明显，无电离氦线，但有电离碳、氮、氧和二次电离硅线。

A型：白色。氢线极强，氦线消失，出现电离镁和电离钙线。

F型：黄白色。氢线强，但比A型弱。电离钙线大大增强变宽，出现许多金属线。如仙后座p（中名王良一）。

C型：黄色。氢线变弱，金属线增强，电离钙线很强很宽。如太阳、天龙座p（中名天GFBA8三）。

恒星家族成员一览图K型：橙色。氢线弱，金属线比G型强得多。如金牛座（中名毕宿五）。

M型：红色。氧化钛分子带最突出，金属线仍强，氢线很弱。如猎户座（中名参宿四）。

R和N型：橙到红色。光谱同K和M型相似，但增加了很强的碳和氰的分子带。后来把它们合称为碳星，记为CO如双鱼座19号星。

S型：红色。光谱同M型相似，但增加了强的氧化锆分子带，常有氢发射线。如双子座R。

太阳耀斑的发现

我们已经知道平均每隔11年左右，太阳的变化有一次高峰，即黑子相对数达到极大值，这时发生在太阳大气中的一些其他活动，如光斑、谱斑、耀斑、日珥也达到极盛时期，而耀斑则是最强烈的太阳活动，对周围的影响也最大。

用单色光观测色球层会发现有一块块云朵状的亮区，被称为谱斑。用Ⅱ谱线和用Ca谱线观测到的谱斑并不相同。Ca谱斑的结构和光斑很相似，所以有人认为Ca谱斑是光斑在色球层中的延伸。然而Ⅱ谱斑的结构和光斑就有明显的差异，当Ⅱ谱斑的面积突然增大，光度突然增亮时，意味那里正在发生剧烈的爆发，被称为耀斑（耀眼的斑点）。最早发现耀斑是在1859年，那是英国的卡林顿和霍德逊分别观测到的。他们发现在一大群黑子附近有一大片新月形的明亮闪光，以每秒100千米的速度掠过黑子，然后很快消失。后来才认识到这是一次特大的耀斑，而且是白光耀斑。因为一般的耀斑只能通过某些谱线（如Ⅱ）才能看到，而那次用白光就可观测到，所以称为白光耀斑。罕见的白光耀斑是非常珍贵的事件，自1859至1991年，只报道过60次。白光耀斑的空间尺度很小，平均只有十几角秒，持续时间很短（几分钟），释放的能量比普通耀斑大，现有的理论仍不能清楚地解释关于它们的观测事实。

用太阳光单色仪观测一般的耀斑将会看到，有的像猛烈的火山喷发，有的在太阳边缘突然冒出巨大扭曲的拱桥状日珥，增亮区内的物质在猛烈沸腾着，气势极为壮观。耀斑按它的光面积大小分为4级，由1级到4级逐渐增强。一个3级耀斑的光面积大约为地球表面积的50倍，地球上没有任何一种自然现象的规模能与其相比。

耀斑的最大特点是：来势凶猛，其亮度上升很快，下降直至消失却较慢。一般说来，耀斑面积越大，其寿命越长。小耀斑的寿命只有几分至十几分钟，大耀斑可持续几十分钟至1～2小时。在此期间，大量的能量（1022～1026焦）从相当小的体积内释放出来。一个特大的耀斑释放的总能量相当于100亿颗百万吨级氢弹爆炸释放能量的总和，如果把这些能量分配给地球上的人，那么每个人可得到2颗百万吨氢弹的能量。可见耀斑爆发是一场惊天动地的爆炸，不过和太阳输出的总能量相比仍是微不足道的。

由于耀斑是发生在从色球层到日冕（很可能是低日冕）的过渡区中大规模的爆发现象，并引起局部区域等离子体瞬时加热，从而把数十亿吨物质在几秒钟内加速到每秒4～5百千米的速度。由于高能带电粒子的加速，因而产生从X射线、光学乃至射电波段的辐射。特别是其中的紫外线、X射线的辐射通量比宁静时大几个数量级，虽然这些高能部分只占整个太阳电磁辐射的1％，这时太阳在高频波段上表现为一颗激烈骚动的星。除此之外，太阳发生耀斑时，还会喷出大量的高能粒子流（主要成分是质子，也有重核离子），即太阳宇宙线通量也同样增大好几个数量级。

虽然太阳耀斑是发生在太阳上的最为强烈的活动现象，但也只能算作在宁静太阳色球层上发生了一些涟漪，这些微小的扰动一般来说对人类的生活不会产生很大的影响。因为地球上的生灵有着大气层（特别是其中的臭氧层和电离层）和磁层的双重保护，所以可免遭伤害。但在某些场合下则必须考虑耀斑对日地空间和地球物理造成重大的影响。

正如上述，太阳发生耀斑时，发出许多辐射和粒子，其中X光和紫外光只需8分钟就会到达地球。这时地球高层大气中太阳紫外线与X射线的强度突然增大几十甚至几百倍，特别是其中波长为1～10埃的X射线会使低电离层（D层）进一步电离，电子密度增大，使其对短波、超短波的无线电信号的吸收增强，导致下行的无线电波突然变弱，甚至中断，从而造成通信系统、导航系统失灵，卫星图像和数据不能传到地面站等事故。

来自耀斑区的高能粒子流（主要是质子）需几小时后到达地球。由于高能带电粒子有很强的穿透力，难于屏蔽，因而会威胁到航天器舱内的人员和仪器的安全。例如单粒子事件就是引起卫星故障的主要原因之一。所谓单粒子事件是指高能粒子单次轰击在半导体器件上所引起的故障，产生假信号，造成“软”错误，也能引起绝缘被击穿或器件烧毁等“硬”错误。我国风云气象卫星就是因为出现单粒子事件，使卫星失去控制的。

更大量的慢速粒子流则需1～3天才能到达地球，冲击地球的磁层，并把它压缩，使地磁场发生扰动。扰动大的叫做磁暴。磁暴按地磁场强度随时间变化的方式分为两种：一种是磁场强度急剧上升，强度大，时间短的急始型磁暴，另一种是缓始型磁暴。大的急始型磁暴会使科学家们目瞪口呆，这时会严重影响航海和地球物理探矿的正常进行。1989年3月10日太阳长寿命的大爆发所引起的磁暴破坏了加拿大魁北克省735千伏电网，以及美国新泽西州核工厂的变压器。

磁暴往往伴随产生极光。为什么只能在地球两极附近才能看到极光呢？这是因为偶极型的地磁场的磁力线出没于地球两磁极。从太阳飞来的带电粒子，由于受到地磁场的影响，不能作直线运动，只能绕着磁力线旋转，于是沿着弯曲的磁力线螺旋式地运动到地球南、北两极附近的高空。以往人们曾认为带电粒子直接撞击地球两极上空的大气分子、原子引起产生极光，实际上整个过程要复杂得多。带电高能粒子进入地球磁层后，产生两个分别围绕地球南、北磁极的环形电流，其电流强度可达几千万安，电压为4～5万伏。这种电流使大气中的分子、原子激发，当它们退激时便发出极光，就像真空管中放电发出辉光那样。科学家分析极光光谱可以得到高层大气成分的资料。例如，被激发的氧原子可发射波长为5577埃的绿光，和波长为6300埃、6364埃的红光；对于氧分子，离子可发出波长自3914～4700埃的青绿色带状光谱；被激发的氮分子可发出波长为6500～6800埃的深红色光。所以极光大部分呈绿色或青绿色，其中夹杂着淡红色的斑点或条纹，构成了变幻莫测胜似仙境的奇景：在黑暗的夜空中有时像是飘动着巨大的彩带，有时却成为最纯净的、晶莹透亮的雨后彩虹，有时像是从高高的空中悬挂下来的巨大的五彩缤纷的帷幕，有时又像熊熊大火在天空中滚动，上下激荡不止，仿佛被风暴冲卷着。凡亲身目睹过极光的人们都会普遍感到不知该用什么词汇来形容这个自然界的雄伟景象，整个事件像是一场由彩色火花组成的幻景，然而就在他仿佛置身于梦境之中时，一切都悄悄地消逝了。

可惜今天在我国即使最北的漠河地区也极难看到极光。然而由于地磁两极在缓慢地移动，所以能看到极光的地区——极光圈也随着地磁极的漂移而变迁。在古代我国北方的某些地区曾一度有缘靠近极光圈，我国古人把它称为“天剑”，能在夜间照明大地，显然，这就是极光现象了。

耀斑爆发也会引起地球高层大气状态发生变化，对航天器来说，即改变了其热层环境。这是由于电磁辐射的高能部分不像绝大部分的可见光可到达地面，而是绝大部分被高层大气所吸收，大部分能量沉积在100千米以上的高空大气中，从而造成高层大气的温度和密度突变，而该区域恰好是航天器运行的区域。太阳宇宙线的射程短，大部分能量也积累在高层大气中，并在地磁场的作用下聚集到极区，造成高纬度地区高层大气扰动。因此重要的空间活动（如发射卫星等），甚至途经极地的航班，也要避开耀斑爆发时期。1979年7月11日，美国天空实验室（Skylab）在其原来的轨道上提前4年坠落，是当年令人震惊的事件。后来分析认为是由于太阳活动第21峰年比预期提前，太阳活动急剧增强，使高层大气吸收大量热量，温度上升，整个大气膨胀，受热膨胀的大气上升到天空实验室的运行轨道，使耀斑那里的高层大气密度增大，造成天空实验室受到的大气运动阻力增加6倍，于是降低了轨道速度，轨道高度不断下降。虽然采取了调整姿态等一系列措施延长一些时日，但还是比预计时间提早4年坠落。

早在20世纪70年代，天空实验室的宇航员返回地面时，曾兴奋地告诉人们，他们擒获了一个极难捕捉的目标——太阳耀斑，并把它从诞生开始的全部过程记录了下来。观测表明耀斑的确首先在日冕中产生，开始只是微小的核，后来才爆发，并可清晰地看到有一股热云沿弯曲的轨道向下一直冲到太阳表面。显然这个观测事实为磁力线重联理论提供了有力的证据。

太阳耀斑出现时会发出高能电子20世纪80年代，美国的“太阳峰年研究”，日本的“火鸟”和最近日、美合作的“阳光”等卫星，以及高空火箭的观测都显示，日冕（特别是太阳活动区）大部分充满着细长的亮环，即磁力线管，又称磁环或日冕环。它们在太阳表面的趾部或根部位于极性相反的黑子附近。两个或两个以上的磁环相互接触，或单磁环扭转时，也会发生磁力线重联而释放能量，使磁环的相互作用区突然增亮。

20多年来，通过许多太阳物理学家的大量工作，认识到磁场重联是耀斑释放能量的最主要机制。并应用磁流体力学理论，模拟计算了磁重联过程，发现有三种形式，即稳定的、快速的和爆发的。两个磁环接触属于爆发式重联，因磁环相互接近的速度高达每秒几千千米，所以两个磁环结合过程的时间极短。根据观测资料表明，这类磁重联大多数导致产生小耀斑。而一系列规模更小的微耀斑则可能是造成日冕高温的重要因素。此外，物质抛射或磁场切变也能引起磁场重联。总之，磁场如何重联是一种极端复杂的过程，还有许多问题有待于深入研究，这就要求有更加完善的观测手段。我国已研制成功世界上最先进的多通道太阳望远镜，为进一步阐明耀斑机制创造了有利条件。目前已取得了一批重要成果，如观测到太阳耀斑的红移，即在耀斑之前，太阳物质会发生向下的特殊流动。这样，我国科学家为近代太阳物理研究中的重点课题谱写了一项新的内容。

认识太阳

我们在地球上，每天看到太阳东升西落，太阳照亮了大地，带给我们光和热。太阳是太阳系的中心天体，也是距离我们地球最近的一颗恒星，它和地球的平均距离是14960万千米；直径为139万千米，是地球的109倍；体积是地球的130万倍，质量是地球的33万倍，平均密度是1．4克／厘米3。

太阳也在自转，自转周期在日面赤道带约为25天，越接近两极周期越长，在两极区约为35天。太阳上最丰富的元素是氢，其次是氦，此外还有碳、氮、氧和各种金属，和组成地球的化学元素几乎是同样的，只不过组成的比例不同罢了。

太阳是一个炽热的气体大火球，它的外层主要由3层组成：光球、色球和日冕，这几层构成了太阳的大气。

太阳结构示意图通常我们看到的太阳圆面称为光球，厚度有500千米左右，明亮耀眼的太阳光，就是从这层发出来的。

色球在光球的外面，是太阳大气中间的一层，大约延伸到几千千米高度，温度从几千摄氏度上升到几万摄氏度。在月全食的时候，当光球所发出的强烈的光线被月球遮掩住了，我们就能看见这个具有暗红色的气层，因此把这层叫做色球或色球层。

日冕是太阳大气的最外层，这层可以延伸到几个太阳半径那么远，有时甚至更远些。主要由高度电离的原子和自由电子组成，密度非常稀薄。日冕的内层，或称为内冕，温度高达100万摄氏度。日冕的大小和形状与太阳的活动有关。太阳活动极大期，日冕是圆形的；极小期，日冕在太阳两极处缩短，在太阳赤道带突出。内冕的亮度大约为光球的百万分之一，几乎像农历十五、十六晚上的月亮光似的。

以前天文学家观测色球，除了平时用单色光观测，还可在日全食期间观测；而观测日冕，以前只能在日全食时观测，现在可用“日冕仪”经常观测。近年来，人造卫星的观测表明日冕气体因高温膨胀不断向外扩散，抛出的粒子流形成了太阳风。

此外，在太阳的边缘外面，还有像火焰似的朱红色发光的气团，这叫做日珥。有时它以很大的速度射出，可以达到几十万千米高，然后，再向色球层落下来。日珥出现的多少和黑子一样，周期约是11年。平时我们用肉眼是看不到的，只有天文学家用色球望远镜或分光镜等仪器，或在日全食时才能看到它。

太阳黑子的发现

1601年10月，天文观测一代宗师、丹麦天文学家第谷与世长辞。在弥留之际，他把平生积累下来的所有宝贵观测资料都馈赠给了他的学生，一个30岁的德国天文学家开普勒。开普勒幼年时患过小儿麻痹症，双眼视力不济，但他克服了种种困难，仍做了许多天文观测工作。他于1604年发现了著名的蛇夫座超新星（现称开普勒新星），也观测过1607大彗星（后来证实，即是哈雷彗星）。他还深入研究了光学，在伽利略望远镜基础上发明了“开普勒式望远镜”。当然他的最伟大贡献还在于发现了行星运动的开普勒三定律。

然而金无足赤，开普勒也有轻率失误时。1607年5月18日他正在观测太阳，突然发现太阳圆面上有个小黑点。可惜的是，开普勒当时没有“跟踪追击”，而漫不经心地认为这是金星凌日。当时人们还不会计算，其实金星的凌日要到1631年才出现。为什么开普勒会这样大意？这完全是因为传统观念的束缚。因为当时人们的头脑中，太阳是天上的火球，是最完美的球，完美的东西是不应当有缺陷的。

在开普勒时代，教廷拥有至高无上的权力。他们竭力宣扬，太阳是上帝创造的，万能的主不会造一个有瑕疵的天体，因此太阳、月亮都是最光滑、最标准、最完美的球体，任何怀疑都是亵渎神灵的异端邪说。

甚至在伽利略已经发现并证实了黑子确实存在于太阳表面后，多数人还是不敢相信眼睛看到的事实。当时有个名叫席奈尔的天主教士，他也用望远镜观测太阳，也发现了那些黑点。席奈尔惶惶不安，但不管他如何调节仪器，也不论他如何揉拭眼睛，都无法使这些黑点消隐。万般无奈，他只能跑去求助于他的主教。听着席奈尔气喘吁吁的叙述，主教早已不耐烦起来，他打断席奈尔的话说道：“去吧，孩子，放心好了，这一定是你那该死的玻璃出了毛病；不然是你太累了，眼睛上有缺陷，才使你错误地把它当成了太阳上的黑斑。”

与此相对照的是，我国很早就有了太阳黑子的记录。在春秋早期的《周易》中就有“日中见斗”及“日中见沫”等记载。现在世界公认最早的黑子记录也在我国：《汉书·五行志》中，就记载了河平元年（公元前28年）三月乙未（应为己未之误，相当于5月10日），日出黄，有黑气，大如钱，居日中央。从汉代到明朝，至少有100多次确切的记录。在公元三四世纪的晋代，我国已开始正式采用了“黑子”这个名词了。

黑子为什么黑？只因为它们的温度相对于光球较低而已。通常，光球的温度为6000℃，而黑子的温度则在3845～5315℃之间。黑子虽“黑”但若将它单独取出，它的光比李白“把酒问月”的那位“明月仙子”还要亮呢！那时，黑子就变成了“亮子”。

太阳黑子现在要进一步追究：黑子的温度为什么会比光球低呢？这还是个没有定论的问题。有些人认为，是太阳黑子区的强磁场阻止了太阳深处的热量传到黑子表面，使它温度降低；另一些人认为，通过非辐射方式将黑子区的能量大量传输出去而使黑子温度变低。

关于太阳黑子还有许多鲜为人知的景象：在黑暗的本影里，会不时出现活动异常的“本影亮点”，它的亮度与光球差不多；有时又会出现直径达2000千米的明亮的移动结，这就是“本影闪耀”。想不到在黑子的“黑”字上竟会有这么多文章！

日全食

日全食是一种很好看可是很不容易看到的自然现象。在同一个地方，平均360年才看得到一次日全食。日偏食就常可以看见。不过偏食没有什么好看，在科学上也不重要。月亮的偏食和全食也常可以看到，也都没有日全食那么好看，那么重要。还有一种日食叫做“环食”，就是月影的角直径比太阳小，不够把太阳全部都遮盖起来，所以旁边还留着一环的光。我国古书里（如《书经》和《诗经》）常有日食的记载。民国三十（1942）年九月廿一日全食带经过我国，从西北到东南，我国科学界组织了两队观测队，一队到甘肃临洮，一队到福建崇安去观测日全食。

公元前585年5月28日，在美索不达米亚附近有两族（Lydians&Medes）正在打仗，刚好碰到日全食。希腊历史家赫罗多塔斯（Herodotus）这样写着：“日食使这些英雄们吓得把打仗的事都忘记了。”大家以为是天公不许他们打仗，因此两族就议和，并且彼此联婚，成为好友。有一次，亚历山大带兵和波斯人打仗，也碰到日全食。波斯军队的纪律差一点，一看见日食就大乱起来，亚历山大到底是一位英雄，便命令停止攻击，不去追波斯兵了。

为什么日全食在科学上很重要？因为有些科学问题得靠日全食的观测来解决。爱因斯坦的相对论说光线经过太阳旁边的时候，会受太阳的引力所影响而屈折。没有日全食的时候，太阳近旁的恒星当然都看不见。日全食的全过程20年来的观测，都证明爱氏的相对论不错。还有上面提过，要研究色球（闪光光谱）和日冕的物理性质，日全食的时候最方便。有人在日食的时候寻找比水星更近太阳的行星，结果都没有找到。计算出来的月亮运动得靠日食时间的测定来校正它。

太阳中微子的发现

众所周知，中微子是很不一般的基本粒子，起先人们对它毫无所知。20世纪30年代，物理学家在研究原子核ρ衰变时，发现有一部分能量“失踪”了。1931年，泡里勇敢地提出可能有一种神秘的粒子把一部分能量带走了，它就是后来被称为的中微子。它不带电，没有静止质量，以光速运动，这一点像光子，但自旋为1／2，这一点又像电子。1956年，美国两位物理学家柯恩（C．L．Cowan）和莱因斯从实验中证实了中微子的存在。已经77岁的莱因斯与另一位发现r轻子的珀尔分享1995年诺贝尔物理学奖。

然而时至今日，人们对于中微子仍有若干问题没有弄清楚，这些问题将涉及到某些重要方面。人们研究太阳时所暴露出来的关于中微子问题尤为明显。

太阳不断地向广袤的宇宙空间释放巨大的能量，地球得到的太阳能仅为其中的22亿分之一。据实验测量，在这一部分能量中，约31％被云层、地面和大气反射掉；约33％转化为长波热辐射，又辐射到太空去；约30％用于蒸发海水和陆地表面的水分，形成水的循环；约5％被植物吸收。煤和石油就是古代贮存下来的太阳能。由此可见，太阳只要赐给地球这么一点能量，就使地球成为生气盎然的世界了。

太阳的能量是如何产生的呢？为了揭开这个奥秘，天文学家和物理学家们相继提出了化学能或引力能的转化假说等，但都不能解释太阳为什么能够长年累月稳定地提供如此巨大的能量。现在这个问题已初步解决，并取得共识。太阳能就是氢核（ρ）聚变为氦核（4He）的时候，释放出的聚变能。氢核的质量是1．007825原子质量单位，氦核的质量是4．002603原子质量单位。4个氢核聚变为1个氦核后，质量亏损了0．0287原子质量单位。根据著名的爱因斯算出1克氢聚变后能产生6．5×10n焦（或1577亿卡）的能量。假设太阳中有1／10质量的氢发生聚变，根据目前太阳的总光度，可知每秒约有400多万吨的太阳物质转化为能量。这样就可估算太阳能稳定放出光和热的时间大约为100亿年。太阳现在的年龄约46亿年，这说明可供燃烧的氢大约已消耗了一半。

按通常的理解，氢气的温度必须达到1000开，氢核热运动的平均动能才能克服它们之间的库仑势垒，使它们接近到核力的作用范围，氢核才能发生聚变。另一方面，设想太阳是一个在自引力作用下的均匀理想气体球，从已知的太阳质量和半径容易估计出太阳中心温度约为1500万开，比能够越过库仑势垒的温度小3个数量级。这样岂不是在太阳内部不可能实现核聚变反应吗？伽莫夫应用量子力学中的隧道效应摆脱了这个困境。原来太阳物质是处于非简并态的气体，作热运动的粒子什么速度都有，只是应遵守麦克斯韦速度分布律，即粒子数随速度增加作指数式的减少。若按经典力学，速度小的核不能穿透势垒。但按量子力学的观点，还是有一定的几率可穿透过去，这叫做隧道效应，其穿透几率随着粒子速度减小作指数式的减小。将这两种因素结合起来可知，速度很大的核虽然容易穿透势垒，但由于数目太少，对核反应率贡献非常小。速度太小的核，由于穿透势垒的几率太小，对核反应率也没有什么贡献。只有适中的速度，并在该速度附近的小范围内的核对核反应率才作出贡献，并且该适中的速度贡献最大，显示出一尖锐的峰，被称为伽莫夫峰。以上就是伽莫夫所奠定的热核反应的理论基础。后来，美国物理学家贝特建立了一个具体的、令人信服的太阳模型，现在人们称它为太阳标准模型。贝特的理论经过29年的考验后，于1967年荣获诺贝尔物理学奖金。现在人们深信，在太阳内部进行着两种类型的聚变反应：一是质子—质子（PP）反应，直接通过质子之间的相互碰撞实现聚变；二是碳、氮、氧（CNO）循环，12C起着催化剂作用。美国天体物理学家巴柯尔等20多位科学家花了20多年的时间研究了两种类型核反应的全过程：

由此可见，在太阳产能过程中，诡秘的中微子是一种副产品。中微子不会被太阳物质吸收，因而它的能量不会转变成太阳的热能。这份能量大约占释放能量的2％，即每聚变一个氦核，要带走0．59MeV能量。在计算太阳能时，应把它扣除掉，于是只有26．14MeV的能量使太阳发光。在反应产物中，还有正电子，它的寿命极短，瞬间就与电子湮灭了，释放出能量至少与两个电子的静止质量相当的两个光子。

研究表明温度只要达到400万开，便可发生PP反应，温度达到1200万开才发生CNO循环。不过，发生聚变反应不等于核“燃烧”起来，因为温度高不到一定的程度，可能会熄火。只有当氢燃烧释放的能量刚好与以各种方式散逸的能量相平衡时，核聚变才能持续下去。满足这个条件的温度被称为点火温度。PP反应的点火温度为1000～3000万开。太阳中心温度有1560万开，太阳表面温度只有约6000开，温度是由中心往外逐渐降低的。因此，只有在中心附近的一个不大的区域里才能进行热核反应。在这样的条件下，太阳能的98％是由PP反应提供的，CNO循环只占2％。

人们怎样检验太阳标准模型呢？这只能靠观测分析从太阳发出的光子和中微子。但是太阳的热核反应“炉”是深深地埋在太阳的核心区域，其周围被大量不透明的物质包围着。一个光子诞生后，要经过几千年才发射出来，所以它不能反映太阳内部的情况。然而中微子则大不相同，因为它和物质的相互作用极其微弱，所有的物质对它来说几乎都是透明的，以至于它可以穿透一光年厚的岩石而没有明显的衰减。因而中微子诞生后可以毫不费力地穿透太阳而跑到太空中来，如入无人之境，而且只需8分多就能到达地球。如果人们观测中微子也像观测光子那样方便的话，那么太阳内部的情况就一览无遗了。

然而正是由于中微子和物质作用极其微弱，所以捕捉探测中微子是极为困难的事。1946年，意大利物理学家庞特科尔沃提出了一种测量中微子的方法。其依据的原理是：氯37通过弱作用吸收一个高能中微子变成氩37，同时发射一个电子，该反应阈能为0．81MeV。37Ar在35天半衰期中捕获K电子又成为Cl，并放出2．8KeV的X射线，因此很容易被发现。在太阳中微子场中的”Cl大约经过几倍半衰期时间，37Cl和37Ar达到平衡。1956年，美国物理学家戴维斯（R．Davis）根据阿尔瓦雷兹的方案率先进行了尝试，直到1968年才取得不容忽视的进展。那一年，他把610吨纯四氯乙烯（C2Cl4）注入一个直径6米、长15米的大筒内，并把它安置在南达科他州霍姆斯塔克的一个1．5千米深的金矿矿洞中。上面厚厚的岩层可将宇宙线中的所有其他粒子都屏蔽掉，只有太阳中微子射进来。从1970～1988年，他们每周只探测到3～4个中微子，折合2．18±0．25SNU，只理论值7．9±2．6SNU的1／4～1／3，而其余的中微子却杳如黄鹤不知去向。如果人们接受令人信服的太阳标准模型的话，那么，太阳中微子的失踪案已困扰着人类达1／4世纪之久。它和另外两个问题：太阳磁场的产生机制和演化、日震的形成和演化，构成了太阳物理中的三大悬案。而后两者已初露端倪，惟有太阳中微子的失踪是最难解之谜。

太阳上正在发生的变化

奇妙的太阳，给我们提供了生存的条件。我们天天看着它，却对它不甚了解。近来，科学家们发现，太阳上正在发生一些奇特的变化。

太阳质量将减少。一些国家的科学家认为，太阳每秒钟消耗掉的自身质量为420万吨，按此速度，在600万年后，它的质量就将减少1／4。

太阳直径在变化。1981年，在一次天文学学术报告会上，美国科学家埃奇指出：在最近100年内，太阳的直径缩小了1000千米。埃奇的说法是他和他的前人经过150年连续观察得出来的。他的说法引起了人们的注意。1988年，法国科学家首次测得太阳直径的变化。他们的研究表明，存在着长达一年或半年的太阳直径伸缩期，其范围从几十千米到几百千米不等。太阳直径的变化可能对地球大气，特别是地球上气候的变化产生影响。

太阻在变小，自转在加快。天文学家通过定期观测的结果，发现1663年所记载的太阳转动比现在的太阳转得慢。他们还计算出从1666年到1683年期间，太阳直径增加了将近2000千米，然后有规律地缩小，渐渐地接近目前的状况。

太阳温度在变冷。经观测发现，自1978年以来，太阳辐射强度每年下降约0．016％。科学家们设想，假如太阳继续变冷，地球上可能再次出现一个“小冰川期”。

太阳亮度在减弱。美国和瑞士的天文学家发现，从1978年起，太阳的亮度已开始减弱。科学家们认为，这是由于太阳黑子数量的变化引起的。这种现象如果持续若干年，将会明显地影响地球上的气候。

偌大大千世界，变化是必然的，人们不必为太阳的这些变化感到惊恐。

月球的发现

众所周知，月球是地球惟一的天然卫星。月球的直径为3476千米，大约等于地球直径的3／11。月球的表面积大约等于地球的1／14，比亚洲的面积稍小些。月球的质量为7．35×1022千克，相当于地球质量的1／81。月球离地球虽然很近，但平均距离也有38．4万多千米。从这几个枯燥的数字来看，可知月球同其他卫星相比是有点特别。一般说来，卫星与其中心行星相比要小得多，两者间的质量比小于10-4，而且离中心行星较近。

人们鉴于月球是一颗颇有特色的天然卫星，因而认为它可能是一个有着特殊起源，具有极大科学研究价值的天体。有的人根据康德（Kant，1724～1804）、拉普拉斯（1749～1827）太阳系起源的星云假说提出的同源说认为：同行星是原始太阳星云收缩演化形成的那样，卫星则是行星在收缩时形成的，是行星形成过程在小规模上的重复。首先，这种看法是片面的，卫星系形成与行星系形成有某些相似之处，但决不是行星形成的重演。木星、土星周围存在不规则卫星就是一个佐证。其次，既然月球和地球有相同的起源，那为什么地球的平均密度是5．52克／厘米3，而月球仅为3．34克／厘米3？同源说在解释为什么月球有一个与地核相比却存在如此之小的金属核时也总是遇到麻烦。为了克服这些困难，同源说又认为月球形成时间比地球稍晚，地球形成时已把含铁等金属元素较多的尘粒聚集成原始地球，月球则是由残余在原始地球周围的含金属较少的尘粒聚集成的。但这种解释似乎证据不足。

有的人考虑到月球的平均密度与地球表层地幔的平均密度相当，以及存在太平洋巨大凹陷的事实，提出月球是在地球处在熔融状态时分裂出去的，这就是“分裂说”。它最先是由查理·达尔文（CharlesRobertDarwin，1809～1882）的二儿子乔治·达尔文（GeorgeHowardDarwin，1845～1912）提出的。他们估计早期地球自转很快，约每4时转一圈。与此同时月落乌江，太阳对地球的潮汐作用与当时地球摆动的周期相等，造成共振。于是地球赤道部分隆起如此之高，以致最终有一小块被抛出演化成月球。若果真如此，月球应当在地球的赤道面上绕地球公转。可是月球的公转平面（白道面）与地球赤道面之间却有28°35′的夹角。而且根据计算表明，地月系统的全部角动量也不足以使地球分裂。地球必须每2．5时自转一周，才能通过离心力作用抛出形成月球的物质。即使把能补充角动量的事件——直径大到几百千米的星子的撞击——包括在内，也无济于事。可见分裂说难成立，所以又有人提出“俘获说”。这个假说认为很久以前，在地球轨道附近的小行星或在火星区域的一个天体，偶然被地球俘获成为今天的月球。不过月球刚被地球俘获时是绕地球逆行的，由于地球长期对它的潮汐摩擦作用，月球才逐渐接近地球。在此期间月球把地球原来的几个小卫星都一个一个地吞下去了，形成了月瘤，或者与小卫星碰撞形成月面上的大凹地。潮汐摩擦作用到一定程度，月球从逆行变成顺行，然后逐渐离开地球。显然，俘获说可毫不费力地解释月球在密度、化学组成上与地球的差别，但地球要捕捉这样大的月球几乎是不可能的，即使捕捉到了，也会引起地球上起潮力的巨大变化，而这必定会在地球上留下痕迹，但至今仍没有找到这类痕迹。最近通过月球样品分月亮和地球析，表明月球和地球具有近似数量的各种氧同位素，说明两者很可能同根。若月球在太阳系内的别处形成，那它很可能会具有与地球不同的氧同位素组成。这是对俘获说的致命打击。

以上是月球起源的3个经典假说，均有捉襟见肘的缺点。1975年哈特曼（Hartmnann）等人首先提出大碰撞假说。这个假说认为：大约距今45亿年前，有一颗质量约为地球质量1／7的飞来星体（比火星还大）与当时的地球发生极其猛烈的碰撞，原地球与飞来星体的一部分被撞碎了，并汽化而溅出。原地球的大部分与飞来星体的大块重新组合成一个新的地球。而那些飞到外部空间的溅射体，受到地球引力的作用，速度越来越小，最后它们聚拢到一起，并绕地球转动，这就形成了月球。由于月球主要是由飞来星体的幔与少部分地幔物质组成的，所以它的平均密度较低，与地球上部地幔的平均密度相近。按该假说，月球公转的轨道不一定要与地球赤道面重合。大碰撞时产生约7000℃的高温，使易挥发的元素逃逸到宇宙空间中去，留下较多的难熔的元素，因此月球富含钙、铝、钛、铁、铀等元素，而缺少钠、钾、铅、铋等挥发性元素。人们分析阿波罗登月带回的岩石样品，测得月球平均元素的组成，并与地壳相比较，如下表所示，与人们的预料基本相符。

科学家根据大碰撞理论作模拟计算，重现了两星体从碰撞到分离又各自聚合的全过程，并适当地调整飞来星体的质量便可得到与实际比较符合的结果。值得指出的是，根据美国重返月球计划，于1994年发射了克莱门汀（Clementine）—1号无人驾驶宇宙飞船，在绕月飞行71天中，对月球进行了迄今为止最为详尽的地貌测绘，并对其矿物构成和引力分布进行了分析。对这些数据以及150多万张雷达照片的判读，人类对月球虽然有了新认识，但没有动摇大碰撞的观点。

月球上的空气和水

晴朗的夜晚，皓月当空，在闪烁的群星中，月亮显得特别明亮。由于古代科学技术水平的限制，人们曾想象月亮上是个美丽的神仙世界，上面有金碧辉煌的广寒宫，翩翩起舞的嫦娥……

那么，月亮上真是神话中的仙境吗？上面有没有人类赖以生存的水和空气呢？到月亮上去看一看，是人类长期以来的一个梦想。

1969年7月21日，“阿波罗11号”宇宙飞船载着航天员第一次登上了神秘的月球，实现了人类的登月之梦。以后，1969～1972年，又有10名航天员探索了月球表面，从此揭开了月球神秘的面纱。航天员在月球表面拍摄了1．5万张照片，带回了380千克的月岩及月壤的样品。探索结果不仅击碎了美丽的神话，还发现月球上面既没有水也没有空气，白天酷热，夜晚奇冷，没有花草树木，更没有飞禽走兽，是一个寂静、荒芜的世界。在月球上，由于没有空气，声音也无法传播，航天员只有利用无线电波才能进行通话。

令人高兴的是，1998年初，美国“月球探索者号”飞船，在对月球作进一步探测时发现，在月球的南北极，终年照不到阳光的环形坑内的土壤中，存在着大量的水冰。根据初步估计，这些水冰可能多达100亿吨。这个发现，为人类进一步开发月球提供了必要的保证。因为，未来的月球居民可以从水冰来获得必要的水源，并可以把水分解成氢气和氧气，从而得到人类和动植物呼吸所需要的空气。看来，到月球上去生活并非仅仅是幻想。

月球上的“海洋”和“陆地”

夜晚，仰望当空的明月，你可以看出月亮上有的地方明亮、有的地方暗淡。古时候，人们无法解释这种现象，就把月亮想象成嫦娥居住的广寒宫。17世纪初，意大利科学家伽利略第一次用自制的望远镜指向月亮时，他没有看到美丽的嫦娥，却发现月亮上坑坑洼洼、凹凸不平。伽利略认为，那些凸起的明亮的部分一定是高山和陆地，称为“月陆”；而那些凹下去的暗浅的部分一定是海洋，称为“月海”。伽利略还给这些“海洋”取了名字，如云海、湿海、雨海、风暴洋等等。

这么说来，月球上的确有“陆地”和“海洋”啰？

月海随着天文观测技术的进步，特别是宇航探测技术的发展，人们又进一步发现，月亮上明亮的部分确实是高地、山峰和环形山等，但暗淡的部分却并非是海洋，里面根本没有水，只是些低洼而广阔的大平原而已。尽管如此，“月海”这个并不确切的名称一直沿用到现在。

已正式命名的月海有22个，其中绝大多数分布在月球正对着地球的一面，其中最大的月海称为风暴洋，面积超过500万平方千米，其次是雨海，面积在80万平方千米以上。

由于月海一般都比月陆低2000～3000米，最深的地方要低6000米。再加上月陆部分主要是由浅色的岩石组成，而月海部分主要由暗色的熔岩物质组成。所以，月陆部分反射太阳光的本领强，看上去较明亮；而月海部分反射太阳光的本领弱，看上去就暗淡一些。

月亮上的环形山

用望远镜观测月球表面，除了看见有大片平原和一些高山以外，还可以看到月球表面上有许许多多大大小小的圆圈。这每一个圆圈就是月亮上的一座环形山。普通环形山在我们所能观测到的半球上，直径在1千米以上的环形山约有30万座以上。有一座叫贝利的环形山，直径有295千米，可以把整个海南岛放在里面。月球背面的环形山更多。

环形山的结构很有趣，当中是一块圆形的平地，外围是一圈山环，山环高达几千米，内坡一般比较陡峭，外坡比较平缓，有些环形山的中间还耸立着一个孤单单的山峰。

对于月亮上环形山的形成原因，现在有两种解释：一种认为，环形山是由于陨星撞击月球表面而形成的。月亮上没有空气，陨星可以直接撞击月面，撞击爆发出来的物质堆积成为圆形的环形山。一部分飞溅得特别远的，洒落在月面上便形成以环形山为中心向四方伸展达几千千米的“辐射纹”。

另外一种解释认为月球在历史上发生过猛烈的火山爆发，环形山就是喷射出来的物质凝结而成的。由于月面重力只有地球的六分之一，所以火山喷发的规模大，往往形成巨大的环形山。

现在公认的看法是，月亮上的环形山，主要是由于陨星撞击形成的，而由火山爆发形成的环形山只占一小部分。

月面环形山多以地球上著名科学家的名字命名，如哥白尼环形山、阿基米德环形山、牛顿环形山、伊巴谷环形山、卡西尼环形山等。科学家认为，环形山大都是由流星体、小行星和彗星撞击而成，个别的则是由火山爆发形成。

月食的发现

月明星稀的晴夜，圆圆的月亮也会缺一大块，甚至变得暗淡无光。这就是月食。

过去，人们不知道日食和月食发生的原因，每当看到日月食时，都引起恐慌，认为日月失光，是很不吉利的。于是人们作出种种迷信的解释。例如，我国古代普遍认为日食是天狗吃日，月食是蟾蜍食月。所以，每逢日食或月食，人们都要敲锣击鼓，鸣盆响罐来“救日”和“救月”，以为这样可以吓跑天狗和蟾蜍。

有一个月食扭转了战局的故事。公元前413年，地中海西西里岛的叙拉库斯人和雅典人交战。当时，雅典舰队正满怀胜利信心攻打叙拉库斯的港口。但是，那夜有月食发生，雅典人迷信天象，以为此时进攻不吉利，推迟攻打日期。这样叙拉库斯人有了准备的机会，加强了兵力和设防，结果把雅典人舰队打得全军覆没。

月食比较简单，只有月全食和月偏食两种，没有月环食。这是因为地球比月球大，地本影比月本影长，月球不会落进地球的伪本影内。

由于月球自西向东进入地影，所以月食是从月轮东边开始，这与日食相反。另外，日全食只有几分钟，而月全食却可延续一小时以上，这是因为在月球完全进入本影时才发生月全食，而地本影的直径是月轮直径的两倍半，月球通过地本影的时间也就比较长。在观测方面，月食和日食的最大不同是：在朝向月球的半个地球表面上，各地观测者所看到的月食情况完全一样，月食的各阶段（例如初亏、食甚、复圆等）发生的时刻也完全一样。这是由于月球本身不发光，落进地影的月轮从任何地方看都是黑暗的。

月全食时，即使月球已全部进入地本影，月光也并不完全消失，而呈现为暗弱的红铜色。这是由于日光经过地球大气的折射，其中的蓝光和紫光被地球大气吸收和散射了，而红光则被大气折射到地本影里，照到了月面。

日、月食的发生既然与月球周期性的会合旋转密切联系在一起，就不难理解日、月食的发生也具有周期性。这个周期很早就被人们发现了，约为6585．3天（相当于18年零11天左右）。

就整个地球而言，一年最多可以有7次日、月食，其中5次日食和2次月食，或4次日食和3次月食，一般情况是两次日食和两次月食。

日食和月食的区别主要有：

月食不同阶段的月亮照片发生的条件不同：日食时，月球在太阳和地球之间；月食时，地球在太阳和月亮之间。

种类不同：日食有全食（位于月球本影区的观测者所见）、偏食（位于月球半影区的观测者可见）和环食（位于月球本影锥的延长部分的观测者可见，这个区域又叫做月球的伪本影）；而月食只有全食和偏食，没有环食。当月球进入地球的半影区域时，叫做半影食月，面变暗不多，人眼不易察觉。

过程有所不同：因月亮自西向东运动，月亮总是先进入太阳视圆面的西边缘，所以日食总是先从太阳的西边缘开始；而月食时，月亮总是自己的东边缘先进入地影，所以月食总是从东边缘开始。

日食和月食统称交食。发生交食时，太阳离黄道和白道的交点的角距不同，或叫做食限不同。太阳在交点附近18°时就要有日食，而太阳要在交点附近12°时才可能有月食。因此一年中日食的机会多，而月食的机会少。

经历的时间长短不同：日全食的时间短，一般只有几分钟，最长不过7分；而月全食的时间长，可达几小时。

所见光亮情况不同：月全食时，月光并不完全消失，只是亮度比平时减弱许多，通常呈铜红色。这是由于地球大气散射阳光中的红光照到地球本影中的原因；而日食时，视圆面被遮住的部分是黑暗的，日全食时就有如夜晚一般。

可见交食的区域不同：月食时，向着月球的半个地球区域都能见到，而且所见情况各地是相同的；日食则不然．日食发生时，所见区域小，能见日食的区域的宽度一般只有几十千米至二三百千米，并且有的地方见到日偏食、有的地方见到日全食或日环食。就同一地点而言，平均约3年才能见到一次日偏食，而日全食则平均要300多年才能看到一次。正因如此，所以发生日全食时，世界各地天文观测者都不怕遥远前去观测。

火星运河之谜

在天文学历史，甚至科学历史上，恐怕再也没有比发现火星上的“运河”这件事情，更能引起轰动、更激动人心的了。因为如果承认火星上有“运河”，就等于承认了火星上有智慧生命的存在，这无疑是一个刺激人们浓厚兴趣的问题。

科学探测表明，火星表面的大部分地区被红色的硅酸盐、赤铁矿等铁的氧化物及其他金属化合物覆盖，因此火星的表面呈现明亮的橙黄色。火星的天空也呈现橙红色，科学家认为这是由于火星稀薄的空气对阳光的折射后所出现的独特景色。最早指出火星上有运河的，是意大利天文学家斯基阿帕雷利。他在1877年利用火星近日点与地球会合的最佳机会，通过口径24厘米的天文望远镜仔细地观察火星。他惊讶地发现：在火星的圆面上，有一些模糊不清的、颜色灰暗的直线条，这些“暗线”又把一个个“暗斑”连接起来。后来经过继续观察，他又发现了更多的暗线，有的暗线根据估算宽达120公里，长4800公里，纵横交错，形成覆盖火星大陆的网络。他还发现，在有些季节有的暗线还会变成两条，相互平行。

这是一种很难想象的存在物，但斯基阿帕雷利毫不怀疑。他说：“我绝对相信我所看到的东西。”他借用另一位意大利天文学家赛奇用过的意大利词Canale来称呼这些暗线。这个词相当于英语的Channel，意为沟渠或水道。斯基阿帕雷利后来还将自己的发现绘制成图表，公之于世。

开始，斯基阿帕雷利只是猜想这些暗线条是分割火星大陆、连接海湾的水道，他并未明确表示它们是人造的东西，还是火星上天然形成的；他更没有把这些灰暗的线条与人们在地球上开凿的人工运河等同起来。所以最初，人们并没有对他的发现给予过多的关注。但过了没有多久，即到了19世纪80年代，这个话题又异乎寻常地热门起来。原因就在于，有人把这些“暗线”解释为火星上“智慧生物”构筑的运河。最早提出这个具有“轰动效应”观点的，是美国的天文学家洛韦尔。

洛韦尔沉溺于斯基阿帕雷利的发现。为了便于观察火星，他自己出钱在大气稳定、气候干燥的亚利桑那州修建了一座天文台。经过多年的工作，洛韦尔和他的同事们不但证实了斯基阿帕雷利的发现，并且还新发现了几百条新的运河。他们认为，整个火星表面运河密布，像蜘蛛网一样。洛韦尔根据自己的观测结果，先后写成了三本书：《火星》、《火星及其运河》、《火星——生命的住所》。在这三本广为流传的书中，洛韦尔将观测结果与他的“设想”十分自信地结合在一起，反复宣传这样的观点：火星大气层空气十分稀薄，陆地表面又严重缺水，生物若要生存就需要解决水的问题；火星的极冠是由冰雪组成的，夏季冰雪消融，成为水源；密布火星表面的直线网络不能用自然现象解释，它们必定是火星上的某种智慧生物构筑的灌溉系统，其目的是将极地的水引向干旱的赤道区域；直线条在大陆中央交汇，显示出明确的意图；许多线条交错处的“暗斑”则是绿洲，它们是“火星文明”的一个个中心地带。

一个时期以来，似乎形成了这样的局面：只要承认火星上暗线条的确实存在，洛韦尔的理论就是“令人信服”的。事实上，他的“火星文明说”的确令人神往，很快便赢得了世人的热情支持。一时之间，数不清的文章、演说，还有大量出版的科学幻想小说，使得“火星人”和“火星文明”变得妇孺皆知。热情支持洛韦尔的人们和受到人们热烈支持的洛韦尔的相互作用，更把事情推向了高潮。头脑发热的洛韦尔后来“越走越远”，他甚至宣称：火星早已是一个“高度发达的有组织的社会”，在这颗“战神之星”（火星在西方是以神话中的战争之神马尔斯来命名的）上，由于文明的发达，早已没有了战争。必须承认，这些实际上拿不出多少根据的臆断，的确非常合乎绝大多数地球人类（他们反思自己的文明，憧憬未来，渴望和平）的胃口。

但是洛韦尔等人的理论并未得到所有人的支持。例如，著名的美国天文学家巴纳德就表示，他看到了火星表面的许多细节，但无法相信“运河”的存在。一些“运河”根本不是直线，通常的描述显得过于夸张。在能将“细节”看得更清楚的条件下，这些线条实际上很不规则，而且是断开的。希腊的安东尼阿迪用82厘米的望远镜观测，也只是看到形状毫不规则的暗线。而且，随着观测活动的增多，能够发现这样一个观测规律：大气宁静度越好，那些暗线和斑点越是断续，反之它们就连接、融合在一起。最后，这两位经验丰富的天文观测家都确信：所谓的“火星运河”是一种眼睛的错觉，它们的存在只“属于想象力过于丰富的人”。

英国科学家蒙德用一个极其简单的心理学实验，证明“火星运河”的确是人的视错觉。他先在一张大纸上随机地画上许多斑点。圆圈、椭圆、直线、波纹线和不规则的小点，然后让一群小学生坐在不同的位置上临摹。结果，坐在远处的学生往往会画出一系列有规则的直线。

上述反对观点的出现好像冷水浇头，关于“火星人”和“火星文明”的说法逐渐地沉寂了下来。但是，不少人还是感觉到，以纯粹的“视觉错误”否认“火星运河”的存在，也似乎过于轻巧了。为了进一步广泛地研究、考察火星，同时揭开火星“运河”之谜，从1964年到1977年，美国科学家连续向火星发射了“水手号”和“海盗号”两个系列共8个探测器。1971年11月，美国的“水手9号”探测器对火星的全部表面进行了高分辨率的照相。货真价实的照片让一些“火星迷”们非常“失望”，因为它们明白无误地显示，这里没有洛韦尔等人所说的“火星人”，也没有所谓“绿洲”和高度发达的“火星文明”的存在。火星表面是和月球表面几乎一样的，完全干涸，死气沉沉。

然而，“水手9号”在基本否定洛韦尔的同时，也没有让他“难堪”到底。照片显示，火星表面虽然没有一滴水，但是有许多类似河床的地质构造。这些干涸的“河床”最长的约1500公里，宽达60公里或更多。主要的“大河床”分布在火星赤道地区，而且“支流”很多，它们几乎全部朝着下坡方向“流去”。根据一些科学家的分析，只有像水等易流动的液体，才能在火星表面冲刷形成这种“河床”。但这无疑是一些天然河床，决非“火星人”哪怕“曾经”创造的运河。另外，它们在具体位置和形状上，也都与洛韦尔所描绘的大相径庭。

马上有人对这些河床产生了浓厚的研究兴趣。1975年，有研究者将火星上的河床分成了三大类：径流河床、流出河床和浸蚀河床；其中的径流河床与地球上的河流十分相似。有人认为，这些径流河床非常令人信服地说明，火星上曾有过能让水在其表面自由流动的条件。而径流河床多出现在古老的环形山地，这就表明它们年代很久远。一些孜孜不倦的科学家通过进一步收集证据、仔细分析后认为，在大约30亿年以前，火星上有比现在更温暖的气候，有比现在更浓密的大气允许水的存在和流动，甚至像地球一样有降水过程补充水源。20世纪90年代以后，“火星探测者”和环火星探测器又发回了大量的照片。科学家们对这些珍贵的资料逐一进行了分析研究，他们发现有一处高出地表约4000米的陡崖，明显是由一系列岩层构成，有岩石崩塌的痕迹；他们还发现一些峡谷底部有干涸的“水塘”和巨型卵石。鉴于这些“被洪水冲刷的痕迹”非常明显，他们认为在38亿年前，火星上确实曾经有过汹涌的洪水。同样让人迷惑不解的是，如果火星上曾经有水有河，或者发过漫无边际的大洪水，这些水后来到哪里去了呢？有人认为火星早期火山活动频繁，并且喷出大量浓厚的原始大气，使得火星表面温暖如春。于是，覆盖两极的白色冰雪“极冠”慢慢融化，形成河水滚滚的壮丽景观。但后来火山活动减少，大气变得稀薄，气候也寒冷干燥，河水便干涸了。

火星还有一部分人认为，火星失水的原因，大概是因为遭到过卫星的撞击。持这种观点的人认为，火星在久远的过去，一定有过多于目前“火星—1”、“火星—2”的卫星。也许就是原本存在的“火星—3”的那颗卫星，它忽然被火星的引力拉裂；有些碎片散逸于宇宙空间，更多的碎片则纷纷“投靠”，“不知轻重”地撞击到火星表面。撞击产生了强烈的高温，不仅融化了岩石、毁灭了植被，而且使得火星大气中的各种气体离子化，从而毁灭了火星上的生命，也毁灭了充足的氧气和水。

另一部分人认为，火星的历史早期，大气层中有厚厚的二氧化碳，也有适合水存在的温度。后来，气候逐渐变暖，类似地球的“温室效应”发生了；但它不属于普通类型的温室效应，是足以导致火星气候发生根本改变的恶性循环，这样，大气变得稀薄、干燥、寒冷，水逐渐消失得无影无踪了。

这真是所谓旧的谜团刚解开，新的迷雾扑面而来。科学探索本身就是一个“连环套”的智力冒险游戏。得出结论固然需要有科学的证据，但是每一代科学家都有自己的责任，他们毕竟不能等到完全掌握了“所有的证据”，才下郑重、精确的结论。科学探索需要脚踏实地，但如果没有各种假说、推理甚至幻想，科学探索一定非常枯燥不堪，人类前进的步子一定很慢。

海王星的发现

海王星是太阳系九大行星之一，按距离太阳的远近（由远及近）排列为第八颗星，要借助望远镜才能看到。海王星绕太阳公转一周大约要164．8年，它的一年比地球的一年长得多；它的自转周期为22小时左右，也有一年四季的变化。那么海王星是怎样被发现的呢？

1781年，英国的威廉·赫歇耳用望远镜发现了天王星，这之后，天王星曾多次被人观测，积累了许多观测资料。

1821年，巴黎天文台的数学家布瓦尔，根据新旧的观测资料，对天王星的轨道进行了计算，并发布了天王星运行表，他的表对于1781～1821年间的预测与实际观测非常符合，但对1781年以前的计算与观测就不太符合。到了1830年，天王星的观测位置与星表上的预测就不符合了，到1845年，这个偏差在黄经度上达到2°之多。这是怎么回事呢？

本来，一般行星都是依据万有引力的原理，沿轨道移动。如果根据观测资料，太阳与行星之间的引力相等，完全可以准确地计算出行星的轨道，布瓦尔也是这样进行计算的。

布瓦尔根据新旧资料进行计算，多次反复检查，计算并没有错误。

布瓦尔苦思冥想，“难道是天文台的观测有错误，这么多有经验的学者反复多次观测，应该没有问题。也许近年的观测资料有误？也不可能，计算经反复检查，也没有任何问题。难道是万有引力定律有问题？不，绝不可能。”

天王星的轨道成为19世纪天文上的一个“谜”，多少年来，许多科学家下了很大功夫，但仍没有人能解决。

出版一本正确的行星运行表，这是天文台的责任，这不仅是一个科学研究问题，也是关系到解决航海人员确定时间以及在地球上的位置等航海的需要问题。

于是，巴黎天文台台长阿拉贡对青年数学家勒维烈提出了要求：“勒维烈先生，赫歇耳发现天王星已经64年了，可天王星的轨道一直没有弄清楚。布瓦尔的计算结果与实测差距愈来愈大。看来，必须考虑重新计算。您可否立项进行研究呢？”

勒维烈迎接了这个挑战，这一年，正是1845年，勒维烈开始了新的研究课题。

勒维烈想：“布瓦尔的计算应该不会错的，牛顿的万有引力定律也绝不可能有问题。莫非在天王星之外还有一个未发现的行星？因其距离遥远，对于土星没有显著的影响，而对于较近的天王星，有时可以扰乱其运行的轨道。”

勒维烈逐渐坚定了这个想法，开始了新的计算。

与此同时，英国剑桥大学数学系学生约·亚当斯，从格林威治天文台台长艾利的《最近天文学》一书中，得知天王星轨道之“谜”，他综合当时天文学家对天王星轨道计算的情况，认为一定有一颗尚未发现的行星存在，新行星的引力影响了天王星轨道，绝不是万有引力定律和观测资料的错误。

亚当斯从艾利那里借来了全部观测资料，干劲十足，信心百倍地开始了计算工作。

经过反复地计算，于1845年10月，亚当斯完成了计算，他把计算结果呈交给格林威治天文台台长艾利，希望借助于大望远镜找到这颗行星。

但可惜的是，思想保守的艾利只说了一句：“年轻的大学生，太富于幻想了。”就把亚当斯的研究成果放进办公桌了。

1846年6月，法国的勒维烈发表了他的研究成果，其中一篇论文引起了天文界的广泛重海王星与天王星是一对“孪生兄弟”视，论文题目是《论使天王星运行失常的行星，它的质量、轨道和现在位置的确定》。

当艾利看到这篇论文后，马上想起了亚当斯的计算，忙从办公桌里找出来，两份资料核对后，发现勒维烈的预算位置和亚当斯的预算位置，居然惊人的一致。

惊异万分的艾利，马上把情况通知了剑桥大学的天文学者，剑桥大学的大型望远镜开始在天空搜寻这颗新行星。从7月29日到9月4日，围绕亚当斯和勒维烈的提示方向进行探寻，结果却一直没有发现。

9月23日，德国柏林天文台的加勒收到了勒维烈的一封来信，信中详细介绍了新行星的位置。

当天晚上，加勒通过望远镜在勒维烈预告新行星出现的位置只差52′的地方，找到了这颗新行星，由于在大望远镜中这颗行星呈现淡蓝的颜色，不免让人想到蔚蓝色的大海，于是人们就用罗马神话中的海神尼普顿的名字命名它，译成中文就是“海王星”。

这颗新行星是由理论计算预测的，这在天文学史上还是第一次。巴黎天文台台长阿拉贡说：“天文学家有时偶而碰见一个动点，在望远镜里发现一颗行星，可是勒维烈先生发现的这颗新的天体，却不是在天上瞥见的，他在他的笔尖下便看见这颗行星了。”

因此，也有人把海王星的发现称为是“笔尖下的新发现”。

今天，大家认为，海王星是由法国的勒维烈和英国的约·亚当斯共同发现的。

海王星的发现，是摄动理论一个最有名的成就，它反映了牛顿力学在更大的宇宙尺度上，也是正确的。

冥王星的发现

由于天王星的计算轨道和观测结果不合，英国的约·亚当斯和法国的勒维烈计算出有另外一个行星的存在而影响了天王星的运行轨道，这个被计算出来的行星，就是海王星，因此海王星也常被人称为是“笔尖下的新发现”。

发现海王星之后，许多人就猜测海王星的轨道外面可能还会有行星。不少人仿效勒维烈和亚当斯的方法，想从天王星和海王星的轨道摄动去推算海王星外的未知行星。其中最有名的就是美国天文学家洛韦尔在1915年根据天王星和海王星两个行星运动上未能解释的残余摄动，计算出海王星之外肯定有这样一颗大行星存在。

但是由于天王星和海王星的残余摄动很微小，不能像发现海王星那样去计算它的准确位置，只可以大略地指出它在天空中大致的区域。洛韦尔经计算后大致指出了这一区域。

天文学家根据洛韦尔的计算去寻找这个行星一直没有成功，许多人便放弃了这个想法，认为海王星外再没有其他行星了。

由于观测多年而没有发现海王星之外的这颗行星，许多天文学家便舍弃了这一研究。剩下的为数不多的天文学家仍在坚持寻觅这颗星。

美国洛韦尔天文台的天文学家汤波就是坚信这一行星存在的天文学家之一。汤波生于1906年，自幼喜欢阅读有关天文的书籍。每当夜空繁星闪闪，汤波总是一看就是两三个小时，并下决心要破译天上的秘密。

对洛韦尔在1915年计算出的海王星之外必存在一颗行星，汤波坚信它的存在。当许多天文学家舍弃这一观测时，汤波锲而不舍，他用各种办法、各种仪器来寻觅这颗行星的存在。

功夫不负有心人。当汤波沿着整个黄道带作系统地拍照时，在1930年1月21日他惊喜地发现了这颗寻觅很久的行星。汤波反复对照他在1月23日和1月29日的照片底片，证实这颗行星的确存在。

太阳系的第九大行星，终于被汤波发现了。那么给它取一个什么名字呢？洛韦尔天文台台长斯利弗尔正为此发愁，来自各方面的建议使他六神无主。送到斯利弗尔办公桌上的各种提名有宙斯（希腊神话中的主神）、普罗米修斯、阿特拉斯（双肩举天巨神）、赫拉（天后）、雅典娜（智慧女神）、奥丁（胜利之神）……他一一过目后，认为没有一个能使他满意。

不久，这件为新行星取名的事便传到了欧洲大陆。3月14日，英国牛津大学图书馆职员马丹先生在吃早餐时，把报纸上的有关这颗新行星正待命名的报道读给孙女和外孙女听。11岁的外孙女凡纳提娅一边喝牛奶，一边听外祖父的讲述。

她对这件事十分感兴趣，用完早餐后，她跑到外祖父的书房里找出一本讲述罗马神话的故事书。她坐在外祖父身边翻看起来，翻着翻着脱口而出：“普路托”（Pluto，中文译名为冥王）。

马丹听后心中一动，顾不得用完早餐，匆忙给天文系教授特纳写了信，说：“我的小外孙女想出了一个好名字普路托——冥王星。在那颗新发现的行星上一定暗无天日，冥王正是暗无天日的阴曹地府的主宰者……”天文学家特纳看完信后欣喜万分，便立即给洛韦尔天文台台长斯利弗尔发了加急电报，转告了小姑娘凡纳提娅的提议。

冥王星是太阳系九大行星中被了解得最少的一颗行星斯利弗尔看了电报，觉得这一名字十分贴切。罗马神话中的冥王普路托统治的冥府不仅阴森寒冷，而且生活也孤独寂寞，这与远离太阳59亿千米，到处是黑暗和寒冷的冥王星世界十分相似。而普路托的英文Pluto的第一二个字母，正好是洛韦尔天文台的创始人，也就是算出冥王星的天文学家洛韦尔的英文姓名PercicalLowell的缩写，也很有纪念意义。大家公认，这是一个好名字。

对冥王星的命名，大家没有任何异议，但冥王星究竟是不是算出来的？天文学界对此争议很大。

有人认为冥王星的发现与海王星一样，也是先计算出来，然后发现的，于是有人也把冥王星称为是“笔尖下发现的第二颗星”。

但更多的人不同意这个说法。除了冥王星实际轨道与预测计算的结果有差距外，亮度也比预测的暗得多，看不出视圆面。它的质量太小，按冥王星的质量去计算，它对天王星和海王星的轨道不会引起足够大的摄动。因此，有人认为，冥王星的发现和海王星不一样，不能看作是计算的功劳，而是偶然的巧合。

不论怎样，发现冥王星是我们值得高兴的事。

除九大行星之外，在太阳系中是否还有第十个同类行星？经过探索，至今尚无结果。也有人认为太阳系中还一定存在第十颗行星，未知的世界需要未来的科学家去探索。

木星大红斑的发现

太阳系中的第五颗大行星木星，是9兄弟中最魁梧的巨人。木星的赤道半径达71400千米，是地球的11.2倍。按体积讲，木星是地球的1316倍。如果把地球比作一颗小小的绿豆，木星就相当于一个中等大小的西瓜。木星的质量为1.9×1027千克，相当于地球的318倍。即使把其他8个“弟兄”加在一起，也只是它“体重”的40％。

木星真是庞大无比，如果在它赤道上绕行一周，行程将达45万千米，比我们到月球的距离（38万千米）还远得多呢。人造地球卫星绕地球一圈的时间不过1个多小时（100来分钟），倘若以这个速度（8.8千米／秒）绕木星，则将需14小时以上。

木星的质量巨大，表面的引力也相应比地球的引力要大得多。同样100千克的物质，搬到木星上就会重达264千克。所以倘若有“木星人”存在的话，那么他们大约都是动作迟缓的“慢性子”，因为一举手一抬足，都要比在地球上吃力得多。

木星巨大质量所产生的引力，也为空间探测带来一系列新问题。我们知道，登月的宇航员要离开月球返回是比较容易的，因为月球质量小，逃脱月球引力的速度（也称脱离速度、逃逸速度、第二宇宙速度等），只需大于2.4千米／秒即可。但若只有这个速度，到木星上则会有去无回了，因为要摆脱它引力的速度需达59.5千米／秒以上。这个速度可使人们在1分钟内从南京到上海来回6次。

用望远镜观测木星，很容易发现它的视面并不圆。实际上它的扁率为0.0648，或者说，那两极的半径比赤道半径约短4600多千米。要在其中塞进两个水星，才与正圆差不多。

木星的转动也比类地行星快得多，按其自转周期（9小时50分30秒）及赤道半径不难算出，木星赤道上的自转线速度为12.66千米／秒，这个速度比出膛的步枪子弹快15倍，几乎与它绕太阳公转的速度（13.06千米／秒）相等了。

木星在天空中异常明亮，冲日时可达2.4等，是除金星外第二亮星（火星大冲时可达-2.9等，但一般情况下略比木星逊色）。木星是外行星，所以，除了在上合前后几十天内不易见到外，几乎常年都可见到这个灿烂的亮星。

1609年底，伽利略制造了世界上第一台天文望远镜，他首先指向的天体是月球，接着就移向了木星。1610年初，伽利略发现了木星周围有4个小星——这是人类第一次知道其他行星的卫星，同时也成为哥白尼日心学说的第一个观测证据。

伽利略后300多年来，木星一直是用望远镜观测的最好目标。用普通的天文望远镜，可以很容易把木星的圆面显示出来。1665年乔·卡西尼发现，在木星表面的南半球上有一块红色的卵形圆斑，这是有关“大红斑”的第一次记录。

木星上的大红斑，很像地球上的大洋洲。这里所说的“像”，仅仅是指外形和相对位置、相对大小，此外，二者再也没有什么共同之处了。例如，大红斑的大小虽时有改变，但至少有10000×20000千米，最大时可达14000×48000千米。这么大的范围，即使把4个类地行星一古脑儿放进去，也绰绰有余。

大红斑是木星上最显著的特征。从1878年开始，有关大红斑的记录历年不断。它长期存在，但其大小和颜色却时有明显的变化。例如在1879～1881年的几年中，它显得特别殷红绚丽，后来渐渐“褪色”，到1927～1937年间又重新“浓妆艳抹”起来，1951年时则呈现为淡淡的玫瑰色。1973～1974年“先驱者10号”驶近它时，大红斑很醒目，但随后的六七年间又变得暗淡起来……

大红斑是什么呢？早先人们揣测它是木星固体表面上烧红了的“熔岩湖”，后来才逐渐明白它是一种气体运动，因为除了它的大小、形状、颜色有缓慢的变化外，它还在沿着与赤道平行的方向在慢慢移动着。现在大多数人倾向于这是一个超级的特大风暴似的气旋运动。从空间探测器摄得的近距照片中看来，大红斑中还有复杂的细节结构。整个旋涡在作逆时针方向旋转，大约每6天转一圈。令人迷惑不解的是，木星大气的平均温度约为-140℃，这样低的温度下，不少物质都冻得厉害，分子运动应当是很缓慢的，何以能维持这样大的气旋，并历经几百年而不衰？这真是一个难解之谜。

在大望远镜内，可以见到木星表面上还有许多平行于赤道的明暗带纹（明亮的白色或淡黄色的区域称“带”，红褐色的暗区称“纹”）。木星的带纹结构很复杂，虽然它们一直在慢慢变化，但始终不会消失。这是木星的又一个表面特征。

木星的大气层厚约1400千米，其成分与太阳差不多，其中氢占82％，氦占17％，还有1％则是甲烷、氨等其他成分，其密度不算大，大约只是地球大气密度的1／5左右，但因为它太厚，又有众多的带纹、云雾，所以从外面也无法窥见下面的状况。

1995年7月，美国“伽利略木星探测器”向木星发射了一个“木星大气探测器”，11月7日它进入绕木星轨道，一个月后勇敢地向木星大气层降落，经过75分钟它终于在木星上空约160千米处“以身殉职”。在这200千米的降落过程中，木星的大气温度从-160℃上升到190℃，气压从0.08巴增加到30巴（1巴为1大气压），化学成分都比预期的低，水分出奇的少。它还遇到了极其强烈的狂风和湍流，“木星风”可从云层顶端翻滚到木星表面，风速高达188米每秒，与老式飞机的速度不相上下。木星的大气中有十分强烈和频繁的闪电现象，这与神话中宙斯是“雷神”是一种有趣的巧合。根据空间探测器的资料，有人算出木星的闪电平均为245次／年·平方千米。与它相比，地球上平均是2～10次／年·平方千米，金星大气中闪电频频，可也只有30～50次／年·平方千米。如果以南京市区的面积为50平方千米计，则木星的环境会使南京人每天见到33次闪电，平均每小时1.4次。如果你能来到木星世界，仅仅这种电闪雷鸣的场面，也足以使人心惊胆颤了。

在一般人的头脑中，行星都是像地球、月球那样表面是坚实的大地，飞船要在它上面降落非得小心翼翼不可，倘若操纵、计算有丝毫失误，免不了要撞得粉碎。然而，在木星那儿情况却大不相同。

从木星的质量（1.9亿亿亿吨）和体积（1.43亿亿亿立方米）很快可以得到它的平均密度是1.33克／厘米3（或1330千克／米3），只是水的1.33倍。这个密度值甚至比太阳（1409千克／米3）还小。显然。如果木星也像地球那样，最轻的壳层密度有3300千克／米3，那岂非又要成为一个空心球？

因而，科学家认为，在它厚厚的大气层下面，并不是我们熟悉的山川大陆或者荒漠谷地，而是一片蒸腾鼎沸的汪洋大海。所以通常飞往月球和火星的宇宙飞船，如果冒冒失失闯进木星大气，将遭到灭顶之灾。

木星不具备通常概念中的固体表面，浓密的大气之下都是“海洋”，而且，组成木星海洋的竟不是水，而是氢。谁都知道，氢气是最轻的气体，怎么会变成液体？其实不必惊讶，说不定你身旁就有这样的实例——一日三餐烧的液化石油气，不就是变成液体的气体吗？物理学告诉我们，只要有足够的压力及低温，气体就会变成液态。液化气由于钢瓶内保持着高压，石油气被液化了。木星那1千多千米厚的大气层，其压力比钢瓶内要大得多。

这个科学结论，不久便得到了宇宙飞船的证实。空间探测器的资料表明，木星确实是颗“液体行星”，在它那1400千米厚的大气层下面，还可粗略地分为三大层：分子氢层、金属氢层及内核层。三层的情况大体如下表：液态分子氢的表层温度很高，仅比太阳低1000摄氏度左右。如果不是有几千大气压泰山压顶似的压着，恐怕早就蒸腾到太空中去了。这样看来，与木星相比，金星表面那可怕的环境已是如“天堂”般的美妙了。

木星和它的卫星木星中间的金属氢层，外表看起来似乎很平静，不如分子氢那样在剧烈地翻滚，但其温度高达11000～20000℃。在这样的高温下，氢原子中的电子都挣脱了羁绊，变成了自由电子。这样的氢就像水银那样可以导电，故称之为金属氢。现在科学家们已经能在实验室中制造出这种奇特的物质了。

最有争议的是它1万多千米的核心部分。多数天文学家认为，木星应当有一个由铁、镍和硅酸盐组成的固态核。但在几万度高温下，能否保持固态实在很难说，所以也有人认为，木星是“彻底的”液体行星，根本不存在固体物质。这个问题至今尚无定论。

木星上的磁场很强，足以使一般手表“磁化”而无法运转。但是它的磁极方向与我们地球相反，即在地球上指南的针到木星上所指的是北方。因为木星的磁场很强，所以木星大气中有绚丽无比的极光。宇宙飞船在1979年3月间经过木星时，就见到了它那范围达3万千米的极光。如果我们身临其境，那一望无际的神奇绚丽的自然景观，一定会叫人如痴似醉。

发现哈勃定律

在哈勃和赫马森研究的同时，还有许多天文学家也开始对星系的观测和研究。他们发现在整个天球的各个天区都有星系的踪迹，星系的数目远远超过了银河系内的恒星总数。在数以百万计的河外星系中，哈勃发现它们不仅大小、取向不同，而且形状也各异，除了旋涡形的，还有圆形的、椭圆形的等等。面对这些杂乱无章、数目庞大的星系，哈勃想，要把它们理出一个头绪来，才便于对它们进行进一步的研究。在充分分析了各种不同的情况下，1925年，哈勃提出了河外星系分类法——哈勃分类法。按照这一分类法，星系被分为椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系和不规则星系四类，各类又再分成几个次型。

哈勃正在用1.22米的天文望远镜进行天文观测。椭圆星系：外貌有的呈正圆形，像是一只铅球；有的呈椭圆形，像是体育运动中用的铁饼。符号用英语Ellipse（椭圆）一词的第一个字母E表示，依照椭圆扁度又分成E0、E1…K7共8个次型。这类星系的大小为1～150千秒差距（1秒差距=3.26光年），质量为太阳的100万到10万亿倍，主要由老年恒星组成，缺乏星际气体和尘埃。

旋涡星系：通常有一个比较明亮的椭圆状的中央核区，从核区向外伸出两条以上的“旋臂”，如蚊香那样盘旋着。符号用英语Spiral（旋涡）一词的第一个字母S表示，还按旋臂卷得由紧到松的程度分为Sa、Sb、Sc3个次型。

棒旋星系：是旋臂与中央核之间呈棒状的星系，符号用SB表示。同样也分为SBa、SBb、SBt3个次型。

旋涡星系和棒旋星系的质量为太阳的10亿～14亿倍，大小为5千～50千秒差距，既含老年星，也含年轻星和星标物质。银河系和仙女座大星云（M31）都是Sb型。

河外星系距离我们究竟有多远？从20世纪20年代后期开始，哈勃的主要精力集中在有关河外星系距离的问题上。到1929年为止，哈勃已得到了18个星系的距离以及仙女座星系团四个成员的距离。哈勃对这批星系的数据进行了反复的研究，发现河外星系的距离越远，其谱线红移越大。红移是由星系视向运动的多普勒效应产生的，红移越大说明它的运行速度也越大。利用一个关系式来表示就是：

V=H0·D

其中：V为视向速度，也就是沿观测者视线方向的运动速度，D表示河外星系的距离，H0为此例常数。这个关系式表明宇宙在膨胀。

不久以后，哈勃的《河外星云的距离与视向速度的关系》一文在《美国科学院会议论文集》上发表。V=H0·D公之于世。文章发表以后，立刻引起了人们的广泛注意，并且很快就得到了大家的信服。人们把V=H0·D称为“哈勃定律”，把H0称为哈勃常数。

人们赞誉哈勃是自伽利略、开普勒、牛顿时代以来最伟大的天文学家，尊他为一代宗师，称他为“星系天文学之父”。哈勃定律的确定是哈勃一生中对天文学所做出的最卓越的贡献，也是20世纪天文学中最杰出的发现。哈勃定律的确定使人类的宇宙观念发生了深刻的变化。以前人们认为宇宙在整体上是静止的，而从此人们认识到宇宙膨胀的图景：宇宙各部分正在彼此远离，它们互相远离的速度随着它们之间距离的增加而增大。

1990年4月25日，美国肯尼迪航天中心，“发现者”号航天飞机将一架主镜口径为2.4米的望远镜送入了太空。这是一件史无前例的大事。为了纪念哈勃在天文学中的伟大贡献，这架耗资20多亿美元的太空望远镜被命名为哈勃空间望远镜。

太阳系中的小行星

太阳系里有什么？一位天文学家曾巧妙地回答说：“一小簇大行星，一大簇小行星。”这句话的确抓住了问题的核心。太阳系中已经发现的大行星只有9颗，而从1801年发现第一颗小行星，到20世纪90年代末，已登记在册和编了号的小行星已超过8000颗，还有更多的小行星有待进一步的证实。

大行星的这些“小兄弟”究竟有多少呢？据统计，总数当在50万颗左右。其中的绝大多数都在火星与木星轨道之间运行，与太阳的距离集中在2.06～3.65天文单位。太阳系的这部分区域被称为“小行星带”。

为什么在火星和木星轨道之间，聚集着那么多小行星呢？

这个问题摆在天文学家面前已经有一二百年了，但迄今还没有普遍承认的定论。

常提到的是一种“爆炸说”，爆炸说认为：小行星带内原先是有一颗与地球、火星不相上下的大行星，后来，由于某种现在还不清楚的原因，这颗大行星发生了爆炸，炸裂的碎片就成了现在的小行星。但是，究竟从哪里来那么大的能量，居然能把整个大行星炸得粉身碎骨？炸飞的碎块又怎么能恰好集中在现在的小行星带内呢？

有人提出了另外的观点，认为原来这部分空间存在着几十颗直径都在几百千米以下的小行星，它们在长期绕日运动的过程中，难免会相互靠近，发生碰撞甚至多次碰撞，于是就形成了现在这样大小不等、形状各异的众多小行星。碰撞说也有不能自圆其说的地方，如果有几十个那么大的天体在火星和木星的轨道间运动，就像是太平洋里有几条鱼在游动，哪来那么多碰撞机会呢？

近些年来，比较流行的是所谓的“半成品说”，大意是：在原始星云开始形成太阳系天体的初期，由于木星的摄动和其他一些未知因素，使得这部分空间内本来就不多的物质更进一步减少，这样，这些物质无法形成大行星，只能成为现在的“半成品”——小行星。

有关小行星的问题，虽然一时还没有解决，但天文学家已经认识到，研究小行星对于我们弄清太阳系的起源问题是多么重要！

彗星是什么

仰望晴朗的夜空，星星都是些亮晶晶的光点。可是有时候，这当然是十分难得的，夜空里突然闯来一位形状奇异的生客：明亮而有点毛松松的头，长长而略有点散开的尾部，像一把扫帚。这就是彗星，通常被称作“扫帚星”。

相当一部分彗星不停地环绕太阳沿着扁长的椭圆轨道运行，这种彗星叫“周期彗星”，每隔一定时期，它们运行到离太阳和地球比较近的轨道部分，我们就有机会看到它。有的彗星轨道是抛物线或者双曲线，它们好比是太阳系的“过路客人”，一旦离去，就不知它们跑到哪处“天涯海角”去了。

彗星只是一大团冰冻的气体夹杂着冰粒和尘埃物质。典型的彗星分为彗核、彗发和彗尾三个部分。彗核主要由比较密集的固态物质组成，直径一般在10千米上下。彗核周围云雾状的就是彗发。彗核和彗发合称为彗头，后面长长的尾巴叫彗尾。

彗头的直径一般在5万～25万千米，据记载，彗头“冠军”可能要算是1811年出现的一颗大彗星，其彗头直径超过180万千米，比太阳直径140万千米还要大。天文学家通过地球大气外的观测发现，某些彗星的彗头最外层还有一层更大的包层——氢云，有的直径达1000万千米！

彗星的尾巴不是生来就有的，只是在接近太阳时受到太阳光的压力才形成的。彗尾的长度一般都为数百万到上千万千米。刚才提到的那颗彗头“冠军”，它的彗尾长1.6亿千米以上，彗尾的宽度达2000多万星际剑客千米。如果我们把这样一颗彗星看作是个正圆锥形，它的体积就在太阳的2万倍以上。

彗星体积虽大，但“肚”内空空，比太阳大上万倍的彗星，其质量也许只有太阳的两千亿到两亿亿分之一，它们的密度自然是十分小的。

彗星和木星相撞的奇异景观

星与星相撞往往是难得一见的天文奇观。

1994年7月17日4时15分，命名为SL9号彗星的第21号（A）碎块以每小时21万千米的速度第一个撞入木星大气层。

7月22日16时许，该彗星的最后一个碎块撞上木星。

在6天的时间内，绵延500万千米的SL9号彗星共有21块碎片相继撞击木星，展现了令众多天文学家脉搏狂跳不已的宇宙景象。

这些彗星碎块在冲入木星大气平流层时，温度急剧升高到30000℃，周围大气被加热到34000℃。

7秒钟内，碎片在木星大气中穿行400千米，发生爆炸，彗星物质分裂成单个分子和原子。

五彩缤纷的蘑菇云上升至1000千米的高空，出现了硕大无比的大火球，前后共持续1～2分钟。

然后，火球向四周扩散并冷却，10多分钟后在木星表面形成上万千米直径的暗斑，有的比木星大红斑还大。

暗斑需要几十小时到几个月的时间才能消退。有的科学家甚至预计，在爆炸过程中随气体上升的尘埃，足够形成一个新的木星环。

有人估算了一下，彗、木两星相撞时，每块碎片释放的能量相当于3亿～5亿颗投在广岛的原子弹。

科学家们对这次撞击的主要兴趣是：通过彗星对木星的“触动”，我们能够获得有关木星大气层的化学成分以及木星整体构造的新信息。撞击的闪光和低分贝的“轰鸣”、电磁波等射电现象，都是分析木星内外部本质的第一手资料。

这颗前来“访问”木星的彗星，是在几十年前被木星的引力捕获而进入木星运行轨道的。彗星的直径约10千米，质量约5000亿吨。

1992年7月8日，当该彗星运行到近木点时，由于受到木星引力产生的潮汐力的作用，被撕裂成6个大块、15个小块和一些碎片。

像上述的星与星之碰撞，在木星上要几千年才出现一次。通过对这次彗、木大碰撞的预报和观测，不仅进一步了解了木星，也为将来地外小行星、彗星撞击地球的预测和防御提供了现实而成熟的经验。

彗星与地球相撞的可能性

说起彗星，很多人会想到彗星是一个有着长长尾巴的美丽天体。而在古代，彗星的出现通常被视为灾难的征兆。实际上，它的出现只是一种自然现象罢了。

我们看到的彗星由彗核、彗发和彗尾三部分组成。其中彗尾最引人瞩目，可以长达几千万千米甚至更长。彗核的主要成分是冰，并有少量的尘埃。彗发、彗尾是由彗核受太阳辐射作用挥发出的气体尘埃形成的。

在20世纪初的时候，天文学家计算出：1910年，哈雷彗星将回到太阳附近，并且彗尾要扫过地球。当时，人们惊恐万状，一些报纸甚至宣称世界末日即将来临。5月19日，哈雷彗星经过地球轨道，地球安然穿过了它的尾巴。实际上，彗尾是由很稀薄的气体组成的。所以，地球穿过彗星的尾巴，就好像燕子穿过炊烟一样，不会受到什么影响。

彗尾扫过地球不会产生什么影响，但是，如果彗星的主要部分——彗核撞上地球，就不会这么安然无事了。彗核会撞上地球吗？

1908年6月30日清晨，一个天体带着巨大的火球，在西伯利亚贝加尔湖西北约800千米的通古斯地区上空剧烈爆炸。下落的火球比清晨的太阳更加耀眼，惊心动魄的轰鸣声传至1000千米以外。事后的多次考察表明，这一爆炸极有可能是彗星撞击地球引起的。

1994年7月16日至21日，“苏梅克—列维9号”彗星的21块碎片，排成一列，像一串长达几百万千米的珍珠，连绵不断地撞向木星，撞击在木星上所留下的巨大的黑色斑点，最大的可以容纳两个半地球。可以想象，撞击的能量有多么巨大啊！

由此可见，彗星撞击地球的可能性是存在的。不过人们大可不必惊慌失措，因为发生这类事件的可能性是微乎其微的。然而，天文学家对这个问题十分重视。例如，美国有一个近地小行星搜索计划，目的是监测近地小行星和彗星，预防它们与地球相撞。现代科学技术高度发达，一旦发现有彗星将与地球相撞，也可能发射飞船并携带核弹以设法改变它的运行轨道，避免与地球相撞。

宇宙中的金刚石的发现

有时候，天文学上的发现往往让人大吃一惊。1989年，美国的科学家发现，许多恒星正在向太空抛出金刚石。而在此之前，他们一直认为恒星抛出的碳原子将凝结成石墨，而不是金刚石。

近年来，美国的研究人员在一些碳质陨石中发现了体积较大的金刚石。它们是在极普通和极平和的环境中，即红巨星的外层形成的。这一发现不仅表明金刚石是宇宙中普遍存在的物质，而且表明自然界不用极高温度也能产生金刚石。

研究人员将陨石分解成细小粒子，然后对其进行分析，以辨认出在太阳系形成之前就存在的物质。

当发现其中一些细小颗粒是金刚石后，采用了更粗糙的方法去分解陨石。强化学侵蚀剂摧毁了陨石中的大部分物质，不仅留下了原来认定的金刚石，还留下了另一些直径为60毫微米至200毫微米的颗粒。经认定，这些颗粒也是金刚石。

科学家对较大的金刚石感到意外。在超新星爆发中，质子或中子会进入大量较轻的原子核中，形成放射性同位素，这些同位素衰变后留下稳定的原子核。

科学家在这些细小金刚石中发现了相同的同位素，因而断定这些金刚石来自超新星。

对于较大的金刚石的成因，研究人员就感到比较困惑了。经过计算，他们终于发现了另一种完全不同的金刚石形成过程。他们发现较大的金刚石包含的几乎全是中等质量的氙原子核同位素。天体物理学家已经证明，这些同位素是来自核反应过程较慢的老年恒星。

在老年的红巨星中，原子核极少截获过量的中子，所以新原子核有时在截获另一个中子前衰变，这种过程便产生了中等质量的同位素。

由于以上两种大小不同的金刚石是来自类型完全不同的恒星，而红巨星是宇宙中大量存在的。因此，星际尘埃中的碳必然有相当大部分是以金刚石的形式存在的。

星云的发现

西方有一个古老的关于“火凤凰”的美丽神话。火凤凰原是生活在阿拉伯沙漠中的一只神鸟，其寿命长达几百年。在它自感生命即将衰竭时，就会筑起一个由香木组成的巢窝，并从中发光自焚。烈火烧尽了它身上的污秽，于是在一片灰烬中它又获得了新生……如此循环不已，神鸟就得到了永生。

18世纪，德国著名哲学家康德就把天体及天体系统比喻为“火凤凰”。他认为“大自然的火凤凰所以自焚，就是为了要从它的灰烬中恢复青春得到永生。”应当说这是一个绝妙的比喻。从星云中脱胎而出的恒星，确是一只“火凤凰”。在漫长的岁月中，它经过主序星、红巨星、变星（有时候是超新星）、致密星（即白矮星、中子星及黑洞），走完了一生，有的又变成了星云物质。经过曲折的过程，从这些灰烬（星云）中又会孕育出新的恒星。当然，严格讲，新诞生的第二代恒星在化学组成上与第一代恒星是有区别的，前者重元素含量比后者多，而且“辈分”越后的恒星，重元素的含量就越多。

也有人把星云和星比作鸡和蛋的关系，星云中生出了恒星，恒星又转化为星际间的弥漫物质……如此循环不已。

由此可见，宇宙中耀眼的星星固然十分重要，但也不应冷落暗淡的星云。

它实在是宇宙无限发展循环中不可缺少的中间环节。

星云的研究起步很晚，这是因为除了个别特例外，它们都在肉眼所见的范围之外。凭肉眼可见的云絮状的光斑仅只4个：仙女大星云（M31）、猎户大星云（M42）、大麦哲伦云、小麦哲伦云，但其中却有3个是“冒牌货”。因为仙女大星云及大、小麦哲伦云都是由万千恒星、星团组成的庞大的星系，与银河系处于相同的层次，因此过去称它们河外星云实在很不妥当，现在已废弃了这个名词，直接叫它们为河外星系，简称星系。惟有M42才是真正的银河系中的云状物质。在冬天的晴夜中，观测条件良好时，人们可从猎户悬挂的宝剑中见到一团“云气”。根据测定，M42（或称NGC1976）的距离为460秒差距，其直径约5秒差距，质量为300M。M42最引人之处是在那儿发现了许多原恒星、红外星、天体及球状体，可见它是正在孕育出新恒星的“温床”。

星云是银河系内一切非恒星状的气体尘埃云，从不同的物理特性及演化位置看，它可分为：弥漫星云、行星状星云、超新星遗迹三大类。弥漫星云也是千差万别的：有的如美丽的玫瑰，有的似柔软的丝巾，有的如地图上的北美洲……真是千姿百态，变幻无穷。在几十个已知的弥漫星云中，只有一个蜘蛛星云不在银河系内，而位于大麦哲伦云（星系）中。蜘蛛星云也是迄今所知的最大的星云。据测定，它的直径达170秒差距，是猎户星云的34倍，总质量为106M。

据统计，星云的边界虽然不很明显，但直径大致为1～300光年间，平均约为几十光年。星云中的物质主要是氢，其次为氦，比例与恒星中相仿。此外，还有少量的碳、氧、氟、硫、氯，氩及镁、钾、钠、钙、铁等元素，甚至还有一些有机分子。但它们的密度极其稀薄，仅比星际空间高几十一几百倍，即每立方厘米中仅有几十到几百个粒子。相比之下，人类所能制成的最高的“真空”也会自愧弗如。但因其体积庞大，所以在银河系中，星云的质量小的也有太阳质量的十分之几，大的竟可达几千倍太阳质量，平均为10M左右，还没有能与蜘蛛星云可比拟的。

五彩缤纷的星云似乎很惹人喜爱，但在18世纪望远镜的威力还很小的时代，它们都毫无动人的风采。在小望远镜的视场中，它们“千人一面”，都是黄豆般大小的一小块模模糊糊的云絮状光斑，简直与还未长出尾巴的彗星无异，因此只有那些专门研究彗星的人才肯在它们身上花些工夫。法国天文学家梅西耶所以着力编纂世界上第一本星团星云表（即M星表），正是为了防止犯下这种“指鹿为马”的错误。因为他当时正致力于发现新彗星的工作——他在15年内找到了21颗新彗星，这一“世界纪录”曾保持了很长的时间。

暗星云的发现

在我国《山海经》中记述着一种“天马”：“马成之山，其上多文石，其阴多金玉。有兽焉，其状如白犬而黑头，见人则飞，其名曰亮星云内有非常丰富的气体，这些气体被含有紫外线的星光激发，使星云发出强烈的光芒。天马，其鸣自讠交（讠交同叫）。”后来人们把汉代西域大宛产的好马称为天马。1969年在甘肃省一个东汉古墓中，还出土了一件铜质的天马。现在，“天马行空”已作为武威市的市徽，耸立在市中心的广场上。

有趣的是，古人出于想象的东西，经常可在茫茫的宇宙中找到对应的天体。还是在大名鼎鼎的猎户座内，在它的腰带中6星附近，用大望远镜仔细观测，在茫茫一片星光中，可以见到一匹回首长嘶的“骏马”，这就是大名鼎鼎的“马头星云”（IC434）。与猎户星云不同的是，它如同皮影戏的“影子”，又像照相中的底片。在蛇夫座中，我们可见到有一条曲曲弯弯的黑带，好像英文字母“S”——S星云；金牛座中则有一块类似雄鹰的黑斑——鹰状星云；表面看来暗星云空无一物，实际上它包含着一块块巨大的气体和尘埃团，只是没有亮星来照射它们罢了。还有麒麟座中的圆锥星云……天文学家称这类明暗颠倒的星云为暗星云。暗星云与亮星云并无本质的区别，它们都是银河系中较密集的弥漫物质。只是亮星云比较“幸运”，它们中间有明亮的恒星把它们照亮了。我们见到的是它们反射的这些恒星光，所以叫反射星云。若这些恒星的温度很高，则还会使星云光谱中出现发射线，故专称发射星云。暗星云则只是因为它们附近没有明亮的恒星而已。其实，银河系中暗星云应在星光衬托下的S暗星云该是很多的，有人甚至认为一些亮星云本身是被一个更大的暗弱的暗星云包围着。但不少暗星云的“运气”比马头星云、S星云等更糟，不仅没有恒星来照亮，连后面可以映托出它们容貌的星光也没有，这样人们也就视而不见了。幸得现在天文学家不仅有了光学望远镜，还有红外望远镜、射电望远镜，它们可以帮助天文学家一臂之力，尤其是“哈勃”太空望远镜，更是在探测暗星云中大显身手，有众多惊人的新发现。

当然，暗星云与亮星云还是稍有一些区别的。它们的直径似乎略比亮星云小，最小的暗星云质量只有太阳质量的千分之几。而且暗星云中所含的固态尘埃物质大约占1％～2％，这比亮星云中的比例要高得多。尘埃粒子的大小约为0.1微米左右，它的成分主要是铁、硅、镁、镍及其氧化物、石墨、冰晶等。

近年来，一些人主张把似云非云的球状体也划归暗星云的范畴。因为它们除了体积略比一般暗星云更小一个数量级、密度大几个数量级、形状比较规则外，其他便几乎没有什么不同了。何况现在人们发现的几百个球状体，也多集中分布在暗星云的周围，这无异表明，三者之间确有密切的“血缘”关系。人们由此推断，许多暗星云正是恒星诞生的“摇篮”。

蟹状星云的发现

古诗曰：“不到庐山辜负目，不食螃蟹辜负腹。”螃蟹，人称“无肠公子”、“横行将军”。它是人间桌上的珍品，也是天文学家的“座上宾”——宇宙中有一只、也仅此一只千年不衰的“大螃蟹”。它虽然硕大无比，可凭人的肉眼却看不到，必须用较大的望远镜才能窥知它的尊容。18世纪时，法国天文学家梅西耶把它列入“梅西耶星团星云表”上的第一号“人物”，记为M1。

19世纪中叶，英国一位酷爱天文学的罗斯伯爵，通过10多年的不倦努力，前后花了12000英镑的巨资，终于在1845年造出了一架超过威廉·赫歇耳的大望远镜，并一度称雄世界。它那块大镜头的口径为72英寸（184厘米），重达3.6吨。这架望远镜的镜筒是用厚木板制成的。为了加固，外面套上了许多铁箍。这个木制镜筒直径为2.4米，长17米，竖起来有6层楼那么高。为了使这架庞然大物不受大风的影响，罗斯只能把它安置于两堵高墙之间，它们都有17米高、22米长。夹在中间的大望远镜可以在南北方向的子午面附近自由转动，但要在东西方向运转却很困难。罗斯对自己的成果得意地称之为“列维亚森”，这是《圣经》中一种巨兽的名字。

1848年，罗斯仔细观测了M1星云，发现它原来是一个形状不规则的云雾块，中间还有许多明亮的细线纵横交叉。他想到了八足两螯的“横行将军”，故称它为“蟹状星云”。这个形象而奇特的名字一直沿用至今。

蟹状星云位于金牛座内，角大小为7′×4′，距离太阳1.9千秒差距，由此可算出它的实际大小是12×7（光年），总质量约为二三个太阳质量。它的可见光不算太强，但总辐射（包括从射电，红外到紫外、X射线、Y射线）却比太阳强几万倍，为1031焦耳。

1921年，美国天文学家对比了相隔12年的照片后发现，这只“螃蟹”还在不断长大。几年后，有人算出了它的膨胀速度为1100千米。这样不难从现在7光年的直径算出，大约在900多年前，这只“螃蟹”差不多还只是“卵”样的一点！事有凑巧，人们发现我国古代史书《宋会要辑稿》中有载：“至和元年（1054年）五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”参照其他史料可知，它爆发于1054年7月4日，最亮时蟹状星云是中国史书中记载的于1054年（北宋）超新星爆发的产物，也是被研究最广泛、对天文学影响极深远的超新星遗迹。白天也可见到它，一直到1056年4月6日才从肉眼中消失，在天空中出现的时间长达643天。通过反复论证，蟹状星云正是这次“天关客星”1054超新星爆发后的产物，所以称之为“超新星遗迹”。因为我国史料有众多的记载，故这颗超新星也常称为“中国（超）新星”。

超新星遗迹本身就是当代天文学中最热门的研究课题之一，因为它涉及超新星爆发原因及爆发以后如何演化的问题。超新星爆发是恒星世界最猛烈的活动，其能量之大可把太阳比作“沧海一粟”。前面说到，超新星爆发的原理至今仍未弄清楚，这里也许蕴藏着对人类未来关系极大的科学真理。大家知道，20世纪30年代科学家们对恒星和太阳能量来源的研究，为科学的发展作出了重大贡献，帮助人们打开了原子世界的大门，搞清了核聚变反应的机理，制造出了氢弹，为和平利用核能铺平了道路，把世界推进到了“原子时代”。可以预言，如果人类一旦真正解开了超新星爆发之谜，掌握了它的全部奥秘，就可以掌握比今天任何能源强亿亿倍的本领，这亿亿倍的高能源足以改造整个地球……

但研究超新星又谈何容易，谁能预见哪颗星将会爆发？所以只能从历史资料中去搜集蛛丝马迹，而蟹状星云则提供了最生动的实例。它是所有超新星爆发记录最周详的，也因为有这些资料才证实了“超新星遗迹”，证实了恒星演化理论。蟹状星云是超新星遗迹中的佼佼者。1968年，这位佼佼者又锦上添花——通过射电观测，人们进一步撩开了它的“面纱”，原来在蟹状星云的“肚子”里还有着一颗脉冲星（即中子星）PSR0531+21。测定后知道，这颗脉冲星的质量约1.5M，用可见光进行观测，它相当于一颗17等的暗星。

PSR0531+21是脉冲星中的“上品”，在许多方面，它堪称脉冲星之冠。它是一般脉冲星中脉冲周期最短的，为0．033秒，这说明它的自转是每秒钟30圈——比飞旋的马达还快得多，其赤道线速度更是快得无法想象。它又是证实与超新星关系的第一个观测样品。PSR0531+21的发现，证实了科学的恒星演化理论，也证明了超新星与超新星遗迹、脉冲星之间的演化关系。这颗脉冲星特别有价值的另一点是，除了射电脉冲外，它还发出可见光脉冲、红外线脉冲、紫外线脉冲、X射线脉冲及丁射线脉冲，是脉冲品种最齐全的难得的“样品”，为人们用各种手段来研究脉冲星开了方便之门。因此，蟹状星云是科学家们今天研究最多的超新星遗迹，蟹状星云内的脉冲星又是人们最垂爱的脉冲星研究样品。这些年来，有关它们的科学论文比比皆是。对它的研究，为推动高能天体物理、原子核理论、恒星演化、相对论天体物理等的发展，做出了不可磨灭的贡献。难怪国外有位天文学家曾夸张地说：“蟹状星云的研究，占据了现代天文学的一半。”

行星状星云的发现

1779年，英国有一个名叫威廉·赫歇耳的乐师磨制了一架反射望远镜。虽然它的口径只有6.5英寸（16厘米），焦距长2米，但质量却相当出色。每到夜幕垂临，他常带着比他小12岁的妹妹，一同用这架望远镜观察有趣的星空。他决心要巡视整个天区，结果在天琴座内发现了一个略带淡绿色、边缘相当清晰的小圆面。赫歇耳深知，恒星在他望远镜中决不会变成绿色圆面的，它倒有些像太阳系中的行星（如火星、木星那样），因而把它称为“行星状星云”。后来，赫歇耳终于成了一代天文宗师，荣任英国皇家天文学会首任会长。正是他那显赫的声誉，使这个名不副实的怪名字一直沿用到今天。

后来，人们用大望远镜仔细端详了这些奇特的圆斑，发现原来它们乃是一些动人的环状星云。乍一看去，宛如美丽的戒指，仔细审视，还可发现，“戒指”中央往往还有一颗白色或蓝色的恒星，就像镶嵌在戒指上的一枚华贵的宝石。

随着望远镜的增大，行星状星云的数目也很快增加，在1940年时人们仅知130多个，但到1977年已达到1237个。通过大望远镜，人们更看清了它们的庐山真面目，原来它那环状或盘状的星云内，还有纤维、小弧段、气流、斑点等精细结构。并且，还发现了一些形状奇特的行星状星云，如位于狐狸座内的M27，就是一个很有名的“哑铃星云”，其外形与锻炼身体的哑铃酷似。

现在所发现的1000多行星状星云，都分布在银道面的两侧，因而有人认为，肯定还有更多的行星状星云被暗星云挡住了，进而得到太阳附近行星状星云的平均密度是每千立方秒差距中30～50个。按这样的比例推论，银河系中应有4～5万个行星状星云，即现在发现的仅占2％～3％。再说，现在从银河系近邻的星系中，也发现了许多这种天体。所以看来上述的推论还是比较可信的。

仙女座内的行星状星云——土星状星云研究后表明，行星状星云气壳内的物质稀薄得难以想像，以致天文学家宁愿用粒子密度来表示——每立方厘米中只有102～108个原子。所以即使以105个原子／厘米3计算，可以作如下比喻：如果切一条长达日地距离1.5亿千米、截面为10平方米的体积，其总重仅只0.15克左右！它们都在不断地向外膨胀，膨胀的速度约10～50千米秒。由此可见，天长日久，它们将变得越来越稀薄，并最终完全消散在广袤无垠的宇宙，呈现出的是像卫星一样的景象。之所以叫它星云，是因为与卫星不同，它们都是像太阳一样能发光的、死的恒星。某些气体从年老的星球表面离开，以每秒钟10公里的速度向外扩张，随着各种扩散运动．原本是星云中心的星球只剩下一个小小的“心”，发出白色的光。剩下的这颗小星星通常被称作“白矮星”。宇宙之中估计它们的寿命不会太长，约为几万年左右。

脉冲星的发现

1967年7月，英国剑桥大学射电天文台专门设计制造的一架新型射电望远镜开始投入观测，它那分排成16排的2048个天线，占地21000平方米（相当于32亩）。它的观测结果都自动记录在一盘盘的纸带上，一天下来，得到的纸带有30多米长。10月份，休伊什教授的一位女研究生贝尔小姐在分析这些资料时发现，其中似有一个神秘的射电源，每到子夜时便会发光闪烁，而分析表明，子夜时仪器正对着狐狸座的上方，这种闪烁表现为一个个有规则、有周期的脉冲。休伊什对这种原因不明的脉冲讯号很感兴趣，决定改进仪器与方法，作进一步的研究。11月28日，他们已证实这个射电源发出的无线电脉冲波长是3.7米，周期极其稳定，为1.337秒。

这是什么引起的呢？显然不是太阳，因为子夜时太阳在地球的“下面”。是人类自己造成的无线电干扰吗？也不像，因为它来自固定的天区——狐狸座。休伊什不禁怦然心动，他想到了科幻小说中的“宇宙人”，或许这是他们正在向茫茫太空中发出找寻知音的讯号？这种周期准确、强度变化的讯号难道正是它们的电码？休伊什这时刚读到一本引人入胜的描写“宇宙小绿人”的科幻小说，在宇宙深处某个遥远的星球上，有着一个极其繁荣发达的文明社会。由于这个星球强大的引力作用，那儿的居民怎么也长不高。因为科学技术太先进了，那儿的人不必劳动，四肢也退化了，惟有发达的大脑。他们也不要吃东西，因为它那绿色的皮肤可以像植物那样进行光合作用……当然他们也在努力寻找其他的星球。

自从1967年发现第一颗脉冲星以来，天文学家已经发现1000多颗脉冲星。脉冲星是有着强磁场的旋转着的中子星，它们发出有规律的射电脉冲。最快的脉冲星发出的脉冲为624次／秒，而最慢的脉冲为每5.1秒一次，多数脉冲星位于我们银河系，但也有很多在球状星团中发现。麦格内塔星是新发现的一颗有着更强烈磁场的中子星。他们可能与太空中的一些神秘伽马射线的爆发有关。于是休伊什把这个神秘射电流记为“LGM”。LGM正是小的绿色人（LittleGreenMen）的缩写。他也确实花了一番工夫来研究这些“密码”，企图破译“小绿人”呼叫的具体内容……

随后，有关这种奇特脉冲的发现纷至沓来，到1968年1月，贝尔小姐已查明会发出这种令人费解的“密电码”的射电源有4个！哪会有这么多的“宇宙小绿人”同时向我们呼叫？而且它们正好不约而同地使用同一“电台”的频率（81兆赫或波长3.7米）？于是科学家相信，这是一种以前不知道的新型天体——射电脉冲星，简称脉冲星，统一的记录符号为“PSR”后加位置。如最早发现的狐狸座脉冲星记为“PSR1919+21”，表示它的赤经为19小时19分。

1968年2月，休伊什宣布了发现脉冲星的消息，引起了很大轰动，人们争相探索。到1968年底，脉冲星的名单已扩大到23颗，现在已有近千颗。后来人们把这列为“20世纪60年代四大发现”之一，休伊什还因而获得了27.5万瑞典克郎的1974年诺贝尔物理奖！

经过几年研究，人们终于相信，脉冲星不是什么“怪物”，而是人们还未见过面的“老朋友”。早在20世纪30年代时，一些核物理学家就预言，宇宙中可能存在着全部由中子组成的“中子星”。众所周知，物质通常都是由分子构成的，而分子又是由原子组成的。原子本身就像小小的“太阳系”，原子的质量集中在中心的原子核内，因为电子的质量只有中子或质子的1/1840。

中子星旋转的同时，从它的两个磁极各发出一束电波。每当波束扫过地球时，我们探测到一次射电波脉冲，就像灯塔的灯光一样。旋转着的中子星逐渐散尽了它的能量并慢下来，几百万年后它就慢得发不出射电波并逐渐消失。以氧为例，氧原子外围有8个电子，核内有8个质子和8个中子，所以氧原子核的质量是其电子质量的29000多倍。但原子核的体积很小，只有整个原子的十亿分之一。如果原子像个直径1米的圆球，那原子核只有菜子那么大。但是，电子的壳层十分牢固，任你重锤猛敲，火烧冰冻，都无法破坏它。20世纪30年代时科学家认为，宇宙间有各种特殊条件，由于某种极大的压力，使原子的电子壳层被压碎，本来在外围高速运动的电子被压进了原子核内，带负电的电子与带正电的质子就会吸在一起，电荷抵消而变成中子，这样便形成了全部由中子组成的“中子星”。可想而知，中子星的密度将大得不可思议！

在半个世纪以前，人们对诸如天狼伴星那样的白矮星为什么会有这么高的密度，还难以理解，比白矮星还密亿万倍的中子星，只是科学家笔下的“水月镜花”而已，就连从理论上作此预言的前苏联天文学家朗道本人，心底深处也不指望宇宙中真会有这种奇特的天体。

脉冲星的发现，使得人们旧话重提。通过各方面的论证，现在科学家们早已确信无疑，脉冲星就是中子星——高速自转着的中子星！

前面已经说过，白矮星的大小与行星相仿，直径大约为几千到几万千米。中子星物质的电子壳层都已被压碎，所以它的半径理应比白矮星小千倍，即只有几到几十千米。理论研究认为，脉冲星的半径在10千米左右。所以二者相比，又好像是菜籽与大气球！

中子星

超新星的爆发标志着一颗恒星的死亡，同时它也以另一种形式获得了再生。恒星的外部被抛到太空时，核心衰变成一颗中子星——一个小的超高密度的物体，正如把太阳塞入比纽约城还小的地方一样。由于它强大的磁场和引力场，中子星常常变成脉冲星。射电脉冲星发出有规律的射频电波脉冲，而X射线脉冲星抛出同样有规律的高能量辐射。银河系可能遍布着这些奇怪天体的残余物。

中子星不是由气体构成的，它们是固体和液体的结合。外壳由：固态铁构成，其下面几乎完全是由被叫作中子的亚原子微粒构成的液体。当恒星塌陷的时候，几乎所有的原子被聚集在一起，迫使电子和原子合并成中子。

中子星里的中子是极小的，并且紧密地挤在一起。这使中子星有难以置信的高密度，它的引力如此之强以至于火箭必须以光一半的速度起飞才能脱离它的表面。一颗质量为太阳质量3倍多的中子星，在它自身引力的作用下塌陷而形成黑洞。

脉冲星的质量可与太阳相比，约为十分之几到2太阳质量。立方厘米的中子星物质，竟重达1亿多吨！黄豆大小的一块东西要1万艘万吨轮才承受得起。这样的物质如果来到地球上，将立即会压破地壳，钻到地球的中心。

脉冲星发出一个个射电脉冲，这种脉冲有极其准确的周期。已知的脉冲星周期在0.03～4.3秒之间。脉冲星的周期极其稳定，足以与最好的原子钟相媲美。例如前文提及的蟹状星云内的脉冲星PSR0531+21，其脉冲周期的准确值为0.03309756505419秒，准确到小数蟹状星云中央的一颗脉冲星点后14位（百万亿分一秒）！有的脉冲星1亿年才变化0.4秒，比目前世界上最准确的铯原子钟（每500万年差1秒）还要精确50倍！

为什么脉冲星不像太阳、行星那样发出稳定、连续的电磁波，而只是一个个的脉冲？如PSR0531+21，用大望远镜可见到它如萤火虫那样在一闪一闪地发光（周期与射电脉冲相同，约0.033秒）。其原因说穿了并不复杂：设想有一辆在原地旋转的坦克车，它的机枪在不停地扫射，则火力划出一个圆锥面。在圆锥面上的每一点，都是每一圈受到一次枪击。脉冲星也这样，由于它上面极其强大的磁场的约束作用，使它发出的电磁波（射电和可见光都是电磁波）只能从“机枪口”——磁极区射出，这就是天文学上讲的“灯塔效应”。如果地球正好在灯塔扫过的圆锥面上，就可见到一个个脉冲，反之，如地球离该圆锥面很远，则将发现不了它。

从演化的角度讲，脉冲星与白矮星处于同等的地位上——都是垂死的、没有能量来源的、即将熄灭的晚年恒星，它也是超新星爆发后剩下的内核。质量较大的核变为中子星，质量稍小的则会变为白矮星，这是因为质量小时引力也小，坍缩时压不垮电子壳层，本能变为脉冲星。

虽然，迄今发现的脉冲星还不到1000颗，但因为它是大质量恒星演化到后期的必经阶段之一，所以可以估计出在银河系内，脉冲星大约在20万颗以上。

星座

面对茫茫星海，常常使很多人望而生叹，不知该怎样认星。其实，和星星交朋友也不难。这要首先了解星区是怎样划分的。就像了解你的挚友一样，你应知道他家的住址，他家周围的环境特征。恒星天区的划分，就相当于街区的划分。

就我国看到的星座来说，可以大致先把整个可见恒星天空分成两个大星区：北极星附近的星区和天球赤道与黄道经过的星区。这两个星区以外的星区，可以在此基础上去找。比如说，某星区是在北极星附近的星区和天赤道之间呢？还是天赤道或黄道以南呢？当然，就是这两个天区内，也包括许多各具特色的星区。也就是说，认星也要先定“区”，从“区”定“街道”，再从“街道”定“门牌”。

中国古代把恒星天空划分为三垣二十八星宿。古人注意到太阳和月亮经过的黄道附近星区，就将沿黄道和赤道的天区又分成大小不等的28个小区，叫二十八星宿。宿就是住地的意思。月亮在绕地球运动过程中，每日从西往东经过一宿。

人们又把相连的七宿合称一象，共四象。每象有代表性的动物名称命名。它们是苍龙：角、亢、氐、房、心、尾、箕七宿；玄武（龟和蛇）：斗、牛、女、虚、危、室、壁七宿；白虎：奎、娄、胃、昴、毕、觜、参七宿；朱雀：井、鬼、柳、星、张、翼、轸七宿。二十八星宿是从角宿至亢宿开始，这和日月五星从西往东运动的方向是一致的。可见古人对恒星与日月五星的相对位置变化的认识是颇为充分的。

中国古代还把二十八星宿按星区划分为三垣：紫微垣、太微垣和天市垣。垣就是墙的意思，意思就是以墙围起的星区。紫微垣包括北天极附近的星区，太微垣大致包括室女星座、后发星座和狮子星座，天市垣包括蛇夫、武仙、巨蛇、天鹰等星座。

许多古老的民族都有关于恒星天空的划分方法，并给每个星区编织了生动的神话故事。随着科学的发展，对星区的划分应该统一。1928年，国际天文学联合会决定，将全天划分成88个星区，叫星座。在这88个星座中，沿黄道天区有12个星座，它们是双鱼座、白羊座、金牛座、双子座、巨蟹座、狮子座、室女座、天秤座、天蝎座、人马座、摩羯座、宝瓶座。

除此之外，北半天球有29个星座，它们是小熊座、大熊座、天龙座、天琴座、天鹰座、天鹅座、武仙座、海豚座、天箭座、小马座、狐狸座、飞马座、蝎虎座、北冕座、巨蛇座、小狮座、猎犬座、后发座、牧夫座、天猫座、御夫座、小犬座、三角座、仙王座、仙后座、仙女座、英仙座、猎户座、鹿豹座。

南半天球有47个星座，它们是唧筒座、天燕座、天坛座、雕具座、大犬座、船底座、半人马座、鲸鱼座、蜻蜓座、圆规座、天鸽座、南冕座、乌鸦座、巨爵座、南十字座、剑鱼座、波江座、天炉座、天鹤座、时钟座、长蛇座、水蛇座、印第安座、天兔座、豺狼座、山案座、显微镜座、麒麟座、苍蝇座、矩尺座、南极座、蛇夫座、孔雀座、凤凰座、绘架座、南鱼座、船尾座、罗盘座、网罟座、玉夫座、盾牌座、六分仪座、望远镜座、南三角座、杜鹃座、船帆座、飞鱼座。

这88个星座大小不一，形态各异，范围最大的是长蛇座。它东西跨过102°，真是名副其实的“长蛇阵”。不过这个星区没什么特别亮的恒星，不怎么引人注意。其中有45个星座是用动物名称命名的，有飞禽，猛兽，昆虫和水中动物。还有传说中的怪兽，如人马座、摩羯座和麒麟座等。你看，多像星空动物园啊！星空就像一部巨大的天书，具体内容还有待你去阅读。

天空中星座的位置变化

晴朗无月的夜晚，站在空旷的地方，你就会看见繁星闪烁在深黑的天空里。如果你不断地观看天象，就会发现星星从东方升起，慢慢地掠过天空，再落于西方，正和我们每天所看见的太阳的东升西落一样。其实，这也是由于地球自西向东自转的结果。

1928年，国际天文学联合会将全天划分为88个星座，并规定以1875年的春分点和赤道为基准的赤经线和赤纬线，作为星座界线。在88个星座中，以动物命名的居多，占总数的一半，以神话命名的有10个，另有20多个是以现代仪器的名称命名的。我们除了看到星星每天围绕地球自东向西运动之外，每一颗星从地平线升起的时间，每天比前一天提早约4分钟，因而，一年内每夜同一时刻，所看见的星星并不相同，星座的位置在渐渐向西边移过去。例如我们所熟悉的猎户星座，12月初，黄昏时分才从东方升起；过了3个月，黄昏刚刚降临，猎户座已闪烁在南方的天空中；可是到了春季快结束时，黄昏时它已经随着太阳同时西落了。

随季节的进展，星座向西的缓慢运动，是由于地球绕太阳公转的结果。如果我们在白天里也可以看见星星，那么我们就会看见太阳在星座间向东移动，每一天太阳大约向东移动1°，相当于太阳直径两倍那样的距离。这样，一年内它在天球上作了一个所谓“周年视运动”。

总的来说，星星有两种运动现象：一种是由地球自转引起的周日视运动，造成每天夜里星星东升西落的现象；另一种是由地球公转引起的周年视运动，使星座随季节变化出没，隐显时间也发生相应变化。两者不可混为一谈。

北极星

北极星是鼎鼎大名的一颗星，大家都想认识它。找到了北极星，也就找到了正北方向，这不仅对航空、航海、测量、地质勘探等经常在野外工作的人有用，对我们来说，也是生活中不可缺少的知识。

面对着北面天空，可以看到两个著名的星座：大熊座和仙后座；这两个星座都很容易辨认。大熊座有7颗主要亮星：天枢、天璇、天玑、天权、玉衡、开阳、摇光，它们组成勺子的样子，有人叫它勺子星，一般叫做北斗七星；仙后座的5颗主要亮星组成拼音字母W的样子。这两个星座，可以帮助我们找到北极星。

大熊座和仙后座在天空中的位置，刚好隔着北极星遥遥相对。对于我们居住在北半球中纬度地区的人来说，到了春天，天黑后不久，北斗七星在东北方向，仙后座在西北方向；5～6月间，天黑后不久，北斗七星出现在头顶附近，仙后座则在正北地平线附近。在别的月份，当仙后座在东北方向和头顶附近时，就轮到北斗七星在西北和正北地平线附近了。

在我国黄河流域以北的地区，一年四季都可以看到这两个星座同时出现在天空中。在长江流域以南的地区，有时只能看到其中的一个，一个星座在头顶附近时，另外的一个正处在北方地平线以下，就看不见了。

如何利用大熊座来寻找北极星呢？先找到北斗七星斗勺最外边的两颗星——天枢和天璇，用假想的线把它们连起来，并由天璇朝着天枢的方向延年约5倍远的地方，就能碰到一颗亮星，这就是北极星。那部分天空，只有北极星这么一颗比较亮的星，所以很容易找到。

仙后座的5颗主要亮星中，有3颗比较亮，顺着这3颗的中间一颗和它前面的一颗小星，向前延长3倍多的距离，便是北极星的位置。

找到了北极星，也就找到了正北方，其他方向也可以很容易确定了。面对着北方，背后是南，右边是东，左边是西。北极星在地平线上的高度，近似于当地的地理纬度，因此，知道了某地北极星的高度，就可以大致知道这地方的地理纬度。

类星体的发现

1960年，美国天文学家桑德奇用当时世界上最高倍的天文望远镜，观察到一个名叫3C48的射电源；但是随后人们又发现，其实它并不是一个射电星系，而是一颗颜色发蓝的暗星。它的光谱中有一些又宽又亮的发射线，这些发射线在光谱中所处的位置很奇特，以至在长达3年之久的时间里，竟然无人能辨认出。

1963年，另一位旅美荷兰天文学家施密特，又发现了距离我们有23亿光年并且与3C48相类似的天体3C273。施密特在对3C273的光谱进行详细研究分析后，发现它们不过是普通的氢光谱线；因而可以确定在这个天体上，并没有什么地球人未知的新元素。所不同的是，这些元素的谱线都向长波方向移动了一段距离，天文学上把这种现象叫做“红移”。当一颗恒星背我们而去时，从地球上看，恒星的光波频率会降低，波长会变长。这就是红移现象。红移值越大，则恒星离去速度越大，与我们距离越远。一般恒星发生这种红移现象时，移动的数量很小。可是这个星体的红移量非常大，比一般恒星的红移要大上几百倍甚至上千倍。

这种新型的天体即使用最大的天文望远镜观测，绝大多数也仅仅呈现为恒星似的微小光点。根据美国天文学家哈勃在1929年总结出来的规律，红移的大小同星系与我们的距离成正比，红移越大，星系距离我们也就越远。这种巨大的红移表明它们是极遥远的河外天体。按照哈勃定律，可以推测出这些天体远在几十亿光年甚至上百亿光年以上。

当初，天文学家们正是因其貌似恒星而实非恒星，便将它们命名为“类星体”——意即“类似恒星的天体”。不过，后来发现有些类星体的周围有微弱的星云状包层，还有一些有喷流状结构，因此其外观与恒星并不完全相似。所以严格说来，“类星体”这个名称已经算不上名副其实了。

如今，多数天文学家认为，类星体乃是星系一级的天体，它们可能是某些活动剧烈的星系核心部分。经过科学家们的研究，类星体的发光能力极强，比普通星系要强上千百倍，类星体的体积很小，直径仅有普通星系的十万分之一甚至百万分之一。

为什么在这样小的体积内会产生这么大的能量？这一问题使得科学家们兴趣倍增而又大伤脑筋。起初人们难以对它的能量来源作出解释，便将此称为类星体的“能源困难”。近年来，种种假说接踵而至。有人认为其能源来源于超新星的爆炸，并猜测其体内每天都有超新星爆炸。还有人分析是由于正反物质的湮灭。更有人推测类星体中心有一个巨大的黑洞，吸引并吞噬周围的物质，同时以辐射的形式释放出巨额的能量，单单这一过程已足够提供为解决“能源困难”所需的全部能量。当然，要想拨开类星体的谜雾，还有待于科学家们辛勤探索。

另外，在类星体与我们之间的漫长距离上，存在着种种非常稀疏又非常暗弱的物质，通常人们是无法观测到它的，但是，这些暗物质会吸收类星体的辐射，使类星体的光谱中出现各种附加的吸收线。研究这些吸收线，就可以反过来推知那些暗物质的情况了。这也是人们对类星体极感兴趣的又一个重要原因。

关于类星体，目前尚有许多争论，焦点就在于其距离究竟是否那么遥远。测定类星体距离的依据正是它们的光谱线红移。星系光谱线红移的原因是它们都在有条不紊地彼此远离而去。换句话说，星系红移的本原乃是光源运动造成的多普勒效应。类星体既是星系级天体，人们便猜想哈勃定律同样也适用于它。于是，只要测出类星体光谱线的红移量，就可以推算出它们的距离。然而问题在于：类星体的红移量异常之大，如果用多普勒效应来解释，则绝大多数类星体必定正在以每秒几万公里、十几万公里，甚至以接近光速的巨大速度退离我们而去。根据哈勃定律算出这类类星体与我们的距离远达数十亿乃至上百亿光年。正是由于类星体既如此遥远又显得相当明亮，才导致了其产能率高得令人吃惊的“能源困难”。这时，有人便转而怀疑：类星体是否果真如此遥远？用多普勒效应来解释类星体的红移是否合理？就这样，“类星体红移本原”便成了当代天文学中的一大疑惑。

在探求类星体红移本原时，天文学家有不同的意见，于是出现不少说法，如“宇宙学红移”、“非宇宙学红移”、“速度红移”等等。遵循完全不同的思路，还先后有人用“光子老化”、“基本物理常数的变化”等越出传统物理学框架的大胆假说，来解释河外天体红移的本原。但是它们迄今尚未得到任何物理实验和天文观测事实的支持。总的说来，在现阶段，绝大多数天文学家认为类星体红移具有宇宙学本质。例如，按照一定的标准将类星体分类，将某一类类星体当作具有相同绝对光度的“标准烛光”，结果表明，它们大致遵循哈勃定律；又如已在几个星系团内各发现一个类星体，而这些类星体的红移与相关星系团的宇宙学红移相近等等。

但有不少天文学家，如美国的阿普认为，类星体红移具有非宇宙学的本质。而美国基特峰天文台台长伯比特则认为，类星体红移既有宇宙学红移，也有非宇宙学红移。

大部分天文学家根据类星体光谱线有较大的红移，认为类星体是相当远的天体。但是后来几位天文学家指出，至少有一些类星体距离地球比较近。他们的主要证据是在那里一颗类星体与一个多普勒位移小得多的星系有明显的联系。美国国家射电天文台的卡里利和他的同事，对上述令人颇感兴趣的失偕的类星体——星系样本进行研究。

更令人惊奇的是，类星体的速度居然超过了光的速度。1977年以来的发现证实，还是那颗3C273，它的内部有两个辐射源，并且它们还在相互分离，分离的速度竟高达每秒2880000公里，是光速的9.6倍。不仅如此，继此之后，人们还相继发现了几个“超光速”的类星体。简直不可思议！因为迄今为止地球上的人类普遍认为，光速是不能超越的，然而上述发现又是那样的奇特，不能不让人感到困惑不解。

新星的发现

光绪二十五年（1899年），我国山东福山一位著名金石收藏家王懿荣患了疟疾。那日他正准备煎药，忽然发现草药中有一小片异物，上面有奇怪的花纹，询问之下才知道这是“龙骨”。王是一个有心人，他把几包药都打开，把那些龙骨一一挑选出来进行研究。他又派人去药店查询龙骨的来历，几经周折，才知这些龙骨都出于河南安阳附近小屯村的地下，是当地农民翻地时无意中发现的。他们以为这些古时候的龟壳、牛骨可以医病，遂以低廉的价格卖给了药店。王懿荣问明原委，大喜过望，遂把店中所有龙骨全部买下以作研究。因为他知道，安阳原是商代的京都。可惜王不久就谢世，他的收藏均为《老残游记》的作者刘鹗所得。从此，甲骨文重见人世，向人们吐出了殷商时代的许多秘事。

在这些甲骨片中，有很多涉及天文学的记载。如其中一块上刻有：“七月己巳夕丑，有新大星并火”，意思是七月初七那天，在红色的心宿二旁突然出现了一颗很亮的星。据考证，是公元前14世纪的天象记录，也是目前世界最早的新星资料。西方相应的最早记录是古希腊喜帕恰斯在天蝎座中发现的新星，据说喜帕恰斯正因为此而编制了西方最早的星表，以用此来检查其他天区是否也出现了这种“不速之客”。我国《汉书·天文志》上对喜帕恰斯发现的新星也有记录：“元光元年（公元前134年）六月，客星见于房”，而客星正是我国古代对新星的别称。

新星不是新出现的恒星，也不是来去匆匆的过客，而是自然界的奇迹。它在很短的时间内会像闪光灯那样发出耀眼的光芒。在闪亮前，它如同微弱的烛光，暗得肉眼无法察觉，所以人们对它熟视无睹，但一旦发亮，就像一盏探照灯那么引人注目，以致人们以为这儿出现了新的星星。

新星或者超新星的爆发是天体演化的重要环节。新星爆发的灰烬，是形成其他天体的重要材料，地球上的许多物质元素都来自那些现已消失的新星。迄今为止，人们在银河系内已发现了大约200多颗新星。从它们的光谱观测中可知，它发亮是一种大爆炸，表面层物质被炸得四处狂飞——速度可达500～2000千米／秒，这个速度比人造星的运行速度（8千米／秒、）大60～250倍，被炸开、抛出的恒星物质有百万亿亿到亿亿亿吨，分别相当于几十到几千个地球的质量。粗粗计算一下这一下子放出的能量达1033～1038焦耳，或者说是太阳能量的百万到几亿倍。前面说过，太阳能量可与900亿颗氢弹相比，按此比例，新星爆发相当于顷刻之间引爆9亿亿到900亿亿颗大氢弹！因此它的亮度一般可在几天内增亮11等。如果说原来它是一颗连小望远镜也无法看见的12等星，则顷刻之间会变得如同织女星那般熠熠生辉。从光变的角度讲，它也是属于变星——爆发变星或激变变星。它在2～3天内迅速上升9个星等，稍稍“休息”一下，再冲上顶峰，又升高2星等左右（只有几小时到几天时间），之后，它慢慢回到原来状态，这需经历几年至几十年的时间。

新星为什么会突然爆发？20世纪50年代之后，人们发现1934年爆发的武仙DQ原是一对双星，这使人茅塞顿开。很可能，新星都是一种彼此靠得极紧的双星（称密近双星），其中一颗主星是温度较低的主序星（如K、M型星），旁边的伴星是光度很小、看不见的白矮星。白矮星的强大引力把主序星的物质吸引到自己温度极高的表面上，这些物质在向白矮星落下时，本身又有巨大的动能，于是当落下物达到一定数量时，白矮星表面上就能发生本该在恒星内部发生的热核反应，成千上万颗超级大氢弹引爆了，形成了新星的巨大爆发。

新星不仅出现在银河系，在其他星系中也时有发现，如仙女星系（M31，又称仙女大星云）中发现的新星数竟与银河系不相上下。另外在大麦云、小麦云及其他一些星系中也常常出现新星的爆发。据估计，仅银河系内，每年就有50颗新星爆发，仙女星系中约有29颗。由此看来，新星爆发是相当频繁的天象——只是由于大多数新星太遥远，即使爆发也很难察觉。

新星在爆发到最亮时刻，绝对星等平均为-7．3等。根据这个特性，人们只要抓住时机，测出该时的目视星等，就可像造父变星所用的公式那样，求出新星所在星系的距离来。这种方法可比造父变星测得更远，因为它们比造父变星更加明亮。

超新星

超新星爆发与新星爆发不同，新星爆发后还可能再出现，而超新星爆发后，基本上整个星体将爆毁了，这就是恒星演化过程中的；另一种结局。虽然用望远镜可以观察到在遥远星系中每年平均有12次的超新星爆发，但历史上有记载的在银河系内的超新星爆发却只有6次，其中最有名的仅有4次。1006年（北宋景德三年）爆发的一颗超新星的景观最为精彩，它是在黄昏后不久，在夜空南方忽然出现一颗非常明亮的星星，最亮时像个月亮，在它的照耀下可以看书。这颗“小太阳”与月并存，夜复一夜照耀大地达数年之久，以后才暗到肉眼看不到它。我国古时候称这颗超新星为周伯星。《宋史·天文志》对它作了描绘：“景德三年四月戊寅，周伯星见，出戊南骑官西一度，状如半月，有芒角煌煌然可以鉴物。”

1054年的一颗在金牛座内的超新星爆发更为强烈，人们在大白天也能看到它的倩影。《宋会要辑稿》对它作了完整的记录：“宋，嘉祐元年三月司天监言客星没，客去之兆也，初至和元年五月晨出东方，守天关；昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”该景象持续了九个月后才变得肉眼看不见了。据此推断，该星比金星最亮时还要亮2个星等。1731年，英国一个天文爱好者在金牛座发现一星云，形如螃蟹，故称为蟹状星云，即梅西叶星云中的M1。起初，人们没有想到这只“螃蟹”与1054年的客星有什么联系，有趣的是，这只天上的“螃蟹”是活动的。1921年，美国天文学家邓肯（1882～1967年）等把相隔12年的两张蟹云照片加以比较后发现，蟹状星云在不断向外膨胀。观测表明，它大约以1100千米／秒的速度膨胀着。蟹状星云距离地球为6300光年，从而可推算出从蟹云中心膨胀到当时的程度大致需要900年左右，这与1054年观测到的超新星爆发至今的时间是一致的。因此，1928年，哈勃首先作出科学的判断，蟹状星云是1054年超新星爆发后留下的遗迹。由于蟹状星云发出的光要经过6300年才传到地球，所以严格说起来，这颗超新星不是在900多年前爆发的，而是在约7200多年前爆发的。这颗超新星对现代研究影响最大。目前蟹状星云大小为8．8×12．8光年，总质量为2～3M日，密度非常稀，温度为0．8～2．7万开。

1572年11月在仙后座中部出现一个白天也能看到的超新星，18个月内肉眼都可见到。《明史》和《明实录》均有关于它的记载：“当日而见，光叹异常。”当时万历皇帝亲自观看了它，又敬又惧。“上于宫中见之，敬惧，夜露祷于丹陛。”在欧洲，著名天文学家第谷（TyehoPrahe）也观测到了这颗超新星，所以在欧洲称为第谷超新星。1604年10月，蛇夫座又出现了一颗超新星，在欧洲称为开普勒超新星，肉眼可见12个月，亮度达到木星的程度。

由此可见，超新星爆发堪称是星空最壮丽的奇观之一。一颗典型的超新星爆发时，在最初的10秒钟内所产生的能量将近等于太阳在100亿年内所辐射的能量的10倍多。由此可以想到，如果有一颗距离地球比较近的超新星一旦爆发，那么它对地球的影响将是巨大的，也许是灾难性的。最近美国芝加哥大学的施拉姆和欧洲核能研究组织的埃利斯认为，距今2．25亿年前，一颗和地球相距不到30光年的超新星爆发，导致了全球范围内大规模的生物灭绝。他们借助数学模型的模拟计算首次显示，这颗超新星爆发释放大量的高能丁射线，使地球大气同温层中的臭氧分解。地球失去了臭氧层的保护，动植物直接暴露于紫外线的辐射之下，植物很快凋谢枯黄直至死亡，动物失去了赖以生存的天然食物，终于遭到了灭顶之灾。根据考古资料的研究，科学家普遍相信自地球上开始出现生命形式的大约6亿年前至今，先后至少已经出现过5次大规模的生物灭绝事件，各次发生的大致时间分别是距今4．5亿年前、3．5亿年前、2．25亿年前、1．9亿年前和最后一次的6500万年前。其中6500万年前的恐龙绝迹最为著名，而后果最严重的是发生在2．25亿年前的那一次，据估计，这次事件曾使当时的95％物种消失。超新星爆发造成地球上生物灭绝的假说并非新鲜，但它以破坏臭氧层为中间过程却是首次问世。科学家如果能找到2．25亿年前大气臭氧含量减少在化石中留下相应的痕迹，不仅可证实上述的假设，而且还可敦促人类应该更加爱护臭氧层，切勿使它的含量降到危险的低水平上。

超新星爆发机制

既然超新星爆发是恒星演化中发生的如此惊人的现象，那么关于它的爆发机制及能量来源就是很值得研究的课题。

根据超新星的光度和光谱特征，超新星有两种类型：Ⅰ型和Ⅱ型。Ⅰ型超新星有相同的亮度随时间变化的特征（光变曲线）；而Ⅱ型超新星的光变曲线之间的差别则相当大。Ⅰ型超新星的光谱中氢线较弱，因此被认为它含氢量低，主要由重元素组成，属于星族Ⅱ，质量大约为3—8M日。Ⅱ型超新星含氢量高，属于星族Ⅰ，质量一般大于8M日。它们的光谱也有很大的不同。Ⅱ型超新星在光极大处完全是连续谱，一星期后才出现很宽的发射带。此外，Ⅰ型超新星爆发规模相对来说比Ⅱ型的小。由于两种类型超新星爆发机制不同，按Ⅱ型超新星的爆发机制，爆发后会在其中留下一颗脉冲星；而Ⅰ型超新星爆发后，全部物质都将飞散，不会留下什么。近来发现1993J超新星是一颗比较特殊的超新星，它在初期呈Ⅱ型爆发特征，后来又转为Ⅰ型，可见两种类型的超新星有时没有严格的界线。

1.Ⅰ型超新星爆发机制

霍伊尔和福勒认为，Ⅰ型超新星的爆发是恒星核心区电子发生简并时的碳闪引起的。中心区域碳燃烧所放出的核能，会产生很大的温度梯度，从而导致物质对流，当对流速度超过声速时，便会产生激波。由于激波前的物质速度比该处的声速小，所以激波后产生的能量不能有效地传递。热量在中心区域积蓄起来后，温度会进一步上升，并形成恶性循环。即碳燃烧产生的热量贮积的时间尺度比中心区域膨胀的时间尺度短得多，导致产生爆轰波使星体爆毁。因此，Ⅰ型超新星实质上是碳爆燃型超新星。

2.Ⅱ型超新星爆发机制

1987年2月23日加拿大的希尔顿作为智利的拉斯·康帕那斯客座天文学家在大麦哲伦星云中发现了一个超新星。它在爆发之前是一颗看不见的12等暗星，可是一下子成为1604年开普勒超新星爆发以来，第一颗用肉眼能够看到的超新星，人们称它为超新星1987A。它的发现在当时是举世瞩目的大事，和高温超导的发现并称为80年代末在自然科学领域中的“双超”大事，所以当时全球现代化的天文仪器都对准它进行观测。通过光变曲线等特征确认超新星1987A属于Ⅱ型。科学家为了深入研究，曾用大型计算机模拟了它的演化过程。

大约在11007／年前在大麦哲伦云（距地球16万光年）内有一颗具有18M日的恒星诞生了。由于恒星质量大，氢燃烧速度很快，所以该恒星在主序阶段时比太阳约亮4万倍。

（1）轮番核燃烧。这种大质量的恒星比较快地把中心区域的氢燃烧殆尽，即当整个恒星30％的氢烧完后，恒星中心区域失去了足以和引力相抗衡的压力。于是，恒星在引力作用下收缩，温度和密度都要升高，然后经历所有可能的平稳核燃烧阶段。当中心区域温度上升到1.9亿开时，氦开始燃烧，生成碳和氧，同时释放出大量的能量，使内部压力增大。这样，恒星又会变得比较稳定了，持续的时间将近100万年。由于能量向外传输，恒星外层膨胀，成了红超巨星，半径约为3亿千米。氦燃烧完熄火后，中心区将会再收缩和增温。当温度达7.4亿开时，碳便会开始燃烧，并生成氖、镁和钠，其持续时间约为1.2万年。然后温度升到16亿开，此后氖便开始燃烧，其持续时间大约为12年。氧燃烧仅能持续4年，而硅燃烧却只有一周。总之，热核反应和核心收缩是在交替进行着，上一轮核燃烧的“灰烬”正好是下一轮的燃料。而且热核反应的温度一轮比一轮高，反应速度一轮比一轮快。在核聚变链的一系列过程中，由氢而氦，而碳……直到最稳定的铁为止。对于M>20M日的恒星，可能越过碳、氖燃烧阶段，而直接进入氧燃烧阶段。最后形成了有点像洋葱那样的壳层结构，越往里温度越高，也越重。在核心部分主要是由铁组成，温度高达50亿开。

（2）原子核裂解。在如此高温下，与物质处于热平衡的光子的能量也很大，足以把铁核击碎，这是吸能反应。于是，恒星中心部分的平衡遭到了极大的破坏，这时整个星体不仅仅是收缩而是坍塌。坍塌时会使中心区的温度大大升高，这又促进了光致裂解的过程，从而形成恶性循环，使得星体坍塌过程进行得难以想像的猛烈，几乎是一场内爆。温度达到100亿开时，氦也裂解了。这时恒星中心区域所有的原子核都被打碎了，成为中子和质子。

（3）中子化过程。中心区中的电子会不断被压到质子里去，即发生逆p—衰变，变成中子和中微子，这个物质的中子化过程，中心区的物质99％是中子。同时原先作为主要压力来源的自由电子大部分被吸收了，这样又会促进塌缩。电子在被吸收前，处于高度简并状态，电子的费米能很大，因而与质子相互作用释放出来的中微子的能量也很大。经测量超新星1987A的中微子能量范围在6～40MeV。理论上可估算中心部分1.4Mg中包含有多少个质子，每个质子放出的中微子能量平均以10Me计，于是可知中微子携带的能量总共约1栌6焦。这个巨大的能量归根结底是由引力能转化来的，因为一个质量为1.4M日的星体核心坍缩到半径为10千米的中子星时，释放的引力能为GM2／R，其值恰为146焦，它远大于超新星爆发时产生的辐射能1042焦，也大于气壳的动能1044焦。所以超新星的能量主要是由中微子携带。

（4）超新星如何爆发。超新星在引力坍缩的最后阶段，内爆如何会反过来变成向外爆炸呢？以及是什么力量将星体的外层吹掉，剩下半径只有10千米左右的中子星呢？这是人们迫切要了解的关键环节。

从铁核光致裂解开始，星体向中心坍塌的时标大约为1秒。接着在零点几秒的时间内，质量为1.4M日，大小为地球一半的核心区域坍缩成半径约为100千米的早期中子球。中子球的外层仍然是铁，中子球的中心密度可超过原子核的密度。星体在猛烈的坍缩过程中，碰到了中心处这样坚硬的核心，所以40％星核的内层部分发生反弹，然而星核的外层部分仍以接近1／4光速向中心坍塌，猛烈的碰撞产生强劲的向外传播的激波。激波传到星体外层，外层的温度和密度大大提高，因而也燃烧起来，并在瞬间内发生大爆炸。

可是理论计算表明，反弹激波凭自己的力量传播不会超出星核的范围，以上的理论陷入了困境。幸好1973年粒子物理实验证实了中性流的存在，很快就用来说明激波的复活。中性流是指电子型中微子与核子碰撞时，交换中性中间玻色子，所以散射后不会产生电子，仍旧保持电子型中微子，同时质子（或中子）仍旧保持质子（或中子）。因此，当中微子与整超新星爆发个原子核发生相互作用引起的散射是相干散射。相干散射截面与核子数A的平方成正比，因此，在星体核心部分虽没有重的原子核，但在星核外层有重的铁原子核。中微子与铁核之间就有强得多的相互作用，它产生的压力要比原来计算的结果大得多。于是，中微子和失速激波的波面后的物质相互作用，推动激波以大约1／50光速向外传播，所到之处会引起迅猛的热核反应，电磁辐射也随之产生。由于来自星核的中微子是以光速运动，很容易赶上激波，所以中微子是离开超新星的第一批信号。在核心区的温度高达百亿度的情况下，由于电子与中微子会互相转化，所以核心区对中微子也不是透明的，中微子参与热平衡，参照太阳的光度以及中子星半径10千米、太阳半径7万千米和6000开的太阳表面温度，从而估算热中微子的发射率。

超新星的观测近况

1987年2月23日7时36分超新星1987A出现中微子爆，日、美、意、苏的4个中微子观测站共记录到27个中微子事例，历时7～13秒，与理论估算比较符合。实际上那时在地球上每平方厘米有数百亿个中微子通过，只是由于中微子与物质作用太弱，所以谁都感觉不到，只有用极灵敏的检测器才能接收到这些中微子。虽然全世界只接收到27个来自超新星1987A的中微子，但意义重大，因为这是第一次检测到除太阳之外的天体发来的中微子。

从日本神岗站接收到不同能量的中微子的时间分布情况来看，有的相隔很短，有的又间隔较长，显得没有什么规律。一般认为中微子的静止质量为零，不管是多大能量的中微子都以光速运动，那么中微子出发时也像接收到它们时那样地没有规律。若中微子有微小的静止质量，则中微子就不是以光速运动，其速度与其能量有关，中微子能量大的要运动得快些。若假设中微子的静止质量m=15eV（约十万分之三电子静止质量），可从各个中微子到达的相对时间反推出它们出发时的相对时间，这时就显得比较有秩序，即前后时间间隔比较均匀了。但由于中微子实在太少，所以不能由此肯定中微子具有静止质量。

大约过了2小时，出现硬（短波长）紫外线爆，这表明强有力的激波是通过较小的母体星的表面迸发出来时产生的。因为激波经过的区域会把物质压缩，使其密度大大提高，光子自由程大大减小，造成内部产生的辐射经过这些区域时受到吸收和散射，由于辐射能量“沉积”在较小的表面积上，会将星体加热到50万度，因而产生大量的硬紫外线。随着星体物质大约以1／10的光速运动时，这些紫外线会大量喷发出来。膨胀时使最外层冷却下来，占优势的紫外辐射很快就让位给可见光波段了。另外，激波在内部传播时，可把星体物质加热到50亿开的高温，部分硫和硅因此聚变形成放射性同位素镍56。镍56衰变成钴56，半衰期为6．1天。钴56再衰变成激发态的铁56，半衰期为77天。当铁56回到基态时会放射出具有特定能量的丁射线，其中一部分射线直接逃出去了，而另一部分则被膨胀中的超新星壳层吸收后转换成可见光。理论计算推测，大约在超新星爆发20天后，其光变演化的主要能源是来自放射性同位素的衰变。随着放射性元素的减少，超新星也就逐渐暗淡下来。实际上还有另一条衰变链：从镍57到钴57再到铁57，半衰期为270天。观测超新星1987A可见光变曲线表明，在1990年以前严格遵从钴56的77天半衰期，而从1991年起这条曲线转变为遵从钴57的270天半衰期。超新星的理论预言得到了有力的证实，但仍有许多现象令人难以理解。超新星中微子爆的出现标志着中子星的诞生，可是一直到1989年1月18日夜才检测到来自该超新星的脉冲光信号，但并未得到确认。另外，在中微子爆出现之前4小时，有的观测站已记录到单独的中微子爆。对于出现两次中微子爆现象，有人提出空间不一定是无挠的，而是有一定的挠度，具有自旋的中微子可以沿着两条路径到达地球，其中一条路径更长一些，因而探测到两次中微子信号。另外，该超新星爆发几个月后又出现大约为该超新星亮度1／10的第二个光源。多数超新星爆炸呈球状进行，所以有气壳状的遗迹，其周边会出现明显的环形，被称为拱星环。气壳的厚度约等于其直径长度的10％-30％，在膨胀过程中，这个比值几乎不变。少数超新星遗迹类似于蟹状星云，其物质呈连续分布。哈勃空间望远镜拍摄到超新星1987A总共出现3个光环，其中最小的光环中心是超新星，还有两个较暗的大光环像重叠着的“呼拉圈”。这对直径为几光年的环很细，呈椭圆形，跨在超新星上，从地球上看去，两个环似乎是交叉的。它们彼此几乎是镜像，但对称轴又不通过超新星。有的天文学家认为，这些光环可能是高能辐射或粒子束投射到在超新星周围的两个方向上朝外膨胀的气体泡，产生了类似于探照灯的光照射到云层上的效果。1995年1月，具有极高能量分辨率的日本“飞鸟”射线天文观测卫星首次发现仙后座A星（3C461）呈轮胎形。该星距地球约9000光年，是1667年一颗超新星爆发后留下的遗迹。它又是星空中除太阳外的最强的射电源，数千万度的高温气体向外扩展，现在已形成一个直径达10光年左右的巨大天体。“飞鸟”的发现令人难以理解，为什么这颗超新星爆发后，不是以球形，而是按轮胎状扩展？而且仙后座A的中心星至今未找到，轮胎形的内侧既没有内核之类的东西，也没有强磁场存在，因此有人推测也许这个轮胎的内侧有一个黑洞。还有前面已提到过的超新星1993J，除了特殊的爆发特性外，还发现它的氢Ho线双峰结构、氧禁线蓝移等重要特征，尤其是后者在超新星光谱中为首次发现。确切地说，谁也无法详尽地解释以上这些现象，只好将这些事实记录下来并存档，留到以后来揭开这些谜。所以天文学家总是盼望另一次超新星爆发，把天文仪器对准着最可能升起超新星的天区，以便得到更多的观测资料。