宇宙島：遠在天邊的世界

文/趙洋

整整九十年前，1924年2月的第一個星期，美國天文學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。哈勃計算出這顆星及其所在的星云距離地球達90萬光年，遠超過銀河系的直徑。仙女座星云其實是銀河系外巨大的天體系統——河外星系。人類對宇宙大小的認識再次被拓寬了。

宇宙島猜想

哈勃的發現，給持續多年的關于旋渦星云是銀河系內天體還是銀河系外的“宇宙島”的爭論畫上了一個圓滿的句號。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則視為大海中的島嶼。16世紀末，意大利思想家布魯諾推測恒星都是距我們極其遙遠的太陽，進而提出關于恒星世界結構的猜想。18世紀，人們在夜晚的天空中發現了邊緣模糊的天體，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。

“宇宙島”這個名詞最早出現在德國博物學家洪堡1850年出版的著作《宇宙》第三卷中。因為它形象地表達了星系在宇宙中的分布狀況，后來被世人廣泛采用。“恒星宇宙”和“恒星島”等名稱都是“宇宙島”的同義語。宇宙島假說的淵源則更早。1755年，德國哲學家康德在《自然通史和天體論》一書中發展了賴特的思想，明確提出“廣大無邊的宇宙”之中有“數星無限的世界和星系”。這一思想就是著名的“宇宙島假說”。這個認識與今人對宇宙的認識十分接近。但當時人們把河內星云（即銀河內星云）和河外星云（即河外星系）都當做星系，而且對銀河系本身的大小和形狀也缺乏正確的認識，因此，宇宙島假說在隨后的170年時間里幾經沉浮，并未獲得天文學家的公認。

宇宙島大論爭

20世紀初，美國著名天文學家沙普利通過研究球狀星團，對銀河系結構和尺度的推算做出了重大突破。但他一直反對“宇宙島”的說法，認為這些旋渦星云應該是銀河系內的氣體星云。而以柯蒂斯為代表另一派天文學家則不同意沙普利的看法。柯蒂斯的證據，是他發現有些星云里的新星極其暗弱，說明距離十分遙遠，不像是銀河系內的天體。他的另一個證據是，在仙女座星云中發現的新星數皇比銀河系其他部分新星的總和還要多。他質疑道：“為何在這個小范圍的部分區域中，新星會比銀河系其他的部分更多？”由此，他推斷仙女座星云是一個獨立的星系。

為了解決這兩種在宇宙尺度上的矛盾說法，1920年4月，美國國家科學院在華盛頓召開了“宇宙的尺度”辯論會。會上，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系展開了論戰。這就是天文學史上有名的“沙普利—柯蒂斯大論爭”。二人分別就各自的觀點進行了半個小時的闡述。由于柯蒂斯的口才更好，當時多數人認為他在這場爭論中略占上風，但辯論的雙方都無法徹底說服對方。

律師轉行，一錘定音

為“沙普利—柯蒂斯大論爭”下達“終審判決”的是一個從法律專業轉行天文的年輕人，他叫埃德溫·哈勃。哈勃1889年出生于密蘇里州，他擅長體育，少年時曾刷新該州跳高紀錄。在芝加哥大學讀本科期間，哈勃受天文學家海耳啟發，開始對天文學產生興趣。后來他到牛津大學攻讀法律碩士學位，之后開業當了律師。但星空總在召喚著他，一年后，他就投奔葉凱士天文臺攻讀天文學博士學位。畢業后，他進入海耳創建的威爾遜山天文臺，致力于旋渦星云的觀測與研究。

早期的小型望遠鏡拍攝出的星云照片模糊不清，難以從中分辨出細節，而大口徑望遠鏡則可以做到這一點。威爾遜山天文臺有當時世界上最大口徑的2.54米反射望遠鏡。1923~1924年，哈勃用這臺望遠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立的恒星。哈勃發現，這些恒星有不少都是造父變星。通過分析這些造父變星的亮度變化，哈勃根據周光關系（指造父變星具有的光變周期和絕對星等之間的關系），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光年，遠超銀河系的直徑，因此斷定它們一定位于銀河系外。

1924年底，美國天文學會會議正式公布了哈勃的這一發現。雖然哈勃本人并未出席這次會議，但當他的論文被宣讀完畢，在場的所有天文學家都意識到沙普利和柯蒂斯關于“宇宙島”的爭論就此可以終結了。

1925年，哈勃又用造父變星測距法測定了人馬座星云NGC6822與我們的距離，證實該旋渦星云其實也是一個河外星系。多年來，天文學家們關于旋渦星云是近距天體還是銀河系之外的宇宙島的爭論徹底結束，人類認識的宇宙的尺度從一個宇宙島（銀河系）一下子擴大到無數個宇宙島（河外星系），從而揭開了探索宇宙結構的新篇章。

鑒于哈勃為20世紀天文學的進步做出的巨大貢獻，他被世人尊為一代天文宗師。在他豐碩的成果中，有兩項最為重要的貢獻：一是確認星系是與銀河系相當的恒星系統，開創了星系天文學，建立了大尺度宇宙結構的新概念；二是發現星系的紅移—距離關系，催生了現代宇宙學。為了紀念這位偉大的天文學家，人類第一臺太空望遠鏡就以哈勃的名字命名。

星系動物園

人們常說“天上的星星數不清”。其實，作為恒星的集合系統，星系的數量也是個龐大的天文數字。在哈勃太空望遠鏡拍攝的一張視場僅相當于月球直徑三分之一的深空照片里，竟然可以分辨出1500個河外星系。在可以觀測到的宇宙中，星系的總數可能超過兩千億（二乘十的十一次方）個。這么多的星系，形狀當然是各有千秋。1926年，哈勃在分析大量星系形態的基礎上，提出了后來被稱為“哈勃分類”的星系分類法，并一直沿用至今。具體內容如下：

橢圓形系：外形呈圓球形或棚球形，中心區最亮，邊緣漸暗。同一類型的河外星系，質量差別很大，有巨型和矮型之分，其中以橢圓星系的質星差別最大。質量最小的矮橢圓星系和銀河系內的球狀星團相當，而質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，質量約為太陽的干萬倍到百萬億倍。

已知最大的單一星系室女A星系（M87或NGC4486）就是橢圓星系。估計在M87核心10萬光年的范圍內，聚集的物質質量相當于2.6萬億個太陽。該星系中心的超大質量黑洞相當于30億至64億個太陽質量，在黑洞中也屬于巨無霸。

旋渦星系：1845年，英國天文學家羅斯觀測獵犬座M51星云時發現它具有旋渦形狀，這是人類最早發現的旋渦星系。旋渦星系的中心區像一塊凸透鏡，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，銀河系就是一個棒旋星系；著名的仙女座星系則是正常旋渦星系。