探索未知的边界
正如前文提到的，我们的银河系并非茫茫宇宙中唯一的恒星社会。透过望远镜，人类已在太空深处发现了许多与银河系相似的庞大星群。最近的是著名的仙女座星系，我们甚至能用肉眼看到它。它看上去小小的，长长的，发着微弱的光芒。
图版Ⅶa、b中是威尔逊山天文台的大型望远镜拍摄到的两个此类天体照片。分别是大熊座星系的正面观和后发座星系的侧面观。我们注意到，这些星系也具有银河系飞碟状外观的一个特征：典型的旋涡结构，因此被称为“旋涡星系”。许多迹象表明，我们的银河系也是一个类似的旋涡体，但置身其中的我们很难确定其具体的形状结构。实际上，太阳很可能就位于“银河大星系”其中一只旋涡臂的尾端。
很长一段时间，天文学家都未能意识到螺旋星云是类似于银河系的巨大恒星系统，而将它们与普通的弥散星系混淆了起来，后者是银河系中庞大的星际尘埃云团，比如猎户座星云。后来，人们发现这些雾状的螺旋形物体完全不是雾，而是由一颗颗恒星构成的，通过最高倍望远镜，我们能看到其中的一颗颗小点。但它们离我们实在太远，无法通过视差方法测出实际距离。
至此，我们测量天体距离的手段似乎已撞上天花板。且慢！每当我们在科学中遇到不可逾越的困难时，停滞往往只是暂时的，总会有新的事情发生，让我们走得更远。在这里，哈佛大学天文学家哈罗·沙普利（Harlow Shapley）找到了一根新的“测量棒”，即所谓的脉动星或造父变星。[6]
满天的星辰中，大部分都在安静地发光，但也有少数会持续进行规律的明暗交替。这些巨大星体就像心脏一样，一直在有规律地脉动，伴随周期性的明暗变化。[7]星体越大，脉动的周期就越长，这就像钟摆越长，摆动一次越费时一样。其中很小的（以恒星的程度而言）能在几小时内完成一个周期，巨星则要许多年才能完成一次脉动。鉴于恒星越大就越明亮，脉动周期与平均亮度之间一定存在某种相关性。只要造父变星离我们足够近，就能直接测出它们的距离和实际亮度，通过观察造父变星，可将上述相关性明确下来。
如果你发现一颗超出视差测量范围的脉动星，你只需透过望远镜确定其脉动周期，就能知道它的实际亮度，再将之与其视亮度对比，便可立即知道它有多远。沙普利运用这种巧妙方法，成功测出了银河系内的一些极大距离，并帮助估算出了银河系的总体尺寸。
当沙普利用该方法测量庞大的仙女座星系中的几颗脉动星时，结果令他大吃一惊：从地球到这些恒星（即到仙女座星系本身）的距离为170万光年，这比人类估算的银河系本身的直径大得多；而经过计算，仙女座星系的尺寸仅比银河系略小。图版Ⅶ中的两个旋涡状星系距离我们更远，它们的直径也与仙女座相差不多。
这一发现令此前关于旋涡状星系是银河系内部相对而言的“小东西”的设定瞬间崩塌，现在人们知道，它们其实是类似于银河系的独立星系。从仙女座星系数亿万恒星之一的系统内观察我们的银河系，看到的样子一定也与我们在地球上看到的仙女座星系大体相似，对此，已经没有天文学家会质疑了。
特别是在威尔逊山天文台的著名天文学家哈勃博士（E.Hubble）对遥远“恒星社会”的进一步研究下，人类已经了解到许多有趣和重要的事实。首先，通过高倍望远镜能观测到的星系比我们用肉眼能看到的星星还多，而且它们有各种各样的形状，并不都是旋涡状。有球状星系，看起来像外层松散的规则圆盘；有长短轴比例各异的椭球状星系。即使是旋涡状的，旋涡的松紧程度也各不相同。此外，还有形状奇特的“棒旋星系”。
这里浮现了一个极为重要的事实：通过将观察到的所有星系类型按一定顺序排列出来（图10-12），我们或许能得出星系演化的不同阶段。
图10-12 正常星系演化的各个阶段
我们对星系演化细节的了解还远远不够，但据推断，这一过程很可能是持续收缩所致。我们知道，当缓慢旋转的球状气体团逐步收缩时，转速会加快，形状也会变为扁平的椭球状。当收缩到一定程度，极半径与赤道半径之比达到7：10时，这个旋转体的赤道位置会发展出清晰的棱边，使其变为凸透镜形状。再收缩下去，凸透镜形状仍会保持完整，但其中的气体会沿赤道棱边向外扩散，致使赤道平面上形成一层薄薄的气体帘幕。
英国著名物理学家和天文学家詹姆斯·金斯爵士（Sir James Jeans）完成了数学层面上对旋转的球状气体团的上述演变的证明，而这些演变也能原封不动地应用于我们称为星系的巨大星云之上。实际上，可以将这些由数十亿颗恒星组成的集体比作一团气体，在这里，每一颗恒星都扮演着一颗气体分子的角色。
通过比较金斯的理论计算与哈勃基于观测对星系的分类，我们能看出，这些巨大的“恒星社会”恰好遵循该理论描述的演化过程。具体来说，我们发现最扁的椭球星云对应的半径之比恰好是7∶10（E7），也是在这种情况下，星云开始出现明确的赤道棱边。而演化后期出现的旋涡臂显然是高速旋转时物质被甩出所致。但目前为止，关于旋涡臂的形成原因和方式，以及为何会有简单旋涡和棒状旋涡之分，我们尚未找到令人满意的解释。
眼下，我们对于这些星系的结构、运动及各部分的组成还知之甚少。例如，几年前，威尔逊山天文台的天文学家巴德（W.Baade）发现了一个有趣的事实：虽然旋涡状星云的中心体（星云核）与球状和椭球状星系的中心体都是由同一类恒星组成的，但旋涡臂部分的恒星构成非常不同。其中出现了一些又热又亮的恒星，称为“蓝巨星”，而中心体内或球状和椭球状星系中均未发现此类恒星的身影。之后我们会看到（第十一章），蓝巨星很可能是一些新形成的恒星，如此我们可以合理假定，旋涡臂其实是新恒星成员的“孵化场”。可以想象，从收缩的椭球状星系的赤道隆起部分甩出的大部分物质都是原始气体，这些气体进入寒冷的外太空后，会凝结成单独的大块物质，这些物质又会在随后的收缩中变得非常炽热而明亮。
在第十一章，我们还会回头讨论恒星的诞生和生命周期问题，现在，先来看一下星系在茫茫宇宙中的大致分布情况。
首先，我们必须指出，基于脉动星的距离测量方法虽然在测量银河系附近的许多星系时效果显著，但当我们向更遥远的太空挺进时该方法就失效了，因为此时我们用最高倍的望远镜也无法分辨出单独的恒星，而只能看到一团微小的长条星云。这种情况下，只能通过看到的星云的大小来判断距离，因为我们已经相当确定，与尺寸天差地别的恒星不同，同一类型的星系都差不多大。如果所有人都一样高，没有巨人，也没有侏儒，你自然可以通过一个人的视大小来判断他离你有多远。
哈勃利用这种方法估算了遥远星系的距离，证明了星系在可见（通过最高倍望远镜所能看到）的宇宙空间内基本是均匀分布的。之所以说“基本”，是因为也有许多地方，成千上万个星系聚在一起，就像恒星聚在星系中一样。
我们的银河系看起来属于一个相对较小的星系群，其中有三个旋涡状星系（包括银河系以及仙女座星系）、六个椭球状星系及四个不规则星系（其中两个是大小麦哲伦星云）。
不过，正如帕洛马山天文台的那架200英寸的望远镜所看到的，除了偶尔出现的星系聚集以外，在距离我们十亿光年的范围内，星系基本是均匀分布的，其中约有数十亿个星系！两个相邻星系的平均距离约为500万光年。
还记得前面那个比喻吗？如果帝国大厦是一个细菌，地球是一颗豌豆，太阳是一个南瓜，那么银河系大概就是一个分布在木星轨道内的南瓜群，其中有数十亿个南瓜，而在以略小于地球与最近恒星之间的距离为半径的球体内，分布着许多这样的南瓜群。你看，我们实在很难为宇宙找到一个合适的比例尺，哪怕将地球比作一颗豌豆，整个已知宇宙的尺寸依然是一个天文数字！在图10-13中，我们试图让大家对天文学家如何一步步探索宇宙距离有一个把握。从地球到月球，再到太阳、最近的恒星，再到遥远星系，最后到未知的边界。
图10-13 探索宇宙的里程碑，距离单位为光年
现在，我们准备好回答关于宇宙大小的基本问题了。宇宙到底是无穷无尽的，只要有更大更好的望远镜，天文学家眼前总会展开新的未经探索的宇宙空间？还是相反，宇宙占据一个广阔但有限的空间，至少从理论上讲，我们可以探索完宇宙的每一颗星星？
当我们说宇宙的大小可能“有限”时，并不是说在数十亿光年之外的某个地方有一堵高墙，上面写着“禁止入内”。
实际上，我们在第三章已经看到，空间可以是有限同时又没有边界的。它可以通过简单的弯曲，实现“自我封闭”，这样一来，如果一位想象中的太空探索者开着火箭飞船尽可能笔直地飞去，他终将飞出一条短程线并返回出发的地方。
这种情况就好比一位古希腊探险家从故乡雅典出发，一路向西，经过一段漫长的旅程后，从东门回到雅典。
测量地球表面的曲率时，我们无需绕世界一圈，只需研究一下一小部分地球的地理状况即可，同样，测量宇宙三维空间的曲率时，我们也只需在望远镜能看到的范围内测量就可以找到答案。我们在第五章看到，曲率有两种类型：正曲率对应有限的封闭空间，负曲率对应马鞍形的无限的开放空间。这两类空间的区别在于：在封闭空间，观察者周围一定距离内均匀分布的物体的数量增长慢于距离的立方；开放空间则正好相反。
在我们的宇宙，“均匀分布的物体”即各个星系，因此，只要统计出周围不同距离内的星系数量，即可求出宇宙的曲率。
哈勃已经实际完成了这项统计，他发现星系数量的增加似乎略慢于距离立方的增加，可见，宇宙应该是一个具有正曲率的有限空间。但必须指出，哈勃观测到的这一效应并不显著，仅在接近威尔逊山那架100英寸望远镜的观测极限时，才有所体现。而最近帕洛马山新启用的200英寸反射式望远镜也未能带来更有力的证据。
我们无法为宇宙的有限性下定论还有一个原因，眼下我们只能依靠视亮度（平方反比定律）判断遥远星系的距离。该方法的前提是，所有星系均具有相同的亮度，但如果各星系的亮度会随时间改变，也就是说亮度取决于星系年龄，那么这个方法就会导致错误的结果。别忘了，通过帕洛马山的望远镜看到的最远的星系都距离我们十亿光年之遥，因此看到的其实是它们十亿年前的样子。如果星系的亮度会随年龄的增长而逐渐变暗（大概由于某些恒星的死亡，导致活跃恒星的数量减少），那么哈勃的结论就要进行修正了。事实上，只要星系的亮度在十亿年间（仅为寿命的七分之一）改变一个很小的百分数，宇宙有限的结论就要被颠覆了。
综上所述，在明确宇宙到底有限还是无限之前，我们还有很多工作要做呢。
【注释】
[1]离今天的阿斯旺大坝很近。
[2]注：2006年8月24日，第26届国际天文联合会通过决议，将冥王星划为矮行星。
[3]更准确地说，是0.600″±0.06″。
[4]最好的观测时机是初夏无云的夜晚。
[5]请见P345关于多普勒效应的讨论。
[6]脉动现象最早在仙王座δ星（造父一）上发现，造父变星由此得名。
[7]切勿将脉动星与所谓的交食变星弄混，后者是一种双星系统：两颗恒星围绕彼此运转，并发生周期性掩蚀现象。