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第12章 天文发现(5)

曾经对太阳做过精细观测的天文台远非三两个,负有盛名的德国哥廷根天文台就是其中之一。它于18世纪中期就用当时第一流的望远镜做过观测,这些宝贵资料一直很好地保存着。待到太阳是否在缩小的争论正热火朝天的时候,哥廷根天文台的工作人员再次拿来进行了细致的归算,得到的结果是太阳角直径为1920.32角秒,误差估计最多不会超过上下各13角秒。也就是说,200多年来太阳的大小基本上没有变化。退一步说,这至少要比埃迪所说的一百多年间的太阳小了2.25角秒的数值要小得多。

通过观测内行星凌日可以精确地推算出太阳的角直径。金星凌日和水星凌日按理都可以加以利用,但金星凌日的机会不多,上三次分别在1874年、1882年和2004年,而下次将在2012年发生。水星凌日的机会较多,平均每世纪发生13次,从1677年的那次算起,到20世纪80年代末,总共发生过42次水星凌日,天文学家掌握着大量的观测资料。水星凌日时,从地球上看起来,它就像个很小的黑点子在太阳面上缓慢地移动着,从太阳的一处边缘进入日面到从另一边退出日面,往往得花好几个小时。根据三百多年的水星凌日精确记录,主要是它接触和离开日面的精确时刻,天文学家发现太阳的大小没有什么显著变化,要说有小小变化的话,那并非太阳的收缩,而是太阳角直径似乎增大了那么一点点。不管怎么说,埃迪的论点并没有说服人,而其他人提出的反对理由强而有力,针锋相对。历史资料是如此,当代的资料也是如此。就在埃迪提出他的观点之后两年,英国科学家帕克斯利用一次日全食的机会,进行了相关的观测,经过计算,他得出的太阳角直径为1919.16角秒,比现在采用的数值小0.10角秒左右。而比二百多年前的数值大0.10角秒左右。这样的测量误差完全在允许范围之内,结论应该是:在最近两个多世纪中,太阳的大小基本没有改变,至少没有像埃迪所说的改变得那么多。

总的说来,宇宙间的一切事物,当然也包括我们的太阳在内,都是在不断地变化和发展着的,它不可能一成不变地老停留在同一个状态。从这个角度来说,太阳的持续变化是必然的,不变化则是不可能的。不管太阳是胀、是缩,都是个至关重要的问题,都会关联到诸如太阳的构造、演化,太阳与其他天体的关系等方面,以及影响一系列地球物理过程和现象。至于像埃迪所说的,太阳以那么快的速度收缩,并且一直收缩下去,这种可能性看来是很小。

目前,关于太阳是否持续收缩的问题还是错综复杂,迷雾重重,难以下断语。最后的结局将如何?现在还难以预料,让我们拭目以待吧。

太阳是否一直那么大,它是否会老,是否会死亡,是否在变大变小,这些问题影响着我们人类的未来,不仅成为我们极力揭开的谜团,也成为许多科学家研究的一个主题。

海王星的发现

19世纪初,法国人布瓦德在计算天王星的运动轨道时,发现理论计算值同观测资料发生了一系列误差。这使许多天文学家纷纷致力于这个问题的研究,进而发现天王星的脱轨与一个未知的引力的存在相关。也就是说有一个未知的天体作用于天王星。

19世纪中期,柏林天文台收到来自法国巴黎的一封快信。发信人就是勒威耶。

勒威耶,生于法国诺曼底的圣诺镇,他的父亲曾经为使他能去巴黎求学而卖掉房产。28岁时他开始发表大量天文学论文。在这封信中,勒威耶预告了一颗以往没有发现的新星:在摩羯座东,有一颗8等小星,每天退行69角秒,当夜,柏林天文台的加勒把巨大的天文望远镜对准摩羯座,果真在那里发现了一颗新的8等星。又过了一天,他再次找到了这颗8等星,它的位置比前一天后退了70角秒,这与勒威耶预告的相差甚微。全世界都震动了,人们依照勒威耶的建议,按天文学惯例,用神话里的名字把这颗星命名为“海王星”。

英国皇家天文台获知这一消息时,台长艾里深为懊悔。因为之前曾有一个叫亚当斯的剑桥大学学生求见,他未予接待。亚当斯,生于英国康沃尔州的拉涅斯特区,出身佃农家庭。亚当斯留下一封信给这位台长,信中指出在摩羯座可发现一颗9等暗星。艾里没有重视这个报告,此报告中指出的也正是这颗新发现的海王星。艾里又查阅了天文台的观测记录,更为感慨的是,这颗海王星曾两次被他们记录下来,只不过当时他们以为是一颗恒星,把它放过了。

海王星这个天外来客的发现告诉我们在天文学上,误差就意味着新的发现、新的问题,正所谓“差之毫厘,谬以千里”,绝对不能把误差与错误等同为一体。

太阳系内的行星爆炸说

在我们赖以生存和栖身的太阳系内,有很多千古之谜,但是,这些现象的谜底或许只有一个,那就是:大约在6500万年前,一颗来历不明的大行星“闯”进太阳系,它就是一路“横冲直撞”并最终撞毁了当时的行星系统,同时自身亦四分五裂的玛雅星。

在中美洲的尤卡坦半岛上栖息过的玛雅人,无疑是我们地球上最神秘莫测、最富有传奇色彩的民族之一。早在远古时代,玛雅人就在天文、建筑、医学、历法等方面都曾取得过辉煌的成就,他们建筑了富丽堂皇的宫殿,修筑了台阶状金字塔式的纪念碑和寺院。

此外,玛雅人留下的许多天体方面的史料中,最令人惊叹不已的莫过于推算出卓尔金年260天,金星年584天,算出地球是365.2520天,与我们今天的准确计算365.2422天相差无几。

现代的天文学家一般把玛雅人的卓尔金年当作他们的宗教祭祀年,1年一共有260天,一年划分为13个月,每个月20天。同时玛雅人也用地球的公转周期365天计年,他们将这种有别于宗教年的历法通称为“民用年”,1年划分为18个月,1个月20天,外加5天。

但与此同时,有人却持另一种意见,他们坚持认为:既然玛雅人的地球年、金星年都是针对两个太阳系的大行星而言的,那么卓尔金年一定也与某个大天体有着神秘的联系。

可是,整个太阳系内并不都是公转周期为260天的大行星,于是便有人大胆地提出了一个近似于科幻小说的设想。

玛雅人可能是外星人,他们曾居住的星球由于某种目前尚不可知的原因爆炸了,他们是母星大爆炸前移民到地球上来的,他们的260天计年法,则是他们穿越心灵、永远也无法湮灭的记忆。所以,玛雅历法中规定每52年(260/5=52,墨西哥的阿兹合克人便一直采用52年一个循环的计年法)要建造一定级数台阶的建筑物(如寺庙和金字塔),建筑物的每一块石头都与历法有关,每一座建筑物都严格地符合某种天文上的要求。而且,每5个52年,他们都会举行隆重的祭祀仪式。现代学者称之为“历的轮回”。

无独有偶,关于太阳系内是否发生过行星爆炸一说,从另一学说方面,竟也殊途同归地得出了一个共同的结论,那就是天文学上著名的“提丢斯—波得”定则。

早在18世纪70年代,德国天文学家波得在他编写的《星空研究指南》一书中,总结并发表了6年前由一位德国物理学教授提丢斯提出的一条关于行星距离的定则。

定则的主要内容是这样的:

取得0,3,6,12,24,48,96……这么一个数列,每个数字加上4再用10来除,就得出了各行星到太阳实际距离的近似值。

如:水星到太阳的平均距离为(0+4)/10=0.4(天文单位)

金星到太阳的平均距离为(3+4)/10=0.7

地球到太阳的平均距离为(6+4)/10=1.0

火星到太阳的平均距离为(12+4)/10=1.6

照此下去,下一个行星的距离应该是:(24+4)/10=2.8

可是这个距离处没有行星,也没有任何别的天体。波得相信,“造物主”不会有意在这个地方留下一片空白;提丢斯认为,也许是火星的一颗还没有发现的卫星在这个位置上。但不管怎么说,提丢斯—波得定则在“2.8”处出现了间断。

定则给出的数据与实际情况比较起来,是否相符合呢?请看:

水星0.387

金星0.723

地球1.000

火星1.524

未知的星座2.8

木星5.203

土星9.554

你看,定则算出来的那些数值与行星距离多么相近啊!

于是大家开始认为,“2.8”那个地方应该有颗大行星来补上。波得为此向其他天文家们呼吁,希望共同组织起来寻找这颗“丢失”了的行星。

于是,天文学家们便立刻响应号召,开始了搜索,好几年过去了,毫无结果。但正当大家有点灰心,准备放弃这种漫无边际的搜寻工作时,18世纪80年代初,英国天文学家赫歇尔于无意中发现了太阳系的第7大行星——天王星。令人惊讶的是,天王星与太阳的平均距离为19.2天文单位,若用提丢斯—波得定则一算,得出的结果是:(192+4)/10=19.6。

这个定则数值与实际距离符合得好极了。

这一下子,定则的地位陡然高涨,几乎所有的人都对它笃信无疑,而且完全相信,在“2.8”缺的位置上,一定存在一颗大行星,只是方法不得当,所以才一直没有找到它。

可是,很快十多年又过去了,还是杳无音信。

直到19世纪初,一个惊人的消息才从意大利西西里岛传出,那里的一处偏僻天文台的台长皮亚齐在一次常规观测时,发现了一颗新天体。经过计算,它的距离是2.77天文单位,与“2.8”极为近似。

新天体被认为就是那颗好多人在拼命寻找而一直没找到的天体,并被命名为“谷神星”。

接着,谷神星的直径被测定了出来,是700多千米(后经重新测定为1020千米),这可把大家弄糊涂了,怎么不是大个子行星,而是小个子行星呢?但令人震惊的事情还在后头呢。第二年,德国医生奥伯斯又在火星与木星轨道之间发现了一颗行星——智神星。除了略小之外,智神星在好些方面与谷神星相差不多,距离则基本一致,接着人们又发现了第三颗——婚神星和第四颗——灶神星。

到最后,前前后后发现并已登记在案的小行星总数竟已达4000多颗(据估计,总数最后会达到150万颗),它们都集中在火星与木星之间的一个特定区域里,即所谓的“小行星带”,该带的中心位置正好符合提丢斯—波得定则给出的数据。

为什么大行星变成了150万颗小行星?当时便有人猜测:是不是因为某种人们暂时无法知晓的原因,存在的大行星爆炸了?

这个问题引起众多科学家旷日持久的争论,同时对于行星大爆炸的机制是什么,究竟是一种什么能量竟能使一颗大行星产生四分五裂的大爆炸,定则也无法完全说清。

关于太阳系内是否发生过行星爆炸一说,用“提丢斯—波得定则”无法说清,这连同2.8处行星大爆炸之谜,一起成为了两百年来人们孜孜以求的宇宙奥秘之一。

宇宙的膨胀

20世纪前10到20年的时间里,天文学家发现远星系光谱线的频率随着它离我们距离的远近而有规律地变比,即谱线红移。

20世纪20年代末,哈勃总结出谱线红移的规律是:对遥远星系,红移量与星系离我们的距离成正比,比例系数H叫哈勃常数,这红移叫宇宙学红移。此后,在红外及整个电磁波波段都观测到了这个规律。它被解释为是由于星系系统地向远离我们的方向运动时的多普勒效应产生的。这就像火车远离我们行驶时汽笛的声调(即频率)比静止不动时的声调更低一样,由此得出星系都在做远离我们的运动,离我们越远运动速度越快的结论。这就好像是掺有葡萄干的面包在烤箱中膨胀起来一样。这个模型叫宇宙膨胀模型或大爆炸模型。近年来在宇宙膨胀的基础上又提出了爆胀宇宙等多种改进模型。

从宇宙膨胀的观点出发,利用哈勃公式反推到过去宇宙中所有天体应该聚集于一点,由于某种原因在它内部产生了“大爆炸”,诞生了现在的宇宙,从而得出了时间是有开端、空间是有限的结论。

宇宙将来是一直膨胀下去还是又收缩回来,这要取决于宇宙的平均密度。而宇宙平均密度究竟是多少目前还不能确定,因为观测的距离越远,平均密度越小,下限有没有还不能确定。20世纪60年代中期发现了宇宙空间的2.7K微波背景辐射,被大爆炸论者解释为大爆炸时期的光经过上百亿年后的遗迹,是大爆炸宇宙的一大证据,但这种解释并不是唯一的,因为宇宙空间中充满介质,2.7K微波背景辐射具有黑体辐射的性质,可以解释为宇宙空间中介质发出的温度是2.7K的热辐射。

在天文观测中却发现一些红移现象,若用运动的多普勒效应解释就存在许多困难,这促使人们考虑到必然还有其他机制能产生红移,这里列举几种观测结果。

(1)多普勒效应对同一个天体,其红移量与光谱线的频率无关,因此观测每个星系中不同谱线的红移量,比较它们是否一致,就是鉴别红移是否由多普勒效应产生的一种依据。如果一致,就表示有可能是由多普勒效应产生的;如果不一致,就肯定它至少不完全是由多普勒效应产生的。20世纪中期威尔逊对星系NGC4151的观测结果表明,虽然不同频率的红移量差别不大,但也超出了观测的误差范围,频率越高,红移量越小。这样至少可以认为宇宙红移不完全是由多普勒效应产生的。

(2)从太阳中心到边缘各点发出的同一种谱线,在扣除了各种已知的运动效应后,越靠近边缘的地方红移量越大,在太阳半径90%左右的地方,红移量急剧增加。这意味着太阳上还有某种未知的因素在产生红移。

(3)先驱6号宇宙飞船发射的遥测信号中心频率为2292兆赫,当飞船绕到太阳背面经过太阳边缘时观测到异常红移现象。

(4)类星体红移量一般都很大,如果把这都归结为多普勒效应,算出的距离一般在100百万秒差距以上。由此推算出它发出的总光能力为银河系的100倍;射电能力为银河系的10万倍。

而由光变周期算出它的直径只有一光年左右,这意味着类星体的辐射密度非常高,但目前一直找不到产生这样高辐射密度的物理机制。有些天文学家认为,类星体的红移中至少有一部分不是由多普勒效应产生的,因而类星体离我们的距离较现在推算的要近得多。

(5)星系、类星体相互之间都有成协的现象,即这些天体两两或更多相距较近并有物理联系。观测表明,有些成协天体间红移值相差较大,有些类星体光谱中的吸收线与发射线互不相同,而且不同的吸收线有各不相同的红移值,称为多重红移。

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