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在地球之外600公里，飛行著一只智慧的機(jī)械“眼睛”——哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，它把目光投向了無垠的宇宙深處。跟隨著它的視線，我們將進(jìn)行一次穿越時(shí)間與空間的探索之旅。
想象一下，如果我們離開地球去做一次星際旅行，沖出大氣層，先來到月亮，之后是火星、太陽、半人馬座、銀河系。如果把天體分成若干層次，離我們最近的是太陽系內(nèi)的行星系統(tǒng)，包括像地球、土星、木星這樣的大行星，及小行星、慧星等天體；下一個(gè)層次的天體是恒星，恒星跟太陽一樣，因?yàn)槠鋬?nèi)部質(zhì)量很大，中央的溫度和壓力都特別高，而會(huì)發(fā)生氫聚變反應(yīng)。在恒星的中央不斷地發(fā)生著氫彈爆炸似的過程，不斷有巨大的能量從中央產(chǎn)生，并通過表面輻射出去；比恒星更大的一個(gè)層次的天體叫星系，往往由上千億顆恒星組成，像銀河系；以星系為端源，可以構(gòu)成更大的尺度，叫作星系群，或更大的星系團(tuán)；再往上就是由大尺度結(jié)構(gòu)推出去的整個(gè)宇宙。 自1990年至今，科學(xué)家利用哈勃望遠(yuǎn)鏡在行星、恒星、星系以及宇宙學(xué)等方面有了很多重要的發(fā)現(xiàn)。跟著哈勃看宇宙，就從身邊的太陽系開始吧。
在無邊際的宇宙中，地球的近親就是那些同在太陽系中的天體。大約45億年前，巨大的氣體和塵埃逐漸形成了太陽系。 不可思議的是，正是附近恒星的熱核爆炸，觸發(fā)了太陽系的誕生。也許是爆炸的破壞力量打亂了原始?xì)怏w云的平衡，引起了一些物質(zhì)向內(nèi)塌陷、朝中心聚集，產(chǎn)生了新的恒星——太陽。而極少部分塌陷物質(zhì)自多個(gè)方向，匯集而成了行星，換句話說，我們的地球只不過是太陽出生后的剩余產(chǎn)物罷了。 行星生于恒星周圍的塵埃盤，像地球這樣的行星形成于離太陽較近的地方，而那些氣巨星則形成于離太陽較遠(yuǎn)的地方。而后，當(dāng)猛烈的原子風(fēng)從太陽與附近熾熱的恒星或鄰近的超新星刮來時(shí)，只有塊頭足夠大的行星可以保留裹住自身的氣體，而行星之間的縷縷稀薄的氣體云則被吹散了。 所以，太陽系的行星，要么是石作的骨肉，要么是氣體巨人。 盡管已有多年的研究，但太陽系仍充滿著許多待解的謎團(tuán)。即使現(xiàn)在，我們也無法準(zhǔn)確估算太陽系的物質(zhì)總量，甚至連太陽系內(nèi)有多少顆行星也不能確定。 幾個(gè)世紀(jì)以來，尋找大行星的研究從未停止過，20世紀(jì)30年代人們發(fā)現(xiàn)了冥王星，20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)了它的衛(wèi)星“卡戎”。之后，天文學(xué)家一直試圖尋找比冥王星更遠(yuǎn)的地方是否還有大行星。2003年，哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)快速劃過遙遠(yuǎn)星空的東西，它是太陽系中的天體，從其體積推測(cè)是顆行星，人們以北極因紐特人女神的名字一塞德娜命名這顆行星。(圖1) “塞德娜”直徑約1500公里，相當(dāng)于冥王星的四分之三。由于它太遙遠(yuǎn)了，乃至在哈勃望遠(yuǎn)鏡看來，也僅是一小團(tuán)模糊的像素。 “塞德娜”距太陽150億公里，是地球與太陽距離的100倍，由于離太陽太遠(yuǎn)，那里只有寒冷的冬天。發(fā)現(xiàn)“塞德娜”還不是尋找冥外行星最精彩的部分，2005年哈勃望遠(yuǎn)鏡還發(fā)現(xiàn)了一顆叫鬩神星的行星，其準(zhǔn)確直徑為2385公里，略大于冥王星2275公里。因此冥王星被擠出了九大行星。另外，在太陽系內(nèi)還有許多神秘的星際流浪漢，它們吸引了更多研究人員的目光，因?yàn)樗鼈兊钠茐牧Σ恢囊惶鞎?huì)直達(dá)地球，它們就是小行星和彗星。行星形成后的殘余，變成了小行星和大小各異的彗星，它們幽靈一樣地神出鬼沒，有時(shí)它們的軌道會(huì)指引它們走向毀滅。(圖2)
 哈勃望遠(yuǎn)鏡跟蹤彗星碎片直到它們的最后一刻，并發(fā)回了讓人恐懼的木星創(chuàng)傷照片，上面每塊黑色的傷疤都能輕而易舉地裝下地球。 這表明行星系統(tǒng)在形成和演化過程中，要經(jīng)歷無數(shù)次的碰撞事件，20世紀(jì)90年代發(fā)生的彗星撞木星的事件就是代表。這種事件如果發(fā)生在地球上，將是巨大的災(zāi)難。 為了防備彗星撞擊地球，現(xiàn)在有不少裝備精密儀器的空間探測(cè)器被送到太空，以研究太陽系內(nèi)的行星。它們提供了那些行星的特寫照片，時(shí)刻觀察著地球周圍的天體。(圖3) 哈勃望遠(yuǎn)鏡打開了一扇面向太陽系的風(fēng)光旖旎的窗口，讓我們看到了前所未見的景觀：鄰居行星上的大風(fēng)暴、季節(jié)的變幻、各種大氣層變化，比如極光。 在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡眼里，這些鮮為人知的太陽系風(fēng)景，告訴我們太陽系內(nèi)還有很多待解的謎團(tuán)。 有一天人類會(huì)移居到另一個(gè)星球上嗎?難道只有地球上存在生命嗎?宇宙中有與人類相似的生物嗎? 現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，除地球之外，太陽系內(nèi)的行星上都不宜居住人類?？茖W(xué)家利用哈勃望遠(yuǎn)鏡將視線投向其他恒星，去尋找其行星系統(tǒng)中的適宜環(huán)境和外星生命。 于是，人們投入大量精力，希望能夠?qū)ふ业教栂低庀竦厍蜻@樣的行星。2001年，哈勃望遠(yuǎn)鏡第一次直接探測(cè)到了一顆太陽系外行星的大氣層，并部分確定了它的組成成分，探測(cè)其大氣層的化學(xué)構(gòu)成將指引我們尋找外星的生命跡象。(圖4) 一切生命都需要呼吸，哈勃望遠(yuǎn)鏡恰恰具備了探測(cè)這顆行星大氣層化學(xué)成分的能力。天文學(xué)家相信存在著許多與地球相似的行星，它們圍繞著銀河系中的其他恒星旋轉(zhuǎn)。恒星的出生、成長(zhǎng)、死亡和重生，是無休止的循環(huán)；恒星生于氣體和塵埃中，在數(shù)百萬、數(shù)十億年中發(fā)光發(fā)熱；死亡后又變回氣體和塵埃，去孕育另一顆新的恒星。因此，廣袤的宇宙才會(huì)生生不息。
這個(gè)循環(huán)過程中的副產(chǎn)品包括了行星及可能產(chǎn)生生命的一些化學(xué)元素。即便某些行星擁有產(chǎn)生生命的化學(xué)元素，但要有生命的存在，還需具備適宜的溫度、液態(tài)水和大氣層。而這些條件又取決于行星與恒星的距離和恒星質(zhì)量的大小。 哈勃望遠(yuǎn)鏡近幾年還創(chuàng)造了多個(gè)尋找太陽系外行星的第一：第一次獲得恒星HD209458周圍行星的大氣成分；第一次發(fā)現(xiàn)太陽系外行星上的二氧化碳；第一次發(fā)現(xiàn)太陽系外行星大氣中的有機(jī)分子。這些都是令人浮想聯(lián)翩的發(fā)現(xiàn)。 過去就認(rèn)為太陽系應(yīng)該不是銀河系中唯一的，但受到地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的限制，即便離我們最近的一個(gè)恒星的周圍是否有行星也無法看到。20世紀(jì)90年代，居然用一種先進(jìn)的物理手段發(fā)現(xiàn)了另外一個(gè)恒星也有行星。十幾年來，已發(fā)現(xiàn)太陽系周圍有超過400個(gè)恒星有自己的行星和跟行星系。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡不僅驗(yàn)證了有太陽系之外的行星系統(tǒng)，而且還看到它們都是類似于太陽系這樣的盤狀，表明太陽系這樣的形態(tài)在宇宙中是普遍的。這為尋找類似于地球這樣可以適合生命誕生的天體，打開了開闊的視野。 不過，所有的行星都受其母星一恒星所影響，所以研究恒星才能從根本上解決行星的各種問題。這也是為什么人們不停地研究太陽的原因。 太陽是地球的生命之源，也是一顆普通的恒星，其形態(tài)就像分布在銀河系中的其余數(shù)十億顆恒星一樣。恒星是炙熱的氣體球，它由塌縮的氣體云形成，一生都在穩(wěn)定地釋放能量。(圖5)  這個(gè)氣體球表面溫度高達(dá)三千度至兩萬度，內(nèi)部核心溫度有上千萬度。同時(shí)，由于恒星上部的物質(zhì)壓力，使其內(nèi)部壓力非常大，由此產(chǎn)生了核聚變，4個(gè)氫變成1個(gè)氦，太陽就是由氫變氦放射出能量提供給人類光和熱的。
實(shí)際上，所有的恒星都是通過一系列像太陽內(nèi)部一樣的核聚變將輕元素轉(zhuǎn)換成重元素的核工廠，它們會(huì)持續(xù)地發(fā)光發(fā)熱，直到“燃料”耗盡。恒星的一生是靜悄悄地開始，波瀾不驚地成長(zhǎng)，轟轟烈烈地結(jié)束。
科學(xué)家一直想弄明白恒星從出生到死亡的全過程，但這個(gè)過程要經(jīng)歷數(shù)百萬年甚至數(shù)十億年，比人的生命長(zhǎng)得多。這也是為什么我們根本不可能去研究單個(gè)恒星的老化過程。那我們?cè)撊绾稳パ芯窟@個(gè)問題呢? 如果研究地球某種生物的生命周期，也沒有必要去追尋一個(gè)獨(dú)立生命體的完整軌跡，而可以一次性觀察眾多生命體，它們就能夠展示那種生物生命周期的不同階段。 同樣，為了了解恒星，我們可以將處于不同階段的恒星進(jìn)行抽樣分析，從出生到死亡，再將其結(jié)果拼接起來。哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的生動(dòng)照片，展現(xiàn)了恒星出生時(shí)的混亂環(huán)境，相鄰的柱體是恒星的育嬰室，它相當(dāng)于一臺(tái)時(shí)間機(jī)器重演著太陽系的產(chǎn)生過程。(圖6)(圖7)  創(chuàng)造柱是搖籃中的恒星的守護(hù)者，新生的恒星發(fā)出溫暖的光取悅著它們。哈勃望遠(yuǎn)鏡以前所未有的方式展現(xiàn)了恒星嬰兒的樣子。
哈勃望遠(yuǎn)鏡最令人興奮的發(fā)現(xiàn)之一，是觀測(cè)到了在獵戶座星云深處包含著新生恒星的塵埃盤。這個(gè)塵埃盤上正上演著最終會(huì)有行星形成的、類似太陽系的創(chuàng)造過程。太陽系45億年前就是這樣出生的。 探索生命的規(guī)律要經(jīng)歷從出生到死亡的過程，看過了恒星壯美的出生，我們?cè)偻驴?。其?shí)恒星和恒星是不一樣的，它們以質(zhì)量的大小分為幾類，不同類別的恒星，其走向死亡的過程不同，最終的結(jié)局也截然不同。 通常情況下，許多恒星都是由同一朵氣體塵埃云孕育出來的，有些恒星會(huì)一輩子呆在一起，就像一起長(zhǎng)大的兒時(shí)好友。星團(tuán)中所有的恒星都是同歲的，但它們的質(zhì)量卻各不相同，這意味著它們有不同的未來。 直接觀測(cè)到恒星不同階段的演化真是意外的幸運(yùn)，在過去20年中，哈勃望遠(yuǎn)鏡觀察到了一些恒星的成熟和衰老，拍攝到了令人吃驚的恒星圖像。 從這些恒星圖像上看，似乎質(zhì)量越大的恒星，其結(jié)局越悲壯。 比太陽大5至7倍的恒星，叫作中等質(zhì)量恒星；更大質(zhì)量的恒星叫作大質(zhì)量恒星，然而它的壽命可能非常短，比如像20個(gè)太陽質(zhì)量的恒星，其壽命大概是100萬年；而太陽的壽命是100億年。大質(zhì)量恒星因?yàn)橘|(zhì)量很大，在生命演化結(jié)束時(shí)會(huì)通過超新星爆發(fā)的形式結(jié)束生命。 大質(zhì)量的恒星在大爆炸中自我毀滅，變成超新星。 大爆炸后，超新星爆發(fā)會(huì)成為宇宙中最明亮的天體。在長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的強(qiáng)烈能量釋放中，它的光芒勝過同一星系里的其他恒星。(圖8) 這個(gè)場(chǎng)面絕對(duì)驚心動(dòng)魄、慘烈恐怖；然而我們?cè)陔x它很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的地方看，都是一場(chǎng)美麗的綻放。 公元1054年，發(fā)生了一次超新星大爆發(fā)，中國古代天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)并詳盡地記述了它的過程。 自從1990年發(fā)射升空，哈勃望遠(yuǎn)鏡一直關(guān)注著一朵蟹狀星云的戲劇性變化，它是近代最亮的一次超新星爆炸后的遺跡，即是由中國宋代天文學(xué)家記述的那顆超新星爆炸后的遺跡。(圖9) 哈勃望遠(yuǎn)鏡一直在監(jiān)測(cè)包圍爆炸中心的環(huán)狀云氣，其環(huán)上的亮斑，就像是鑲嵌在項(xiàng)鏈上的寶石。這些宇宙“珍珠”，其實(shí)是爆炸時(shí)產(chǎn)生的超音速?zèng)_擊波點(diǎn)燃的氣體。超新星爆炸的遺跡隱藏著強(qiáng)大的動(dòng)力。之后，哈勃望遠(yuǎn)鏡還探測(cè)到這朵蟹狀星云的中心，還處在運(yùn)動(dòng)中。在星云中心的最深處住著一顆特殊的星：脈沖星，它像一座宇宙燈塔，有規(guī)律地旋轉(zhuǎn)著，掃射出一束束光和能量，并將動(dòng)力提供給由它周圍的塵埃和氣體組成的巨大星云。(圖10)  美麗的星云與神秘的脈沖星，都來自于公元1054年那次超新星爆發(fā)。通過對(duì)恒星的抽樣研究得知，這應(yīng)該是一顆較大質(zhì)量恒星死亡時(shí)所造成的。
大質(zhì)量恒星的死亡是以超新星爆炸的方式結(jié)束，但不是所有的恒星都以這種激烈的方式終結(jié)。像太陽這樣的小質(zhì)量恒星，它們的死亡過程是截然不同的，但其最后結(jié)局也會(huì)變成不同的天體。 一般來說，25個(gè)太陽質(zhì)量以上的恒星，它塌縮后往往會(huì)直接形成黑洞；而較小質(zhì)量的恒星，它形成的中央天體往往會(huì)演化成中子星或者也變成黑洞；而7個(gè)太陽質(zhì)量以下的中小質(zhì)量的恒星，往往通過行星狀星云的過程形成白矮星。 與太陽類似的恒星，一旦用盡氫元素會(huì)冷卻下來，由外向中心塌縮，燃燒重元素，向外拋射其外殼，慢慢向太空擴(kuò)散。這個(gè)階段的恒星被稱為“紅巨星”。 現(xiàn)在，太陽已是中年，再往后就要進(jìn)入晚年至老年期，氫越來越少，氦越來越多。再過40多億年，當(dāng)更多的氫變成氦時(shí)，其結(jié)構(gòu)將逐漸失去平衡，內(nèi)部的力量拉不住外邊，外邊就要散掉、擴(kuò)張。所以，太陽再過45億年后，將逐漸地?cái)U(kuò)大，以我們想象不到的稀薄的熱氣，首先把水星吞沒，再把金星吞沒，然后就輪到地球了。 紅巨星繼續(xù)膨脹，吞沒太陽系內(nèi)的其他行星。但這些恒星不甘于退出舞臺(tái)，還會(huì)變成其他不同尋常的東西，在生命的最后時(shí)刻，它們還會(huì)最后一次發(fā)出絢爛的光輝。 紅巨星在核聚變最后階段，會(huì)吹出恒星風(fēng)，使自身體積膨脹得空前巨大。在恒星的爆炸中心，噴涌出的強(qiáng)大紫外線照亮了它之前拋射出的氣體外殼。在早期的天文學(xué)家看來，這些奇特的天體有點(diǎn)像新發(fā)現(xiàn)的天王星，所以叫作“行星狀星云”。 哈勃望遠(yuǎn)鏡向我們展現(xiàn)了這些蝴蝶般的行星狀星云，真是千姿百態(tài)，姹紫嫣紅。那些炫目的照片讓人驚嘆：這些神奇復(fù)雜的發(fā)光體，有的像美麗的火焰輪，有的像漩渦氣流，有的像雅致的高腳杯，有的甚至像火箭推進(jìn)器。(圖11)  行星狀星云在宇宙漫長(zhǎng)的歲月中轉(zhuǎn)瞬即逝。在銀河系中每時(shí)每刻出現(xiàn)的行星狀星云總數(shù)不超過15000個(gè)。一顆死亡恒星的永恒遺物是最后留下的小小核心，只有地球般大小，但密度極大，這樣的天體被稱為白矮星。這就是天文學(xué)家根據(jù)現(xiàn)有知識(shí)，描述的太陽最后命運(yùn)的情況。 這些年，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡提供了很多實(shí)例，告訴我們恒星是怎樣從云霧中誕生，又如何逐漸變成一個(gè)發(fā)光發(fā)熱的天體，然后又怎樣變成老年；我們還從天空中找到了正在膨脹著的紅巨星，看到了正在爆炸的超新星；通過宇宙中不同年齡段恒星的這些景象，勾畫出了一個(gè)清晰的恒星演化圖像。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡20年來的成就，讓我們大大豐富了對(duì)恒星從誕生到死亡全過程的了解。 在今天的旅程中，我們跟隨著20年來哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝到的宇宙影像，看到了行星的撞擊、恒星從生到死的過程。不過，恒星和它的行星系統(tǒng)只是宇宙的細(xì)胞，而更高層次的天體——星系，才是構(gòu)成宇宙的基石。 這些天體離我們非常遙遠(yuǎn)，但令人難以相信的是，在更大尺度的宇宙空間里發(fā)生的神秘事件的確可以影響到我們，也許此刻，這種影響便發(fā)生了。 |
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