星系之谜四则

（选自天文爱好者1996年第五期。作者许梅）

1926年，美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Powell Hubble）对星系光谱线红移的发现开创了天文学的一个重要分支：星系天文学。数十年来，虽然对形形色色的星系积累了大量的观测资料，但有关星系的很多问题仍未搞清楚，诸如星系的起源与演化、星系的能源、星系在宇宙空间的大尺度分布以及星系红移的本质等等。本文仅对下面四个问题做扼要的介绍。

（1）是宇宙在膨胀，还是星系在互相分离？

1922年，苏联数学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedman）根据广义相对论提出，按照空间曲率为正、为零还是为负的三种情况，宇宙分别是：封闭的、平直的还是开放的，即宇宙无限膨胀下去。1927年，比利时天文学家乔治·勒梅特（Georges Lemaître）明确提出了大尺度宇宙空间随时间而膨胀的概念。直到1929年，哈勃发现星系的退行速度V同星系离我们的距离D成正比，也就是著名的哈勃定律V=HD（H为哈勃常数）后，弗里德曼和勒梅特关于宇宙膨胀的理论预言才终于得到了观测的证实。目前，大多数天文学家认为，星系与宇宙的关系就好像是掺有葡萄干（星系）的面包（宇宙），在烤箱里膨胀起来那样，当然，星系除了跟随宇宙一起膨胀而互相远离外，还有它自身的运动，如转动与平移等。

由于宇宙膨胀的理论依据是广义相对论，因此，一些科学家认为，既然宇宙在膨胀，则宇宙间的一切事物，包括用以测量距离的尺子也以同样的速度在膨胀，这样，就不可能探测到宇宙有任何膨胀，实际上是星系在互相分离。

这一问题的澄清，首先有待于搞清楚星系红移的本质。下一个问题就与此有一定的关联。

（2）星系红移的量子化现象

1972年起，美国亚利桑那大学的天文学家迪夫特（W·Tifft）就开始研究星系红移的分布问题。他发现，若视红移为星系的退行速度，则它们基本上按照每秒72公里的六分之一、三分之一、二分之一以及整数倍的间隔分布的，这就是所谓的星系红移的量子化现象。1991年，英国爱丁堡皇家天文台的格思里（B·Guthrie）和内皮尔（B·Napier）分析研究了距银河系20兆秒差距（6520万光年）以内一些星系的红移，结果发现这些星系以每秒37.5公里，相当于相距750千秒差距（240万光年）为周期的间隔分布。此规律还适用于退行速度达每秒一千公里的星系。近年来，他们的研究又延伸到距银河系50兆秒差距（1.63亿光年）以内的约一百个星系的红移，即达到室女座星系团的边沿、最大退行速度达每秒2600公里的星系，发现这些星系按间隔为每秒37.6±2公里的退行速度分布。

两位科学家认为，所得星系红移量子化现象是对流行的宇宙膨胀学说的严峻挑战，要么星系的红移与其距离存在着简单的线性关系，这样，宇宙学家就必须阐明星系是如何有选择地按一定的间隔形成的；要么在星系内部进行着某些很不寻常的事件，从而改变了它们的红移，则哈勃定律便值得怀疑了。

（3）对星系起源与演化学说的新的挑战

1994年十一月，哈勃空间望远镜（HST）发回的图像令天文学家首次看到了大约在宇宙大爆炸后20亿年形成的早期星系。令人惊奇的是，其中一些星系在结构上已经成熟，这与宇宙发育早期一片混沌的看法相反。

图像中有接近于宇宙现在年龄十分之一时候的椭圆星系的照片。以欧洲宇航局的天体物理学家麦卡切托（D·Macchetto）为首的科研小组惊奇地发现，这些星系显得很“正常”，已经形成了一个椭圆状的外形。要使弥漫于宇宙空间的星际云在中心引力场的作用下逐渐聚拢形成椭圆状，至少需要十亿年，如果这些成熟的星系只有20亿岁的话，则它们必须在宇宙大爆炸后不到十亿年的时间里就开始其成形过程，这是对目前估计的宇宙年龄150亿年至180亿年的挑战，因为这些年龄值不允许有足够的时间，让这些星系从一团星际云演化到我们所看到的在早期宇宙中成熟了的外形。

与此同时，哈勃空间望远镜上的照相机经过18个小时的连续曝光，还发现了许多以前从未见过的天体：许多不规则形状的蓝色碎片，它们大概是90亿年前出现的，有的形状像蝌蚪，有的形状像头尾衔接的歪歪倒倒的列车，以及一大群稀稀拉拉的“陶器碎片”，就好像一滴池塘里的水，在显微镜下显示出来的各种奇形怪状的“细菌”那样。美国空间望远镜研究所的天文学家迪金森（M·Dickinsen）认为这些碎片最终将合并成为像我们银河系一样的旋涡星系。

当迪金森看到了旋涡星系诞生的情景时，美国卡内基学院的天文学家德雷斯勒（A·Dressler）却在研究40亿年前直至现在时刻的旋涡星系的大量消失。哈勃空间望远镜发回的图像显示，“易碎的”旋涡星系难逃它们所在的致密星系团的动力学影响：一种可能是旋涡星系被直接瓦解，另一种可能是旋涡星系与星系团中的其他星系近距离掠过而互相碰撞，或因受到潮汐力作用而破裂。天文学家们相信，在过去遥远的年代，旋涡星系比现在宇宙中所存在的旋涡星系要多得多，因此，他们急于用哈勃空间望远镜去发现更早期和更远空间的天体。

以上所述观测事实，显然是对目前所认为的星系的起源与演化学说的挑战。（参看本刊1995年第二期，第17至19页的文章）

（4）星系分布的“成团性”与均匀分布在宇宙空间的辐射的“均匀性”之间的矛盾

对于星系在宇宙空间的分布，经过近20多年来的探索，已初步查明呈泡沫状（或海绵状、纤维状）结构：星系和星系团聚集在泡沫壁面上，中间是观测不到星系（或只有少许暗弱星系）的“巨洞”（void），巨洞的典型直径约为0.8亿光年。有些天文学家还做出了宇宙是由一个超星系团和一个超级巨洞组成的海绵状结构的结论。

按照“热大爆炸宇宙学”理论，在宇宙诞生之初的十万年间，物质与辐射是密不可分的。从100亿年或200亿年前最初的高温高密态直至宇宙冷却到三千K，电子可以自由地散射一切形式的电磁辐射。宇宙早期任何时刻，物质气体云收缩为星系或星系团时，应该携带着辐射和它一起成团。当宇宙继续冷却，原子核俘获在它们周围游荡的电子，从而成为“中性原子”后，电子不再散射辐射。这样，现在探测到的宇宙背景辐射也应该保持早期形成的成团状态。理论预期，3K宇宙微波背景辐射强度的起伏应该在万分之一左右，然而1989年11月18日发射升空的宇宙背景探测卫星（COBE）的观测结果却是，遍布天空的这种辐射的强度起伏只有十万分之一。这样，就出现了成团的物质分布，与极其均匀地分布在宇宙中的辐射共存的奇怪现象。

要阐明这一矛盾，需要进一步在深度和广度上探明星系在宇宙空间分布的更大尺度的结构，利用新技术、新方法（如引力透镜效应）更加精确地测定星系和星系团的质量（包括发光物质和暗物质的质量），和精确测定在大尺度上描述宇宙结构的几个重要参数，如膨胀速率（哈勃常数）、宇宙的平均密度和爱因斯坦“不光彩的”宇宙常数（Λ）等。

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