# 《群星的法则》

# 引言

1. 天文学的字面意义是“群星的法则”

# 第一章 我们在太空中的位置

• 月球背面在地球上是始终看不见的。月球绕地球一圈需要历时一个月，其间它只自转一周，因此始终将同一面朝向我们。

• 地球的引力和缓地发挥着作用，使得月球被拉长的部分逐渐朝向地球，经过数百万年的时间后减缓了月球的自转速度，直到我们熟悉的一面被始终锁定在面向地球的这一侧，月球背面便再也看不见了。

• 哈雷已经构想出了测算方法，但他知道自己活不到1761年，无法亲眼见证下一次金星凌日。他并没有就此气馁，而是给下一代天文学家留下了富有启迪的指引，敦促后人去观测凌日现象：“我一次又一次地向那些怀有好奇心且有机会（在我撒手人寰后）观察到这些现象的天文学家建议，他们应该记住我的这番话，要竭尽全力，勤奋地去进行这项观测；我诚挚地祝愿他们大获成功。”哈雷留下的指引起到了作用。在他去世近20年后，世界各地的天文学家聚集在一起，对凌日现象加以观测。他们是由法国天文学家约瑟夫-尼古拉斯·德利尔召集到一起的，他强烈支持国际科学界合作进行观测。

• 在那个年代，无论哪一种测量方式都非同一般，并且需要小心谨慎地将摆钟和望远镜运送到遥远的地点。为了准备观测1761年的凌日现象，一支支天文学家团队踏上了非同寻常的旅程，以便尝试进行这样的测量，他们分别踏足了南非、马达加斯加、圣赫勒拿岛、西伯利亚、纽芬兰和印度。关于这些令人神往而又富于挑战的探险历程，相关的记载比比皆是。有些人走了好几个月，结果却发现金星被云层遮住了；还有许多人卷入了始于1756年的七年战争。

• 南半球最精确的观测结果出自英国天文学家查尔斯·梅森和耶利米·迪克森之手，他们在好望角进行了观测，本来这两人是被英国皇家学会派往苏门答腊岛的，但他们乘坐的船遭遇了袭击，此后便改变了航向。二人取得的成功将他们引向了此后更广为人知的研究工作，即在美国勘察边境线——后来被世人称为“梅森-迪克森线”。

• 天文学家便采用了庞大得多的测量单位。“天文单位”即为其中之一，其定义是从地球到太阳的距离。

• 太阳的引力导致水星的自转减缓，就像地球导致月球的自转减缓那样。

• 火星之所以呈现出众所周知的淡红色外观，是由于其表面的氧化铁，类似于金属上的锈迹。

• 天文学家并没有把这些新天体通通归入行星，而是选择创建了一个新的类别，称为矮行星，其中也包括冥王星。

• 木星。它与岩质内行星不同，是一个巨大的气态球体，表面无法立足。这颗行星主要由氢和氦构成，覆盖着若干五颜六色的旋转气体层，由于氨气和硫黄等气体的存在而呈现出橙黄色，还带有独特的大红斑，那其实是一场持续了千百年的风暴，就像一只向外凝望的巨眼。

• 木星拥有为数众多的卫星。在晴朗的夜晚，用双筒望远镜很容易就能看到在木星这个较大的圆盘两侧排列着四个光点，这是它最大的四颗卫星[插图]，最早看见它们的人是伽利略。当天文学家开始了解夜空中毗邻的天体时，这些卫星堪称完美的目标。木卫三是木星最大的卫星，甚至比水星还要大。在这四颗卫星中，木卫二与木星的距离第二近，它特别令人着迷，因为其表面覆盖着冰封的海洋，冰下的海水很可能是液态的。在太阳系中，这里是除地球外最有希望出现生命的地方之一。

• 天文学家给出了一个正式的定义：行星应该是围绕太阳运行的圆形天体，体积要足够庞大，除其本身的卫星以外，没有其他体积相近的物体在同一轨道上运行。太阳系内的八大行星全都符合上述要求，但冥王星不符合。

• 两千多年前，希腊天文学家希帕克斯引入了恒星亮度等级划分，我们至今仍在使用这种方式来描述恒星的亮度。

• 1856年，英国天文学家诺曼·普森正式定义了星等的亮度比。他设定一等星比六等星亮100倍，然后提出了一种亮度比单位，即一等星每比某天体亮2.5倍，该天体的星等就比一等星高一级；一个天体的星等降低了五级，亮度也就增加了100倍（或者是2.5的五次方倍）。

• 离我们最近的恒星是比邻星，它隶属于由三颗恒星组成的半人马座α星，与我们仅有约4光年的距离。

• 天狼星（这是天空中最亮的一颗星）

• 假如从上往下俯瞰银河系的银盘，我们就会看到正中央是个亮度更高的光核，周围有四条聚满星体的旋臂，正围绕光核顺时针旋转，有点像水池里的水在绕着出水孔旋转。

• 太阳系邻近空间位于银河系的其中一条旋臂上，被称为“猎户座旋臂”，大概位于银河系中心到银盘边缘的中间位置。

• 当然了，顺时针与逆时针该如何定义，取决于上与下该如何定义。作为天文学家，我们已经确定了银河系所谓的“上方”是哪个方向：它位于银盘最接近太阳系“上方”的那一侧，即地球的北极以北的那个方向。但这两个所谓“上方”的方向并不相同，因为太阳系各行星所在的平面与银河系的盘面并没有对齐。如果你将食指向外伸出，拇指轻轻上挑，将银河系的盘面与食指对齐，则太阳系的盘面大致与拇指对齐。

• 我们可以想象一下，繁星汇成的盘面有点像平底锅的盖子，太阳就镶嵌在其中，位于从中心的盖柄到盖子边缘的中间某处。仰望天空时，我们会看到什么呢？不妨想象自己正置身于锅盖内，平底锅盖上缀满星星。因为邻近的星星环绕于四面八方，所以我们看到邻近群星散落在周围的各个方向，遍布于天空中。当我们径直朝锅盖对面看去、目光横穿银河系的银盘时，看见的星光源于众多星体，这条光带的光芒就显得更为明亮；而当我们朝锅盖外的任何一个方向看时，看到的星星数量要少得多，除了一颗颗明亮的星体，看到的唯有黑暗（图1.7）。

• [插图]图1.7 为什么我们眼里的银河是夜空中的一条光带

• 知道了造父变星的脉动周期与亮度之间的关系，就能推断出假设恰好站在该星旁边，它的亮度有多大。由此一来，造父变星便成了天文学中所谓的标准烛光，具有已知的固有亮度。通过用望远镜测量这颗恒星在地球上看来有多亮，我们就能推算出它的距离有多远。距离越远，这颗恒星看上去就越暗。借助这些造父变星，我们便可对银河系最遥远的地方乃至银河系之外的天体加以测量，时至今日，在对宇宙星体距离的测量中，这仍然是最重要的方法之一。

• 银河系存在于由50多个相邻星系组成的星系群中，我们称之为“本星系群”。

• 距离最近的河外星系是大麦哲伦星系和小麦哲伦星系。

• 16世纪，麦哲伦从西班牙出发，企图找到一条通往香料群岛（亦称东印度群岛）的新航线。在这次史诗般的航行中，欧洲人首次目睹了这两个星系，于是将其命名为“大、小麦哲伦星云”

• 仙女星系是我们单凭肉眼在太空中能看到的最遥远的天体之一。

• 仙女星系与银河系的距离超过200万光年，但天文学家们相当确信，几十亿年后，这两个星系必将发生碰撞。两者正以超过每秒80千米的速度向对方飞去，而且没有掉头的可能。星系间发生碰撞虽然属于重大的事件，但未必会给组成星系的行星和恒星带来浩劫。在太空环境中，恒星本身极为渺小，而恒星之间相隔的空间又极大，所以当星系撞到一起时，这些星体几乎没什么可能发生实际碰撞

• 本星系群中的其他星系都比银河系要小。其中最大的是三角座星系，该星系比仙女星系离我们稍远一些。三角座星系实际上并非三角形，而是圆盘形，之所以名为“三角”，是因为它在天空中的位置处于银河系众星形成的那个明亮的三角形中。三角座星系也出现在梅西耶的星表中，仙女星系的编号是M31，三角座星系则为M33。

• 超星系团中的各个星系团、星系群和星系是由引力维系在一起的；

• 一些天文学家表示，我们应当把超星系团看作最终会在未来某一时刻朝彼此的方向坍缩的天体群。

• 假设要像写信一样，写下我们在宇宙中的完整地址，那就应该这样来写：可观测宇宙，拉尼亚凯亚或室女座超星系团，本星系群，银河系，太阳系邻近空间，太阳系，地球。

# 第二章 我们来自恒星

• 光在玻璃或水中的传播速度比在空气中要慢，而且光的波长越短，速度减缓的幅度就越大。所以，蓝光穿过玻璃的速度比红光要慢，这就导致蓝光进入玻璃时比红光弯曲得更厉害。

• 最早出现的望远镜是大家最熟悉的那种，即用玻璃透镜聚焦可见光的折射望远镜。当光以一定角度射入弧形的透镜时，光传播的路径会发生弯曲，因为玻璃减慢了光的速度。

• 物镜的镜头越大，聚焦的光就越多。

• 开普勒则改用了凸透镜。然后，他把目镜移到了距离物镜足够远的位置，如此一来，穿过物镜并发生偏折的所有光先聚焦于一点，然后在射入目镜之前还会继续前进。通过这样的望远镜看到的图像是上下颠倒的，但是可以看到更大面积的天空。

• 在天文学中，红外线具有尤为重要的作用，因为它可以穿过阻挡可见光的物质，如宇宙气体云和尘埃云，让我们得以一窥太空中平常看不见的部分。

• 对大多数恒星而言，颜色越蓝，亮度就越高。这些恒星被赫茨普龙称为“矮星”。

• 需将恒星大致分为四种颜色即可，即红、黄、白、蓝，这四种颜色对应的恒星质量由小到大。

• 这些巨大的白色恒星和蓝色恒星所面临的生命最终阶段与太阳迥然不同。其中心部位的引力极为强大，致使其内核受到相当程度的挤压，不仅足以形成碳和氧，甚至还能一路朝着更重的元素演变，直到最后产生铁。它最终会像洋葱那样，形成一层又一层的结构，最靠近表面的是氢，然后向内分别是氦、碳和更重的元素，一直到内核部位的铁。但当其形成铁时，就大难临头了，因为铁原子聚合在一起时不会释放出新的能量。自然界把铁变成了一个临界点，因为铁和所有比铁更重的原子只有在分解时才会释放能量，在聚合时则不会。

• 当内核的密度变得与原子核的密度相当时，暴缩就会停止。在这一阶段，它主要由中子组成，此时，强相互作用力新产生的一种向外推挤的压力会占据上风。这是一种基本的力，一般发挥的作用是让中子和质子在原子内部聚集到一起，但当中子或质子相距过近时，这种力又会转而发挥排斥作用，使其分散开来。恒星的暴缩突然终止，使爆炸的方向逆转，瞬间转变为威力巨大的爆炸，将恒星的外层部分全部抛入太空。这种轰轰烈烈的事件就是超新星爆发。

• 恒星爆炸后的遗留物堪称整个宇宙中最奇异的存在之一。白色恒星在诞生之初仅比太阳重8到20倍，它们产生的遗留物是中子星：在所有恒星中，这种星体最为奇特，密度也最大。白矮星的情况已经算是非常极端了，它的质量与太阳相仿，大小却与地球相当。而中子星比白矮星还要极端，恒星原初质量中其余的部分已经被抛射到太空中去了，遗留的中子星比太阳要重好几倍，却被挤压成了一个直径仅有几千米的球体。

• 质量很大的蓝色恒星的内核质量不止于此，即使在超新星爆发之后也同样如此。最后引力造成的压缩力极其强大，没有任何向外的推力可以与之抗衡，这样一来，形成的就不是恒星，而是黑洞。黑洞确实堪称宇宙中神秘的怪兽。将至少两倍于太阳质量的物体挤压到直径仅有几千米的区域内时，就形成了黑洞。这里的引力变得极强，致使其质量被进一步挤压到极小（可能无限小）的空间内，必须以超过光速的速度才能逃离黑洞。既然比光速更快的物体并不存在，那就没有什么能从黑洞中逃脱。事实上，界定黑洞的特征便是光无法从中逃逸。

• 阿尔伯特·爱因斯坦的理论告诉我们，如果你靠近某种质量非常大的物体，时间就会流逝得更慢。

# 第三章 见不可见

• 在银河系的正中央，还潜藏着一个巨型天体，它甚至比气体和尘埃还要难以探测。这是一个巨大的黑洞，比太阳要重几百万倍，比第二章中提及的在巨型恒星的生命终结时遗留下的黑洞（可能只比太阳重几倍，或者顶多100倍）要大得多。

• 我们现在还不了解这个黑洞的历史，却知道它必定就在那里，因为可以看到一颗颗恒星正围绕着银河系中心一个看不见的物体飞行。

• 银河系中心的黑洞被称为“人马座A*”