第二章 宇宙、地球的起源與演化1 銀河系和宇宙起源學(xué)說(shuō)

    1．1 銀河系結(jié)構(gòu)及太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)

    晴夜仰望，但見天穹深邃，星光閃爍，銀河高懸，流星飛馳。自古以來(lái)，群星構(gòu)成的壯麗圖案不但形成許多動(dòng)人心弦的神話傳說(shuō)，更激勵(lì)科學(xué)家們?nèi)ヌ剿饔钪娴膴W秘。

    16世紀(jì)前人們只能憑肉眼見到六七千顆星體，著名的銀河（Milky Way）僅是一條乳白色亮帶。在當(dāng)時(shí)條件下，古代天文學(xué)家創(chuàng)建了天體測(cè)量學(xué)和哥白尼日心學(xué)說(shuō)，認(rèn)識(shí)到太陽(yáng)系內(nèi)天體運(yùn)行的現(xiàn)象，解決了人類的授時(shí)和編歷問題，為史前畜牧經(jīng)濟(jì)和以后的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

    17世紀(jì)是人類認(rèn)識(shí)宇宙的一次重要飛躍期。天文望遠(yuǎn)鏡問世、開普勒三定律和萬(wàn)有引力定律建立，標(biāo)志著人類進(jìn)入掌握行星層次天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的新階段，為人類進(jìn)入工業(yè)經(jīng)濟(jì)時(shí)代奠定必要的科學(xué)基礎(chǔ)。

    20世紀(jì)早期恒星演化理論的建立，反映了天體物理學(xué)和現(xiàn)代天文學(xué)的進(jìn)展，標(biāo)志著人類在恒星層次上實(shí)現(xiàn)了認(rèn)識(shí)宇宙的第二次飛躍。

    20世紀(jì)后半葉是人類對(duì)宇宙認(rèn)識(shí)的第三次飛躍期。在研究手段方面建立了大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、紅外望遠(yuǎn)鏡和射電望遠(yuǎn)鏡，使天文觀測(cè)領(lǐng)域擴(kuò)展到整個(gè)電磁波段（含可見光、紫外光、紅外光、無(wú)線電波、X射線、γ射線）和150億光年左右時(shí)空尺度。觀察地點(diǎn)發(fā)展到U2高空偵察機(jī)、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡、宇宙探測(cè)器和人類登月，避免了地球大氣干擾和局限。理論方面有宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)多種模型問世。在人類從星系層次加深對(duì)動(dòng)態(tài)宇宙的認(rèn)識(shí)方面是劃時(shí)代的進(jìn)步，也與人類自工業(yè)經(jīng)濟(jì)邁向知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的轉(zhuǎn)變相適應(yīng)。

    （1）銀河系結(jié)構(gòu)

     銀河系 是星系的典型代表，由1500～2000億顆恒星和無(wú)數(shù)的星際物質(zhì)組成。銀河系主體部分稱銀盤，直徑8.5×104l.y.（光年）（1l.y.=94600×108km），中央呈近似球形隆起的部分，稱為核球，直徑104～1.3×104l.y.，厚約104l.y.，是恒星高度密集區(qū)域；核球的中心稱為銀核，是銀河系的質(zhì)心。肉眼見到的銀河就是銀河系主體在天球上的投影。銀盤外圍被恒星密度很稀的扁球狀銀暈所包圍，直徑達(dá)到10×104l.y.（圖2-1，左；1×103秒差距（pc）=3261.6l.y.）。

    從垂直銀河系平面的方向看，銀盤內(nèi)恒星和星際物質(zhì)在磁場(chǎng)和密度波影響下分布并不均勻，而是由核球向外伸出的四條旋臂組成旋渦結(jié)構(gòu)（圖2-1，右）。旋臂是銀河系中恒星和星際物質(zhì)的密集部位。

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    太陽(yáng)是銀河系眾多恒星中的普通一員，它位于銀盤中心平面（銀道面）附近和一條旋臂（獵戶座旋臂）的內(nèi)緣，距銀核約2.7×104l.y.處。

    （2）太陽(yáng)在銀河系內(nèi)的運(yùn)動(dòng)

    銀河系的旋渦結(jié)構(gòu)反映了自身存在自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也就是銀河系中的恒星、星云和星際物質(zhì)都繞銀核旋轉(zhuǎn)。太陽(yáng)繞銀核旋轉(zhuǎn)的速度為250km/s，旋轉(zhuǎn)一周約2.5×108～3×108y，稱為銀河年。

    銀河系內(nèi)不同星體間的運(yùn)動(dòng)也存在復(fù)雜的情況。有人提出太陽(yáng)在旋轉(zhuǎn)過程中可能發(fā)生兩種周期性變化。一種是從銀河系側(cè)面看，發(fā)生在銀道面上下的往復(fù)波動(dòng)，大體每隔35百萬(wàn)年就穿越銀道面一次。另一種是從銀河系平面看，由于不同星體旋轉(zhuǎn)速度不等，太陽(yáng)與銀河系四個(gè)旋臂并不同步并行，大體每隔75百萬(wàn)年就穿越旋臂一次。上述假說(shuō)在天文學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)尚待進(jìn)一步驗(yàn)證。

    1．2 星系運(yùn)動(dòng)和總星系

    （1）銀河系的運(yùn)動(dòng)和河外星系

    銀河系除存在自轉(zhuǎn)外，同時(shí)整體以214km/s的速度向著麒麟座方向運(yùn)動(dòng)。近些年天文學(xué)研究已陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，宇宙空間中存在500億個(gè)類似銀河系的恒星系，它們自身直徑也達(dá)十萬(wàn)光年左右，離銀河系則有幾十億至上百億光年之遙，稱為河外星系。若把可見宇宙比作廣闊的海洋，它們只不過是散布其中的島嶼，也稱為宇宙島（world island）。

    （2）從星系團(tuán)到總星系

    10萬(wàn)光年尺度的星系在空間分布并不均勻，它們有成團(tuán)的趨勢(shì)，可以形成星系團(tuán)。星系團(tuán)的規(guī)模大小不等，形狀也各不相同，典型的空間尺度達(dá)到千萬(wàn)光年（即108km）量級(jí)，總質(zhì)量達(dá)到1047g量級(jí)。星系團(tuán)內(nèi)星系之間距離約為百萬(wàn)光年量級(jí)。銀河系和相鄰仙女星系、麥哲倫星云等30個(gè)星系組成一個(gè)規(guī)模較小的集團(tuán)，稱為本星系群。

    星系團(tuán)在空間的分布也不均勻，許多星系團(tuán)可以進(jìn)一步組成超星系團(tuán)，典型的空間尺度達(dá)到1億光年量級(jí)。本星系群和室女星系團(tuán)構(gòu)成的本超星系團(tuán)，直徑約1～2.5億光年，總質(zhì)量為太陽(yáng)的千萬(wàn)億倍。

    人類現(xiàn)在觀測(cè)能力所及的可見宇宙稱為總星系，其典型空間尺度為150億光年，年齡為100億光年量級(jí)，總質(zhì)量達(dá)到1056克量級(jí)。