引力劇場

　　從古到今，人類無數次地仰望天空，並寄予了天空永遠是寧靜和諧的美好想像。直至50年前，天文學家也仍然認為宇宙是個安寧的地方。　　但在哈勃太空望遠鏡的眼裡，宇宙有著另一番景象：物質聚集的地方充滿了暴力，有壯麗的出生和慘烈的暴死。宇宙和我們的自然界一樣，也是弱肉強食。　　1666年，牛頓在花園散步時，突然想到重力，它的作用讓一個蘋果從樹上掉到地上。重力是否僅局限於在地球周圍的有限距離里，難道不能延伸到更遠的地方嗎?(圖1)　　20年後，牛頓在其光耀史冊的《自然哲學的數學原理》一書中，發表了萬有引力定律，指出：「宇宙中每個質點都以一種力，吸引其他各個質點。天上的星體運動和地面上的物體運動都受到同樣的規律——力學規律的支配。」(圖2)　　在哈勃太空望遠鏡的視野里，這種力學規律所編排的節目讓宇宙永不寧靜：這裡有星系的舞蹈、引力的魔鏡、黑洞的拋球表演，猶如宇宙盛大的馬戲演出。宇宙是如何利用「引力」控制星系和黑洞進行表演的呢?我們先到宇宙中物質最密集的地方——星系和星系團看看吧。我們所在的銀河系從外面看，像個從中心甩出兩條長臂的大飛盤，整個系統在慢慢旋轉；在星體之間充斥著大量的氣體與塵埃；在遠離中心的位置，其中一條旋臂之外，銀河系的邊緣，有個小小的恆星系，那就是我們的太陽系。(圖3)(圖4)　　當我們仰望晴朗夜空時，能看到距離地球最近的5000顆恆星，更遠的就太微弱了。因為空氣中漂浮著的塵埃，會弱化星光，若沒有望遠鏡，我們只能看見銀河系的一角。銀河系中有兩千億顆恆星，其中的很多都同太陽相似。天文學家還相信，在宇宙中有上千億個類似銀河系的星系。　　作為宇宙最基礎的組成部分，這上千億個星系是怎樣形成與演化的?這是探索宇宙最基本的問題，也是20年來哈勃太空望遠鏡捕捉到的最大量的內容。　　哈勃望遠鏡在其他天文台的協作下，已經對天空中的幾小塊區域進行了長時間曝光，把迄今最遙遠、最古老的星系的面貌展現在了我們眼前。　　這些早期星系離我們很遠，所以很暗。在早期宇宙，這些星系形成時都很小，要分辨出星系的細節需要很大的解析度，只有哈勃才能把這些星系拍得很清晰。(圖5)

　　這些超精細圖片揭示了早期宇宙的細節，當時的宇宙年齡僅有幾億年，大約是現在宇宙年齡的5％。與現在的星系相比，那時的星系尺寸小，形狀更不規則。哈勃望遠鏡拍攝的這些照片，成為建立現代星系形成模型的關鍵。　　2003年5月7日，哈勃望遠鏡對仙女座大星系外圍的星系暈進行觀測，發現這裡恆星的年齡千差萬別：最古老的有110億年到135億年，最年輕的只有60億年到80億年。　　天文學家發現有些星系是由不同年齡的恆星形成的，一種解釋是等級式的結構演化，即一個星系形成過程中要吞併其他一些小星系，形成了星系裡有各種年齡的恆星，就像小孩闖進了養老院。　　與此相反，我們的銀河系中沒有大量年輕的恆星。因此，儘管仙女座大星系和銀河系外形相似，但哈勃望遠鏡的數據顯示，這兩個星系的成長史迥然不同。這一發現加深了我們對星系形成的理解。　　在夜空中，我們的銀河系像一條永恆的乳白色帶子，宇宙看起來好像也是靜止的。這是因為人類的生命只不過是宇宙時間中的瞬間而已。實際上，宇宙處在永恆的運動中，只有通過長時間觀察，才能感受到星空的運動，看到運動中的恆星和星系。恆星圍繞銀河系的中心旋轉，星系依靠引力相互吸引，有時甚至會發生碰撞。哈勃望遠鏡就觀測到了無數衝撞在一起的星系。　　星系們就像漫漫長夜中行駛在星海里的巨輪，彼此不斷地接近，直到引力的相互作用最終將它們壓縮成複雜的結構，相互交織在一起。這是一場由引力編排的宇宙舞蹈。　　兩個星系發生碰撞的景象，像是鉤在一起的兩根手指頭。星系中的大多數恆星，會在星系衝撞中幸免於難，引力會將恆星連同氣體塵埃一起拋出，綿延數十萬光年，甚至更長。實際上，再經過上億年，兩個星系最終會合併為一個組合星系。(圖6)　　人們認為現在的許多星系包括銀河系，是由許多小星系經過數十億年組合而成的。由於星系間巨大的相互作用，本由氣體烈焰形成的恆星生出了壯麗的高溫藍色星團。我們的銀河系也將要同另一個離我們最近的大星系仙女座星系相撞，它們以每小時50萬公里的速度接近，30億年後將從正面相撞，會導致兩個星系壯烈合併。在撞擊過程中，銀河系將改變形狀，再也不是我們所熟悉的螺旋形，取而代之的是一個巨大的橢圓星系。那時的銀河系不僅包含自己原有的恆星，也包含了所有仙女座星系的恆星。　　是什麼樣的力量能讓擁有上億個恆星的星系相互碰撞呢?這些力量又來自哪裡?　　我們相信在宇宙中仍然有很多操縱著我們周圍事物的隱秘力量，其中就有黑洞。黑洞巨大的質量，是影響周圍天體的原因。黑洞在宇宙引力劇場里是主角，它表現活躍、花樣繁多、手法獨特。有人形容黑洞是「宇宙中的神秘惡魔」，因為它會吞噬一切靠近的東西。對於天文學家來說，黑洞中心是最難解的謎。黑洞強大的引力，封鎖了所有信息，連光都無法逃逸。所以，我們也無法得知那裡到底有什麼。(圖7)　　然而，我們怎麼去研究它?又如何去尋找到一個看不見的點呢?　　用太空望遠鏡對準一個星系的中心，測量那些離中心非常近的恆星的運動，發現它們運動速度非常快。　　這些靠近星系中央的恆星在高速旋轉，這不是恆星的正常狀態，因為大多數恆星都以相對較慢的速度運動。這肯定是因為有質量超大且體積超小的東西存在，只能有一個理由來解釋這種現象——那裡有個黑洞。　　長久以來，天文學家一直懷疑一些大星系，比如我們的銀河系的中心有一個特大質量的黑洞正在吞噬恆星、星雲和周邊路過的物質。銀河系中心存在著如此密集的恆星，地面望遠鏡只能看見由成百上千顆恆星擠成一堆的斑駁的星光。而哈勃望遠鏡高分辨度的圖像讓我們看到每一顆獨立的恆星，以及它們圍繞銀河系中心的運動。這些恆星的移動速度遠遠超過正常值，似乎有一個小型的、看不見的強大引力牽引著它們。根據哈勃望遠鏡觀測到的現象，天文學家得出結論：一個黑洞潛伏在銀河系中心。　　最早，黑洞是從愛因斯坦的廣義相對論推測出來的。現在，藉助於空間望遠鏡，我們終於能看見它了。科學家一直在搜集黑洞的所有信息，希望更多地了解它，現在黑洞的真實面目已越來越清晰了。　　天文學家認為黑洞是單一體，是太空中的單點，無體積、不擴展，但密度無窮大。巨大恆星死亡塌縮後的「屍體」質量太大，以至於自然界中沒有任何力量能阻止它將自己壓縮成無窮小的體積。雖然物質表面上是消失了，但它仍然有巨大的引力，恆星和其他靠近它的天體都會被吸進去。　　黑洞的吸積盤就像惡魔張開的大嘴，一旦有東西，比如一顆恆星被拖進這個點，我們就再也見不到它了。這顆倒霉的恆星會沿著一條螺旋軌道運動，當它運動到接近黑洞的位置時，離黑洞最近的物質會比恆星的其他部分受到更大的吸引力，黑洞吸吮拉伸恆星，直到將它撕成碎片吞噬掉。(圖8)

　　黑洞諸多特點中，最令人迷惑的是它巨大的引力可以扭曲時空，改變或放慢時間的進程。儘管任何有質量的物體，都會使時空發生細微的變形，但黑洞對時空的影響就大多了。根據愛因斯坦的廣義相對論，一個勇敢的旅行者造訪黑洞，他將穿越「視界」，這個「視界」指的是光線不能超出的一定範圍，在其以外，什麼都看不見了。如果他穿越「視界」，最後沒被黑洞吞噬，當他返回時，會發現自己比同齡人年輕。那麼，他是否是穿越了廣義相對論所假設的另一種奇怪的天體——蟲洞了呢?(圖9)　　蟲洞，類似於在蘋果上有一個蟲子鑽了一個洞，我們看到從表面上的某個地方通過一個小洞聯繫到另一個地方。現在認為，一個蟲洞基本上是一條穿越時空從宇宙的一點到另一點的「捷徑」。如果蟲洞真的存在，也許有一天它們會使星際旅行比常規的光速旅行更快捷。　　黑洞中存在時空的秘密通道嗎?現在還無法得知。根據哈勃太空望遠鏡提供的證據發現，幾乎所有的星系中心都有黑洞。1997年1月13日，哈勃望遠鏡在對27個星系進行詳細考查後宣布，在星系中心，超大質量黑洞是普遍存在的。　　銀河系中央的黑洞，也許比那些大恆星形成的黑洞要大上百萬倍。天文學家估計銀河系的黑洞可能是在早期星系運動中形成的，是許多恆星的黑洞合併的結果。　　當兩個星系碰撞時，它們各自中心的黑洞會上演一場精心編排的舞蹈，在星系合二為一後的很長一段時間裡，在它們的黑洞最終合併成一個質量極大的黑洞之前，這兩個星系仍然會繼續相互圍繞旋轉數萬年。　　這最後過程的力量太大了，以至於改變了我們能夠觀測到的時空結構。不管是在地面上用全新的引力波望遠鏡，還是在太空船上，都看不到。然而，同需要數百萬年之久的星系合併相比，最後核心合併的慘烈過程相對簡短。所以，能看到這個過程的幾率很小。　　在這個引力劇場中，星系的碰撞，類星體的光芒，伽馬射線爆炸，都與黑洞有密切聯繫，它是這些節目的導演(圖10)　　「黑洞」是物理學家和天文學家早就在設想的一種可能存在的天體，然而它是否真的存在呢?20世紀90年代中期，大家開始認為這個天體很可能是存在的。而且有一類天體叫類星體，是通過別的手段發現的，大家猜想它是否就是「黑洞」呢?　　最初，類星體被認為就是一些普通的恆星，因為看上去它們就是一些很亮的扁圓。後來，人們偶然發現，這些天體離我們如此遙遠而又那麼明亮，說明它們的能量極其巨大，在以非常高的能量發光。這些奇異的天體究竟是什麼呢?　　恆星運動到離黑洞很近時會被撕裂，好比水從一個巨大的水槽漏下去。螺旋狀氣體形成了一個很厚的盤。恆星在向黑洞自由降落過程中溫度升到極高，氣體向上方空間爆發能量。這種類星體現象在宇宙的星系裡可以找到不少，許多都在猛烈地發生著。　　當物質往黑洞里落時，會產生兩類現象：一是它的能量會轉變成輻射；另一類是它會把很多物質拋出來。　　這種把能量轉換成輻射的現象表現為類星體；把落入的物質拋出來的現象，表現為伽馬爆。這是黑洞兩類主要的表現形式。(圖11)

　　最初發現這些爆發的美國科學家並不理解這種現象，因此作為軍事秘密沒有發表；有段時間，他們甚至懷疑是不是太空武器，是不是有太空戰，在向地球不斷地發出像伽馬射線槍那樣的輻射。　　這些伽馬射線高能爆發，每天至少能從天空中任意方向探測到一次。雖然伽馬射線爆只持續幾秒鐘，但它釋放的輻射量足以同銀河系幾百年釋放的輻射量抗衡。人類肉眼看不見的伽馬射線，只有通過特殊的儀器才能探測到。30多年來，沒人知道到底是什麼引起了射線爆。伽馬射線就像掠過地球的子彈，可我們卻看不見發射它們的槍。　　多年來，哈勃望遠鏡同世界上幾乎所有的望遠鏡都在尋找那些「還在冒煙的槍」，各種望遠鏡觀測天空中爆發出伽馬射線的位置，但一無所獲。直到1999年，哈勃望遠鏡有了重要發現，基本上證實了這些恐怖的射線爆發生在很遙遠的星系。可能是由大質量恆星塌縮引起的；或是由兩個密度極大的天體猛烈相撞造成的，比如兩個黑洞，或是一個黑洞與一個中子星。　　伽馬射線爆雖然恐怖，但從天文學講，它可以幫助我們研究宇宙的演化。由於最遠的伽馬射線所發生的地方，是處於宇宙從黑暗時期到光明時期的過程中，因此可以利用它研究宇宙是如何突破黑暗時期的。　　但在宇宙中到處放槍的伽馬爆是危險的「恐怖分子」，我們必須小心它，時刻關注它。如果伽馬射線爆直接沖著地球而來，它強烈的輻射會使地球大氣層的化學成份發生改變。比如，如果臭氧層被改變，將使地球暴露在太陽紫外線中，威脅地球上的生命。　　今天，在地球周圍運行的伽馬射線天文衛星，平均每天看到一個左右的伽馬射線爆，表明在宇宙中幾乎每時每刻都在產生伽馬射線爆的爆發。如果它離我們很近，就能摧毀地球。幸運的是，到目前為止，還沒有離我們特別近的伽馬射線爆。　　任何劇場的演出不可能內容和風格一直沒有變化。在引力主導的宇宙劇場中，既有星系舞蹈的文戲，也有類星體和伽馬射線爆發的武戲，還有抽象的怪誕戲。它通過幻象反映真實，讓我們看到宇宙更深遂的地方。有可能是黑洞引力產生了它，所以它的樣子有點怪誕，名字叫作「引力透鏡。」(圖12)　　黑洞是宇宙中最奇異的天體，會以驚人的方式影響周圍物體，它的引力場甚至能使光偏轉。實際上，靠近黑洞的光線不會繼續沿直線傳播，而是改為新的路徑傳播。這樣形成一個天然望遠鏡，使我們比想像中看得還要遠。　　正如在沙漠里迷路的人會看到海市蜃樓，那是由於遙遠物體的光，被沙子上懸浮的熱空氣彎曲了。宇宙中也能看到海市蜃樓，用現代望遠鏡，比如哈勃望遠鏡觀測到的「海市蜃樓」，不是由熱空氣引起的，而是來自遙遠的星系群。　　很久以前，一些人認為地球是平的，這是因為在日常生活中我們看不到整個地球；實際上，宇宙空間是彎曲的，即使我們在星光燦爛的夜晚也看不到這個現象。　　但正是彎曲的空間，造成了可供我們觀測的這種現象。愛因斯坦的預言之一即是引力可以扭曲時空，進而使光線偏折：好比池塘中的漣漪使池底的沙子看起來像扭曲的蜂窩；遙遠星系的光線在射向地球時，被巨大星系群的引力場扭曲放大了，就像透過一枚巨大的放大鏡看東西，這個現象就叫引力透鏡。　　引力透鏡現象是由於有質量的物體，對光線的路徑發生了改變。所以，我們看見的背景物體，它的形狀和大小都發生了變化；此外，它跟引力透鏡本身的強度直接相關，就像放大鏡一樣，放大倍數大，看到後面的背景物體也大。　　當光線遭遇質量很大的天體時，會根據「透鏡體」的性質，變成不同的古怪形式，也就是說這種背景天體會以幾種外觀出現。愛因斯坦認為，整幅圖像會被擠壓成一個光環；遙遠星系的原本面目被克隆出多個幽靈般的複製品，或者被扭曲成香蕉狀，就像光弧。　　雖然愛因斯坦在1915年就意識到太空中有這種現象，但他卻認為在地球上是觀測不到的。然而目前，遙遠天體的引力圖像，已被人類所掌握的最好的望遠鏡觀測到了。(圖13)　　哈勃望遠鏡是第一個能看到各種小光弧細節的望遠鏡，直接揭示了背景天體的內外結構。2003年，天文學家推導出哈勃照片上的一個神秘的小光弧，是我們所見過的宇宙中最大最亮最熱的產星區。(圖14)

　　迄今為止，已經觀測的引力透鏡，主要是包括數十萬星系的星系群，那是宇宙中最大的引力組合結構。　　在哈勃望遠鏡拍回的清晰照片上，憑藉肉眼就能將同一背景星系的不同光弧聯繫在一起。由此，天文學家藉助引力透鏡現象，可以研究更古老的宇宙中透出的一鱗半爪。2004年，利用太空中引力透鏡的放大作用，哈勃望遠鏡觀測到了已知宇宙範圍內最遙遠的星系。　　宇宙的大舞台上，你方唱罷我登場，星系的碰撞、黑洞、引力透鏡……關於宇宙還有無數謎題在等待解答，比如，時間有盡頭嗎?在宇宙最初的洪荒中到底發生了什麼?好奇心牽引著人們，要到最古老的宇宙去看一看。
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