銀河(夜空中明亮的光帶)

銀河(夜空中明亮的光帶)

銀河是指橫跨星空的一條乳白色亮帶,在中國古代又稱天河銀漢、星河、星漢雲漢,在歐洲古代古希臘稱為γαλαξίας “乳之路”。

銀河在天鷹座天赤道相交,在北半天球。銀河在天球上勾畫出一條寬窄不的帶,稱為銀道帶,它的最寬處達30°,最窄處只有4°~5°,平均約20°,這只是銀河系中的一部分。

銀河在中國文化中占有很重要的地位,有著名的中國神話傳說故事鵲橋相會。

銀河只在晴天夜晚可見,是由無數暗星(恆星)的光引起的。銀河不是銀河系,而是銀河系的一部分。銀河系包含上千億顆恆星、總質量大約是太陽質量的6,000億至30,000億倍,直徑有約10萬光年

基本介绍

  • 中文名:銀河
  • 外文名:the Milky Way;galaxy
  • 別名:天河、銀漢、星河、星漢、雲漢
  • 位置:在天鷹座與天赤道相交
名詞解釋,天文位置,歷史探究,銀河代稱,中外傳說,國外傳說,中國傳說,天文學知識,地球與銀河,凱卜庭宇宙,銀河自轉,渦狀結構,密度波理論,影響生物界,與地球的距離,

名詞解釋

1.晴天夜晚,天空呈現的銀白色的光帶。
銀河由大量恆星構成。古亦稱雲漢,又名天河天漢、星河、銀漢。
星星閃爍星星閃爍
隋 江總 《內殿賦新詩》:“織女今夕渡銀河,當見新秋停玉梭。”
唐 李白 《望廬山瀑布》詩:“飛流直下三千尺,疑是銀河落九天。”
明 孫仁孺 《東郭記·鑽穴隙》:“到而今可是難依傍,只落得一水銀河隔兩廂。”
楊沫 《青春之歌》第一部第二三章:“夏夜,天上綴滿了閃閃發光的星星,像細碎的流沙鋪成的銀河斜躺在青色的天宇上。”
2. 道教稱眼睛為銀河。
宋 趙崇絢 《雞肋·銀河》:“道家以目為銀河。”一本作“ 銀海 ”。
3. 古代一種容量很大的銀質飲器。

天文位置

夏夜星空中從東北向南橫跨天空的銀河,宛如奔騰的急流,一瀉千里。迢迢的銀河引起多少美麗的遐想和動人的故事。
其實,一年四季都可以看到銀河,只不過夏秋之交看到了銀河最明亮壯觀的部分。銀河經過的主要星座有:天鵝座天鷹座狐狸座天箭座蛇夫座盾牌座人馬座天蠍座天壇座矩尺座豺狼座南三角座、圓規座、蒼蠅座、南十字座、船帆座、船尾座、麒麟座獵戶座金牛座雙子座、御夫座、英仙座、仙后座和蝎虎座。
銀河
銀河在天空明暗不一,寬窄不等。最窄只 4°~5°,最寬約 30°。銀河為什麼是白茫茫的呢?伽利略發明天文望遠鏡以後,帶著這個不解之謎,把望遠鏡指向銀河,原來銀河是由密集的恆星組成的。為什麼只有這一“帶形” 天區的恆星最密集呢?原來是由 1000 多億顆恆星組成一個透鏡形的龐大的恆星體系,我們太陽系就在這個體系之中。我們從太陽系向周圍看到盤狀的邊緣部分呈帶形天區。這個天區的恆星投影最密集,這就是我們所看到的銀河。這個龐大的恆星體系也由銀河得名,叫銀河系
肉眼的極限視星等為5.5以上或光污染指數5級以上才能看到銀河,如果肉眼看不到銀河,使用最先進的觀測儀器也很難看到銀河。北半球來說夏季最明顯看到銀河(在天蠍座人馬座延伸至夏季大三角,甚至仙后座),冬季的那邊銀河很黯淡(在獵戶座與大犬座)。
銀河(Milky Way),我國民間又稱“天河”、“天漢”。它看起來像一條白茫茫的亮帶,從東北向西南方向劃開整個天空。在銀河裡有許多小光點,就像撒了白色的粉末一樣,輝映成一片。實際上一顆白色粉末就是一顆巨大的恆星,銀河就是由許許多多恆星構成的。像太陽這樣的恆星在銀河中有2000多億顆很多恆星有衛星。在太空俯視銀河,看到的銀河像個旋渦。
晴朗的夜空,當你抬頭仰望天空的時候,不僅能看到無數閃閃發光的星星,還能看到一條淡淡的紗巾似的光帶跨越整個天空,好像天空中的一條大河,夏季成南北方向,冬季接近於東西方向,那就是銀河。過去由於科學還不發達,不知道它究竟是什麼,就又給了它一個名稱叫做天河,所以我國民間還流傳著牛郎織女每年七夕鵲橋相會等許多唯美的神話故事。
靠近銀心的半人馬座靠近銀心的半人馬座
實際上,銀河是銀河系的一部分,銀河系是太陽系所屬的星系。因其主體部分投影在天球上的亮帶被我國稱為銀河而得名。是我們置身其內而側視銀河系時所看到的它布滿恆星的圓面。由於恆星發出的光離我們很遠,數量又多,又與星際塵埃氣體混合在一起,因此看起來就像一條煙霧籠罩著的光帶,十分美麗。
銀河各部分的亮度是不一樣的。靠近銀心的半人馬座方向比其他部分更亮一些。

歷史探究

自古以來,氣勢磅礴的銀河就是人們十分注意觀察和研究的對象。古人不知道銀河是什麼,把銀河想像為天上的河流。我國著名的神話故事牛郎織女鵲橋相會,這鵲橋就是鋪設在這天河之上。夜空中分處銀河兩邊的牛郎星和織女星特別引人注目。牛郎星是天鷹座中最亮的星,在銀河的東岸。織女星在銀河的西岸,是天琴座中最亮的星。西方人把銀河想像成是天上的神後餵養嬰兒時流淌出來的乳汁形成的,叫它為牛奶路。英文中的銀河(Milky Way)就是這么來的。
伽利略伽利略
美麗的神話故事不能代替令人滿意的科學解釋。銀河究竟是什麼呢?望遠鏡發明以後,這個問題得到了正確的答案。17世紀初期,偉大的義大利科學家伽利略把他自己製造的望遠鏡對準了銀河,驚喜地發現銀河原來是由許許多多、密密麻麻的恆星聚集在一起而形成的。由於這些恆星距離我們太遠,人的肉眼分辨不清,把它看成了一條明亮的光帶。

銀河代稱

我國古代把銀河也叫天河、銀漢等。大詩人白居易在 《七夕》詩中有:“煙宵微月澹長空,銀漢秋期萬古同,幾許歡情與離恨,年年並在此宵中”。我國現代著名的大詩人郭沫若在他的詩中也曾寫道:“你看那淺淺的天河,定然不甚寬廣。我想那隔河的牛女,定能夠騎著牛兒來往。我想他們此刻,定然在天街閒遊。不信,請看那朵流星,是他們提著燈籠在走”。
銀河,在我國古典詩文中還有不少有趣的別稱,如:
曹操觀滄海》“星漢燦爛,若出其里”中的“星漢”。
陸機《擬明月皎夜光》“招搖西北指,天漢東南傾”中的“天漢”。
杜審言七夕》“白露含明月,青霞斷絳河”中的“絳河”。
李白《月下獨酌》“永結無情游,相期邈雲漢”中的“雲漢”。
杜甫《閣晚》“五更鼓角聲悲壯,三峽星河影動搖”中的“星河”。
王建《秋夜曲》“天河悠悠漏水長,南樓北斗兩相當”中的“天河”。
李賀《天上謠》“天河夜轉漂回星,銀浦流雲學水聲”中的“銀浦”。
李賀《溪晚涼》“玉煙青濕白如幢,銀灣曉轉流天東”中的“銀灣”。
李商隱嫦娥》“雲母屏風燭影深,長河漸落曉星沉”中的“長河”。
蒲宮音遠歌》中的“天川”,也是指銀河。

中外傳說

國外傳說

世界各地有許多創造天地的神話圍繞著銀河系發展出來。很特別的是,在古希臘就有兩個相似的希臘神話故事在解釋銀河是怎么來的。有些神話將銀河和星座結合在一起,認為成群牛隻的乳液將深藍色的天空染白了。在東亞,人們相信在天空中群星間的霧狀帶是銀色的河流,也就是我們所說的天河。Akashaganga是印度人給銀河的名稱,意思是天上的恆河。
萬神之王宙斯萬神之王宙斯
milky way是譯自希臘語γαλαξίας 字面意思“乳之路”,依據古希臘神話,銀河是赫拉在發現宙斯以欺騙的手法,誘使他去餵食年幼的赫爾克里斯,因而濺灑在天空中的奶汁。另一種說法則是赫耳墨斯偷偷的將赫爾克里斯帶去奧林匹斯山,趁著赫拉沉睡時偷吸他的奶汁,而有一些奶汁被射入天空,於是形成了銀河。
在芬蘭神話中,銀河被稱為鳥的小徑,因為它們注意到候鳥在向南方遷徙時,是靠著銀河來指引的,它們也認為銀河才是鳥真正的居所。科學家已經證實了這項觀測是正確的,候鳥確實在依靠銀河來引導,在冬天才能到溫暖的南方陸地居住。即使在今天,芬蘭語中的銀河依然使用Linnunrata這個字。
在瑞典,銀河系被認為是冬天之路,因為在斯堪的納維亞地區,冬天的銀河是一年中最容易被看見的。古代的亞美尼亞神話稱銀河係為麥稈賊之路,敘述有一位神祇在偷竊麥稈之後,企圖用一輛木製的運貨車逃離天堂,但在路途中掉落了一些麥稈。

中國傳說

農曆七月初七,這天是中國傳統節日裡最具浪漫色彩的"七夕節",是傳說中牛郎與織女一年一度在銀河鵲橋相會的日子,該日也逐步演變為中國的情人節。因此,每到七夕有情人總會仰望星空祈禱愛情忠貞不渝。
據江蘇省天文學會專家介紹,牛郎與織女是民間一種叫法,其實在天文學上牛郎的中文名為河鼓二,而織女星稱為織女一,它們分別是天鷹座和天琴座的一顆亮星,由於這兩顆恆星肉眼清晰可見,又容易辨別所以在明代鄭和下西洋時,就曾以織女星為航海的導航標誌之一。
鵲橋相會鵲橋相會
在晴夜,可找一處不受城市燈光影響的安全地方,最好是在天黑後兩小時左右,此時沒有多少月光的影響,事先約好親朋好友或情侶,找好躺椅。在萬籟俱寂的夜晚,仰頭靜望,當你看到橫貫長空的銀河時,會有一種舒適的精神享受。在頭頂附近,銀河中間與兩邊有3顆明亮的星星,其中最亮的一顆呈青白色,她在銀河西北邊,這就是織女星。織女星的下方有四顆較暗的星,組成小小的平行四邊形,它們就是神話傳說中織女編織的美麗雲霞和彩虹的梭子。另一顆亮星在織女星的南偏東,即銀河的東南邊,他就是牛郎星(又名河鼓二)。牛郎星是顆微黃色的亮星,在他兩邊的兩顆小星叫扁擔星,傳說中是牛郎挑著一對兒女。
根據現代天文觀測及測算結果,牛郎星距我們有16光年(1光年約等於 10萬億公里),織女星距離我們26光年,兩星之間相距16光年,即使牛郎給織女打個電話,織女也要等到16年後才能聽到牛郎的聲音。因此他們每年的"七七相會",是根本不可能發生的。
傳說中為何要將"七月初七"這一天算做牛郎織女的相會日呢?這是因為古人認為"七"是吉利數字,有圓滿的意思。而且"七七"之夜,是月亮接近銀河的時候,月亮的光輝也恰好能照在銀河上,更便於人們觀星。今夜用天文望遠鏡觀看,會看到銀河裡密密麻麻的星群。而半個月亮的餘暉灑向銀河便成了人們想像的"鵲橋" 。
眼下,正是盛夏時節,晚間9時左右亮度零等的織女星首先出現天頂附近,隨後在其偏南方向還有一顆一等星的牛郎星,在遠離城市燈光的郊外,市民抬頭仰望夜空會驚喜地發現,在兩顆星的中間隔著一條橫貫南北的白茫茫的天河(即銀河),其中牛郎在河東,織女在河西,它們無言相望,頗有一番詩情畫意。

天文學知識

地球與銀河

地球是太陽系裡八個行星之一,我們在地球上看到河山之壯偉,海洋之遼闊。對地球之大已有深刻的領悟,不必言喻。但地球與太陽一比,簡直是微不足道,太陽的體積比地球大一百萬倍,質量約是地球的三十三萬倍。我們把地球放在太陽的表面,只是一個小黑點而已,還沒有太陽上的黑子(sunspot)大。
地球地球
但把眼光再放大一點,太陽也是平平不足為奇,它不過是銀河系裡一顆極普通的星體,銀河系裡有上千億顆恆星,比太陽質量大幾十倍,光度比太陽強一百萬倍的恆星比比皆是。銀河之廣更是不可思議,譬如說我們要想到距地球約三萬光年的銀河系的中心去,用光的速度來旅行,在旁觀者眼中也要走三萬多年,由於相對論效應,飛船上的人實際上沒有度過時間(所以我們看到的遠處的恆星仍舊是它當時的景象),假設真有這樣一個太空船,我們以光速出發,到達之三萬光年遠時,地球上已是我們千代子孫矣!
大家都曉得地球自轉。月亮繞地球轉動,地球及其他行星繞著太陽旋轉,太陽和其他銀河系的星球也是一樣的繞銀河系的中心旋轉。地球自轉需時一日,月亮繞地球一周需時一月,地球繞太陽一周需時一年,太陽繞銀河系中心一周需時一星系年(galactic year),一個銀河系年等於二億五千萬年。
銀河系豈不是大到極點了,但是在整個宇宙里,它不過只是一粒沙而已,類似銀河的星系有三十億(3,000,000,000)之多,這個空間的直線距離就有十億光年之譜,真是大不可測,遠不可限。附圖一是後發星座(Coma Berenices)附近宇宙一角,碟狀光體都是和銀河系類似的星系,附圖二是用對紅外線敏感的膠片照出來的銀河圖。
我們既然對太陽系,銀河系與宇宙的關係有了一些粗淺的認識,此時再進一步談談銀河本身的問題,從歷史演進,研究銀河系可以分成二個階段,第一個階段主要的工作,是測定銀河的大小與形狀,這個階段起端於十八世紀末葉,至一九六二年後漸入尾聲。第二個階段主要的工作是在了解銀河結構,這個階段自一九五○年開始,異峰疊起正是方興未艾之時,我們就按照這個歷史順序來介紹銀河系。

凱卜庭宇宙

來自鄉村的讀者,一定記得月黑天晴的晚上,天上所呈現的一條銀白色襟帶,從天的一邊橫跨長空,延伸 到天的另一邊。住在城市的讀者,因為城市燈光在空氣中的散射,可能不能看出這條銀白色的襟帶。這條襟帶在仔細觀察下,不難看出是無數星星聚集而成的,就是基於這項觀察,十八世紀的大哲學家康德(Immanuel Kant)就對宇宙的形狀與構造提出有科學價值的猜臆,但是這些猜臆並不是正確的科學途逕,一直到十八世紀末葉(1784),英國天文學家赫雪(William Herschel)才用望遠鏡作了有系統的天文觀測,他的方法極簡單,就是細數天上的星體,就從這點觀測的結果,他肯定銀河系的形狀有如扁平的磨石,太陽位於磨石的軸洞裡。到了十九世紀末葉,荷蘭天文學家凱卜庭(J.C. Kapteyn)再重新開始研究銀河系,他仍舊採用赫雪數星的方法,因為對星體距離測定的進步,他的數星技術遠步在赫雪之上,他用統計的方法,把銀河系分成若干重點區域(Kapteyn selected areas),不計其詳的觀測分析,他 花了三十年的時間,最後在瞌目長逝前,發表了他的銀河圖,後來稱作「凱卜庭宇宙」(The Kapteyn Universe)。這圖形與赫雪的結果大同小異。銀河系的繁星坐落在一個扁平的圖形中,太陽位居此圖形的中央,凱卜庭運用那時的觀測技術,定出這個圖形的直徑有二萬三千光年(凱卜庭的銀河觀在本世紀初期,是大家一致同意的,因為他數星的結果,發現星數隨距離而遞減。這是一個「太陽非在銀河中央不可」的有力證據。但是非常令人惋惜,赫雪與凱卜庭都用了一個錯誤的假設,他們認為星際光吸(Interstellar absorption)可以完全忽略,這一點錯誤使他的結論全部改觀。我們後面就要提到,在銀河系中的星際塵(Interstellar dust)隨氫原子氣體運行,充塞在銀河平面之中,這些星際塵能遮蔽星光,所以雖然我們看到銀河系裡繁星點點,其實這些都是比較和太陽接近的星,而在銀河平面中真正遠的星(約15,000光年以上)既使用最大的望遠鏡也難看到。因為星際光吸我們只能看到左近的繁星,而且星數也因光吸隨距離而遞減,所以錯以為我們在銀河中央。
一九二六的爭辯。一九一七年謝甫利(Harold Shapley)就開始批評凱卜庭的銀河觀。他的論點是基於銀河系裡球狀星團(Globular cluster)的分布與距離,根據這些球狀星團的資料,他主張銀河系的中心在人馬星座(Sagittarius)的方向,距離太陽約莫十萬光年。謝甫利在一九一八年發表他的結論,但並不受天文界的歡迎,最顯明的是四年後凱卜庭總吉他的銀河觀時,並不採用謝甫利的說法。謝甫利並不灰心地蒐集更多資料,繼續朝他的主張邁進,在推進的過程中,引起了很多次學術爭辯,最有名的是謝甫利與寇提斯(H.D. Curtis)一九二六年的爭辯(The great debate),這個爭辯包括二大回合,對銀河系的了解有決定性的影響。第一回合是針對銀河中心與距離。寇提斯代表老派(凱卜庭銀河觀),謝甫利是新派,我們對老派的看法在上一節已有了交待,我們再討論一下謝甫利的看法。原來銀河系組成份子除了獨自運行的繁星以外,還有一些星成群結隊出現,其中一種叫球狀星團,每一個星團擁有大小星體十萬之眾(附圖四)。這些星體因受重力的束縛,雖橫衝直闖,但是很少能跑出星團範疇之下。小小几個星成不了氣候,糾成十萬之眾就形成一股勢力,銀河系中這些星團有一百多個,謝甫利發現他們的分布情形如下(一)對銀河平面而言,它們大致對稱,就是說平面上下數目相等,(二)這些星團集中在人馬星座方向。第一點確定其與銀河系的關係(屬於銀河系),第二點使人懷疑凱卜庭的銀河觀,如果銀河系如凱卜庭所說,球狀星團應該很均勻分布在我們四面八方的銀河平面上,而不會集中在人馬星座附近。所 以謝利甫乃主張銀河系中央應該在人馬星座方向。他更進一步,利用利維(H.S. Leavitt)對小麥哲倫星雲(Small Magellanic Cloud)變星(Variablestar)的觀測,建立起變星周光關係(Penvd-Lumithosity relation)測定銀河中央距我們約十萬光年。當然我們往回看,謝甫利的論點是正確的,但是他的理由並不是很充分,當時反對的人很多,最有名的是寇提斯,所以一九二六年,美國天文學會把他們二人安排在華盛頓的科學院(Academy of Science)公開辯論。結果二人各執一詞堅持不下沒有結果,這問題一直到一九三○年俄特(Jan H. Ourt)與林德柏(Pertil Lindblad)證實太陽繞著人馬星座方向旋轉,才正式解決。一九二六年辯論的第二回合,也是雙方殺得難分難解,大家都不讓步。這次相反,寇提斯的看法對了。科學是集眾智的產物,智者千慮,必有一失,愚者千慮必有一得,自倚天縱之才,完全走主觀路線是不可效法的。第二回合的重點落在渦狀星雲(Spirals galaxies)上。自十九世紀中葉發現了很多的渦狀星雲(見附圖五),大家就開始研究;到底這些星雲是屬於銀河系,或是銀河以外之物,謝甫利主張這些星雲是屬於銀河系的,然而非常不幸,他引用的觀測證據,後來發現都有問題。寇提斯主張渦狀星雲是銀河以外之物。他最重要的理由有二(一)有很多渦狀星雲橫側面對著我們,而且都有一個暗黑不透光的陰影橫臥在中央平面上(附圖六),如果銀河系就是這樣的一個渦狀星雲,那麼我們見到橫跨天際的天河,便正是一個銀河星系的橫側面,假設渦狀星雲位於銀河之外,朝銀河方向的渦狀星雲便剛好在這陰影背面,就被遮蔽看不見了,朝別的方向,渦狀星雲則不會被遮著看不見。這點正與觀測吻合,銀河方向幾乎沒有渦狀星雲,而其他部分充滿了渦狀星雲。(二)所有渦狀星雲視線速度(Line of sight velocity)比普通星體高出多多,他們的自行(Proper motion,即垂直於視線方向的速度)卻很小﹔換而言之,如果他們距離很近的話(在銀河以內)這麼高的速度在幾十年走出來的弧度,一定相當可觀,即使他們的自行一定也很大,事實正好相反,足證他們遠在銀河之外。謝甫利與寇提斯第二回合之爭到赫伯(E.P. Hubble)用100英吋的望遠鏡看到渦狀星雲外圍的星體時,才漸漸解決。
璀璨小麥哲倫星雲璀璨小麥哲倫星雲

銀河自轉

前面提到太陽系與銀河中央的關係,到俄特與林德柏證明銀河自轉,才迎刃而解。俄特是荷蘭人,林德柏是瑞典人,他們在一九二六年就開始著手研究銀河自轉。他們的方法是研究太陽系附近的星體運行。最重 要的發現是高速星(對太陽的相對速度),大多數離銀河平面較遠,而他們的運行方向呈高度的不對稱,完全集中在一邊(附圖七)。林德柏首先看清楚了這個現象。他認為銀河星可以按其分布分成更多系統,在銀河平面的星繞銀河中心迅速轉動。分布在銀河上下有相當距離的星則轉動較緩。太陽是屬於前一系統,所以在太陽系看後一系統的星,多半都逆著我們走,所以才會有這種不對稱,同時,我們知道只有接近銀河系中心的星轉得比太陽系快,這樣我們也可觀察出銀河中心的位置,它是在人馬星座方向,憑這理由他支持謝甫利的銀河觀。俄特更進一步仔細分析屬於我們一個系統的星體,他發現我們不僅繞著人馬星座轉動,而且這個系統的轉動是裡面快,外面慢的較差轉動(Differential rotation),太陽系距銀河中央為一萬秒差距(Parsec,一秒差距等於3.24光年)太陽公轉速度是每秒鐘二百五十公里,即每小時九十萬公里,這雖然很快,但繞銀河中央一周仍須二億五千萬年。俄特與林德柏雖然奠定了銀河自轉與太陽系附近的較差自轉,但是真正自銀河中央到太陽系以外是如何自轉,到底裡面比外面快多少,依舊茫然無知,一直到二十二年以後,俄特與他的助手用無線電望遠鏡觀測銀河系中氫原子氣體的運行,才弄清楚。銀河系主要成份是星體,占全質量百分之九十五以上,星際之間並不是真空,而充塞了很稀薄氫原子氣體(HⅠregion)約占全質量百分之四除了氫原子氣體以外,尚有星際塵,宇宙線粒子(Cosmicray Particles)氫離子氣體(HⅡ region)以及其他物質。我前面提到星際塵能散射星光,所以造成凱卜庭的錯誤與寇提斯所看到橫臥在渦狀星系的陰影。普通光學望遠鏡在銀河方向只能看出五千角差而已(一萬六千光年),對整個銀河的了解,只有管窺之效。但是無線電波則不然,因為它的波長較長,可以在星際通行無阻,所以自一九三七年詹斯基(K.G.Jansky)發現了來自天外的無線電波,使整個天文學大大的邁前了一步。大家都曉得氫原子中有一個電子繞著一個質子轉動,電子與質子本身都在旋轉(Spin)。旋轉方向更改便會放出無線電波,波長約21公厘(cm)。荷蘭天文物理學家萬德赫(H.C. van de Hulst)在一九四四年還是完全用理論預測這個無線電波。但到一九五一年哈佛大學的伊文與普塞(H.I. Ewenand E. M. Purcell)果然證實了萬德赫的預測。俄特與萬德赫在荷蘭政府鼎力支持下興建無線電望遠鏡,致力於銀河系的研究,他們最初的結果在一九五二年開始陸續發表,把銀河自轉,銀河的總質量,最要緊是銀河系的結構問題逐漸弄清楚。銀河自轉與質量是有直接關係,角速度(angular velocity)愈近銀河中心愈快,從太陽到銀河中心一半距離時,自轉增加一倍,接近銀河中央而角速度增加數倍不止,根據這個自轉率,銀河質量高度聚集在內部,密度向外遞減。
太陽系太陽系

渦狀結構

一個世紀以前,發現了仙女星座(Andromada)的渦狀星雲(M31﹐附圖九),已經有人懷疑銀河系也有渦狀結構,確定渦狀星雲是銀河以外的星系後,大家就不只懷疑,而是想出法子來勘定銀河系的渦狀結構。這個問題是相當困難的,我們乘飛機飛臨台北市上空,台北市錯綜複雜的街道一目了然,但是我們站在中山堂上四面眺望,雖然衡陽街,中華路歷歷在目,但是要我們把台北市的大街小巷測畫出來,就難了。坐飛機看台北市,就像我們用望遠鏡看仙女星座的渦狀星系一般,旋渦分明在目,登中山堂望台北市,就好像我們在太陽系看銀河,是否有渦狀結構。但是天無絕人之路,我們終於發明了無線電望遠鏡。結構問題大致可以完全解決,天文學家又更進一步要了解,這些旋渦臂(Sprial arm)到底是什麼,為什麼會有。在這一節里我們只從觀測結果看銀河結構。下一節我們再談旋渦臂的本質問題。前面講過,可以觀測到的星系有三十億之多,其中百分之七十以上都有渦狀結構,德籍天文學家巴德(Walter Baade)是第一個對渦狀結構有貢獻的人,他發現仙女星座星等的O,B型新生星(Early-type stars)集中在旋渦臂中。這個發現很重要,首先因為O,B新生星光度是通常星(如太陽)的十萬倍或百萬倍,這點馬上說明了為什麼渦狀臂要比星系其他部位明亮(參考附圖五與附圖七)。第二、因為O,B型光譜的新生星年齡不過數百萬歲,比起星系其他一般星的年齡(數百億歲),就好像是昨天才誕生的嬰兒與白髮皤皤的老翁一般。這說明星系雖有數百億的高齡,新星球卻還在不斷的產生中。第三、太陽附近的新生星都坐落在密度較高的氫氣中。有些新生星溫度太高,把氫原子氣體變成了氫離子氣體,大家都漸漸相信,星球是星際氣體凝聚而成,因為新生星誕生不久,不會馬上脫離氣體集中區域,所以旋渦臂中一定也是氫原子氣體集中地帶。這些看法激起了天文界研究銀河渦狀結構的狂潮。光學天文學家(Optical actronomer)套用巴德的結果,著手測定太陽周圍新生星的距離與位置。無線電天文學家運用第三點就開始觀測氫原子氣體的分布,理論天文學家從事研究新生星形成過程(Star Formation processes),為什麼新生星在旋渦臂中形成,為什麼會有旋渦臂。先談談光學天文學家的成果。我們前面數次提到在銀河平面中的星際光吸(Interstellar absorption)。正式勘定星際光吸要歸功於莊伯勒(R.J. Trumpler),一九三○年他發表了對星團(Starclusters)的研究結果,證實了這個現象,因為星際光吸各方向並不相同,所以使星體距離測定異常艱巨,很多人想法更正光吸作用,測定新生星距離但是都不成功,一直到一九五二年莫根(W.W.Morgan)及他的助手才正確的改正了光吸作用。他們的結果顯明地標示出新生星聚集在三個區域中,最外面區域叫英仙渦臂(Persens Arm),中間叫獵戶渦臂(Orion Arm),裡面的叫人馬渦臂(Sagittarius Arm)。太陽位於獵戶渦臂的內側。這證實了銀河系的渦狀結構,唯一的遺憾是光學望遠鏡(Optical telescope)終非星際光吸之敵,超過了五千角差就不能看到了,所以只能得到局部結構,大結構就非依無線電望遠鏡不可了。同年(一九五二)俄特與萬德赫,發表了他們無線電觀測結果,因為銀河系的較差自轉,裡面快外面慢,在附圖十一中很容易看出來,在銀河中心方向左右九十度之內,旋轉最快的一點永遠在切點小圓上(Tangent-point circle)。所以每一個方向與太陽相對速度最大的即是切點速度,利用這個簡單的幾何原理,可以把通過太陽大圓內的銀河自轉率求出來,大圖以外的自轉無法正確求出,但普通採用的外推法(Extrapolation)有相當的準確性。這樣,我們可以建立一個自轉率與中央距離的關係,利用這關係我們可以大致定出銀河中氫原子氣體分布。俄特與萬德赫定出銀河系的北半邊的結構,數年後奧洲的克爾(F.J. Kerr)觀測了南半邊,他們的結果見附圖十二中。這個圖很清楚的顯示著渦狀結構;太陽附近的結構大致與光學觀測結果相同。遠處渦狀體系雖然紊亂,也有脈絡可尋。當然這個渦狀結構並不十分完整,有很多不規則部分,這是渦狀星系普遍現象,銀河系自不例外。在決定結構時有一個很重要的距離,就是太陽與銀河中心的距離,這距離雖與無線電觀測的銀河全貌,關係甚小,但是要使光學與無線電觀測配合起來,這距離非常重要,前面言及謝甫利觀測變星的光周關係定出這距離十萬光年,約三萬角差,因為他沒有改正光吸作用,而且他的光周關係歸零(Calibration)有錯誤,所以比現 在用的大了三倍,現 在用的一萬角差是經過巴德十年的努力(一九五二至一九六二),才得到的,用這個數字推算出,我們的銀河星系半徑約一萬八千角差。無線電的觀測,並且告訴我們銀河平面並不完全水平,假設我們把銀河想成一個碟子,這個碟子的邊緣一邊往上翹,另一邊往下翹,但是翹得並不厲害,這個現象是由銀河系附近的大小麥哲倫星雲的重力影響所致,銀河系的渦狀結構內起於四千角差的中央距離,外達一萬二千角差。四千角差以內組織異常複雜,中間的問題多半沒有解決。
仙女星座的X射線照片仙女星座的X射線照片
旋臂旋臂

密度波理論

現在我們要更進一步,來了解這些旋渦臂、新生星誕生等問題,首先要提醒大家,星系旋轉一周,大約須時二億五千萬年,所以天上的渦狀星系在我們蜉蝣生命之中是絲毫不變的,旋渦臂如何旋轉,無法直接觀測,但是我們知道這些星系都有很強的較差自轉。如果這些旋渦臂隨著臂中的星星氣體繞中央轉動的話,里快外慢只消一兩周,旋渦就旋緊數倍。但是我們看到的渦狀星系多半有三十周的歷史,而他們旋渦臂的距離多半很鬆,毫無旋緊現象,這個事實叫做旋緊矛盾(Winding dilemma),它成了研究銀河結構理論家的核心問題。有些人認為是磁流(Hydromagnetics)造成,又有些人說銀河氣體會跑出銀河面,再從外圍跑回來,但是解釋來,解釋去,仍無法解決。瑞典天文學林德柏在二、三十年前就留意這個問題。他算了很多星球運行的軌道問題,這些經驗,使他隱隱約約的想到,旋渦臂也許不是物質臂(Material arm),即隨臂中的物質運行而周轉,而是密度波之呈現。我們都熟悉水波,波起時,有起,有伏,起伏朝一定的方向,用一定速度前進,林德柏覺得也許旋渦臂是這個密度波的密度較高處(有如波紋之高出水而者),渦臂間則為密度波的密度較低處(有如波紋之低於水面者),而這個密度波沿星系自轉方向以一定的角速度前進。星體與氣體流進旋渦臂,再流出去,就像水面上的葉子上下漂浮一般。這樣一來,整個銀河系雖在轉動,但旋渦臂卻不會被旋緊了,好像流水上的波瀾在流水上滾動前進一般,在短時間並不為流水拉遠或拉近。這個想法固然佳妙,林德柏花了二、三十年仍不能有所成,主要的原因他對星體動力學中的合作現象(Cooperative phenomenon)認識不夠,雖有良田美玉,不得所用。這問題到了旅美中國科學家林家翹,才次第解決。林家翹不僅從理論上著手,證實這種旋渦密度波(Sprial waves)之存在。並且從天文觀測中找到證據,支持他的立論。他的研究使天文學進入嶄新的一頁,海內知名的荷蘭籍天文學家包克(B.J.Bok)在三十年代中,望渦狀星系而興嘆。「哪一個能在我有生之年,告訴我旋渦臂到底是怎麼一回事」。他現在才六十出頭,答案已清清楚楚的放在眼前了。密度波造成的渦狀結構觀念已經被人普遍的接受了。去年九月在瑞士巴索(Basel)舉行專門以銀河繫結構為名的國際天文會議,幾乎無人提出異議。當然這個問題並不如想像的單純,其中牽涉極廣,限於本文的篇幅,我們在這兒只大體談談。密度波可以運用到任何一個渦狀星繫上,因為我們對銀河系的知識最周全,所以目前重點放在銀河繫上。根據密度波的理論,我們可以推算出-個具有二個旋渦臂的波式(Wave pattern),這個波式起於四千秒差距,密度波繞銀河中心的角速度叫式速(Pattern speed),銀河式速只有銀河自轉(以太陽為準)的一半,渦臂中總密度比平均密度大十分之一而已,這十分之一主要是由星際氣體與低速星球所造成,因為低速星球多半是新生星,所以渦臂雖然質量並不太多光度卻甚強。然後再看星球為什麼在渦臂中誕生,那是因為式速比自轉為低,假如我們跟著式速轉動,看見氣體與星體流入旋渦臂中,當星際氣體流入渦臂時,渦臂本身的重力場,會使氣流形成一個衝激波(Shock wave)這個衝激波使氫氣雲(HI clouds)周圍壓力陡增數倍,很多氫氣雲本來無法凝聚成星的,現在都被壓縮成星,所以新生星不斷在渦臂中產生出來。星體因其質量不同,演化(Evolution)時程也不一樣,O,B型的新生星,演化很快,光度特強,但一億年就壽終正寢,不復見矣,一億年的光景,這些星還跑不出渦臂的範圍之外,所以渦臂永遠被新生星點綴著,這點正說明了前一節的第二個問題,同時可以算出這個衝激波超過一萬二千秒差距就失去了力量,所以銀河系的渦臂只延伸到一萬二千秒差距,這點正與觀測相吻合。另外密度波的理論,發現二個主渦臂是不可避免的結果,這點也是與所有觀測符合,除了這些重點之外,密度波對星際磁力場,宇宙線,星際塵都有極合理又與觀測一致的安排,所以這個理論一出,造成天文界洛陽紙貴的現象,林家翹為國人爭光,不讓楊李專美。密度波的理論是建立在星體力學(Stellar Dynamics)上、星體力學與等離子物理(Plasma Phvsics)的基本原理是是不可分割的,等離子物理主要的目的在控制核反應,使原子能能用在工業上與日常生活上,這工作如果做成了,別的不說一加侖海水裡所包含的重氫(Deuterium)用來作燃料,可以開汽車走遍中國不要加油,用來燒飯,可以燒幾年。其重要性是不必言喻的,現在各國都在花錢發展等離子物理,但是這門學問之難,難於上青天,這麼多年的努力,成果渺乎其小,尤其做實驗,費錢無算,而困難重重,星體力學與等離子物理在理論上非常相似,星體間是以重力互相牽制,離子與電子是以電磁力互相牽制,普通星系都有自轉,這點又與等離子有外加磁場相同,所以研究星體力學與解決等離子物理有相互關係,密度波理論之成功,很引起等離子物理學家注意,因為有些實驗,不是有限的金錢力量可以做的。但是這些實驗可能大自然已經替我們做好了,放在天上,只要等我們去觀測。當然目前這兩門學問離溝通之日尚遠,但是從科學的發展史來看,這一天的來臨是不會太遠的。我們從這個角度看去,天文學家存著這種理想去研究大自然的現象,他們不僅不是只圖空想,不務實際的人,而是時代的拓荒者。進行線上轉換。
渦旋星系渦旋星系
銀河系中心銀河系中心

影響生物界

從目前看,地球(太陽系)繞銀河中心一周的時間是不斷延長的,這說明銀河系是在不斷擴張的。與此同時,太陽系公轉軌道是不斷沿其橢圓的兩圓心連線的延長線拉長的。這說明在銀河系外有相鄰星系對太陽系的吸引力不斷增大。 是地球繞銀河中心一周的環境變化,造成了地球上生物的多次大滅絕。這實質並不是滅絕,而是動物界的一種綜合發展過程。在動物界的分析發展階段,動物種類和數量是不斷增多的。到動物界的分析與綜合發展的質變臨界點上,動物的種類和數量達到最多,然後進入綜合發展階段。在動物界的綜合發展階段,動物的種類是不斷增加的,其個體數量是不斷減少的,但其質量卻是不斷提高的。正因如此,雖然發生了多次動物大滅絕事件,動物界本身非但沒有滅絕,反而越來越興旺繁榮,並產生了高級動物——人類。人類屬於動物界,哺乳綱、靈長目、人科、人屬、智人種。地球繞銀河中心一周的軌道,是一個近似橢圓形的開放的螺旋狀的曲線。它既不是橢圓也不是圓周。這個曲線表明,地球繞銀心飛行的軌道是不斷擴大的,這是銀河系正在不斷擴張的一種表現。如圖所示: A
G· E· H·
C· F· D·
B
圖中箭頭所示方向為太陽系繞銀河中心旋轉方向。A點為遠銀心點,B點為近銀心點。C點與D點為靠近銀心的兩個特徵點。F點為銀河中心點,E點為虛有圓心。G、H點為靠近虛有圓心的另兩個特徵點。太陽系即地球繞轉方向是反時針方向。在遠、近銀心的兩個點上,地球的生物種類和數量最多,其中近銀心點的種類和數量要大大多於遠銀心點。這表明近銀心點附近是最適合生物生存發展的時期,而遠銀心點次之。在C、D兩個特徵點上,是生物種類最多而個體數量最少的時期,也是一切生物大滅絕的時期。其實,在虛有圓心兩側的特徵點上,也會產生較大自然災變的,只是沒有銀心點兩側的特徵點大罷了。這樣,我們就看到,地球生物在繞銀河中心一周中是經歷了兩個連續的分析與綜合發展過程。DAC這半周是一個分析與綜合發展過程。其中,DA段是它的分析發展階段,AC段是它的綜合發展階段。虛有圓心兩邊的兩個特徵點,把它們分別劃分為兩個大階段。CBD這半周是另一個分析與綜合發展過程。CB段是它的分析發展階段,BD段是它的綜合發展階段。這兩個階段又分別可以劃分為兩個大階段。人類就是在近銀心點上誕生的。這樣劃分是完全正確的,因為事物分析發展是由一到多的過程。在兩個遠、近銀心點上,都是動物種類與數量最多的時刻。這表明該點就是生物分析與綜合發展全過程的質變臨界點,即分析階段與綜合階段的臨界點。在此之前是動物的量變發展階段,之後是它的質變發展階段。在一個循環內,在它的綜合發展階段產生的動物要比分析發展階段高級,這就構成了動物由低級向高級的循環發展過程。每經歷一個循環,都會把動物推向更高階段。
動物要產生和繁榮,必須有一個適合的地球環境。優勝劣汰,適者生存,是動物界發展的永恆規律。一切動物都是一定環境的產物,當環境發生了重大變化,它們不能適應環境,它們也就該滅亡了。這就造成了動物界的生生滅滅的不斷循環發展。舊物種滅亡,新物種產生,是動物界走向永恆繁榮的必由之路。人們總是說,動物界曾發生了多次大滅絕事件,然而,事實是動物界本身並沒滅絕,它反而更高級更繁榮。這說明所謂滅絕的說法並不科學,這實質是動物向高級發展的表現。所謂滅絕的動物種族,其實根本就沒有滅絕,而是通過綜合發展而演化成了更高級動物。現在人們都已承認恐龍並沒滅絕,而是變為了鳥類。當人類綜合認識完成後,一切民族就消亡,它們都演化為一切邊緣民族了。原來的一切民族本身都不見了,這也可以說是一種滅絕,但這是不科學的說法。一切事物能實現綜合發展,其根本原因就是外力的推動,外力是事物實現綜合發展的根本動力。動物大滅絕是地球環境發生重大變化的必然產物。這就是說,地球由遠、近兩個銀心點飛向兩個特徵點過程中,由於銀心對它吸引力的變化,使地球環境逐步發生了重大變化,在到達兩個特徵點時,這種變化達到了最大值。這時,動物的綜合發展過程也結束,而進入下一循環的分析發展階段。在分析發展階段,雖然地球環境也會發生一定程度變化,
但已沒有綜合發展階段變化大,這只能造成個別物種的滅絕,決不會造成物種大量滅絕。動物界在地球飛過CD兩個特徵點時,都完成了綜合發展過程而開始了新的循環的分析發展過程。特徵點的特點是,地球離銀心距離最近,所受引力最大,飛行速度最快。地球在特徵點C的瞬時速度最大,而剛過特徵點的瞬時速度又是最小的,然後,隨著加速度的不斷增加,它的速度不斷加速加快,到達另一個特徵點D時的瞬時速度又最大。CB段是動物的分析發展階段,BD段是它的綜合發展階段。它能實現綜合發展的根本原因,就是由於地球飛行速度不斷加快的幅度更大,造成了地球所受銀河中心引力不斷增大而使環境發生了巨大變化。地球飛行速度大幅度加快,使時間大幅度變慢,這能延長動物種族和個體壽命,與分析階段相比較,有利於提高動物質量。但地球環境的不斷大幅度變化,就會造成一切動物的程度不同的不適應性,這就會使一些種族走向滅絕。在綜合發展過程中,這種個別局部的滅絕是經常發生的,到綜合發展過程結束時,在分析發展階段所產生的一切生物就幾乎全部消亡了。人們是無法挽救那些因自然環境變化而滅絕的動物種族的,生生滅滅正是動物本身不斷向高級發展所必需,在綜合發展階段尤其如此。那么,在地球環境發生巨大變化過程中,究竟會發生什麼樣的災變呢?在地球由遠、近銀心點飛向特徵點過程中,銀心對地球吸引力是不斷增大的,而其飛行速度又是不斷大幅度的增大的。地球所受引力越大,它的面向銀心的一面就會向銀心方向拉長,直至拉斷地殼而產生巨大火山噴發,使地殼發生巨大變遷,這會產生新的高山,大海變陸地,陸地變大海。巨大的火山灰會沖入雲霄,遮雲蔽日,使地球溫度大大降低,甚至會使地球磁極發生偏轉,同時也會增加地球被小行星撞擊的機會。地球在不斷大幅度加速的快速飛行中,它的吸引力就會不斷增大,這就大大增大了小行星撞擊地球的可能性。在兩個遠、近銀心點附近吸引不到的較大小行星,這時就可能被吸引進地球中,這就是小行星撞擊地球的主要由來。當然,地球在一切時刻都有吸引小行星的可能。但是,一是它吸引大一些的小行星的可能性小,二是它吸引的總機率要比綜合發展階段小得多。它吸引較小的小行星,一般並不會產生多大影響,至少不能使地球環境發生全局的巨大變化。由此可見,能使動物界實現綜合發展的根本原因,主要就是地殼的巨大變遷,同時也有小行星撞擊的因素有人說,造成動物大滅絕的災變可能是地球在繞銀心的飛行中,穿過了一片塵埃的產物。這是不可能的。如果地球穿過星雲塊,地球就會被燒掉,因為星雲塊中溫度是不能使分子存在的。地球穿過塵埃區是不可能的,宇宙中根本就不可能有這樣的塵埃區。在恆星碰撞中,不是產生地球一類行星就是會產生一些細小的分子團——塵埃。在一切恆星周圍和宇宙空間,都存在這種塵埃及光線粒子。這些塵埃並不會密集到遮雲蔽日程度,正如地球目前就在這種塵埃中一樣。至於一些破碎的行星如太陽系中的小行星帶,其範圍也是很有限的,決不會對地球產生重大影響。當然,地球隨時都有隨同太陽一起被鄰近的恆星吞吸或吸引的可能。當另一個恆星靠近太陽時,這種相互吸引,肯定會使太陽產生程度不同的噴發,甚至甩出物質形成新行星。地球的地殼也會發生大變遷,造成動物的大滅絕和綜合發展。
所謂動物界的綜合發展,就是由於環境的全面巨大變化,使一切動物都面臨了生存危機,迫使一切動物都努力改變自己。當這種努力失敗後,為了求生存,就會發生不同物種之間的交配現象而產生新物種。這種綜合發展所產生的新動物有些不能適應環境,一生下來就死掉了,而有一些則會生存下來。這就是動物大滅絕的實質所在,它們並沒滅絕,而是在邊緣動物種族中獲得了新生。正因如此,動物界才會不斷向高級程度發展而產生了人類。一般說來,動物界的生存在分析發展階段的動物種族,在綜合發展階段結束時基本都消亡,只有極個別種族能延續到下一循環的分析發展階段中,而且在下一循環中它也一定會滅絕的。這是由事物的分析與綜合發展規律決定的,即下一階段會有一定的上一階段遺留物存在。在動物界的分析發展階段,也會有不同物種之間交配而產生新物種的現象,但這只是一種個別局部的現象,只會有少量的新物種產生。只有在動物界的綜合發展階段,不同物種之間的交配才會成為普遍現象,幾乎每個物種都會與其他物種交配而產生大量新物種。 動物大滅絕這個概念是完全錯誤的,今後不應該再使用了,其實這是動物界綜合發展的表現。如果我們說動物大滅絕,那么,以後出現的新物種又是怎樣產生的呢?難道它們是從原始單細胞直接演化而來的嗎?如果是這樣,動物就不該向高級發展了。況且,新物種的產生過程要比動物界總的演化過程短得多,在這么短時間內,原始單細胞決不會演化為較高級動物的。既然舊物種滅絕,又產生了新的高級物種,那么,新舊物種之間就一定會有內在本質聯繫。這種解釋只能有一個,那就是新物種是由舊物種演化而來的。否則,我們就無法解釋物種大滅絕了而動物本身卻還存在,而且還不斷向高級程度發展的這樣一個事實。所以,只有從分析與綜合發展的角度,我們才能認識動物界的演化過程和規律,從而使我們弄清生物和動物及人類的起源和發展規律,進而在實驗室中從基因層次上真實地重複這一歷史過程,並從中造出我們現代人造環境所需的一切物種和改造一些物種與消滅一些物種,這是人類在地球自然中實現自由的內在要求。地球繞太陽一周過程中,造成了植物的分析與綜合發展問題。從春天萬物復甦開始,植物開始了它的分析發展過程。從總體上看,它表現為萬物都開始生長。從具體看,就是植物種子開始發芽生長。植物種子開始發芽生長過程,就是由一到多的過程。它由一粒種子分化出了植物的根徑葉和花,以及由花所產生的多個不成熟的果實。當植物果實成熟時刻,它的分析發展階段就結束而進入綜合發展階段,從而使植物滅亡。它能實現綜合發展的根本原因,一方面是它的一個生長期結束,再不能生長了。更主要的還是溫度降低,使它不能生存。銀河系繞更大星系旋轉一周的過程,也肯定會產生類似地球繞銀心一周那樣的分析與綜合的發展過程。銀河系的一定程度的綜合發展,一定會造成銀河系內秩序的一定改變,產生大量恆星碰撞事件。

與地球的距離

太陽系距離銀河大概26000光年左右,銀河距離地球大概2.6萬光年加上一個天文單位的距離,在銀河繫上面過一分鐘的等於地球上的一天,一年就是36500天,100年,銀心距離地球極遠,如果按照人的速度去銀心,恐怕一輩子也走不完。
How far is it from earth Milky Way
Solar system distance galaxy about 26000 light-years, the galaxy about 26000 light-years from earth and the distance of one astronomical unit, in the Milky Way above a minutes is equal to the earth day, 36500 days a year, in 100, silver heart very far from earth, if the speed to silver heart, I'm afraid I'd never be able to walk.

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