第4章 探索宇宙的星际之旅(4)

但是，宇宙为什么会膨胀呢？宇宙大爆炸理论认为，我们的宇宙起源于一个温度极高、体积极小的原始火球，在距今大约200亿年前，不知什么缘故，这个火球发生了大爆炸，在大爆炸中诞生了我们的宇宙。随着空间膨胀，温度降低，物质的密度也逐渐减小，原先的质子、中子等等结合成氘、氦、锂等元素。后来又逐渐形成星系、星系团等天体。宇宙形成的早期，星系碰撞、合并是很普遍的现象，那时宇宙刚刚开始膨胀，还比较小、比较拥挤，星系繁多。当时大量小星系下雨般落到其他星系中，渐渐形成像银河系这样较大的星系。宇宙的状态是逐渐膨胀，就像一个在不断充气的气球，它里面的星系也逐渐彼此分离。经过200亿年的“分离”才变成今天这个模样。根据天文学家的推测，我们的宇宙将来有一天会停止膨胀，然后转为收缩，直至收缩到大爆炸前的原始火球状态；接下来会出现新的大爆炸，急剧膨胀，然后收缩。这种循环可能会不断地重复进行，宇宙处于这种来回震荡式的变化之中。

原来黑夜之所以黑是因为我们只有太阳的照耀，那些本该照耀地球的恒星在远离我们，那些本来能照到地球的光在逐渐消失。

美妙绝伦的极光

极光被视为自然界中最漂亮的奇观之一，极光一般出现在地球南北两极高空的夜晚，瞭望夜空中五光十色、千姿百态的光辉，那轻盈飘荡、忽暗忽明的景象，不禁让人叹服大自然的鬼斧神工。在自然界中还没有哪种现象能与之媲美。任何画笔和语言都很难绘出和形容那严寒的北极上空飘忽跃动、变幻莫测的炫目之光。

在我国能看到北极的极光，那么在人们眼里极光是什么样子的呢？极光多种多样，五彩缤纷，形状不一，绮丽无比。极光有时出现时间极短，犹如烟花绽放般转瞬即逝；有时却可以在苍穹之中辉映几个小时。极光形状有时像一条彩带，有时像一团火焰，有时像一张五光十色的巨大银幕。极光色彩万千，变幻无穷，有的特别明亮，掩去星月的光辉；有的又十分清淡，恍若一束青丝。有的极光似飘动的彩带，飞天的水袖；有的极光则淡定闲适，静静绽放。其实很多看过极光的人都会用“无法形容”来描绘它，也许极光真的美到超越我们的语言能力，人在它面前只能惊叹、震撼，失之言语，而永驻心里。

科学家则从另一个角度看极光。乘宇宙飞船穿越地球南北极上空时，从遥远的太空望向地球，会看到一个闪闪发亮的光环，光环处在连续变化中，时而向赤道方向伸展，时而向极点收缩。光环时明时暗，处在午夜部分的最宽最明亮。科学观测结果表明，极光最常出现在南北纬67度附近，在极光区域内几乎每天都有极光活动。据统计，极光形态特征大概有五种：底边整齐微微弯曲的、圆弧状的极光弧；有弯曲褶皱的、飘带状的极光带；如云朵一般的片朵状的极光片；面纱一样均匀的、帐幔状的极光幔；沿磁力线方向的、射线状的极光条。

梦幻般的极光许多世纪以来让人们充满神秘感，它到底是怎么形成的呢？古代，因纽特人认为极光是鬼神引导死者灵魂上天堂的火炬。我国古代没有极光这个词，人们根据极光的不同形状来称呼，比如天狗、刀星、开天眼等。13世纪时，人们则认为那是格陵兰冰原反射的光。到了17世纪，人们才称它为北极光。随着科技的进步，极光的奥秘也逐渐被揭开。原来这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品。极光与地球高空大气和地磁场的大规模相互作用有关，也与太阳喷发出的高速带电粒子即太阳风有关。太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒400千米的速度撞击地球磁场。地球磁场形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的带电粒子沿着地磁场这个“漏斗”沉降，进入地球的两极地区。两极的高层大气，受到太阳风的冲击后会发出光芒，形成极光。

其实极光不仅是一个光学现象，而且是一个无线电现象。用雷达进行观测研究，发现它会辐射出某些无线电波。甚至有人说极光能发出各种声音。也许针对极光有许多值得研究的课题，期待瑰丽的极光带给我们更多神奇的体验和更多惊奇的真相。

美丽的流星雨

大多数人都看到过星空中的流星雨，那么什么是流星雨呢？它是怎么形成的呢？

流星雨的产生是流星体与地球大气层相摩擦的结果，流星体就是小行星群体。流星群往往是由彗星分裂的碎片产生，因此，流星群的轨道常常与彗星的轨道有关。成群的流星就形成了流星雨。美丽的流星雨看起来像是流星从夜空中的一点迸发并坠落下来，这一点是流星雨的辐射点。人们通常以流星雨辐射点所在天区的星座给流星雨命名，用这个来区别来自不同方向的流星雨。例如每年11月17日前后出现的流星雨辐射点在狮子座的天空区域内，就被命名为狮子座流星雨。此外我们熟知的还有猎户座流星雨、宝瓶座流星雨、英仙座流星雨。

也就是说流星雨是由于彗星等天体破碎而形成的。那么，流星雨的发生都与彗星有关吗？我们知道，每年流星雨规律地发生是因为地球精确地在每年某个时间拦截某一特定的彗星轨道。历史上很多场流星雨都十分壮观。比如，1899年的一次大流星雨1小时内出现10多万颗流星。追溯历史还有很多次流星雨记载。总之，每年共有约24个规则的流星雨发生，它们几乎都与彗星有关。

流星雨因其壮观的景象和好听的名字一直被视为美好的天外之物。按成分流星雨可分为三种。一种是石质的陨星，含有硅酸盐。这种流星雨含有球粒结构，石质陨星是最常见的，占总数的65%；第二种是铁质陨星，它是一种金属陨星，由铁和镍构成。这种流星雨占总数的31%；第三种陨星含有一半金属，一半硅酸盐，占总数的4%。

在太阳系中，除了八大行星、矮行星和它们的卫星之外，还有彗星、小行星以及一些更小的天体。小天体的体积虽小，但它们和八大行星、矮行星一样，在围绕太阳公转。如果它们有机会经过地球附近，就有可能以每秒几十千米的速度闯入地球大气层，其上面的物质由于与地球大气发生剧烈摩擦，巨大的动能转化为热能，引起物质电离发出耀眼的光芒。这就是我们经常看到的流星。

有的流星是单个出现的，在方向和时间上都很随机，也无任何辐射点可言，这种流星称为偶发流星，偶发流星每天都会产生。流星雨与偶发流星有着本质的不同，流星雨的重要特征之一是所有流星的反向延长线都相交于辐射点。流星雨的规模也大不相同。有时在一小时中只出现几颗流星，但它们看起来都是从同一个辐射点发出的，因此也属于流星雨的范畴；有时在短短的时间里，在同一辐射点中能迸发出成千上万颗流星，就像节日中人们燃放的礼花那样壮观。流星雨之所以美丽，是因为它有多种颜色。一个流星的颜色是流星体的化学成分及反应温度的体现，钠原子能发出橘黄色的光，铁为黄色，镁是蓝绿色，钙为紫色，硅是红色。

暗物质是什么

宇宙中有许许多多发光的星体，它们构成了各种各样的星系家族。但宇宙中除了发光星体外，还存在一些观察不到的暗物质。1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出一个推论，即宇宙的形状取决于宇宙中物质的多少。他认为宇宙是有限封闭的。按这个推论来算，宇宙中物质的平均密度必须达到很高，但目前可观测到的宇宙密度，却比需要值小100倍。这就是说宇宙中有大量物质“失踪”了，我们无法观测到，科学家把这些“失踪”的物质叫暗物质。

在浩瀚的宇宙中，人类能观测到的只有10%左右，有90%下落不明。仿佛幽灵一样的暗物质无法捕捉到，用望远镜也看不到。那么暗物质究竟是什么东西呢？

最初人们猜测暗物质是弥漫在宇宙空间的气体，但实际测量结果证明，宇宙空间的气体太少了，不足以说明暗物质的存在。接着人们猜测可能是宇宙尘埃，弥散的宇宙尘埃会引起星光昏暗，但测量后发现宇宙尘埃只占星系团中恒星质量的1%。也有人提出暗物质可能是黑洞，这种体积极小而质量极大的天体由于引力极强，能够吸附附近的一切物质，包括光辐射。但实际上黑洞的数量过少，不足以解释暗物质的存在。

这些猜想都逐渐被否定，随着研究的深入，宇宙中一种神秘粒子——中微子进入人们的视线。中微子目前已经被证实是存在的，而且数量极为庞大，虽然质量尚不明确，但只要它有很小的质量就足以支撑暗物质的存在。1930年，奥地利物理学家经过大量推算，根据能量守恒定律大胆提出，物质世界里有一种极其微小的粒子，正是这种粒子带走了宇宙中失踪的那部分能量。1933年美国物理学家命名这种粒子为中微子，1956年科学证实了中微子的存在。

如今，科学家已证明某些中微子具有某种质量，这就是说，大量中微子可能就是缺失的宇宙物质，或者至少是其中一部分。但是，中微子的质量真的能对宇宙的物质组成产生如此大的影响吗？这仍然是宇宙留给我们的未知领域。

宇宙中的黑洞与白洞

仰望夜空时，我们能看到很多美丽的星星，这些发光的天体让人感觉亲切。其实，在一望无际的宇宙中，还有很多不发光的天体。美国宇航局曾经发射了高能的天文观测系统，通过这个系统，科学家们发现了一个奇怪的现象，那些被认为消失了的星体仍然能放出宇宙射线，而且还很强烈。科学家认为这就是广义相对论预言的黑洞。黑洞让人陌生而害怕，因为它吸引着宇宙中的一切。

随着研究的成熟，黑洞已经为世人所认识。而太空中还有一种与黑洞相反的物质，叫做白洞。它也是一种特殊的天体，有一个封闭的边界，可以向外部提供物质和能量，但不能吸收外部的任何物质和辐射。白洞是一个很强的引力源，它还会和它周围的物质发生激烈的碰撞，释放出巨大的能量。白洞和黑洞一样，充满着神奇的色彩。

最让人们感兴趣的问题是，黑洞和白洞是如何产生的？它们之间有什么关系？科学家们对此有很多见解。

有人认为黑洞是巨大星体演变而成的，并且极有可能是由恒星转变而来的。宇宙早期的星云物质由于自身的引力作用而收缩成恒星，在收缩过程中，气体温度上升并使恒星发光，当温度升高到一个极点时，就会发生“热核聚变”。聚变释放出的巨大能量使恒星气体的压力进一步升高，并达到足以平衡恒星内部引力的程度，于是恒星的收缩停止下来，并在相当长的时间里稳定地燃烧；当恒星耗尽了这些能量之后，又重新开始收缩，最后逐渐凝结而形成了黑洞。还有一些人认为黑洞是由小型黑洞集合而成的，每一个早期气体云团的中心后来都发生了坍缩，最终形成了超级黑洞。

关于白洞的形成，多数天文学家认为，当宇宙诞生的那一刻，即当宇宙开始大爆炸时，由于爆炸的不完全和不均匀，可能会遗留下一些超高密度的物质暂时没有爆炸，这些遗留下来的致密物质就成为新的局部膨胀的核心，也就是白洞。目前，关于白洞的研究只是停留在理论阶段，还没有被观测结果所证实。

以往的研究中，大多数科学家都把黑洞和白洞当做两种不同的物质来研究，不过，有一项研究得出的结论认为白洞很可能就是黑洞。这等于说黑洞在这一端吸收物质，而在另一端则放射物质，就像一个巨大的时空隧道。最初提出这个理论的正是著名的英国天体物理学家霍金。1974年，他在研究黑洞的过程中发现，黑洞的蒸发使黑洞的质量减小，从而使黑洞内部的温度升高，这样又促使蒸发进一步加剧，这一过程持续下去，黑洞的蒸发就会不断加强，最后以一种猛烈爆发的形式结束。这个过程正好就是白洞不断向外喷射物质的过程了。霍金致力于这方面的研究已经很多年，他的理论给天文学家提供了新的研究视角。

目前，关于黑洞和白洞的奥秘仍然需要继续研究，相信人类坚持不懈的努力一定会揭开神秘的宇宙蕴涵的无数秘密。

寻找彗星的家

彗星是星际间物质，也被人们称为“扫帚星”，古代人们普遍认为彗星是灾星，把彗星的出现和人间的战争、饥荒、洪水、瘟疫等灾难联系在一起。我国2 000多年前就有关于彗星的记录，《春秋》记载，公元前613年，“有星孛入于北斗”，这是世界上公认的关于哈雷彗星最早的确切记录，比欧洲早600多年。《天文略论》里写道：“彗星为怪异之星，有首有尾，俗象其形而名之曰‘扫把星’。”现在，利用望远镜我们平均每年可发现10多颗彗星，但肉眼可见的大彗星却不多见。彗星的样子很特别，它的主体部分是个球形，即彗核，核外的雾状包裹层叫做彗发，两者合称彗头。

彗星是个很奇特的天体。历史上第一个被观测到的周期性出现的彗星是哈雷彗星。1704年哈雷认识到它是周期性的，周期是76年。历史记录表明自从公元前240年开始，它每次通过太阳时都被观测到了。最近一次是在1986年通过的，哈雷彗星现在已经广为人知。离太阳很远时彗星的亮度很低，而且它的光谱单纯是反射太阳光的光谱。当彗星进入离太阳8个天文单位内时，它的亮度开始迅速增长并且光谱急剧地变化。发生这种变化是因为组成彗星的固体物质突然变热。

从古至今，彗星的故事和传说很多，人们对这种天体充满了好奇，但最让人们不解的是，彗星是如何形成的。这同样是宇宙留给人类的难题，研究至今，科学家们形成了以下几种看法：

由奥尔特云形成。1950年，荷兰天文学家奥尔特对41颗长周期彗星的原始轨道进行统计后认为，在冥王星轨道外面存在着一个硕大无比的“冰库”，或者说是一个巨大的“云团”。这个云团一直延伸到离太阳约22亿千米远的地方。奥尔特认为太阳系里所有的彗星都来自这个云团，因而人们把它称为彗星云或奥尔特云。奥尔特云离太阳系很远，那里大约有1 000亿颗彗星。

碰撞后的产物。这个假说认为，太阳系内某两个天体碰撞或太阳系内天体爆炸后，形成了许多碎片及更多的彗尾物质尘埃，而许多同一轨道的碎片结合到一起就形成了彗核，伴随的尘粒在接近太阳时就形成了彗头和彗尾，这种说法比较可信，因此被很多人接受。