银河
人类探索太空的下一步要从行星跨越到恒星了，视差方法对此依然有效。只不过我们发现，即使离我们最近的恒星也如此遥远，哪怕选择地球上相距最远的两个观测点（地球相对的两端），恒星在星辰背景之下也不会显现明显的视差位移。但我们也不是没有方法测量这些庞大的距离。既然可以用地球的尺寸测量围绕太阳的地球轨道的大小，那么为何不能利用这条轨道测量我们与恒星的距离呢？换句话说，有没有可能通过在地球轨道上相对的两端观察恒星，测得至少几颗恒星的相对位移呢？虽然这意味着两次观测之间要有半年的时间间隔，但这又有何妨呢？
基于这一想法，德国天文学家贝塞耳（Bessel）于1838年开始比较相隔半年的两个夜晚的恒星位置。起初他并不走运，他选的恒星显然都太远了，即便以地球轨道直径作为光学基线，也察觉不到任何明显的视差位移。但好在有这么一颗恒星，在天文学目录中被命名为天鹅座61（天鹅座中的第61颗暗星），它的位置似乎较半年前发生了些许偏移（图10-7）。
图10-7
又过了半年，这颗恒星又回到原来的位置。视差效应正式坐实了，贝塞耳也因此成了拿着尺子跨出太阳系、进入星际空间的第一人。
他观测到的天鹅座61的位移很小，仅0.6弧秒。[3]打个比方，当你看向500英里外的一个人（能看到的话），视线张开的角度就是这么大！不过，天文仪器非常精密，这么小的角度也能非常精确地测量出来。根据观测到的视差，以及已知的地球轨道直径，贝塞耳计算出这颗恒星位于103 000 000 000 000千米之外，比太阳还远690 000倍！我们很难把握这一数字的意义。再举上面那个例子，如果太阳是个南瓜，地球是颗豌豆，在200英尺外绕太阳转动，那颗恒星则位于3万英里外的地方！
天文学习惯于将很远的距离写成光以每秒30万千米的速度走过这段距离所需的时间。例如，光绕地球一周只需1/7秒，光从月球来到地球只需1秒出头，光从太阳来到地球大约需要8分钟。光从我们的宇宙近邻之一天鹅座61来到地球，则要走约11年。如果由于某种宇宙大灾难，天鹅座61上的光熄灭了，或者突然发生大爆炸（此类情况在恒星中很常见），我们必须等上11年，才能凭穿越茫茫宇宙的爆炸光斑以及它逐渐式微的光芒察觉到，宇宙中有一颗恒星就此湮灭了。
根据他测算的天鹅座61与我们的距离，贝塞耳又计算出，这颗在我们眼中不过是夜空一点微光的恒星其实非常庞大，其体积只比我们辉煌的太阳小30%，亮度也只比太阳微弱一点。这构成了哥白尼首次提出的那个革命性观点的第一个直接证据，即太阳只是散落在无垠宇宙中的相距遥远的无数恒星中的一颗。
自贝塞耳开创新局面后，人类已完成对许多恒星视差的测量，并发现了几颗比天鹅座61更近的恒星，其中最近的是半人马座α（半人马座中最亮的恒星），距我们仅4.3光年。其大小和亮度均与太阳相仿。多数恒星的距离都远得多，即便将地球轨道的直径作为基准也远远不够。
恒星的大小和亮度也天差地别，既有像参宿四这样耀眼的红超巨星：距地球300光年，比太阳大400倍、亮3 600倍；也有像范马南星这样昏暗的白矮星：距地球13光年，直径是地球的75%，亮度为太阳的万分之一。
现在我们来谈一个很重要的问题：现存恒星的数量。很多人（可能也包括你）都以为天上的恒星是无穷无尽的，但和许多流行观点一样，这一点也是大错特错的——至少就肉眼可见的恒星而言。实际上，在两个半球上能看到的星星总数仅为6 000～7 000颗，而且由于在任一时间，我们只能看到地平线以上的一半天空，再加上由于存在大气吸收光线的现象，靠近地平线的恒星能见度会大大降低，因此在一个晴朗无月的夜晚，肉眼可见的恒星只有2 000颗左右。假如你1秒能数1颗恒星，只需约半个小时，你就能把天上的恒星都数完！
但如果使用一只双筒望远镜，你还能再看到约5万颗恒星，而使用一架2.5英寸口径的望远镜，又能多看到约100万颗。如果使用加州威尔逊山天文台的那架著名的100英寸口径的望远镜，看到的恒星数量会达到约5亿颗。即使天文学家每秒数1颗，整夜整夜地数，也要一百年才能数完！
当然，没人会为了数尽天上的星星，透过大型望远镜一颗一颗地去数。人们是通过数出天空中多个不同区域可见星星的数量，然后将平均值应用于总面积，由此算出的星星总数。
百余年前，英国著名天文学家威廉·赫舍尔（William Herschel）通过自制的大型望远镜观察到了一个惊人事实：通常肉眼可见的多数星星都集中在夜空中一个微弱的发光带里，即我们所称的银河。他帮助天文学认清了这样一个事实：银河并非普通星云，也非横跨太空的气体云带，而是由大量距离遥远因而光线微弱、肉眼不能一一辨别的恒星组成的。
通过越来越强大的望远镜，我们已经能看清银河系中越来越多的星星，但大部分仍隐藏在朦胧的背景之中。但如果就此认为银河系中的恒星分布比天空的其他部分更密集，就大错特错了。实际上，我们之所以会在这部分天空看到更多星星，并不是因为星星在这里分布得更密集，而是因为在这里分布得更深远。在银河系的两端，星星一直延伸到了目力所及（在望远镜的加持下）的最远距离，而在所有其他方向，星星的分布似乎都有尽头，再往外只剩下几乎纯粹的虚空。
向银河系的两端看，就像在密林里张望，数不清的枝杈相互重叠，形成了连续的背景，而往其他方向看，则能在星星之间看到一块块的空白区域，就像在森林里抬起头，能看到一块块蓝天一样。
可见，这片星辰（太阳只是其中微不足道的一员）在宇宙中占据了一片扁平空间，这片空间沿银河系平面的两端延伸很远，而与两端垂直的方向则相对较短。
经过几代天文学家的细致研究，我们现在知道银河系内大约有400亿颗独立的恒星，它们分布在一个放大镜状的区域内，直径约10万光年，厚5 000～10 000光年。其中一项研究成果还狠狠打了人类的脸：太阳并不位于这个庞大星系的中心，反而靠近星系的外围。
我们尝试用图10-8向读者描绘这一巨大“恒星蜂巢”的外观。这里的银河系缩小为一万亿亿分之一，出于印刷考量，代表恒星的点也远少于400亿个。
图10-8 天文学家在观测缩小为1/100 000 000 000 000 000 000的银河系
形成银河系的海量恒星的最典型的特征之一是，它们也和我们的太阳系中的行星类似，一直在快速旋转。就像金星、地球、木星和其他行星都沿着近似圆形的轨道绕太阳转动一样，构成银河系的数百亿恒星也绕着银心转动。银河系的旋转中心位于人马座（射手座）的方向上，实际上，如果你沿着银河系的朦胧形状看去，你会注意到它在接近人马座的地方变宽了一些，这表明那里正是这个放大镜形状的中心凸起部分（图10-8中的天文学家也在朝这个方向看）。
银心是什么样子的呢？很遗憾，我们还不清楚，悬在太空中的深色星际物质的浓云遮挡了我们的视线。实际上，在望向银河系位于人马座区域[4]的拓宽部分时，乍一看，这条神话中的天河似乎分成了两条河道。但这并非事实，之所以看上去如此，是因为我们与银心之间悬浮着由星际尘埃和气体组成的暗黑云团。虽然银河两侧也是黑的，但那是宇宙虚空的黑暗背景，银河中心的黑则是由不透明的暗黑云团造成的。我们虽然能在那团黑云上看到几颗星星，但星星其实位于我们和黑云之间（图10-9）。
图10-9 “银河”似乎分成了两条河道
当然，看不到这个数百亿颗恒星（包括太阳）都绕着其旋转的神秘银心实在可惜，但通过观察银河系以外的其他星系，我们也能大致推断出银心的样貌。银心并不存在一个像太阳一样掌控所有其他星体的超级巨星。对其他星系中心部分的研究（我们会在稍后讨论）显示，这些部分由大量恒星组成，唯一的区别是，中心区域的恒星密度远高于太阳系所在的外围地区。如果把太阳系看作一个由太阳统治各行星的专制国家，那么银河系就是一个民主国家，一些成员占据了有影响力的中心位置，另一些成员只能满足于社会外围一些不那么光鲜的位置。
如上所述，包括太阳在内的所有恒星都在巨大的圆形轨道上围绕银心运转。但这一点要如何证明呢？这些轨道的半径有多大呢？绕完一圈要多长时间呢？
荷兰天文学家奥尔特（Oort）已经在几十年前回答了所有这些问题。他将一种被称为“银河系观测”的方法应用在了对这一恒星系统的研究当中，这一方法与哥白尼研究行星系统时的方法很像。
让我们先回忆一下哥白尼的论证方式。包括古巴比伦人和古埃及人在内的古人都注意到，土星和木星等大行星似乎以非常特殊的方式在天空中移动。它们似乎像太阳一样沿椭圆形轨道前进，之后突然停下脚步并后退，然后又继续沿原先的方向前进。图10-10下部画出了土星在大约两年时间内的运行轨迹图（土星的一个完整运转周期为29.5年）。过去由于宗教偏见将地球视为宇宙中心，人们相信所有太阳系的行星以及太阳本身都是绕着地球运转的，在这种情况下，人们只能将上述特殊轨迹解释为行星轨道具有特殊的多环结构。
图10-10 土星在太阳两年内的轨迹图
但哥白尼不这么想，凭借其天才的灵感，他将这一神秘循环现象归因于地球和所有其他行星都在围绕太阳做简单的圆周运动。如此一来，那种多环效果就很好理解了，请见图10-10的上半部分。
图中，中心处是太阳，小圆上的小球是地球，大圆上的是土星（带环），地球与土星沿相同方向运转。两组数字1、2、3、4、5分别代表地球和土星一年中的几个位置，地球位置旁的竖线是指向某颗固定恒星的。我们知道，土星的运行速度要慢得多。将对应的地球位置与土星位置用直线连接起来，我们会看到，两条线（地球连接土星，以及地球指向固定恒星）的夹角先是增大，而后减小，接着又增大。可见，那种看似多环的现象并不表示土星的运动有任何特殊性，而只是因为我们在地球轨道的不同位置观察土星罢了。
图10-11有助于我们理解奥尔特有关星系旋转的论点。图片下方是银心（四周布满暗云等物体），周围到处都环绕着恒星。三个圆环代表距银心远近不同的恒星轨道，中间的圆环是太阳的轨道。
图10-11
我们选择了八颗恒星（用光芒射线与其他点区分开来），其中两颗与太阳轨道相同，一颗在太阳前面，一颗在太阳后面，其他几颗分布在更大和更小的两个圆环轨道上。需要注意的是，在万有引力作用下（请参阅第五章），外层轨道上的恒星的运行速度低于太阳轨道上的恒星，而内层轨道上的恒星运行速度高于太阳轨道上的恒星（图10-11中用不同长度的箭头表示）。
那么，从太阳上观察（即是从地球上观察），这八颗恒星的运动轨迹如何呢？在这里，我们谈论的是沿一条观察视线的运动轨迹，通过所谓的多普勒效应，[5]可以很方便地观察到这一点。首先，很明显，相对于太阳（或地球）上的观察者而言，两颗与太阳同轨道同速度的恒星（D和E）似乎是静止的。这一点也适用于与太阳位于同一半径线上的两颗恒星（B和G），它们平行于太阳运行，因此从观察者的角度看，不存在速度分量。
那么，处于外层轨道的恒星A和C又如何呢？如图所示，它们的运行速度都比太阳慢，因此，A会越来越落后，C会慢慢被太阳赶上。在这个过程中，太阳与恒星A的距离将增加，与恒星C的距离将减小，因此，来自这两颗恒星的光线一定会分别呈现多普勒红移效应和蓝移效应。对于内层轨道上的恒星F和H，情况正好相反，F会呈现蓝移效应，H则会呈现红移效应。
假设上述现象只能由恒星的圆周运动引起，那么，这一圆周运动的存在不仅有望证实这一假设，借此还能估算出恒星的轨道半径及运行速度。通过收集天空中观测到的各种恒星视运动资料，奥尔特证明了确实存在预期中的多普勒红移效应和蓝移效应，从而确定地证明了银河系的旋转。
以类似的方式可以证明，银河系的旋转也会影响恒星垂直于视线方向上的视速度。尽管精确测量这一速度分量困难得多（因为遥远的恒星即使线速度很大，在天球上的角位移依然极小），但奥尔特等人还是观察到了这种影响。
现在，通过精确测量恒星运动的奥尔特效应，就可以测出恒星轨道并确定运转周期。通过这种计算方法，我们已经知道以人马座为中心的太阳轨道的半径为3万光年，即整个银河系半径的三分之二。太阳围绕银心转动一周的时间约为2亿年。
无可否认，这是一段漫长的时间，但别忘了，银河系已有约50亿年的历史，在这期间，我们的太阳已经带着一票行星转完了约20圈。如果类比“地球年”的术语，即太阳转动一周称为一个“太阳年”，那么，我们可以说宇宙只有20岁。
的确，恒星世界里的事都发生得很慢，因此用太阳年度量宇宙的历史不失为一种方便的做法！