关于作者
高爽，德国海德堡大学自然科学博士。中国科学院国家天文台lamost博士后，北京师范大学讲师。主要研究方向是银河系结构和演化。面对星空，会让我感到平静和愉悦。同时兼顾科研工作和科普宣传，发表系列科普文章，主讲过十几次科普讲座。始终坚信，天文学吸引人不仅因为它神秘，而应该用通俗易懂的方式拉近人与科学的距离，使大众感受到宇宙的美。热爱文艺，喜欢旅游和摄影，写写博客和散文，打非洲鼓，听音乐剧，烹调美食，这些都是日常的最爱。自认为科学工作者不必须是厚瓶子底眼镜 陈景润风格，也可以是有审美的小清新。
银河系那些事儿（2）一代宗师与星际消光
高爽
2014年08月07日
前情提要: 大辩论时代,两派互不相让,各自描绘了不同的银河系面貌。对银河系的尺度、旋涡状星云的本质这些问题的争论,把人们对银河系的认识推到了一个前所未有的高度。200年 来,伴随着一部分错误和偏见,困扰我们的最终的秘密即将揭开。
美国密苏里州的小城马什菲尔德(marshfield)即使在今天,也只有6000多人口居住。 一个保险经纪人的家里诞生了一个男孩子,起名为埃德温(edwin)。在这个孩子11岁的时 候,全家搬到了伊利诺伊州生活。埃德温活泼好动,表现出了极高的运动才能。不过他的拼 写课要差的多,就像今天国内的很多小学生一样喜爱体育课却害怕语文老师的听写。高中时 代,埃德温在田径运动会上得过三个第一和一个第三,甚至在跳高项目中打破了州纪录。埃 德温的父亲希望他能学习自然科学,按照父亲的愿望,他进入芝加哥大学学习数学和天文 学。本科毕业之后到英国的牛津大学读研究生。但埃德温却选择了法学专业取得了硕士学 位。父亲去世了,他只能回到家乡照顾母亲和兄弟姐妹的生活。为此,这位有着巨大潜力的 年轻人在24岁的时候进入一家中学当老师,同时兼任学校的篮球教练。
这就是哈勃,天文学界的一代宗师,在家庭生活终于稳定下来之后才重新回来 芝加哥大学攻读博士学位。1919年,哈勃在威尔逊山天文台(wilson mountain observatory)找到一份工作。他可以使用当时世界上最大的望远镜——口径2.5米的胡克 (hooker)望远镜继续他博士期间的工作。哈勃利用这台望远镜,在几个漩涡星云中辨认 出了造父变星。造父变星的特殊性质,可以让我们精准地确定它们的距离。因此,这几个包 含了造父变星的漩涡星系的距离,也就可以被确定。这个距离比我们过去想象的要大得多, 无论我们相信卡普坦的小银河系,还是倾向沙普利的大银河系,这些漩涡星系的距离都远远 超过了银河系的尺寸,成为货真价实的河外天体。因此,这些旋涡星云,都是与我们的银河 系类似的漩涡星系。哈勃利用5年的观测,彻底终结了这场争论,从概念上,让我们的视野 深入到了银河系以外的广阔空间,让我们再次确定,我们的银河系不是宇宙的中心,而是万 千星系中的一个普通成员。
那么,卡普坦和沙普利等人,都错在了什么地方呢?为什么在赫歇尔和后来的卡普坦 的银河系面貌里,我们自身恰好处在银河系的中心?为什么沙普利会坚信银河系与河外星系 是本质上不同的系统?这些错误的出现,源于他们共同地忽略了一个新的概念——星际消光 (interstellar extinxtion)。星际空间,并不是绝对的真空。恒星和恒星之间的“空间”里,充 斥着99%的气体和1%尘埃。尘埃和气体的典型的密度是每立方厘米1个原子。平均来说,在 一个正常的空间里,在尘埃和气体相对致密一点的方向上,1千秒差距(1kpc = 3260光年) 的距离上的星际介质(interstellar medium,ism)大约会造成恒星的亮度下降1个星等。
也就是说,我们并不是透过纯净的夜空在看到遥远的星光,我们和星光之间隔着雾气。出于这 样的原因,我们观测到的所有的星光,都被或多或少的低估了。它们的真实亮度要比我们看 到的更亮,它们的真实距离要比我们看到的更远。在赫歇尔的银河系里,那个不规则的分 叉,就是由于存在着大量的消光物质,使得那个方向的星光被大大地衰减了。不同的方向 上,被衰减的星光不完全相同,最终的效果是:在我们看来,所有的星都包围着我们,最遥 远的那些星距离我们差不多,我们处在中央的位置上。
雾里看花的结果还不仅仅是让恒星的亮度减弱,还会让颜色变得更红。这是因为,在 可见光的范围内,波长越短,被星际气体和尘埃消光地越厉害,其结果是,星光变得黯淡的 同时也更偏红了。因此,在沙普利看来,整个银河系的星光都更红,而位于高纬度 的那些河外星系由于消光较轻,显得偏蓝一些。这让沙普利误认为它们是两种完全不同的天 体。
我们的知识都来自我们对身边比较熟悉的世界的总结。人们还没有过探索那么大范围 空间的经验,星际消光自然不会引起足够的重视。今天,研究恒星之间的气体和尘埃的组 成、化学、分布等的科学,已经成为天文学的一大分支学科。天文学家已经知道整个银河系 有百分之几的物质都是这些气体和尘埃,在研究银盘上的恒星和银河系中心区域时,它们完 全不可忽略,并且扮演着银河系物质循环的重要角色。正是这些“微不足道”的气体和尘埃, 成为诞生新一代恒星的温床。星际气体主要包括90%的氢元素和9%的氦元素等构成的分 子、原子、离子,它们的典型大小大学是0.1纳米。星际尘埃包括石墨、硅酸盐、水、甲 烷、氨等冰质物质,它们的典型大小大约是0.1微米。
随着现代天文多波段巡天观测的发展,天文学家已经绘制出整个银河系的星际气体的 分布图。今天的分子天文学,已经开始进一步去探索星际尘埃的形状和化学组成的 细节。由于在红外波段和射电波段,星际消光的影响要比光学范围小得多,因此,天文学家 常常运用红外和射电望远镜探测恒星诞生的区域、星系的核心区域、气体和分子密集的区域 等。随着schlegel,finkbeiner 和davis等人在1998年的重要工作,天文学家逐渐了解了如 何还原被低估的星光,通过改正得到真实的恒星亮度、颜色和距离。虽然在星际介质比较密 集的低纬度方向和靠近银河系核心区域内很多细节还不够清晰,虽然人们认识到星际消光的 事实仅仅不到100年,但我们已经可以通过手中的望远镜,去洞悉宇宙深处的真实星光的奥 秘,这是天文学的再次进步。
哈勃的卓越工作帮助人们弄清了银河系的地位与河外星系的本质,星际消光的发现帮 助人们弄清了银河系的真实尺度。辩论与谬误,偏见与无知,始终伴随着天文学的发展。人 类仰望苍穹披荆斩棘试图去认识一个又一个遥远的世界,这并不容易。我们不知道未来还会 有多少错误被挖掘出来,但至少,我们已经了解了银河系的基本框架,了解了我们的母星系 的大致轮廓。下一期,让我们来谈谈银河系当中更加细致的结构。