趙洋

整整九十年前，1924年2月的第一個(gè)星期，美國(guó)天文學(xué)家哈勃給仙女座星云里的一顆亮星拍攝了一系列照片。照片顯示這顆星的光度在迅速增大，這是一顆造父變星。哈勃計(jì)算出這顆星及其所在的星云距離地球達(dá)90萬(wàn)光年，遠(yuǎn)超過(guò)銀河系的直徑。仙女座星云其實(shí)是銀河系外巨大的天體系統(tǒng)——河外星系。人類對(duì)宇宙大小的認(rèn)識(shí)再次被拓寬了。

宇宙島猜想

哈勃的發(fā)現(xiàn)，給持續(xù)多年的關(guān)于旋渦星云是銀河系內(nèi)天體還是銀河系外的“宇宙島”的爭(zhēng)論畫上了一個(gè)圓滿的句號(hào)。所謂“宇宙島”，就是將宇宙視為大海，銀河系和其他類似天體系統(tǒng)則視為大海中的島嶼。16世紀(jì)末，意大利思想家布魯諾推測(cè)恒星都是距我們極其遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)，進(jìn)而提出關(guān)于恒星世界結(jié)構(gòu)的猜想。18世紀(jì)，人們?cè)谝雇淼奶炜罩邪l(fā)現(xiàn)了邊緣模糊的天體，最初稱為星云。旋渦星云成為最早的研究對(duì)象。賴特和康德曾提出，旋渦星云可能是同我們銀河系—樣的恒星系統(tǒng)。

“宇宙島”這個(gè)名詞最早出現(xiàn)在德國(guó)博物學(xué)家洪堡1850年出版的著作《宇宙》第三卷中。因?yàn)樗蜗蟮乇磉_(dá)了星系在宇宙中的分布狀況，后來(lái)被世人廣泛采用?！昂阈怯钪妗焙汀昂阈菎u”等名稱都是“宇宙島”的同義語(yǔ)。宇宙島假說(shuō)的淵源則更早。1755年，德國(guó)哲學(xué)家康德在《自然通史和天體論》一書中發(fā)展了賴特的思想，明確提出“廣大無(wú)邊的宇宙”之中有“數(shù)星無(wú)限的世界和星系”。這一思想就是著名的“宇宙島假說(shuō)”。這個(gè)認(rèn)識(shí)與今人對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)十分接近。但當(dāng)時(shí)人們把河內(nèi)星云（即銀河內(nèi)星云）和河外星云（即河外星系）都當(dāng)做星系，而且對(duì)銀河系本身的大小和形狀也缺乏正確的認(rèn)識(shí)，因此，宇宙島假說(shuō)在隨后的170 年時(shí)間里幾經(jīng)沉浮，并未獲得天文學(xué)家的公認(rèn)。

宇宙島大論爭(zhēng)

20世紀(jì)初，美國(guó)著名天文學(xué)家沙普利通過(guò)研究球狀星團(tuán)，對(duì)銀河系結(jié)構(gòu)和尺度的推算做出了重大突破。但他一直反對(duì)“宇宙島”的說(shuō)法，認(rèn)為這些旋渦星云應(yīng)該是銀河系內(nèi)的氣體星云。而以柯蒂斯為代表另一派天文學(xué)家則不同意沙普利的看法?？碌偎沟淖C據(jù)，是他發(fā)現(xiàn)有些星云里的新星極其暗弱，說(shuō)明距離十分遙遠(yuǎn)，不像是銀河系內(nèi)的天體。他的另一個(gè)證據(jù)是，在仙女座星云中發(fā)現(xiàn)的新星數(shù)皇比銀河系其他部分新星的總和還要多。他質(zhì)疑道：“為何在這個(gè)小范圍的部分區(qū)域中，新星會(huì)比銀河系其他的部分更多？”由此，他推斷仙女座星云是一個(gè)獨(dú)立的星系。

為了解決這兩種在宇宙尺度上的矛盾說(shuō)法，1920年4月，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院在華盛頓召開了“宇宙的尺度”辯論會(huì)。會(huì)上，沙普利和柯蒂斯兩人就銀河系的大小和旋渦星云與銀河系的位置關(guān)系展開了論戰(zhàn)。這就是天文學(xué)史上有名的“沙普利—柯蒂斯大論爭(zhēng)”。 二人分別就各自的觀點(diǎn)進(jìn)行了半個(gè)小時(shí)的闡述。由于柯蒂斯的口才更好，當(dāng)時(shí)多數(shù)人認(rèn)為他在這場(chǎng)爭(zhēng)論中略占上風(fēng)，但辯論的雙方都無(wú)法徹底說(shuō)服對(duì)方。

律師轉(zhuǎn)行，一錘定音

為“沙普利—柯蒂斯大論爭(zhēng)”下達(dá)“終審判決”的是一個(gè)從法律專業(yè)轉(zhuǎn)行天文的年輕人，他叫埃德溫·哈勃。哈勃1889年出生于密蘇里州，他擅長(zhǎng)體育，少年時(shí)曾刷新該州跳高紀(jì)錄。在芝加哥大學(xué)讀本科期間，哈勃受天文學(xué)家海耳啟發(fā)，開始對(duì)天文學(xué)產(chǎn)生興趣。后來(lái)他到牛津大學(xué)攻讀法律碩士學(xué)位，之后開業(yè)當(dāng)了律師。但星空總在召喚著他，一年后，他就投奔葉凱士天文臺(tái)攻讀天文學(xué)博士學(xué)位。畢業(yè)后，他進(jìn)入海耳創(chuàng)建的威爾遜山天文臺(tái)，致力于旋渦星云的觀測(cè)與研究。

早期的小型望遠(yuǎn)鏡拍攝出的星云照片模糊不清，難以從中分辨出細(xì)節(jié)，而大口徑望遠(yuǎn)鏡則可以做到這一點(diǎn)。威爾遜山天文臺(tái)有當(dāng)時(shí)世界上最大口徑的2.54米反射望遠(yuǎn)鏡。1923?1924年，哈勃用這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡拍攝了仙女座大星云和三角座旋渦星云的照片，并從這些星云暗淡的邊緣解析出一顆顆獨(dú)立的恒星。哈勃發(fā)現(xiàn)，這些恒星有不少都是造父變星。通過(guò)分析這些造父變星的亮度變化，哈勃根據(jù)周光關(guān)系（指造父變星具有的光變周期和絕對(duì)星等之間的關(guān)系），確定這些造父變星和它們所在的星云距離地球大約九十萬(wàn)光年，遠(yuǎn)超銀河系的直徑，因此斷定它們一定位于銀河系外。

1924年底，美國(guó)天文學(xué)會(huì)會(huì)議正式公布了哈勃的這一發(fā)現(xiàn)。雖然哈勃本人并未出席這次會(huì)議，但當(dāng)他的論文被宣讀完畢，在場(chǎng)的所有天文學(xué)家都意識(shí)到沙普利和柯蒂斯關(guān)于“宇宙島”的爭(zhēng)論就此可以終結(jié)了。

1925年，哈勃又用造父變星測(cè)距法測(cè)定了人馬座星云NGC6822與我們的距離，證實(shí)該旋渦星云其實(shí)也是一個(gè)河外星系。多年來(lái)，天文學(xué)家們關(guān)于旋渦星云是近距天體還是銀河系之外的宇宙島的爭(zhēng)論徹底結(jié)束，人類認(rèn)識(shí)的宇宙的尺度從一個(gè)宇宙島（銀河系）一下子擴(kuò)大到無(wú)數(shù)個(gè)宇宙島（河外星系），從而揭開了探 索宇宙結(jié)構(gòu)的新篇章。

鑒于哈勃為20世紀(jì)天文學(xué)的進(jìn)步做出的巨大貢獻(xiàn)，他被世人尊為一代天文宗師。在他豐碩的成果中，有兩項(xiàng)最為重要的貢獻(xiàn)：一是確認(rèn)星系是與銀河系相當(dāng)?shù)暮阈窍到y(tǒng)，開創(chuàng)了星系天文學(xué)，建立了大尺度宇宙結(jié)構(gòu)的新概念；二是發(fā)現(xiàn)星系的紅移—距離關(guān)系，催生了現(xiàn)代宇宙學(xué)。為了紀(jì)念這位偉大的天文學(xué)家，人類第一臺(tái)太空望遠(yuǎn)鏡就以哈勃的名字命名。

星系動(dòng)物園

人們常說(shuō)“天上的星星數(shù)不清”。其實(shí)，作為恒星的集合系統(tǒng)，星系的數(shù)量也是個(gè)龐大的天文數(shù)字。在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡拍攝的一張視場(chǎng)僅相當(dāng)于月球直徑三分之一的深空照片里，竟然可以分辨出1500個(gè)河外星系。在可以觀測(cè)到的宇宙中，星系的總數(shù)可能超過(guò)兩千億（2X1011）個(gè)。這么多的星系，形狀當(dāng)然是各有千秋。1926年，哈勃在分析大量星系形態(tài)的基礎(chǔ)上，提出了后來(lái)被稱為“哈勃分類”的星系分類法，并一直沿用至今。具體內(nèi)容如下：

橢圓形系：外形呈圓球形或棚球形，中心區(qū)最亮，邊緣漸暗。同一類型的河外星系，質(zhì)量差別很大，有巨型和矮型之分，其中以

橢圓星系的質(zhì)星差別最大。質(zhì)量最小的矮橢圓星系和銀河系內(nèi)的球狀星團(tuán)相當(dāng)，而質(zhì)量最大的超巨型橢圓星系則可能是宇宙中最大的恒星系統(tǒng)，質(zhì)量約為太陽(yáng)的干萬(wàn)倍到百萬(wàn)億倍。

已知最大的單一星系室女A星系（M87或NGC4486） 就是橢圓星系。估計(jì)在M87核心10萬(wàn)光年的范圍內(nèi)，聚集的物質(zhì)質(zhì)量相當(dāng)于2.6萬(wàn)億個(gè)太陽(yáng)。該星系中心的超大質(zhì)量黑洞相當(dāng)于30億至64億個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，在黑洞中也屬于巨無(wú)霸。

旋渦星系：1845年，英國(guó)天文學(xué)家羅斯觀測(cè)獵犬座M51星云時(shí)發(fā)現(xiàn)它具有旋渦形狀，這是人類最早發(fā)現(xiàn)的旋渦星系。旋渦星系的中心區(qū)像一塊凸透鏡，周圍圍繞著扁平的圓盤。從隆起的核球兩端延伸出若干條螺線形的旋臂。旋渦星系可以分正常旋渦星系和棒旋星系兩種，銀河系就是一個(gè)棒旋星系；著名的仙女座星系則是正常旋渦星系。

不規(guī)則星系：不規(guī)則星系的外形不規(guī)則，沒(méi)有明顯的星系核和旋臂，沒(méi)有盤狀對(duì)稱結(jié)構(gòu)或者看不出有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。在全天最亮的星系中，不規(guī)則星系只占5%。最著名的不規(guī)則星系要數(shù)位于南天夜空中的大小麥哲倫云。它們?cè)缭谶h(yuǎn)古時(shí)代就為南半球的原住民所熟知。大麥哲倫云最早的記錄出現(xiàn)在公元964年波斯天文學(xué)著作《恒星之書》 中，被稱為“在南方阿拉伯的白?！?。在歐洲，麥哲倫星云于15世紀(jì)末首次被意大利人觀察到。隨后為紀(jì)念麥哲倫船隊(duì)1515年至1522年環(huán)游世界的壯舉，這兩個(gè)星云被冠以“麥哲倫”之名。大麥哲倫云和小麥哲倫云，在天空中相隔21度，肉眼看去仿佛是被銀河分開的兩個(gè)片段。實(shí)際二者相距7.5萬(wàn)光年。它們是最靠近銀河系的星系之一。據(jù)推測(cè)，小麥哲倫星系原本是棒旋星系，因?yàn)槭艿姐y河系的擾動(dòng)才成為不規(guī)則星系，但在核心仍殘留著棒狀的結(jié)構(gòu)。1987年在大麥哲倫云中發(fā)現(xiàn)的超新星（SN1987A），是過(guò)去三個(gè)世紀(jì)中最明亮的超新星。

怎樣飛往仙女座星系

或許是距離太過(guò)遙遠(yuǎn)，不易令讀者/觀眾的感同身受，涉及河外星系的科幻作品少之又少。在阿瑟·克拉克的《與拉瑪相會(huì)》中，拉瑪飛船的航跡指向大麥哲倫星系，它穿越太陽(yáng)系的目的只是為了利用太陽(yáng)能和引力場(chǎng)加速。而仙女座星系因?yàn)槠湓诒卑肭蛉庋劭梢姷奶匦?，在科幻作品中獲得了較高的出鏡頻率。

科幻電影《星球大戰(zhàn)》片頭字幕指出故事發(fā)生“在很久以前的一個(gè)遙遠(yuǎn)的銀河系”，有人認(rèn)為這暗指仙女座星系。在1968年播出的《星際迷航》系列劇和英劇《神秘博士》中，都有來(lái)自仙女座星系的外星人。

由于銀河系和最近的星系之間的距離都無(wú)比遙遠(yuǎn)，這樣的旅行需要的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)恒星際旅行。星系之間的距離是恒星間距的大約一百萬(wàn)倍。在人的有限壽命里進(jìn)行星系間旅行，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類目前的科技能力。因此，只有科幻作品才會(huì)觸碰這樣的話題。

阿西莫夫的“基地”系列小說(shuō)雖然設(shè)想萬(wàn)年后人類已經(jīng)拓殖銀河系里的兩千萬(wàn)顆行星，但仍難以邁出這個(gè)“大搖籃”?！痘嘏c地球》里就曾提及，從來(lái)沒(méi)有人類穿越過(guò)麥哲倫星云，也沒(méi)有人類到過(guò)仙女座星系或其他更遠(yuǎn)的地方。

對(duì)壽命有限的生物體來(lái)說(shuō)，要不是利用高速飛船的相對(duì)論效應(yīng)，實(shí)在很難活著逾越星系之間的浩渺空間。如果未來(lái)的飛船能夠接近光速，甶于時(shí)間膨脹效應(yīng)，飛船上的時(shí)間流逝會(huì)變得緩慢許多。只要飛船速度足夠快，在乘員的有生之年里，甚至可以穿越整個(gè)宇宙?？苹眯≌f(shuō) 《宇宙過(guò)河卒》中的飛船裝備了巴薩德沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，就這樣以近光速飛行，在很短的時(shí)間內(nèi)穿越了直徑上百億光年的可觀測(cè)宇宙。

如果飛船速度不夠高，無(wú)法在一代人的有生之年里跨越百萬(wàn)光年，則要么使用冬眠技術(shù)將船員冷凍起來(lái)；要么建成世代飛船，依靠自循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)繁衍生息，將航行的使命代代相傳。在漫漫長(zhǎng)途中，飛船依靠慣性滑行，逐漸接近目標(biāo)。而這樣的旅行時(shí)間將極其漫長(zhǎng)，以目前速度最快的人造物體“旅行者”號(hào)探測(cè)器為例，即使保持每年5.2億千米的平均速度飛行，也要花327億年的時(shí)間才能飛到仙女座星系。用這么長(zhǎng)的時(shí)間飛到那里其實(shí)毫無(wú)意義，這段航程比宇宙現(xiàn)今的年齡還要長(zhǎng)。根據(jù)目前星系相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)估算，仙女座星系在60億年后就要與銀河系發(fā)生碰撞了。就算它不與銀河系發(fā)生碰撞，300億年后它也會(huì)從旋渦星系演變?yōu)闄E圓星系，里面只剩下黯淡的矮恒星，成為一個(gè)面目全非的蒼老星系。

流浪太陽(yáng)

“旅行者”號(hào)只有區(qū)區(qū)800千克，能夠支持龐大的生態(tài)系統(tǒng)和巨量人口的世代飛船得比這大許多倍才行。劉慈欣在小說(shuō)《流浪地球》中，曾設(shè)想人類將整個(gè)地球推出太陽(yáng)系以逃避天災(zāi)。如果目的地在銀河系之外，僅僅把一顆行星變成飛船是不夠的。遠(yuǎn)離恒星的行星大氣與水體將很快凍結(jié)，行星上的資源和能源也難以支持長(zhǎng)途旅行。這時(shí)，就需要太陽(yáng)陪我們一起“流浪” 了。

1988年，有天文學(xué)家在《自然》雜志發(fā)表論文，提出星系中心的大質(zhì)量黑洞產(chǎn)生的潮汐力會(huì)將恒星高速拋出的理論。2005年，這樣的恒星真的被發(fā)現(xiàn)了。流浪恒星以超過(guò)銀河系逃逸速度（大約每秒120千米以上）的超高速度朝若星系際空間的方向運(yùn)動(dòng)。據(jù)估算，銀河系核心的超大質(zhì)量黑洞平均每十萬(wàn)年發(fā)射出一顆高速恒星。截至2010年，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了16顆超高速恒星。

銀河系之外的流浪恒星就更多了。1997年，通過(guò)分析哈勃太空望遠(yuǎn)鏡傳回的圖像，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，室女座星系團(tuán)中存在著游離于星系之外的恒星。它們被稱為“星系際恒星”，數(shù)量有上百萬(wàn)顆之多。據(jù)推測(cè)，這些流浪的恒星是在兩個(gè)或多個(gè)星系碰撞的過(guò)程中被拋入星系引力范圍之外的。一在20世紀(jì)90年代末，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)天爐座星系團(tuán)中也有一個(gè)星系際恒星的集團(tuán)。也許未來(lái)的智慧生物能夠追隨這些高速飛出的恒星，借用它的光和熱，就像大航海時(shí)代的微生物隨木帆船前往新大陸一樣。從這個(gè)意義上說(shuō)，這已經(jīng)不是讓太陽(yáng)陪我們“流浪”，而是我們隨著太陽(yáng)遷徙了。

任意門：蟲洞

流浪太陽(yáng)的航程依然太久。飛往河外星系的最快的方法莫過(guò)于利用超空間了。雖然“基地”系列小說(shuō)中人類無(wú)法踏出銀河系，但阿西莫夫在早期的短篇小說(shuō)《死胡同》里曾提到人類有可能通過(guò)“超空間”躍遷至河外星系。在科幻系列劇《星際之門》里，“星際之門”就是一種蟲洞，各種族的智慧生命利用它才可能跨越星系之間的巨大鴻溝。

蟲洞，又稱“愛(ài)因斯坦-羅森橋”，是宇宙中可能存在的連接兩個(gè)不同空間位置的狹窄隧道。這個(gè)名字是怎么來(lái)的呢？把宇宙想象為一個(gè)蘋果，各個(gè)星球、星系分布在蘋果的表面，光線與飛船沿著蘋果表面穿行。如果在蘋果上有一個(gè)蟲洞，那么蟲洞的兩個(gè)開口之間可以通過(guò)這個(gè)短程通道往來(lái)。1916年，奧地利物理學(xué)家路德維希·弗菜姆首次提出了蟲洞的概念。20世紀(jì)30年代，愛(ài)因斯坦和羅森在研究引力場(chǎng)方程時(shí)假設(shè)，通過(guò)蟲洞可以做瞬時(shí)的空間轉(zhuǎn)移?！皭?ài)因斯坦-羅森橋”甶此得名。

或許因?yàn)橄x洞有理論基礎(chǔ)，所以身為天文學(xué)家的卡爾·薩根在科幻小說(shuō)《接觸》（后被改編為同名科幻電影）中，讓女天文學(xué)家艾琳娜經(jīng)過(guò)蟲洞與位于遙遠(yuǎn)星球的外星人會(huì)面。艾琳娜的飛船進(jìn)入蟲洞，再?gòu)牧硪粋?cè)的出口飛出，原來(lái)充塞著隕石與有毒氣體的星際空間，變得像仙境一樣美麗，展現(xiàn)在她面前的是籠罩著星云的星系核心。

迄今為止，科學(xué)家還沒(méi)有觀察到蟲洞存在的證據(jù)。但這種形式的空間旅行在物理學(xué)上是可以實(shí)現(xiàn)的。科學(xué)家還希望制造出蟲洞，用以空間旅行。制造蟲洞需要聚集足夠的能量以撕裂時(shí)空。目前有兩種方法可以在瞬間聚集大量能量：一種是向一個(gè)點(diǎn)發(fā)射多束強(qiáng)力激光；一種是利用粒子加速器，讓兩束高能粒子迎頭相撞。目前的粒子加速器可以達(dá)到每米2000億電子伏的加速能力。在這個(gè)基礎(chǔ)上，要在空間中憑空制造出一個(gè)蟲洞，需要長(zhǎng)達(dá)10光年的加速距離。以人類目前的水平來(lái)看，制造蟲洞簡(jiǎn)直就是天方夜譚。但隨著科技的發(fā)展，人類或許有一天真能造出可以駕馭的蟲洞，將飛船和宇航員送往宇宙中的任何地方。

【責(zé)任編輯：楊楓】