《探索太阳系》第十九章 太阳系外的世界

　　什么是恒星？恒星是依靠自身内部核反应产生的能量维持生命的气体天体。

　　与太阳白天在天空中运行一样，恒星在夜晚穿过天空。每天太阳看上去东升西落，当然这只是现象，这实际上是地球自转造成的。当然夜晚恒星也表现为如此的运动。这种感觉就像是在一个巨大的旋转木马上，你感觉自己没有动，而是周围的东西在绕着你转。这种假象，使许多古人相信地球是不动的，这个宇宙都围绕着地球运动。

　　在夜晚恒星的视运动似乎比白天太阳的运动显得复杂。在晴朗的夜晚到户外找一颗在东方地平线附近的星。过1个小时左右你再出去看看它，那颗星已经升高了（就像早晨太阳从东方升起）。而在这1个小时里，西边的星也会落得更低了，南方的星也是从左到右穿越天际。这种独立的恒星的运动就是由地球自转造成的恒星视运动。因为地球绕过北极星附近一点的轴自转的，所以天空中所有的恒星看起来都是绕北极星转的。

　　你只需要一台35毫米相机和一个三脚架就可以拍到恒星的周日视运动。你只要把相机对着天空的任何方向，但为了得到最好效果，请指向北极星。用便宜的敏感胶卷（ASA或ISO　200就可以），挑一个晴朗无云，风也不大的夜晚。把相机固定结实，光圈调大，镜头调到最大，把快门设为“定时”，然后曝光1～2小时。洗出来后，你会看到照片上每颗星有一条曲线的痕迹。每条轨迹都是地球自转时恒星在天空中扫过的轨迹。如果你把相机指向南方或东方、西方的地平线你同样可拍到恒星是运动的照片。如果你使用的是彩色照片，你还能拍到亮星的不同颜色。

　　晚上用肉眼你能看到多少恒星？要看你观测地的天空的晴朗和黑暗的程度。在纽约或东京的市区，你能看到几十颗星就是很幸运的了；但是在乡村晴朗无云的夜晚，视力好的人凭肉眼就可以看到3000多颗星。

　　从新石器时代，人们就试图破解天上秩序的本质了。第一眼看去，漫天星斗乱作一团，都慌里慌张地在天空中穿越。你的第一反应很可能是想知道天文学家如何找到星星各自的路，并把一切搞懂的。再看看，情况并非那么糟糕。你的眼睛和思想已经配合在一起，下意识地在星之间连成图案，结果就是做了一个简单的“连点成图”的智力游戏。在有文字记载以前人们就开始这么做了。今天我们根据这些图案或者说是星的分组划分了星座（constellations，来源于拉丁语的“cum”和“stella”意思分别是“在一起”和“恒星”）。

　　对许多早期居民，星座的图案都有特别的意义。祖先们很快就注意到恒星在天空中不断运动，而且同一星座在天上的位置在每年同一时刻是不变的。因此星空成了最早的时钟和日历。它告诉可以识别星座的人何时可以播种、何时可以收获以及何时可以捕获迁徙的动物。可以不夸张地说，对我们的祖先来说天象知识关乎生死。

　　在一些文明里，具有天文知识就意味着拥有力量。古埃及的大部分经济都依赖尼罗河每年一次的大水，以及大水退去后留下的肥沃土壤。每年，埃及的预言家们回去拜访法老，并准确地预言如此重要的洪水何时会发生。他们似乎享有神灵们妻子传达的神谕。事实上，他们不过是一些细心的天象观测者。他们注意到了天狼星正好在日出前升起那天后，尼罗河的洪水就快到了。所以他们每天严密监视拂晓前的天空。如此一来，他们使人们相信他们据有掌握国家命脉乃至超越法老的魔力。

　　现代天文学家们把天空划分成88个星座。现在全天被分为88区域，叫做星座。很多人把星座画成以星为端点的短线组成的图案（而不是连点的图）。对天文学家而言，星座更像是国家的疆界。就好像美国分成48个州，任何一个城镇都可以用它所在的州描述。所以全天分为88星座，任何一颗星都可以用它所在的星座描述。星座本身并不包含科学知识，它们只是人为强制画出的边界。如果一个天文学家谈到他的研究对象属于某个星座，其他天文学家就可以从中获得正在谈论的天区的大概情况。

　　星座的名字并不是通常想象到的东西。当让一个人说出个星座名称时，大勺子可能是他的首选。说出来可能会使许多人大吃一惊，不过在88星座中确实没有大勺子，也没有小勺子。它们都是某个星座的一部分，“大勺子”是大熊星座的一部分，而“小勺子”是小熊星座的一部分，没有勺子单独构成的星座。这些在天空中已被识别的形状叫做星群。在中国古代，天空不是划分为88星座的，而是分为300多个星群。有些是小组恒星，而有些是1对或单独的1颗亮星。

　　黄道星座是其中比较著名的一组星座了。在西方传统中，黄道星座是环绕天球一整圈的一组共12个星座。黄道十二星座包括：双鱼座、白羊座、金牛座、双子座、巨蟹座、狮子座、室女座、天秤座、天蝎座、射手座、摩羯座和宝瓶座。英语中Zodiac（黄道）一词来自希腊语，意思是“动物的带”。黄道十二星座中大部分为动物，但双子、室女、天秤、宝瓶都不是动物，而射手座通常也绘成半人半兽。

　　黄道十二星座对天文学家和占星学家都是很有意义的。黄道星座十分著名就是因为太阳、月球和可见的行星都在这一区域内运行。对占星学家们这个区域之所以重要，是因为他们把这些神圣的天体在某一星座的出现看做是对这一星座的影响。对于天文学家来说，这个区域提供了一个了解太阳系形状和物理性质的视角。黄道星座占据了天空中相对狭窄的一条带，这提供了许多关于太阳系形状的信息。它说明太阳系一定是比较扁平的。从另一个角度说，这意味着太阳系所有的行星轨道和月球的轨道都近似在一个平面内。事实上，除了冥王星其他行星的轨道平面的夹角都很小。换句话说，太阳系的形状就像是一个以太阳为中心的煎饼。这是由角动量守恒这一自然法则决定的结果。我们在观测其他恒星周围类似太阳系结构的形成过程中，也看到了类似的盘状结构。

　　一些星座是古代的，还有一些是现代的。一些星座如狮子座可以追溯到古埃及的法老时代。另外一些星座是1600年左右由两名荷兰旅行家Pieter　Keyser　和Frederik　de　Houtman命名的，这些星座主要分布在南半球。当时他们在作环球旅行，看到了在欧洲不曾见过的星空，然后创造了一系列极具想象力的动物的名字给这些星座命名。1个多世纪后，Nicolas　de　Imcaille为了纪念一些在工业革命中发明的工具，把南天一些零散的星组成了新的星座：熔炉座、唧筒座和显微镜座。当然，很早以前南半球的土著民对自己头顶的星空也有自己想象的图案，那是他们的星座。

　　在安第斯山脉的居民中，有些星座是暗的而不是亮的。在南美洲安第斯山脉，在一定的时间银河看上去是一条跨过头顶的明亮的带，上面交错着斑斑点点的暗的洞或条，这是宇宙中暗尘埃遮挡星光造成的。安第斯山脉的居民不仅创造了由恒星连线组成的星座图案，还特别创造了以这些黑暗区域形状想象出的暗星座。因此我们在一些地方能看到这样的“黑暗星座”：狐狸座、母鸡座。有一个叫做美洲驼的星座，它是由1块黑暗区域和2颗亮星组成的，半人马座的α和β被当做了美洲驼的两只眼睛。

　　有些时候相同的星组成的图形在不同人的眼中是不同的。非土著北美居民眼中的大勺子被英格兰人称为耕犁，而被中国人想象成有三匹马拉的四轮马车。在一些土著美洲部落，大勺子的斗被想象成一头熊，而勺柄被想象成在追逐猎物的猎人们。（视力好的人可以看出勺柄中间的那颗星实际上是2颗星，它们在天空中看起来太近了，因此这2颗模糊的星被看成一个猎人带着烹调用的罐子。）在西方人眼中，天空中那条由星组成的曲线是天蝎座；而在波利尼西亚土著居民眼中，那是被Maui神掷到空中的大鱼钩。Maui神就是用这个鱼钩把土壤从深海钓起，形成了太平洋上美丽的岛屿。

　　当被问到天空中最亮的星时，许多人会回答“北极星”。这是一个普遍的概念性错误。在亮星列表中，北极星勉强能排近前50名。北极星有名不是因为它出奇的亮，而是由于它在天空中独特的位置。在目前这个时期，北极星是最靠近北天极的星。北天极在地轴的北极方向，因此，随着地球自转，所有恒星看上去都缓慢地绕着北天极在转动。结果就好像所有星都在绕着北极星转动，而北极星在天空中的位置基本不变，它总是指向北方的。

　　北极星曾经不在北天极附近，也不会永远在那里。北极星近似地在地球自转轴所指的点。随着时间的流逝，地轴也会慢慢地摆动，就像一个旋转的陀螺，这种运动叫做岁差。岁差变化很慢，一个周期要26000年。它是地轴在这26000年间在天空划一个很大的圈。目前地轴指向北极星，但是过去和将来，我们的北极星将不是现在这颗星，而是一颗在岁差圆上或其附近的星。在法老统治埃及时期，天龙座中的Thuban是当时的北极星。而到了公元14000年织女星将成为我们的北极星，它现在在夏季星空中在我们天顶附近，是一颗明亮的蓝白色恒星。

　　如果北极星是在北天极的星，那么南天极的星是那一颗呢？地轴从地心到北极延长出去直行北极星附近，向南从南极延伸出去也可以指到天空中。但你到南极去不会找到南极星，因为那个天区没有亮星或半亮的星。澳大利亚和南美洲的居民可以看到南天的许多漂亮星，可是没有南极星。

　　在北半球，只要有北极星和你的拳头，你就可以估算出你所在地的纬度。因为地轴几乎是直到北极星上的，所以北极星的地平高度也就是大地的地理纬度。以纽约为例，大概在41°N北极星，也大概在北方地平线以上41°左右。把你的一只手伸出一臂距离，握紧的拳头在你看来宽约10°，因此就纽约而言，北极星大概在北边地平以上“4拳”高的地方。与此相比，在迈阿密，纬度为26°N，北极星的高度只有26°左右，也可以说在地平以上“两拳半”的地方。在北极点纬度为90°N，北极星就在正天顶；在赤道，北极星位于北方地平线上；而在赤道以南，北极星在地平线以下，永远看不到。

　　相同纬度的人能看到相同的恒星。因为北极星的高度是由观测地的纬度决定的，一次在同一纬度的人不管在世界的什么地方，在同一晚相同地方时看到的星空是相同的。因此在纽约、马德里、安卡拉和北京的人（他们大体处在同一纬度上），尽管彼此间距离很远，但一年中同一晚看到的星空是相同的。

　　居住在不同纬度的人在夜晚看到的星空有很大不同。举例来说，一个来自纽约的人到里约热内卢或澳大利亚度假，他就看不到大勺子和小勺子及其他一些北极星附近的星座，因为这些星座总在地平线以下。但是，像南十字座那样他不曾看到过的星座会很常见。另外一些他在纽约时看到在南方的星座会颠倒地出现在北方天空。

　　从地球观测宇宙时，会有些“廉价席”。地球上观测站的效果是不同的。以北极为例，北极星一直挂在天顶，应为所有星的视运动都是绕着北极星的，所以每颗星都在自己的高度上终年可见。简而言之，在北极的天空中，星没有升起和下落。在南极也是一样，不过在南极天空中的星与北极相比是完全不同的。换句话说，在地球的两极，我们看到的都只有半个宇宙。在南两点光测到的只是全天的一半，它们就是“廉价席”。

　　观测恒星最好的位置在哪里呢？观测恒星最好的位置在赤道上。因为北极星在地平线上，两个半球分别可见的星一年中都会慢慢进入视野。在赤道只要是肉眼可见的星就一定能被看到，没有星会降到地平以下。

　　想象在屋子中间放一盏灯作为太阳，你自己绕着灯转圈，就像地球的公转。某一时刻，在任一点，你的身体将一半被照亮，另一半在阴影中。这样你就模拟了地球上总是一半在白天，一半在黑夜的状态。如果在墙上画上星，灯光很亮时，你在某一时刻只能看到一半的星，应为耀眼的灯光使你看不到它所在方向的星。同样，在夜半球冬天和夏天看到的星不同，秋天和春天的也不同。结果我们在一年的不同时间看到了不同的星座，而且通常在每年同一季节看到的星座是相同的。

　　一些星座总在天空中。因为天空中所有恒星看上去都围绕北极星运动。所以一些星会常年出现在天空中。以纽约为例，纬度为41°N，北极星在北方地平线以上41°高的地方几乎不动。因此所有距北极星41°以内的星绕北天极转永远到不了地平。它们在纽约全年可见，被称为拱极星（circumpolar，来自拉丁语，意思是“围绕着极点”）。在迈阿密26°N，只有具北极星26°以内的星是拱极星。推到极限，在北极所有的星都是拱极星，而在赤道没有星总在地平之上，所有的星都有升有落。

　　天空中许多亮星实际上都有独特的名字。这些名字有许多来自1000年前的阿拉伯，当时阿拉伯天文学家为天文学做出了巨大贡献，制出了当时最精致的星图。一些阿拉伯语的名字就被我们原封不动的沿用下来了，其他的经过几个世纪时间的洗礼也融入西方文化了。这两种情况都使得许多亮星的名字很奇怪甚至可以听出是外来语。例如，Deneb（天鹅座α）阿拉伯语的意思是“尾巴或尾巴上的羽毛”，它标出了天鹅身体结构的一部分。双鱼座有一颗星叫Alrischa，在阿拉伯语中是“绳结”的意思，这指的是星空中把两条鱼拴在一起的绳子上的结。有些星的名字听上去还很有节奏感，从左到右猎户腰带上的3颗星都有各自动听的名字：Alnitak、Alnilan和Mintaka。

　　另一个星表中就没那么多外来词。专业和业余的天文学家都喜欢这个更通用的星表。规则很简单也很有逻辑性。每个星座里最亮的星用希腊字母表的第一个字母α表示，后面跟着是星座的拉丁文名称的形容词形式。例如：金牛座最亮的星Aldebara，在这个星表里名称为αtTauri（十分准确的表达了“金牛座最亮的星”）。在它边上猎户座最亮的星有一个听起来很有趣的名字Betetgeuse，但它是猎户座最亮的星，所以它叫做OLOrionis。每个星座里第二亮的星用希腊字母表的第二个字母β表示，后面也跟着星座的拉丁文名称的形容词形式。例如，明亮的猎户左脚Rigel也被叫做βOrionis（意思是“猎户座的第二颗星”）。

　　很不幸，希腊字母表中只有24个字母，而每个星座里的星都远超过24颗。有时2颗以上星在天空中很近时，它们都用同一个希腊字母，但要加标注。因此天琴座的双星叫做ε1Lyrae和ε2Lyrae。变星用别的字母表示，通常用常用字母表示，如RRLyrea。但是望远镜越造越大，我们看到了越来越多的恒星，目前的星表远远不够用了。有一个做法，就是在建立星表时只简单地给每颗星一个号码。一颗星可能叫做HD213468，它是哈佛大学Henry　Draper编译星表中的第213468号。另一颗星会在Smithsonian天体物理观测站星表中被叫做SA0347981。实际中星表太多了，大部分星只有号码，而同一颗星在不同星表中会有不同的编号。这可能很不人性化，但却解决了很大的问题。

　　最近几年，少数公司和一些研究机构利用“以人名给恒星命名”赚了很多钱。许多情况是你付了很多钱，得到一张看上去很漂亮的证书和一张“你的恒星”所在天区的照片或星图。那也许是一个不错的表示，也是一个“极品礼物”，但之后天文学家会在自己的研究和学术论文中引用这个名字吗？答案是毋庸置疑否定的。一张附有你名字的纸可以被保存在瑞士银行的保险柜中，但决不会被收录到某天文台或大学科研用的目录或出版物中。如果想把你的名字留在天上，那么走出去，发现一颗彗星吧。许多业余和专业的天文学家都成功过，如果你发现一颗彗星，专业天文学联合会真的会用你的名字命名。但要是一颗恒星，你就不能仅仅购买命名了。

　　当我们仰望星空时，我们会强烈感觉到星星就像是附着或是凸起在遮避我们头顶的一个球顶上的圆点。事实上在许多古代文化中就曾有这种想象，而现代天文观中那种逼真的人造星空也是用这个方法的。其实，恒星到地球的距离都不相同而是分布在一个三维的空间中的。另外，星光传到地球所用的时间是有限的，对天空中观测也意味着对第四维度的观测，也就是时间。

　　在地球上，我们有时会看到现在的物品，而听到它过去发出的声音。如果你坐在露天看台上认真地观看棒球比赛，你会发现你听到击球手击球的声音是在你看到他击球之后的。同样地，你事先看到闪电然后听到雷声。这两种情况都是由于声音传播的速度远小于光速造成的。在室温下，声速是335米/秒，而真空中的光速是约30万千米/秒（与空气中传播的速度差不多）。这意味着你听到较远处的声音是在它发生之后的，但它一发生你就能看到它，至少在地球上如此。

　　我们对宇宙观测时，看到的是它过去存在的方式。比起我们在地球上看到的东西，宇宙中天体与我们的距离太远了，即使是光传到我们这里也要经过相当长的时间。因此我们看到的不同天体是它们在过去各个时刻的状态。举例说来，光从距我们大概40万千米的月球到地球大概要花1.5秒，所以，我们看到的月亮不是现在的它，而是1.5秒之前的月亮。在1.5亿千米处的太阳，我们看到的是它8分20秒前的状态。（如果太阳神秘失踪了，我们在地球上过了8分20秒才能知道。）不同行星在我们看来，是几分钟甚至几小时之前的状态，而我们看到的恒星是几年前的状态，星系是几百万乃至几十亿年前的状态。所以说，我们仰望星空时，也是在回顾历史！

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