第3章 人类需要破解宇宙天书(2)
看来，大爆炸理论比较圆满地解释了微波背景辐射产生的原因，但并不是所有问题都解决了。比如人们普遍认为这种辐射是各向同性的，可苏联科学家泽尔多维奇等人经过研究，认为这种辐射还应当存在着微小的非各向同性。如果真的发现了非各向同性，就说明这种辐射并不是完全均匀地分布在天空背景上。是否存在着非各向同性，在目前来看还是个谜。
（2）四大天文发现之二：有待继续探索的脉冲星
1968年2月，英国《自然》杂志发表了一篇轰动世界的文章：《观测到脉冲电源》，这种奇特的发射无线电脉冲的天体，后来被命名为脉冲星。这颗脉冲星，就是著名的英国射电天文学家休伊什和女研究生贝尔小姐在1967年夏天偶然发现的。
他们发现，这个天体很有规律地发射一断一续的脉冲，每经过1.337秒就重复一次。开始，他们以为是地球上某个无线电台发射的讯号。这一假设很快被否定了。后来又怀疑是从某个具有“超级文明”的星球上发来的电报，到最后才肯定这种脉冲信号来自一个未知的天体。
科学家们对这种脉冲现象进行了仔细认真的研究，确定这是脉冲星自转的结果。它每自转一周，我们就观测到一次它辐射的电磁波，因此就形成了一断一续的脉冲。
这种脉冲星，经研究一致认为就是科学家们早已预言过的中子星。早在1932年，苏联著名物理学家朗道就推测，宇宙里可能存在一种密度很高的、差不多全由中子星组成的中子星。1934年，美国科学家巴德和兹维基又假定说，中子形成于超新星爆发的过程中。休伊什和贝尔的发现完全符合以上的猜测。第一，只有非常小的天体才能迅速旋转。脉冲星就具备这个条件，有的最短周期达0.033秒。第二，就目前发现的脉冲星来看，其中一部分就存在于超新星爆发的遗迹中，比如被称为NP0532的脉冲星，就位于蟹状星云的中心。经研究发现，脉冲星所在的地方，正好是超新星爆发时应该形成中子星的地方。
脉冲星有许多奇异的地方，它的体积非常小，我们的地球就可装得下千万颗，别看它小，其密度却大得惊人，有1立方厘米就有几亿吨甚至几十亿吨重。胡桃大小那么一块，就需几万艘万吨轮来拉。同时它又是一个超高温的世界，表面温度高达1000万度，中心温度高达60亿度。它还是一个超高压的世界，其中心压力大约有1万亿亿亿个大气压。它的能量辐射也大得惊人，大约是太阳辐射能量的100万倍。同时，它也是人们已知的、宇宙中磁场最强的天体。
至此，关于脉冲星还有一些问题我们没有搞明白，如脉冲星内部为什么应处于超导状态和超流动状态？为什么在周期旋转中会出现“矢步”现象？“星震”与脉冲星内部结构的某种改变有联系吗？为什么只有蟹状星云脉冲星发射光量子？等等，都有待于进一步探索。
（3）四大天文发现之三：星际分子产生的秘密
轰动一时的星际分子的发现，成为20世纪60年代天文学四大发现之一，立刻引起了物理学家、化学家、生物学家和天文学家的充分重视。
其实，寻找星际分子的工作早就开始了，1937年，科学家们用光学望远镜观测星际气体云时，意外地发现了几种双原子分子，也就是由两个原子组成的简单分子。这一发现，给了人们极大的鼓舞，但直到20世纪60年代，对星际分子的发现才有了长足的进步。1963年，天文学家用望远镜发现了一种新的星际分子——氢氧基分子，它由一个氢原子和一个氧原子组成。1965年，又发现了氢氧分子发射谱线，即“微波波段的激光”。这是美国物理学家在50年代就预见到的。从此，人们对寻找星际分子投入了极大的热情。从1969年美国人汤斯发现甲醛分子以来，又发现了许多星际有机分子。就是在河外星系，也发现了好几种分子。截至1978年，共发现了48种星际分子，这里有简单的双原子分子，也有复杂的有11个原子的氰基辛四炔，有水分子，有甲111分子，有氰化氢分子，甚至还发现了乙醇分子。在这些元素中，有同生命过程分不开的水分子和氨分子，有合成氨基酸必不可少的甲醛氨化氢和丙炔腈分子。这说明宇宙中可能存在氨基酸。氨基酸是构成蛋白质和核酸的主要原料，而生命就是蛋白质的存在方式。这些星际分子的存在意味着什么，人们就很清楚了。
既然这些星际分子的存在是如此的重要，人们自然要探讨它的来源了。
有人认为星际分子是由星际空间的化学反应形成的。但这种观点有许多问题不能解释。人们知道，星际空间是极其空旷的真空空间，这样的条件，别说复杂原子，就是简单原子也难形成。况且星际空间还是一个气温极其低下的低温世界，一般都在-100℃以下，有的地方还低到-270℃，这样寒冷的环境，怎么可能进行化学反应呢？同时，星际空间还有恒星和其他天体发出的强烈辐射，就是分子形成了，也可能会被辐射破坏掉。
此外，关于星际分子的产生还有许多假说，如：原子碰撞结合而形成分子说，分子是原子在尘埃表面结合而形成说，还有人认为，复杂的有机分子是一些比它们大得多的有机聚合物尘埃分解后的碎片。
星际分子的发现，促使人们不得不重新考虑一些问题。星际分子的起源之谜一旦解开，将对天体演化、生命起源，以及现代自然科学都会产生深远影响。我们热切期待着这一天的到来。
（4）四大天文发现之四：奇异的类星体
类星体是迄今为止人们发现的、距离我们最远的、最明亮的天体。因其是恒星而又不是恒星，所以获得了“类星体”的名称。这是20世纪60年代著名的四大发现之一。到目前为止，已发现类星体数千个。
在1960年，美国天文学家桑德奇用当时世界上最高倍的望远镜，看到一个名叫3C48的射电源，发现它并不是一个射电星系，而是一颗星，这颗星很暗，颜色发蓝。三年以后，又一位美国天文学家施米特又发现了一个类似3C48的天体3C237。这位科学家对射电源3C273进行光谱分析，发现在这个天体上，并没有什么地球人未知的新元素，不过是普通的氢光谱线，所不同的是，这些元素的谱线都向长波方向移动了一段距离，天文学上把这种现象称为“红移”。这种红移现象一般恒星也有，不过移动的数量很小。可是类星体的红移K量非常大，比一般恒星的红移要大上几百倍甚至上千倍。根据美国天文学家哈勃在1929年总结出来的规律，红移的大小同星系与我们的距离成正比，红移越大，星系距离我们也就越远。这种巨大的红移现象表明，这些天体距离我们十分遥远。按照哈勃定律，可以推测出这些天体远在几十亿光年甚至上百亿光年以上，换句话说，在这些类星体发光的时候，我们的太阳系还没有形成，因为太阳系只有50亿年的历史。
经科学家们研究，类星体的发光能力极强，比普通星系要强上千百倍，因此获得了“宇宙灯塔”的美名。更令人们吃惊的是，类星体的直径又非常的小，只有一般星系的十万分之一甚至百万分之一。为什么在这样小的体积内会产生这么大的能量？这一问题既使科学家兴趣倍增而又大伤脑筋，因此，种种假说便接踵而来。有人认为其能源来源于超新星的爆炸，并猜测其体内每天都有超新星爆炸；有人分析是由于正反物质的淹灭；还有人推测类星体中心有一个巨大的黑洞。要想拨开类星体的迷雾，还有待于科学家们的辛勤探索。
3.宇宙不只是在膨胀，而是在爆炸
早在1914年，美国天文学家维斯托·斯里弗就宣布，他所测量的几乎所有的星云（当时对星系的叫法）都在做高速退离。
当时，红移和蓝移已被天文学家当作恒星相对于我们的运动效应而得到了广泛的认识和理解，因为多普勒效应要求光波和声波频率都要有移动（就如汽车驶向我们之时它的喇叭声增高，而当其驶离时它的喇叭声又会降低一样）。当光源远离观察者而去时，光波就会分散开来，使得光波变长、光色变红；而当光波从其源头射向观察者时，它“形成一束”，光波就会变短、光线变蓝。令斯里弗倍感惊奇的是，与他对恒星常规测量中的一般红移量相比，在该星云中所观察到的红移程度要高得多。
细小、微弱的螺旋椭圆形星云曾被认为是与处在银河系之内的恒星具有同样的运动速度的气团或尘云。恒星有时是红色的，有时则表现出蓝移，明显属于杂乱的变化。相反，几乎所有的星云都呈现出很大的红移（离我们而去），少数蓝移（向我们而来）的星云又属于同一小团体。所有的星云都以极高的速度退去，有的可达每秒钟1000英里。斯里弗不明白是什么原因导致了这种现象，因为他一直认为所有的恒星和星云在宇宙中都是随机漂移的。
当时的普遍认识是，宇宙是静态的和永恒的。人们还认定银河系即是宇宙，因此恒星的那些离去或奔来的运动被看成是没有什么区别的或属于整个宇宙的涡漩运动。康德在18世纪就提出了这些微弱的星云可能是遥远地方独立存在的“岛状宇宙”，而不属于银河系的一个部分，但该观点却没有得到科学界的关注。
当时爱因斯坦已经了解到，天文观测表明恒星并不是朝某个特定方向漂移的。当他认识到广义相对论意味着宇宙在膨胀之时，他以为他的公式中肯定漏掉了某些东西，因此他添上了宇宙常数以便保持宇宙的稳定。
将事实聚拢到一起的第一步来自哈勃的发现，即星云不只是近旁的气状云团，而是和我们的银河系一样的由恒星组成的星云。经过一次世界大战的考验之后，这位来自罗得岛州的学者决定将他的余生贡献给天文学，他认为这是有史以来最令人兴奋的追求。哈勃将此不是看成一种职业变换，而是一种“召唤”。他放弃了他新近获得的十分成功的律师工作，在获得了天文学博士学位之后，于20代远离尘嚣、耐心地透过加利福尼亚威尔逊山天文台的100英尺反射望远镜，开始了他的天文学观测（在此之前，斯里弗曾用过这里的一个20英尺折射望远镜）。
哈勃利用当时世界上最大的望远镜，仔细观察了这些星云，并用长时间的曝光来拍摄这些星云的轮廓——有时要用上好几个晚上，直到他最终能够分辨出恒星来。到这时，他已认定这些星云实际上是恒星系统，并很快地又提出更多的证据来证明与银河系中恒星和球型束状物相比，它们距我们的距离更远。
如何测量恒星到我们的距离？最精确的方法是通过三角视差法，即借助地球轨道相反一侧上的两个点来测量近旁恒星的位置。通过观察两次测量之间极小的角度变化，就可计算出其距离来。天文学家们对最近恒星距离我们的距离深感惊奇。事实上，银河系中的1000亿颗恒星中只有很小一部分处在该方法的测量范围之内——对500光年之外的恒星来说，视差法就变得毫无用处了。
为了弄清星云的距离，哈勃起初采用某种类型近距离天体的已知强度（量度）为标准，来测量银河系之外更微弱星系中的恒星的亮度。光学中的一个有用定律告诉我们，光的亮度与其距离的平方成反比。也就是说，如果我们已经知道两颗恒星本身的亮度相同，那么当一颗恒星距我们的距离是另一颗的二倍之时，它的亮度则要暗四倍。
为此，哈勃利用了他对近旁新星（突然强烈地亮起来然后又暗下去的恒星）和恒星团的知识，但是，他的最为准确的测量是利用一种叫“造父变星”的特种恒星取得的。1912年，哈佛大学的亨利埃塔·莱维特就指出，这类恒星定期地变亮，该周期与其真正的亮度高度相关。两次最亮时期之间的间隔时间越长，造父变星就越明亮。这样，在邻近称作小麦哲伦星云中的造父变星的明亮周期和明亮程度，就为测量遥远星系中的任何造父变星的实际亮度提供了工具，而不管这些造父变星表面亮度到底如何。一旦知道了其实际亮度，就可以采用倒数平方法计算出其距离来。
哈勃也向其它星系寻找造父变星。在仔细观察这些星云的时候，他还发现无数的恒星团和明亮的新星。他通过对它们亮度的测量（与较近的新星和恒星团的已知亮度相比），补充和证实了他对造父变星的测量。1924年，他发现到仙女座星云（离银河系最近的星系）的距离为900000光年（大约为目前改进后的测量所显示距离的一半）。
为弄清更远星云的距离，哈勃又提出两个测量标准。超过100万光年时，他利用有造父变星星云中最亮的恒星与更远星系中的最亮恒星进行比较；超过600万光年时，他将整个星云的总发光度作为他的测量标准。这就是使得他的望远镜可以测量到2.5亿光年的范围。
到1929年，哈勃已经确定了银河系之外的24个星云的距离。这主要得益于斯里弗的工作，这些星云的红移程度也已经为人所知。哈勃发现，尽管较近的恒星并不是在离我们远去，但是遥远的星系却在离我们而去。而且，星系越远其退去的速度也更快。事实上，他发现在距离和速度之间存在着精确的线性关系。距离远两倍的星系，其远去的速度也会高两倍。他公布这些结果时，即在科学界引起了轩然大波，并在宇宙学中激发起更多的深入研究。