關(guān)于作者
高爽，德國(guó)海德堡大學(xué)自然科學(xué)博士。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)LAMOST博士后，北京師范大學(xué)講師。主要研究方向是銀河系結(jié)構(gòu)和演化。面對(duì)星空，會(huì)讓我感到平靜和愉悅。同時(shí)兼顧科研工作和科普宣傳，發(fā)表系列科普文章，主講過(guò)十幾次科普講座。始終堅(jiān)信，天文學(xué)吸引人不僅因?yàn)樗衩?，而?yīng)該用通俗易懂的方式拉近人與科學(xué)的距離，使大眾感受到宇宙的美。熱愛(ài)文藝，喜歡旅游和攝影，寫(xiě)寫(xiě)博客和散文，打非洲鼓，聽(tīng)音樂(lè)劇，烹調(diào)美食，這些都是日常的最?lèi)?ài)。自認(rèn)為科學(xué)工作者不必須是厚瓶子底眼鏡+陳景潤(rùn)風(fēng)格，也可以是有審美的小清新。
銀河系那些事兒（2）一代宗師與星際消光
高爽
2014年08月07日
前情提要: 大辯論時(shí)代,兩派互不相讓,各自描繪了不同的銀河系面貌。對(duì)銀河系的尺度、旋渦狀星云的本質(zhì)這些問(wèn)題的爭(zhēng)論,把人們對(duì)銀河系的認(rèn)識(shí)推到了一個(gè)前所未有的高度。200年 來(lái),伴隨著一部分錯(cuò)誤和偏見(jiàn),困擾我們的最終的秘密即將揭開(kāi)。
美國(guó)密蘇里州的小城馬什菲爾德(Marshfield)即使在今天,也只有6000多人口居住。 一個(gè)保險(xiǎn)經(jīng)紀(jì)人的家里誕生了一個(gè)男孩子,起名為埃德溫(Edwin)。在這個(gè)孩子11歲的時(shí) 候,全家搬到了伊利諾伊州生活。埃德溫活潑好動(dòng),表現(xiàn)出了極高的運(yùn)動(dòng)才能。不過(guò)他的拼 寫(xiě)課要差的多,就像今天國(guó)內(nèi)的很多小學(xué)生一樣喜愛(ài)體育課卻害怕語(yǔ)文老師的聽(tīng)寫(xiě)。高中時(shí) 代,埃德溫在田徑運(yùn)動(dòng)會(huì)上得過(guò)三個(gè)第一和一個(gè)第三,甚至在跳高項(xiàng)目中打破了州紀(jì)錄。埃 德溫的父親希望他能學(xué)習(xí)自然科學(xué),按照父親的愿望,他進(jìn)入芝加哥大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和天文 學(xué)。本科畢業(yè)之后到英國(guó)的牛津大學(xué)讀研究生。但埃德溫卻選擇了法學(xué)專(zhuān)業(yè)取得了碩士學(xué) 位。父親去世了,他只能回到家鄉(xiāng)照顧母親和兄弟姐妹的生活。為此,這位有著巨大潛力的 年輕人在24歲的時(shí)候進(jìn)入一家中學(xué)當(dāng)老師,同時(shí)兼任學(xué)校的籃球教練。
這就是哈勃,天文學(xué)界的一代宗師,在家庭生活終于穩(wěn)定下來(lái)之后才重新回來(lái) 芝加哥大學(xué)攻讀博士學(xué)位。1919年,哈勃在威爾遜山天文臺(tái)(Wilson Mountain Observatory)找到一份工作。他可以使用當(dāng)時(shí)世界上最大的望遠(yuǎn)鏡——口徑2.5米的胡克 (Hooker)望遠(yuǎn)鏡繼續(xù)他博士期間的工作。哈勃利用這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡,在幾個(gè)漩渦星云中辨認(rèn) 出了造父變星。造父變星的特殊性質(zhì),可以讓我們精準(zhǔn)地確定它們的距離。因此,這幾個(gè)包 含了造父變星的漩渦星系的距離,也就可以被確定。這個(gè)距離比我們過(guò)去想象的要大得多, 無(wú)論我們相信卡普坦的小銀河系,還是傾向沙普利的大銀河系,這些漩渦星系的距離都遠(yuǎn)遠(yuǎn) 超過(guò)了銀河系的尺寸,成為貨真價(jià)實(shí)的河外天體。因此,這些旋渦星云,都是與我們的銀河 系類(lèi)似的漩渦星系。哈勃利用5年的觀測(cè),徹底終結(jié)了這場(chǎng)爭(zhēng)論,從概念上,讓我們的視野 深入到了銀河系以外的廣闊空間,讓我們?cè)俅未_定,我們的銀河系不是宇宙的中心,而是萬(wàn) 千星系中的一個(gè)普通成員。
那么,卡普坦和沙普利等人,都錯(cuò)在了什么地方呢?為什么在赫歇爾和后來(lái)的卡普坦 的銀河系面貌里,我們自身恰好處在銀河系的中心?為什么沙普利會(huì)堅(jiān)信銀河系與河外星系 是本質(zhì)上不同的系統(tǒng)?這些錯(cuò)誤的出現(xiàn),源于他們共同地忽略了一個(gè)新的概念——星際消光 (interstellar extinxtion)。星際空間,并不是絕對(duì)的真空。恒星和恒星之間的“空間”里,充 斥著99%的氣體和1%塵埃。塵埃和氣體的典型的密度是每立方厘米1個(gè)原子。平均來(lái)說(shuō),在 一個(gè)正常的空間里,在塵埃和氣體相對(duì)致密一點(diǎn)的方向上,1千秒差距(1kpc = 3260光年) 的距離上的星際介質(zhì)(interstellar medium,ISM)大約會(huì)造成恒星的亮度下降1個(gè)星等。
也就是說(shuō),我們并不是透過(guò)純凈的夜空在看到遙遠(yuǎn)的星光,我們和星光之間隔著霧氣。出于這 樣的原因,我們觀測(cè)到的所有的星光,都被或多或少的低估了。它們的真實(shí)亮度要比我們看 到的更亮,它們的真實(shí)距離要比我們看到的更遠(yuǎn)。在赫歇爾的銀河系里,那個(gè)不規(guī)則的分 叉,就是由于存在著大量的消光物質(zhì),使得那個(gè)方向的星光被大大地衰減了。不同的方向 上,被衰減的星光不完全相同,最終的效果是:在我們看來(lái),所有的星都包圍著我們,最遙 遠(yuǎn)的那些星距離我們差不多,我們處在中央的位置上。
霧里看花的結(jié)果還不僅僅是讓恒星的亮度減弱,還會(huì)讓顏色變得更紅。這是因?yàn)?在 可見(jiàn)光的范圍內(nèi),波長(zhǎng)越短,被星際氣體和塵埃消光地越厲害,其結(jié)果是,星光變得黯淡的 同時(shí)也更偏紅了。因此,在沙普利看來(lái),整個(gè)銀河系的星光都更紅,而位于高緯度 的那些河外星系由于消光較輕,顯得偏藍(lán)一些。這讓沙普利誤認(rèn)為它們是兩種完全不同的天 體。
我們的知識(shí)都來(lái)自我們對(duì)身邊比較熟悉的世界的總結(jié)。人們還沒(méi)有過(guò)探索那么大范圍 空間的經(jīng)驗(yàn),星際消光自然不會(huì)引起足夠的重視。今天,研究恒星之間的氣體和塵埃的組 成、化學(xué)、分布等的科學(xué),已經(jīng)成為天文學(xué)的一大分支學(xué)科。天文學(xué)家已經(jīng)知道整個(gè)銀河系 有百分之幾的物質(zhì)都是這些氣體和塵埃,在研究銀盤(pán)上的恒星和銀河系中心區(qū)域時(shí),它們完 全不可忽略,并且扮演著銀河系物質(zhì)循環(huán)的重要角色。正是這些“微不足道”的氣體和塵埃, 成為誕生新一代恒星的溫床。星際氣體主要包括90%的氫元素和9%的氦元素等構(gòu)成的分 子、原子、離子,它們的典型大小大學(xué)是0.1納米。星際塵埃包括石墨、硅酸鹽、水、甲 烷、氨等冰質(zhì)物質(zhì),它們的典型大小大約是0.1微米。
隨著現(xiàn)代天文多波段巡天觀測(cè)的發(fā)展,天文學(xué)家已經(jīng)繪制出整個(gè)銀河系的星際氣體的 分布圖。今天的分子天文學(xué),已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)一步去探索星際塵埃的形狀和化學(xué)組成的 細(xì)節(jié)。由于在紅外波段和射電波段,星際消光的影響要比光學(xué)范圍小得多,因此,天文學(xué)家 常常運(yùn)用紅外和射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)恒星誕生的區(qū)域、星系的核心區(qū)域、氣體和分子密集的區(qū)域 等。隨著Schlegel,Finkbeiner 和Davis等人在1998年的重要工作,天文學(xué)家逐漸了解了如 何還原被低估的星光,通過(guò)改正得到真實(shí)的恒星亮度、顏色和距離。雖然在星際介質(zhì)比較密 集的低緯度方向和靠近銀河系核心區(qū)域內(nèi)很多細(xì)節(jié)還不夠清晰,雖然人們認(rèn)識(shí)到星際消光的 事實(shí)僅僅不到100年,但我們已經(jīng)可以通過(guò)手中的望遠(yuǎn)鏡,去洞悉宇宙深處的真實(shí)星光的奧 秘,這是天文學(xué)的再次進(jìn)步。
哈勃的卓越工作幫助人們弄清了銀河系的地位與河外星系的本質(zhì),星際消光的發(fā)現(xiàn)幫 助人們弄清了銀河系的真實(shí)尺度。辯論與謬誤,偏見(jiàn)與無(wú)知,始終伴隨著天文學(xué)的發(fā)展。人 類(lèi)仰望蒼穹披荊斬棘試圖去認(rèn)識(shí)一個(gè)又一個(gè)遙遠(yuǎn)的世界,這并不容易。我們不知道未來(lái)還會(huì) 有多少錯(cuò)誤被挖掘出來(lái),但至少,我們已經(jīng)了解了銀河系的基本框架,了解了我們的母星系 的大致輪廓。下一期,讓我們來(lái)談?wù)勩y河系當(dāng)中更加細(xì)致的結(jié)構(gòu)。