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第4章 宇宙篇(3)

银河是一个星系,它比普通的星系稍微大一些,直径大约为10万光年。银河系中有1000多亿颗星。其中,大约400亿颗星集中在中央的核球上,四周缠绕着四只旋臂,是气体和尘埃物质混杂的区域。核球的直径为3000光年,呈椭球形,由年龄超过100亿年的老年星球构成。银河系的历史已经有150亿年。

银河系的外形像一个中间厚、边缘薄的扁平盘状体。核球外面的圆盘部分称为银盘,银盘是银河系的主体,其直径约8万光年,中央厚约1万光年,边缘厚3000~6000光年,由年龄不满100亿年且重金属含量较高的星球组成。银河系的主要物质都密集在这个盘状结构里。

银盘外是由稀疏的恒星和星际物质组成的一个球状体,包围着银盘,这个球状体称为银晕,银晕的直径约10万光年。银晕的外侧没有任何能用可见光看到的天体,因此被称为暗晕。

银河系的总质量相当于1400亿个太阳的质量,其中恒星的质量约占总质量的90%,星际物质约占10%。太阳系位于银河系的一只旋臂上,距离银河系的中心大约26000光年。

太阳系

太阳系是由太阳、行星及其卫星、小行星、彗星、流星和行星际物质构成的天体系统,太阳是太阳系的中心。在庞大的太阳系家族中,太阳的质量占太阳系总质量的99.8%,八大行星以及数以万计的小行星所占比例微乎其微。它们沿着自己的轨道万古不息地绕太阳运转着,同时,太阳又慷慨无私地奉献出自己的光和热,温暖着太阳系中的每一个成员,促使它们不停地发展和演变。

在这个家族中,离太阳最近的行星是水星,向外依次是金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。它们当中,肉眼能看到的只有五颗,对这五颗星,各国命名不同。我国古代有五行学说,因此便用金、木、水、火、土这五行来分别把它们命名为金星、木星、水星、火星和土星,这并不是因为水星上有水,木星上有树木才这样称呼的。

而欧洲则是用罗马神话人物的名字来称呼它们。近代发现的三颗远日行星,西方按照以神话人物名字命名的传统,以天空之神、海洋之神和冥土之神的名称来称呼它们,在中文里便相应译为天王星、海王星和冥王星(其中冥王星在2006年被划为矮行星)。

八大行星与太阳按体积由大到小排序为太阳、木星、土星、天王星、海王星、地球、金星、火星、水星。它们按质量、大小、化学组成以及和太阳之间的距离等标准,大致可以分为三类:类地行星(水星、金星、地球、火星);巨行星(木星、土星);远日行星(天王星、海王星)。它们在公转时有共面性、同向性、近圆性的特征。

在火星与木星之间存在着数十万颗大小不等、形状各异的小行星,天文学把这个区域称为小行星带。除此以外,太阳系还包括许许多多的彗星和无以计数的天外来客——流星。

流星雨

流星雨是一种成群的流星,看起来像是从夜空中的一点迸发出来,并坠落下来的特殊天象。这一点或一小块天区叫做流星雨的辐射点。为区别来自不同方向的流星雨,通常以流星雨辐射点所在天区的星座给流星雨命名。例如每年11月17日前后出现的流星雨辐射点在狮子座中,就被命名为狮子座流星雨。其他流星雨还有宝瓶座流星雨、猎户座流星雨、英仙座流星雨等。

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。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“流出”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。当每小时出现的流星数超过1000颗时,称为“流星暴”。

狮子座流星雨

每年11月14日至21日,尤其是11月17日左右,都有一些流星从狮子座方向迸发出来,大概方位是在东偏北一点,水平高度40°左右的天空区域,这就是狮子座流星雨。狮子座流星雨产生的原因是由于存在一颗叫坦普尔·塔特尔的彗星。

这颗彗星绕太阳公转,同时,它不断抛撒自身的物质,就像洒农药那样,在它行进的轨道上撒下许多小微粒,但这些小微粒分布并不均匀。有的地方稀薄,有的地方密集,当地球遇上微粒稀薄地方,出现的流星就少,遇到密集的地方,出现的流星就多。

这些小微粒很容易受各种因素的影响而慢慢飘散,但在彗星回归时,地球会经过它近期释放出的颗粒稠密区,地球上的人们便会看到大规模的流星雨。由于坦普尔·塔特尔彗星的周期为33.18年,所以狮子座流星雨是一个典型的周期性流星雨,它的周期约为33年。

月球的潮汐

潮汐主要指海水在天体(主要是月球和太阳)的引潮力作用下所产生的周期性运动。

潮汐与天体之间存在着相互间的作用,由于地月间距离相对较近,这种潮汐作用更为明显。由于月球潮汐摩擦作用使得地球自转变慢,每天时间变长,平均每100年一天的长度增加近0.002秒。

同时,由于地球自转变慢,使得月球缓慢向外做螺旋运动,目前月球正以每年3到4厘米的速度远离地球。同样道理,地球对月球的潮汐作用,使得月球自转周期变得与公转周期相同。月球的自转和公转都是自西向东的,这种自转,称为同步自转。

日冕

日全食时,黑暗的太阳外围是银白色的光芒,像帽子似的扣在太阳上,因此称为日冕。日冕是太阳最外围大气。平时要观测日冕,需要用特别的日冕仪。日冕的范围很大,用日冕仪只可以观测到接近太阳表面的那部分日冕,一般叫做内冕。它的边界离太阳表面约有3个太阳半径那么远,或者说约为200万千米。在此以外的日冕叫做外冕,它向外延伸到地球轨道之外。

日冕的物质非常稀薄。内冕密度稍微大一些,但它的密度也低于地球大气的十亿分之一,几乎接近真空。日冕的形状很不规则,有时候呈圆形,有时候呈扁圆形,结构也很精细,在太阳赤道四周有很多向外流动的“冕流”伸向远处,太阳极区则有一些纤细的羽毛状的“极羽”。

日冕的温度非常高,可达200万摄氏度。令人不可思议的是,离太阳中心最近的光球,温度是几千摄氏度。稍远些的色球,温度从上万摄氏度到几万摄氏度。而距离太阳中心最远的日冕,温度竟然高达百万摄氏度。这一反常的现象意味着什么,科学家们目前还未找到合理的解释。

光年

光年,长度单位,指光在真空中一年时间所行走的距离,即约9.46万亿公里(或5.88万亿英里)。更正式的定义为:在一儒略年的时间中(即365.25日,而每日相等于86400秒),在自由空间以及距离任何引力场或磁场无限远的地方,一光子所行走的距离。因为真空中的光速是每秒299792458米(准确),所以一光年就等于9460730472580800米(准确),或大约相等于9.46×1015米=9.46拍米。

光年一般是用来量度很大的距离,如太阳系跟另一恒星的距离。光年不是时间的单位。在天文学,秒差距是一个很常用的单位,一秒差距相等于3.26光年。一光年也等于63240天文单位。

光由太阳到达地球需时约8分钟(即地球跟太阳的距离为8“光分”)。

已知距离太阳系最近的恒星为人马座比邻星,它们相距4.22光年。我们所处的星系——银河系的直径约有10万光年。

假设有一近光速的宇宙飞船从银河系的一端到另一端,它将需要多于10万年的时间。但这只是对于(相对于银河系)静止的观测者而言,船上的人员感受到的旅程实际只有数分钟,这是由于特殊相对论中的移动时钟的时间膨胀现象。可以见到的宇宙的直径约有150亿光年。

月球

月球俗称月亮,古称太阴,是地球唯一的天然卫星。月球是最明显的天然卫星的例子。在太阳系里,除水星和金星外,其他行星都有天然卫星。月球的年龄大约有46亿年。月球有壳、幔、核等分层结构。最外层的月壳平均厚度为60~65千米。

月壳下面到1388千米深度是月幔,它占了月球的大部分体积。月幔下面是月核,月核的温度超过1000℃,很可能是熔融状态的。月球直径约3476千米,是地球的3/11,太阳的1/400。

月球是距离地球最近的天体,它与地球的平均距离约为384000千米。月球的表面积有3800万平方千米,还不如亚洲的面积大。

月球在绕地球公转的同时进行自转,周期27.32166日,正好是一个恒星月,所以我们看不见月球背面。这种现象我们称“同步自转”,几乎是卫星世界的普遍规律。一般认为是行星对卫星长期潮汐作用的结果。月球的天平动是一个很奇妙的现象,它使我们得以看到59%的月面。

张衡

张衡是我国东汉时期伟大的天文学家、数学家、发明家、地理学家、制图学家、诗人、汉朝官员,为我国天文学、机械技术、地震学的发展作出了不可磨灭的贡献。

张衡是东汉中期浑天说的代表人物之一。他指出月球本身并不发光,月光其实是日光的反射。他还正确地解释了月食的成因,并且认识到宇宙的无限性和行星运动的快慢与距离地球远近的关系。

张衡观测记录了2500颗恒星,创制了世界上第一架能比较准确地表演天象的漏水转浑天仪,第一架测量地震的仪器——候风地动仪,还制造出了指南车、自动记里鼓车、飞行数里的木鸟等。

张衡共著有科学、哲学和文学著作32篇,其中天文著作有《灵宪》和《灵宪图》等。为了纪念张衡的功绩,人们将月球背面的一个环形山命名为“张衡环形山”,将小行星1802命名为“张衡小行星”。

我国著名文学家、历史学家郭沫若对张衡的评价是:“如此全面发展之人物,在世界史中亦所罕见,万祀千龄,令人景仰。”

星座

星座是指天上一群群的恒星组合。在三维的宇宙中,这些恒星其实相互间没有实际的关系,只不过在天球这一个球壳面上的位置相近。自古以来,人们对于恒星在天球上的排列和形状很感兴趣,并且很自然地把一些位置相近的星联系起来,组成星座。

将恒星组成星座是一个随意的过程,在不同的文明中有由不同恒星所组成的不同星座──虽然部分由较显眼的星所组成的星座,在不同文明中大致相同,如猎户座及天蝎座。

国际天文学联合会用精确的边界把天空分为88个正式的星座,使天球上的每一颗恒星都属于某一特定星座。这些正式的星座大多以中世纪传下来的古希腊传统星座为基础。

为认星方便,人们按空中恒星的自然分布划成的若干区域大小不一,每个区域叫做一个星座。用线条连接同一星座内的亮星,形成各种图形,根据其形状,分别以近似的动物、器物或神话人物命名,如天鹅座、仙女座等。每个星座中的恒星,按亮度大小,依次以小写希腊字母编排,如大熊座α星、大熊座β星等。

①恒星时:以地球相对于恒星的自转周期为基准的时间计量系统。

春分点连续两次上中天所经历的时间称为恒星日,等于23时56分4.09秒平太阳时,并以春分点在该地上中天的瞬间作为这个计量系统的起点,即恒星时为零时,用春分点时角来计量。为了计量方便,把恒星日分成24个恒星小时,一恒星小时分为60恒星分,一恒星分分为60恒星秒。所有这些单位统称为计量时间的恒星时单位,简称恒星时单位。按上述系统计量时间,在天文学中称恒星时。

②真太阳时。太阳视圆面中心连续两次上中天的时间间隔叫做真太阳日。1真太阳日又分为24真太阳时,这个时间系统称为真太阳时。真太阳时是以真太阳视圆面中心的时角来计量的,它的起算点是真太阳上中天,而我们日常生活中,习惯的起算点是半夜(下中天),正好相差12小时。

因此,为了和人们的日常生活习惯一致,把真太阳时定义为:真太阳视圆面中心的时角加12小时。因为真太阳时是观测太阳视圆面中心得到的,所以真太阳时也称为视太阳时,简称视时。

③平太阳时。平太阳时简称“平时”,也就是我们日常生活中所使用的时间。太阳连续两次经过上中天的时间间隔,称为真太阳日。我们知道,地球是沿着椭圆形轨道运动的,太阳位于该椭圆的一个交点上,因此,在一年中,日地距离不断改变。

根据开普勒第二定律,行星在轨道上运动的方式是它和太阳所连接的直线在相同时间内所划过的面积相等,可见,地球在轨道上做的是不等速运动。这样一来,一年之内真太阳日的长度便不断改变,不易选作计时单位,于是引进平太阳的概念。

天文学上假定由一个太阳(平太阳)在天赤道上(而不是在黄赤道上)作等速运行,其速度等于运行在黄赤道上真太阳的平均速度,这个假想的太阳连续两次上中天的时间间隔,叫做一个平太阳日,这也相当于把一年中真太阳日的平均称为平太阳日,并且把1/24平太阳日取为1平太阳时。通常所谓的“日”和“时”,就是平太阳日和平太阳时的简称。

世界宇航员知多少

无论是航天技术,还是进入太空宇航员的数量,美国和俄罗斯都是太空中绝对的领跑者。据统计,全世界迄今共有400多名宇航员完成了太空飞行,其中一大半来自美国和俄罗斯(包括苏联)。

苏联宇航员尤里·加加林是进入太空的第一人。1961年4月12日,他乘坐东方1号宇宙飞船,绕地球飞行了108分钟后安全返回地面。加加林的名字,连同他那迷人的微笑,从此传遍了世界每个角落。美国也不甘示弱,就在加加林成功进入太空3周后,即1961年5月5日,美国宇航员艾伦·谢泼德乘坐水星3号飞船在地球亚轨道飞行了15分钟。受此鼓舞,美国总统肯尼迪20天后下令美国要在10年内实现载人登月。

首次进入地球轨道的美国宇航员约翰·格伦,透过水星6号飞船的舷窗,拍下了第一批从太空看地球的照片。那是1962年2月,人类于是看到了一个大部分是蓝色的地球的照片。

20世纪60年代,人类在太空留下的第一次还有很多。比如,1963年6月,苏联宇航员瓦连金娜·捷列什科娃驾驶东方6号飞船升空,成为进入太空的第一位女性;1965年3月,苏联宇航员阿列克谢·列昂诺夫乘坐上升号飞船进行了12分钟的人类首次太空行走,由于宇航服的膨胀,他险些没能爬回舱内。

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