第三章 天球视面大环境一 宇宙什么样

宇宙是开放型还是封闭型研究宇宙，包括宇宙空间及其中所有星系。天文学家及物理学家依据数理化方程式加以说明。数、理、化是对的，但发展时间很短，而且是在地球星上研究的，不可能解释宇宙中一切现象。宇宙是由它自己形成的，并不依据现今的数理化方程式去创造自身。因此，我们不妨撇开那些方程式，先求认识围绕我们的大环境。

本书任务就是帮助读者去认识那些可以影响人类生活的大环境。如果有人问，这个宇宙是开放的？还是封闭的？恐怕是无人知晓。

宇宙空间是否有边？从前面章节中已得到解答，那就是：宇宙是无边的， 因此，无边的宇宙就是“开放的宇宙”（open universe）。如果宇宙空间有边，就成为“封闭的宇宙”（closed universe）。那末有人又会问，封闭的宇宙以外是什么宇宙？我只好回答是“反宇宙”，性质与宇宙相反，而且把这座封闭的宇宙完全包围起来。但这仅是不可思议的假说，应该放弃。我重视的开放型宇宙，就是下起地球星中心，上达天球视面的大环境。这个大环境是真实的，而且我们就在这个大环境以内生活。

晴夜望空，满天星斗。密密麻麻的星，不碰不撞，互相尊重。银河星系内生态系统同地面上生态系统完全不一样。地面上动物捕、捉、追、杀、吃、吞（例如大鱼吃小鱼，小鱼吃虾米，虾米吃浮游生物）。陆上的风吹扬尘埃及水汽，河流搬运沙土，浪蚀海岸，雨水刮地皮。我夜间观星，从未见过大星吃小星。银河以内的恒星，银河以外的星系都能相安无事，必有一种不可知的力量使它们安然相处。谁在控制这些星系？

星系的分类宇宙内已被发现的星系约有许多亿个，据估计距离我们约 50

×100 亿光年。我们只能对那些最靠近我们地球星的星系进行构造研究。我

们居住的星系是银河星系（Galaxy）。接近银河星系的星系约 30 座，叫做“本星系群”（local group of galaxies）。以银河星系为中心，以 200 万光年为半径，在这空域内一切星系都属于“本星系群”，除银河星系外，尚有大、小麦哲伦云及仙女星系。后者有 7 个伴星系，其中最大的伴星是 M33。银河阻隔我们的视线，银河的后方可能有许多星系被遮蔽。以上所述，全是望远镜里可以望见的星系。另有一种是射电星系（radio galaxy），可以射出无线电波，但望不见它的形象。

星系周围的 10 多个星系间相互有引力作用，可以叫做“星系团”。如果把范围再扩大，许多个星系团可成为一个超星系团（super-cluster），半径可超过 100 亿光年。

单独星系的形象有许多类，简单地说有两大类：（A）巨椭圆星系（giant ellipticals），直径长达 40 亿万光年，质量大于太阳 10 万亿倍；（B）矮椭圆星系（dwarf ellipticals），直径长 6000 光年，质量只有几百万个太阳大。

美国天文学家哈勃根据基本结构将我们附近的星系分为三类：椭圆星系、旋涡星系、不规则星系。椭圆星系形状可从圆球形变到椭球形，自转越快，椭球体拉得越长。椭圆星系用其英文首字 E 表示，后面加上表示椭率级别的数字。例如把轮廓是圆形的作为椭圆星系基本型，叫做 EO，O 代表椭圆

起始，即由圆形图象开始。椭率最高为 7，E7 是长椭圆型，介于 EO 与 E7 之间尚有一些过渡型。EO 型的星系可以 NGC3379 为代表。M32（NGC221）属 E2 型，另一个伴星系 M59（NGC4621）属 E5 型，NGC3115 属 E7 型。

旋涡星系具有旋转核心并从核心螺旋地伸出旋臂。根据核心和旋臂展开程度分为标准旋涡星系和棒旋星系。哈勃把旋臂由核部伸出，轮廓是圆形而又具有旋涡状的作为旋涡星系基本型，叫做 So 型。S 为旋涡星系英文首字， o 代表旋涡起始时状态，即旋臂环绕使星系为圆形图象。So 可有两个演化的方向。第一，核部为圆形，演化为 Sa（旋臂紧紧环绕核部或浑圆型）、Sb（旋涡式星系，例如我们的银河星系）、Sc（旋臂更开放、更长，环绕其核部较松弛）等型。第二，核部有棒，分向左右两方，棒的末端才伸展旋臂，演化为 SBa、SBb、SBc 等型。这第二种就称为棒旋星系。棒旋星系是指核心由许多恒星组成的棒状结构的星系。其特点是棒旋星系的棒体和核部连成一体旋转。

上文所说的 So 型与 EO 型，都是浑圆的大星。前者边缘处绝无环绕的星气，后者则有星气环绕。因此二者各自成为一类。EO 是椭圆星系类型的起点； SO 是旋涡星系类型的起点。

此外，尚有不规则星系，这类星系没有中央核、旋臂，没有对称平面， 没有固定形状。例如大麦哲伦云星系、小麦哲伦云星系。前者轮廓是一个长矩形，显示尚未演化成为棒形，可列入原始型棒旋星系，因为有人看出它有短棒。另外一星系，编号是 M82，形状类似大蝙蝠，事实上是远空一类新星大爆炸后的形象。

银河星系是无数星系内的一个微小成员读者不要忘记，我们大家就住在宇宙中的银河星系内。我们的“宇宙籍贯”应该是“银河系内地星人”。银河系内有多少颗恒星？通常说有 1 亿。我认为太少。我估计可能有 1 万亿，

这比通常多了 1 万倍。我的方法很简单。前文说银盘直径长 10 万光年，厚约

两千光年，它的体积该有约 16 万亿立方光年。假定每 1 立方光年内有 1 颗恒

星，就应该有约 16 万亿颗。我现今估计只有 1 万亿颗，即平均每 16 立方光

年才有 1 颗。依据专家估计，球状星团内恒星的分布平均密度为每 1 立方光年空间之内可有 1～5 颗恒星，依此推论，整个银盘之内就可能容下 16～80 万亿恒星，这个数字似乎太大了。因此，我觉得采用 1 万亿颗比较合理些， 这不包括银盘上方及下方的星团在内。

人们所说的银河与银河星系不同。前者指银河或天河，系天球视面上银色光带；后者包括银盘以内所有的恒星，也包括银盘上方及其下方所有的球状星团。太阳及北斗七星属于银河星系，但不在银色光带之内。南天星座老人星也远离银色光带。

银河光带内有些区域很亮，似乎显示恒星密集；有些区域比较黑暗，似乎那里恒星很少，甚至没有恒星。事实上，明亮的空域，不仅由于恒星密布， 尚杂有“发射星云”（emission nebula）。这星云含有电离氢，可以发射光波。另有一种星云叫做“反射星云”（reflection nebula），它可以反射恒星的光，自己却无辐射的能力。反射星云如果反射蓝光星的光波，通常是蓝色。例如“七姊妹星团”或称“昴星团”（pleiades），距地球星 417 光年， 每颗恒星都是年龄不大的青年星，5 千万年前出现。星数约有 1000，大星可以目见的只有 6 颗。这 6 颗大星全是蓝光星，光色优美。据说其中有 1 颗小恒星，视力特佳的人才能见到。

太空内还有的星云既不能辐射，又不能反射，但可以吸收星光，这样的星云叫做吸收星云（absorption nebula），也叫做黑暗星云（dark nebula）， 有消光作用。例如猎户座马头星云，可以消失星光，使附近黑暗，但是通过这暗区尚可望见后方太空内大星。又例如北美洲星云 （ North AmericaNebula），编号为 NGC7000，位于天鹅座内，既有大片发射星云，轮廓近似北美大陆，又有大片黑暗星云，掩盖发射星云的边缘，类似墨西哥湾。当大片云气接近一颗灼热的恒星（O 型或 B 型）温度超过 10000°K 时，这大片云气内的氢受到辐射，可以放光，这就成为发射星云。热星可以使相距 500 光年以外的云气影响。为什么不用“遮蔽”而主张用“吸收”二字？理由很简单，试用光学望远镜，北美洲星云以东大西洋及其以西太平洋内，依旧有星，证明并非是被遮蔽了，而仅是因光度微弱。这现象只能用“吸收”来说明。

前方是大片黑暗星云，后方是明亮的发射星云，可以组成一幅鲜明的轮廓。例如奥米加星云（Omega Nebula），在人马座内（Sagittarius）发射强光，因为它附近有许多颗青年星都是蓝光星，星云由氢原子组成，放出红光， 被附近一片黑暗星云吸收，但大星的光依旧一一射出，并未全部被吃掉。又如人马座三叶星座象似一朵鲜花，向外发射红光波，但为前方浓厚的黑暗星云所吸收，把星云隔成三块，好似一朵有三个瓣的红花。星云的红光来自氢的加热。

银河星系内具有高能区。用光学望远镜看银河星系是一种形象，如改用红外线制成的影片，则具有另一种形象。至于使用射电天文镜收取射电源， 又是另一番景色。现今又有伽马线及 X 射线等仪器可探测它们的来源。这种种射电源都是高能的空域。寻找黑洞的专家都向这些空域去探索。

天文学家怎样知道银河星系的形状晴夜望空，可以看到一条宽狭不一的银白色亮带，那就是中国人常说的“银河”，西方人叫做“奶路”（MilkyWay），即银河星系。银河星系是一座旋涡星系（spiral galaxy），从侧面看似一只扁平的凸透镜，又象一只中部微凸的圆盘。圆盘中心致密区叫做“银核”

（galactic bulge）。银核内能量很高，成为“银河星系核子核”（galactic nucleurbulge）。银核半径长达 16000 光年。银河周围扁平如盘，叫做“银盘”（galactic disk）。银盘围绕银核，半径长达 5 万光年（由银盘边到银心）。太阳恒星的位置距银心 3 万光年，距银盘边有 2 万光年。银盘的厚

度约有 2 千光年。银盘形成较晚，其中多是青年星。银核形成较早，其中多是老年星，星际气体及星际尘埃分布很普遍。银盘边缘并非平整，微微向下弯曲，由于附近大、小麦哲伦星云有强大的引力。

  • 图 4 银 盘 银 晕 及 银 冕 示 意 图A：银盘中部突起是银核，核内是银心。 B：环绕银盘是银晕，其中散布许多星团。 C：环绕银晕的大环是银冕，似乎银冕内有微弱的星体或中微子。

银盘周围的空间内全是球状星团组成的粒子流，叫做“银晕”（galactic halo）。银晕以外粒子流渐稀，叫做“银冕”（galactic corona），类似日冕，在太空内形成一个大圆球，把银晕完全包围起来。银冕半径 15 万光年， 比银盘半径多两倍，比银晕多一倍。

天文学家认为银河星系为盘状，不是毫无根据的。假设把银河星系的星

都放在一个圆盘体内，或放在扁平凸透镜以内，同时把视点也放在盘里，然后向周边看，会觉得这凸透镜玻璃体十分厚，星的分布十分拥挤；然后向上看或向下看，又觉得这凸透镜玻璃体十分薄，星数也只是三三两两，非常稀疏。现在如果你把视点放在地球星表面上向前方看，由于星数太多，分布太密，投影在天球视面之上成为银色光带，即“银河”；如果向上看，北天球星数甚少，分布又稀，如北极星及大熊星座一带为空域；如果向下看，为地球星本体所遮蔽，南天极附近的星一个也看不见，必须到赤道以南才望得见， 但南天球星数也少。这现象显示出了“盘”的形式。以上说明，这银河星系确具有扁平凸镜型的模式。

实际上，银河星系也不是一个完整的盘子，由核部到边缘有巨大开裂， 其间是一条一条旋臂（Spiral arm），由里向外呈顺时针方向旋涡状伸出。夜间望空，带状银河并非规律，宽狭不一，弯弯曲曲，象似大河有干流及支流一样。支流就是旋臂，例如猎户旋臂，就是由猎户座及其附近的星座共同组成的。

宇宙空间有许多星系为旋涡状星系，例如仙女座星系 M31 （编号NGC224）、大熊座内 M81 及回普星系（编号 NGC5194）、后发座星系（编号NGC4565）等等。

旋涡星系又称螺旋星系。单按“旋涡”与“螺旋”两词，含义完全不同。前者指流水注入漏斗孔内而出现的旋涡，这是由外向内集中的现象；而后者的方向则与旋涡完全相反，由中心向外发展，愈展愈大也愈远。但是，银河星系的旋臂，不是由旋转射出来的，也不是由周围四面八方向银心方面旋涡的集中。因此，这两个词形容银河星系的形象并未指出其运动方向，并未包含“集中内流”或“分散外流”的意思。因此，两词在此都可使用。

荷兰天文学家已证实银河星系核子核内有两个小旋臂，各自呈直线型地向后退。它们既不是螺旋型，也不是旋涡型。一个旋臂向太阳后退，另一个旋臂采取相反的方向后退，都是直射式。银盘内有两个大旋臂：一个是人马臂（Sagittarius arm），位于内侧；一个是英仙臂（Perseusarm），位于外侧。这两条旋臂都位于太阳附近，它们各自向后退，愈退距银心愈远，致使银河星系向宇宙空间扩展。由于星系本身有自转，旋臂外段在自转运动中较里段落后，才形成旋涡状或螺旋状。人马臂外段有一部分由于落后太大，居然脱离，成分支臂，叫做猎户突起或猎户臂（Orionspur 或 Orion arm）。太阳恒星与猎户座都在这个臂内。

如果我们能升到银河星系上空向下望，这些旋涡长臂作顺时针方向。如果把视点放在银河星系下方向上望，这些旋臂又作反时针方向。

假如有读者要问：地球星无止境地向前进，无尽期地航行，是否有奇遇？ 这很难回答。因为人类的两眼，有许多东西是看不见的。看不见时不能说没有。不能回答，并不等于地球星将来就没有奇遇。人的视力是有限的。视力好的人在晴夜观空，同一时间内也只能望见恒星 3000 颗。如用望远镜观察，

估计可看到银河星系内 1 千亿颗左右。然而人的视力只限于可见光，这光的波长介于 0.4～0.7 微米；波长短于 0.4 微米的是短波，肉眼看不见；波长超过 0.7 微米的是长波，肉眼也看不见。肉眼能看见的电磁波只占 40%，也仅限于附近的宇宙空间，遥远的依旧望不见。天文学家可以使用 X 射线望远镜与射电望远镜观察，以扩大探测的范围。有了新工具，可以发现新物质，可以发现地球星是在连续前进以接触新环境，放弃旧环境，这些是不为人们所

觉察的。

康德星云假说似乎含有一点真理 1755 年德国哲学家康德发表《宇宙发展史概论》一书，主张万有引力使星云自身的密度增加，而且能够自转，逐渐成为灼热的太阳。太阳及太阳系内大小行星全部由原始星云产生。1796 年法国数学家和天文学家拉普拉斯也创星云假说，说法稍有不同。他发表的《宇宙体系论》一书中主张由一片炽热发光的星云自转而形成太阳，也形成太阳系内各大行星。两人主张的差异是：康德认为星云微粒不是炽热的；拉普拉斯则认为是炽热的。20 世纪内新的假说甚多，但可信的较少。

20 世纪内所有的假说都不能完全解答下列现象，列举如下。

  1. 各行星的轨道面同黄道面（地球星的轨道面）完全不一致，而且交角大小不一。例如水星为 7 度 0 分 17 秒，冥王星为 17 度 7 分 56 秒，天王星

只有 0 度 46 分 27 秒。其他行星介于 1～3 度之间。如果都由太阳中分出来， 为什么会出现这么大的差异？

  1. 各行星的轨道都不是真正的浑圆形，全是椭圆形的，而且偏心率

（eccentricity）彼此相差很大。偏心率最小的是金星及海王星，均小于 1%。偏心率最大的是冥王星，超过 25%；其次是水星，超过 20%。前者距太阳最远， 后者又最近。那末为什么距离太阳最远或距离最近的都有较大的偏心率？介于其间的偏心率反而较小，是什么原因？

  1. 太阳由西向东自转，其他凡属太阳系的天体也都应该由西向东转。为什么金星（太阳系内第二颗大行星）却由东向西自转，与太阳的自转方向完全相反？又，木星的卫星中第九个叫做木卫九，也是由东向西进行绕木星公转。此外，木卫八及木卫十一也是由东向西转，与木卫九同方向。又海王星第一个卫星叫做海卫一，也是逆转的。这是为什么？

  2. 太阳位于太阳系中心，应该自转很快。事实上，太阳自转一周平均速度为 25.38 日。各行星远离太阳，应该比它慢，然而木星自转一周才 9 小

时又 50 分钟；土星自转一周才 10 小时又 13 分钟。地球星为 24 小时，只及太阳自转时间的 1/25。这又是为什么？

  1. 太阳是气态，密度很小。地球星是固态，密度特大，在九大行星中列第一位。太阳、木星、土星及天王星都小于地球星，而且小于它的密度的1/3。为什么接近太阳的4 颗行星密度特大？又为什么远离太阳的4 颗行星（冥王星除外）密度特小？其中尤其是土星，它的密度只有太阳的 1/2，只及地球星密度的 1/9。

  2. 太阳是恒星，质量很大。为什么接近太阳的 4 颗行星（水、金、地、

火）质量都小？距太阳较远的 4 颗行星（木、土、天王、海王）质量都大。什么原因？

  1. 太阳辐射依赖原子氢及原子氦。组成水、金、地、火 4 颗行星的化学元素是硅、镁、铁、铝等。其差异很大，为什么？

气态的太阳恒星为什么会生下来 4 个圆圆的大石头？水、金、地、火 4

颗行星，再加上月球共 5 个大石头，同太阳恒星完全不同。这说明原始星云假说距事实太远，很难成立。

太阳不是静止的，它不仅受银心的引力，环绕银心公转，而且它在猎户臂内向前直进。创立星云假说的人忽视了太阳的运动，因此不切合实际。

我认为，太阳向前进，当然也是在放弃旧环境，接触新环境。这新环境是什么？我推测，原始的太阳星云前进时撞上了一片黑暗星云，出现了巨大

变化，才造成种种行星。

太阳是壮年星，有 50 亿岁，属于星族Ⅰ。在 100 亿岁左右的恒星是老年恒星，属于星族Ⅱ。如果年龄更高，属于星族Ⅲ，可列入死亡或接近死亡的黑星。黑星崩解破碎，化为宇宙尘，组成黑暗星云。例如煤袋或马头星云。据推测，当银河星系自转而又开裂，并出现猎户臂之时，银盘边缘比较松弛。太阳恒星前身是一片炽热的发射星云，由氢原子组成，环绕银心做公转，旅途内撞碰一片黑暗星云。两片星云各有引力。发射星云热力高，旋转快，一方面继续自转，一方面浓缩成为恒星；后来把核部氢点燃，进入主序，成为主序星。这就是今天所见的太阳。黑暗星云较松散，被撞以后分裂为若干碎块，每块继续自转、公转、浓缩，各自形成一颗行星。太阳系内已发现有九颗行星。冥王星轨道外，可能也有行星。由于体积较小，反照率又弱，高倍望远镜也看不见。