银河系概念的初步确立

第一节　银河系概念的初步确立

牛奶是什么样的？你也许觉得这是个可笑的问题。“牛奶是牛的乳汁，是一种白色的不透明液体”，真是这样吗？我们不妨仔细看一下。取一滴白色的牛奶放在玻璃片上，再将它放到显微镜下，你将看到，牛奶并非如在杯子里的那样白茫茫的一片，而是一些极细小的白色微粒悬浮在几乎是透明的液体中，那为什么牛奶看起来是一片白色呢？原因是这种白色微粒实在是太多了，以至于看起来连成了一片。

如果把牛奶中的这些粒子放大许多倍，以至于它们放大到像恒星一样大。并且粒子的数量不变，那么我们从远处来看这一“杯”恒星，仍将看到白茫茫的一片。

9月份的一个晴朗的夏夜，我们往往可以说看到天空中有一条白色的亮带。这条亮带在中国古代传说中被称作“银河”，而英语则将它称作“牛奶大道”。这条“牛奶大道”其实是数不清的星星，只不过由于星星太多，所以看起来连成一条光带了。这与为什么牛奶看起来是一种白色液体是同一道理。

但正如大多数人会认为牛奶是一种白色液体一样，人们当初也并不知道银河是由恒星构成的，包括伟大的哥白尼也不知道。他认为，恒星只是固定在遥远的“恒星天”上的光点。16世纪下半叶，布鲁诺取消了哥白尼理论中恒星天的概念，并认为宇宙是无限和无中心的，恒星是遥远的太阳。17世纪初，伽利略用望远镜对准了银河。他吃惊地发现，原来的那条白带子当中竟有无数暗弱的恒星，但当时“恒星天”的概念已经根深蒂固，很多人仍相信恒星是固定在遥远天球上的光点。

1717年，英国天文学家哈雷发现，恒星的位置并非固定不动的，它们在缓慢地移动，这就是恒星的“自行”现象，后来人们通过视差法测出了恒星的距离，结果表明，恒星都非常遥远，并且距离各不相同。把太阳放在那么远的地方，它也就成了一个光点。这时人们已开始相信，恒星的确是一个个遥远的太阳，当人们认识到这一点后，紧接着产生了一个新问题：既然恒星都与太阳相仿，那么它们之间有什么内在联系？恒星是否会构成一个更大的天体系统？对于这些问题，天文学家们纷纷作出猜测。

18世纪20年代，瑞典的斯维登伯格认为，恒星都是银河系的成员，它是一个动力学上的完整体系，这种体系在宇宙中也不是唯一的。这也许是人类第一次认识到宇宙中还有许许多多的“银河”。

1755年，康德在《自然通史和天体论》中指出，极大部分恒星都在以银河系为基本平面的两边集中，只有少数恒星远离这个平面，所有这些恒星组成了一个巨大的天体系统，而整个宇宙是由无数个这种巨大的天体系统构成。

1761年，德国学者朗伯格对恒星世界的结构提出了一种无限阶梯式宇宙模型。他认为，太阳系为第一级体系，太阳及其周围的许多恒星构成庞大的恒星集团是第二级体系，这些天体都围绕一个巨大的“中心太阳”转动。银河系是这种庞大恒星集团的总和，构成了第三级体系。而这一级体系又围绕一个超巨质量体旋转，第四、第五级由此类推，直至无穷。

这些学者们都只对恒星世界提出了一种预见，其中有的还是相当出色的预见，但它们并未能对其预见提供实践上的证实，而首先从观测上来检验这些假说的则是著名的威廉·赫歇尔。

赫歇尔没有满足于斯维登伯格、康德、朗伯等人的推测。他决定通过自己的预测来研究银河系的结构，他自制了一架口径46cm的反射望远镜，并用它来预测许多特定的天区，一一数出这些天区中的星数及亮星与暗星的比例，这种方法实际上就是后来常用的天文统计法，由于受条件限制，赫歇尔不得不对他的观测作了一些假设：①宇宙空间是完全透明的，他的望远镜能看到银河系的边缘的恒星，②恒星的分布在空间上是均匀的，这意味着如果一个天区的恒星越密集，那银河就在这个方向延伸得远，③所有恒星光度一样，恒星视亮度不同是因为它们距离不同所致。

基于以上假设，威廉·赫歇尔发现，在银河附近比远离银河方向上的恒星多得多，并且暗星数目增加更快，通过对各方向的预测统计，1785年，赫歇尔获得了一幅银河系的结构图。从这幅图来看，赫歇尔的银河是扁而平，轮廓参差的，并且太阳在银河中心。

由于时代的局限，赫歇尔得出的银河图与实际的相去甚远。他的几项假设都过于粗略，事实上，由于星际物质消光作用，宇宙空间并非完全透明，他所用的46cm口径望远镜亦远不能看到银河系边缘；而恒星光度完全不是相同的，差异非常大。这些都与他的假设不符，因此，赫歇尔对银河的见解大都是不正确的。后来，赫歇尔本人也意识到了这一点。不过尽管存在种种缺陷，赫歇尔在银河结构上的开创性建树的功绩是不可磨灭的。

赫歇尔的另一重要贡献是，他证实了别的类似于银河系的集团的存在，这仍得益于他巨大的反射望远镜。他从法国的梅西耶编的星云星团总表中选出了29个原先被认为是“无星的星云”进行预测，发现它们都是由无数小星星组成，他根据预测结果断言，星云都是由恒星组成的，它们就是一些类似于银河系的集团，虽然当时还有一些无法分解为恒星的星云，但他相信这些星云在更大的望远镜里是能够被分解为恒星的。

由于赫歇尔的巨大威望，他的星云说被人们普遍接受。

但事情并未就此结束。关于宇宙中的那些星云是否就是和银河系一样的星系这一问题上，人们进行了长时间探索和争论。

虽然经赫歇尔的努力，不少星云被分解为恒星，但仍有许多星云无法分解，有一些星云甚至可以确定就是一团云状物，如编号为NGC1514的行星状星云，中间有一颗星可以被观测到，四周是云。

在试图用更大的望远镜来分解星云的尝试失败以后，天文学家们只得另辟蹊径。英国天文学家哈金斯和意大利神甫赛奇发现，恒星的谱线是连续光谱上有吸收线，而气体云的光谱是明亮的发射线。照这样看来，通过光谱很容易辨别星云是否由恒星组成了：谱线为发射线的为气体云，若为连续吸收光谱，那它就是由恒星组成的，这一点或许初中生也能理解，但事实上并非那么简单。天文学家们像赶潮流一样，纷纷拍摄了许多星云的光谱。但预测结果使他们茫然：一些气体云表现为明线光谱，而另一些则是和恒星一样的连续吸收光谱，更让人费解的是，像仙女座大星云这样的最早被分解为恒星的星云，它的光谱既不是明线光谱，又不是吸收光谱，而是连续光谱，这是为什么？

后来，人们用大望远镜经过长时间曝光，拍到了仙女座大星云的光谱。除连续光谱外，许多吸收线清晰可见，这证明了它的确是由恒星组成的。另外人们也意识到，那些具有吸收谱线的星云，并不是自己发光，而是反射了近旁恒星的光，就像月球反射太阳光那样，这使得这些星云具有了和恒星相同的光谱。但当时天文学家们并没有想到这一点。他们又想出了第三种辨别星系的途径——距离。

当时人们估计银河系的范围为数万光年。如果知道了那些星云的距离，就可辨别出它们是银河内的一团云还是银河以外的星系了，就好比知道了一个城市离北京200公里，那它一定是在中国；而如果离北京8000公里的话，那一定是在外国，或是太平洋上某个地方。1915年，美国天文学家柯提斯想到可以利用自行和视向速度间的关系来求星云的距离，他用这种方法，并参考别人资料，得出了星云平均距离为一万光年的结论，因此他断言，星云是银河系内的成员。但后来，他认识到自己的看法错了，有的星云可能在1000万光年之外，因此他认为，河外星系确实存在。

后来经哈勃等人的努力，1924年测出了仙女座大星云距离为90万光年（现测为200万光年），远在银河系之外，因此它是一个河外星系。河外星系确实存在，后来的许多研究不断充实了这一结论，河外星系的存在最终被证实了。

河外星系从概念的提出到被证实，前后共经历了170多年，其间几经起伏，对它们进行研究实在太困难，因为它们远得难以想象，我们不能到那里去，能利用来研究它们的所有信息就是那一点点暗得几乎看不见的光线。但人类的智慧的确很伟大，单从这一点点光线之中便获得了无数宇宙深处的奥秘。