《宇宙与自然篇》望远镜里的宇宙-李 元

　　主讲人简介：

　　李 元，科普作家。中国科普研究所研究员，曾在紫金山天文台、北京天文馆工作。发表多篇天文科普作品。国际天文学会因为他对天文知识普及的贡献，用他的名字命名了一颗小行星。

　　内容简介：

　　我想，天文学是一门自然科学、基础科学，它的最大的特点就是观测的科学。不像物理、化学、地学等等，可以到野外去考察，可以把东西放到实验室来做。天上的星星月亮没法拿到地上来做实验，所以只好进行观测。观测完以后，根据观测的资料，再进行研究探讨。，这就是天文学的特色，所以天文学要用望远镜去观测宇宙。1610年的时候，伽利略第一次用望远镜观测宇宙。

　　这个就是说我们对着天上的银河，灿烂的繁星，用望远镜进行摄影的工作。怎么照相呢？就把大型的照相底片放在这个望远镜后面的底片盒子里面，对天上的星星照相。这张划时代照片的就是说，能把一百多万万光年以外的星球星系统统缩影在这个篇幅里头，让你一览无疑，何等地壮烈，何等地畅快，我们真是幸运儿，能够看到这么遥远的宇宙，我相信你以前还没看过这么精彩的事情，即使看到你也没理解到是这么深刻的印象，对吧，我愿你以后能看到更多的东西，人类对宇宙的探索是没有止境的，这宇宙呢，的确是充满了形形色色壮烈无比的形象，这些形象都激发我们向科学进军，去钻研科学，让我们国家的科学水平迅速提高，让我们在宇宙的长征道路上有我们五星红旗，那么我讲到这里呢，我就自己编了一首小歌，叫《赞美宇宙》，来表达我对宇宙的向往：看宇宙多辽阔，灿烂辉煌，太阳和月亮更有无数的星光，科学探索太空，人类飞向天方，宇宙多么壮丽，真叫我向往！

　　（全文）

　　我想天文学是一门自然科学、基础科学，它的最大的特点就是观测的科学。不像物理、化学、地学等等，可以到野外去考察，可以把东西放到实验室来做。天上的星星月亮没法拿到地上来做实验，所以只好进行观测。观测完以后，根据观测的资料，再进行研究探讨。这就是天文学的特色，所以天文学要用望远镜去观测宇宙。

　　这个就是说我们对着天上的银河、灿烂的繁星，用望远镜进行摄影的工作。怎么照相呢？就把大型的照相底片放在这个望远镜后面的底片盒子里面，对天上的星星照相。照相呢，是这样的。照天上的星星的相片，不像我们地面上六十分之一秒、一百二十五分之一秒、二百五十分之一秒，不可能。必须是长时间的曝光，要想照天上的星星那是要曝光很长的时间。比方说几十分钟都是小事情，几小时、或者是十几小时都有可能。当然你说那也很简单，把底片盒一拉开，就让它曝光了，就照相好了。到了时间我再把它关上，拿下来一冲洗就用了。没有那么简单！因为地球在自转，所以望远镜跟着地球在转动，对吧！我们人都是跟着地球在转动，我们人转动感觉不到。望远镜跟着地球一转动，天上的星星在底片上就划成一道一道的。因为它曝光的时候，那个星在走，因为地球在转动，反过来看到星星在走，对不对？所以一定要保持望远镜里面的星不能够动，在底片上是一点。那么一个圆点要保持住的话，就要把望远镜来转动。望远镜怎么转动呢？就用一个转动望远镜的一个机械装置，当然最早的是手摇的，或者是上发条的，后来就有了电动的。但是这也不可靠，因为这个转动的仪器有快有慢，所以在望远镜里面看到的星点，也不是那么准确的。所以就要人在那里盯着，这叫导星。望远镜你看有长的大筒子还有个小筒子，这个小筒子就是导星镜。用这个先把星盯住，在我的十字丝上面，然后我再来调整。我用微动螺旋，我一看这个中间那个星点离开十字丝了，我就把它往前往后调整一下，让它永远保持在这个中心。经过几小时的曝光以后，在底片上的星就是圆的，这就是很准确的。即使不是一个星，是另外的各种气体星云，各种特殊的情况，照下来也是准确的形状。你知道这个工作很艰苦，我们在天文台首先要把天窗打开，把望远镜对着天上的星。找到星以后，就把底片放上曝光，这个时候你就要一心一意在导星镜里面看着十字丝中间那颗星。就盯在那里，不许它快也不许它慢，老盯在那里。所以你的眼睛就老盯着，照两小时就盯两小时，照三小时盯三小时，这没含糊的。稍微有点不管它，也许它就把星照成椭圆的了。天文台里面有条规矩，夏天不许开冷气，冬天不许生暖气，因为这样就把空气波动了。一波动星光就不正确了，所以必须经过冬天不怕冷，夏天不怕热。就得这么观测，因此天文工作者有他的辛劳，但他拍下宇宙的景象我们赞美不绝。但现在多用电脑了，我说这个的意思是说科学的历程不是那样一帆风顺的。

　　这就是我们照的月亮的形状，从望远镜里面看到的月球呢，上面许多环形山。这是太阳，那么太阳我们把它投影在一个屏幕上来看是最安全的。这个看到的太阳就可以看到有两点：一点，它的边界是模糊的，不是那么整整齐齐那么个边界，这叫临边昏暗现象。就是因为太阳是大气组成的，那么到了它边上，大气就比较厚，你看上去就模模糊糊。最让我们惊异的是黑点子的现象，就是太阳黑子。你看到太阳黑子，这个太阳黑子呢，是太阳上的大气的漩涡。它的温度比较低，所以看起来比较黑。太阳表面的温度大约有五六千度，那个黑子的温度就要降下一千多度，所以它就比较黑。这个就是大气的漩涡，好像地球上的大风暴一样。地球在哪里？右下角这个小圆点就是地球，你看这里面能装得下多少地球！所以我们一谈天文学，就感觉到恢弘和浩大。

　　我想插一段小故事，在整整五十一年以前，1953年2月23号，毛泽东主席到紫金山天文台去视察参观，我非常荣幸地就陪同他来看天上的星星。我就问他，毛主席你想看什么？他说我就想看太阳黑子。我说好，咱们就看。结果就拿大望远镜对着太阳看，怎么也找不到。我心里真着急，毛主席好不容易来一趟，想看太阳黑子，我这服务太差了。这种质量太低，还能配在这里搞天文工作？后来我冷静一想，到底太阳在哪儿呢？一看天上都是阴云密布，什么也看不见，我到哪儿找呢？我就告诉毛主席，我说这个太阳黑子今天看不着。因为天上的云太多了，是阴天看不到。一般人说看不到咱们就看别的吧。毛主席不是这样说，他非常幽默，他当时用湖南话是这样说的：“今天我来看太阳黑子，老天和我作对”。这是他亲口说的话，我没有录音，但是我自己记得很清楚。后来我就和他去看别的照片去了，因为天阴了什么也看不着。我就插这么一段，毛主席看太阳黑子的故事。

　　那么太阳上面的黑子，如果用高倍率的望远镜拍下来是什么样子呢？就这样的，你看这个好像好几个黑洞，这黑洞都能把地球装进去，装好几个地球都不含糊。我们这么伟大的地球，结果到了宇宙间又这么渺小。边上还有好多像是老玉米，又是“米”，这叫米粒组织。太阳上的米粒组织是组成太阳的一些基本单位，这每个米粒组织的直径都是几千公里呢！所以太阳是一个炙热的气体星球，它的组织很复杂。如果用X光透视一下太阳是什么样子呢？我们透视一下，这就是用X光线拍摄的太阳画面，它是一个核燃料的机构，所以它是靠了核燃料在保持它的能量。太阳据估计，已经有五十万万年以上的历史了，它可能还有五十万万年的生命，就是到最后它的燃料都用完了。这里面你可以看得出来它里面翻滚的情况，这种巨大的活动，从X射线拍下的照片就是这个状态。这是我们最近特别感兴趣的火星，这是拍下的火星照片，不过是很多照片合成的一张照片。那么在它的南极北极有冰雪的盖子，这个冰雪盖子据说是干冰组成的，二氧化碳干冰。但最新的消息说在火星上面曾经有过水，不过这个水现在到哪儿去了呢？是蒸发掉了？还是钻到地下了等等？还搞不清楚。尽管这样，美国的科学家已经迫不及待地在华盛顿发布消息，说在火星上找到水了。如果找到水的话，人到火星去就要方便得多。

　　这是很漂亮的土星，很好看的土星。这土星它最特殊的就是有个光环，这光环从伽利略有了望远镜以后，人们就慢慢地发现，那时候望远镜分辨率不高，就看到在土星两边长了两个耳朵。后来又仔细看，过了些时候，才搞清楚是一个光环。那么这个光环经过飞到土星去的比较近的航天器，近距离的照片照下来的，就是这样的，像唱片一样旋转。不过它演奏的不是贝多芬的音乐，它是许多微小的石块密集在一起，所以就成了这个样子。我今天讲这个望远镜里的宇宙呢，不只是在地球上用望远镜，在宇宙空间也用望远镜，所以说这个望远镜是广义的，地球上的、空间的、或者飞到火星去的都在里头。

　　这是彗星，我们在左面看到这几张彗星图，是在国家天文台兴隆观测站拍到的海尔-波普彗星，1997年拍到的。这就是海尔-波普彗星，右边的这个是什么呢？右面这个是我们中国的天文爱好者自己发现的一颗彗星，这个彗星的下面还有一个小白点，那白点是个河外星系。那个河外星系呢，是一个银河系外面的“银河系”。它离我们大约是两百多万光年，光年当然距离很大了，一光年是光线走一年的距离，光一秒钟走三十万公里，可以绕地球七圈半，算下来一年就要走9.5万亿公里。就这么快的光，从那里走到我们这里要二百多万年，那么正好这个彗星走在这个仙女座星系的旁边照张相。这表示是太阳系的天体，那是遥远的“银河系”的天体，这一远一近一比较，当然太阳系的天体对我们说来也挺远，但对其银河系外面的“银河系”那就显得近了。这就是一个近的、一个远的在一起合影，也挺好看。这就是我们看到的彗星照片。

　　刚才讲的都是太阳系的一些星球，这是离我们很近的。尽管太阳系的星球对我们说来，我们要坐飞船也得飞很长时间，但毕竟是很近的。那么我们现在就向遥远的星空看去，这张照片是天上的银河。如果在夏天的晚上，你就可以看到银河在天上，当然我们空气如果不太好，我们就要到更远的郊区去看星，现在有不少人在郊区去观星。这里有两颗星值得介绍，左上方的星是织女星，中间下面的这颗星是牛郎星，就是牵牛星。牛郎织女隔着银河相望，这就是中国古代流传的一个故事。在中国古代的传说里面，据说到了农历的七月初七的晚上，银河就消失了。好多鸟雀含着羽毛就搭起天桥，就让牛郎织女会面。其实这都是传说，但那天银河倒是真看不清楚了。因为七月初七月亮是上弦月，是半个月亮，正好在银河附近出现，当然它的光辉就遮住了银河。至于说他们俩到底能不能见面呢？织女星离我们二十七光年，牛郎星离我们十六光年，他们之间的距离也有十六光年，打个电话来回都要三十二年，怎么见面？这就是把这天上的星照下来，让你慢慢评说，就这样的。

　　天上的很多星星，都不是单个的。人家说你是双星，双星什么意思？就是两颗星在一起，但这个双星的意思现在就多了。现在拿双星来比喻各方面的事都多了，很多星星都是两颗星在一起。所以这就是从望远镜里观测以后描绘下来的两颗星，有的是三颗星在一起。那么这些星呢，从眼睛看是绝对看不出来的，只有一颗星星还稍微看得见，就是北斗七星里有一个柄上有颗星，你要好的眼睛，在最晴朗的晚上你能看到旁边还有颗小星。一般你看不出来，要拿望远镜还是好分辨率的望远镜，才把它分得开。然后你才能看得清楚，所以天上的星，很多都是双星，都是成双成对的，和地上也差不多，都是这样的。所以天上的双星特别多，这也是很近乎人情的。这是双星，所以天上的星有单个的、有两个的、有三个的，这都很好看。这个星就多了，这是在金牛星座里面叫昴星团，也叫七姐妹星团。就是肉眼说是可以看到七个，大概是多少年以前看到的，现在看不到了，肉眼只能看到六个。那么这个星离我们是四百多光年，光线要走四百多年。那么这个星你看发蓝的颜色，为什么有点云雾呢？不是天上的云把它遮住了，是它自己那里就有云雾。你照相照得时间长了，那个云雾就显现出来了。所以说摄影的曝光时间和这个大有关系，好几小时的曝光就能把这个星云围绕在恒星旁边给照出来。你还看到这个上面好像有十字架的样子，这个星怎么还有十字架呢？这就是望远镜镜筒的十字架反射到那个照片上的，看起来好像挺灿烂辉煌的，实际上这是偶合。倒是挺漂亮，比那个圆点还好看。它就是离我们有四百多光年的叫做疏散星团，疏散星团就是离我们比较近的几十颗星。比方这个昴星团，叫七姐妹星团，古人看到有七颗，望远镜看起来就有几十颗，一百多颗都有。你就拿个小望远镜看，现在它已经慢慢往西面沉了，就是说你要看到那团小星呢，就离猎户座不远的那个小星。你一看，就能看到好多星，就是小望远镜都能看到，很好看的。

　　这个星就更多了，这种星叫球状星团。球状星团像个球的形状，好像大菊花开花了那个样子。这里面也有几十万颗恒星，就是说，像太阳这样的有几十万颗。你说这几十万颗都堆在一起不闹成一锅粥了，不是这样的，你就是从这个方向看过去，好像它都重合碰在一起了。它互相之间距离还远得很！都是多少光年多少光年的，不过因为它星多了，像这个在武仙座，叫M13球状星团，是特别有名的，这星团离我们就是几万光年了。刚才看的那个疏散星团，就是零零碎碎不成一个形状的那种星团，是几百光年，这就是几万光年。几万光年它就分布在银河系里面，在银河系里面像这样球状星团还是不少的。这就是几十万颗恒星在一个重力作用下，它抱成团了。但是它彼此的距离还是很远的，它不是都堆在一起，那可不得了，这是在夏天的晚上能看清的，叫人马星座，人马星座里面有两个气体星云都很好看，这个必须用望远镜拍照长的时间才能拍出来，你看左边这个是叫泻湖星云，像个湖水一样，右边这个叫三叶星云，好像三片叶子组成的，那么这些星云离我们多远呢？都是几千光年，光要走几千年，是气体的星云，那么只有用望远镜来拍照才能照出这么漂亮的天体。你知道人的眼睛对颜色的分辨也很好，我一看你穿的是咖啡色的，他是红颜色的，那是黑颜色的，这还不错。但是你要到商店里挑衣料的话，我劝你还是白天去挑，晚上眼睛的错觉你买下的料子第二天一看，颜色不对了，就是因为你眼睛分辨不清楚，如果你在月亮下看花呢，我估计不像在太阳底下看得那么漂亮，就是因为月光底下分辨不清楚花的颜色。对天上的星星也是一样，用肉眼去看天上的天体，不管拿望远镜多么放大，你也看不了这么好看，因为你的分辨率不够，你不能够把遥远的星光分辨出各种颜色，这种颜色必须用彩色底片，或是另外一个特殊的方法，比方三种颜色的曝光，然后合成在一起，就做出这样好看的颜色。

　　这是另外一种望远镜，叫做射电望远镜。我们刚才讲过的，是光学望远镜，不管是折射的还是反射的，都是光学望远镜，那么这个是射电望远镜，射电望远镜就是说把天空中天体发射出来的无线电波射电波集中起来，再把它放大形成了图形我们再来研究它的强弱，它的情况，所以射电天文学也不过就是半个多世纪以来，二十世纪三十年代开始有，那么现在是大发展了。这就是许多射电望远镜在一起，干嘛把这些多射电望远镜放在一起呢？射电望远镜它要多的话，就形成一个天线阵，这个天线阵就好比一个望远镜分辨率是二十米，十个望远镜是二百米，一百个就两千米，你要放得空一点，那就是说你接受的能力更强，分辨率更强了，这就是射电望远镜。现在我们就是用光学望远镜，射电望远镜，还有其他的方法来探测宇宙。

　　这个更漂亮了，看到这美不胜收，你要是把这幅画挂在你家里的墙上，你说这是宇宙间来的美景，这是什么，这是猎户星座，猎户星座的大星云，猎户星座现在晚上都能看到，在冬季和春季的晚上我们就可以在晚上九点、十点就能看到有三颗星，三星。就在三星的下方有那么一小点，那就要很晴朗的晚上，那点就是这个大星云，你只能看到一个模糊的光斑，但是用望远镜给它拍照片，就能拍得这么好。你看照片上一个点就是一个点，不是一个弧线，也不是一个椭圆，这是多少小时的拍照才能照得出来，你说它美不美？宇宙间就是这么美！这多远呢？一千五百光年，就是这个猎户座的大星云。这是人的眼睛能够看到的最漂亮的一个银河系里面的气体星云，它主要是气体组成的，它里面的恒星激发光线，把这个气体激发了以后，就形成这种放出红颜色的光，放出蓝颜色的光，很美的，因为它是各种化学元素组成的，有的是氢有的是氦，有的是氧，有的是氮，就好像霓虹灯一样，发出不同颜色的光，这是宇宙间的霓虹灯，这叫马头星云，你看有个马的头的形状就在那中间，这些星就是猎户座里面的恒星，你看这个照相照得多好，星是圆圆的，一点没改变形状，这就把望远镜要对得非常准，给它矫正准确，不会走样，照下来。哎呀！在这个遥远的星球世界还有马头在那里发现，这是什么事情呢？这就是在一个非常明亮的背景上，就是有那么多庞大的气体的云雾被恒星照亮了的那些气体，这些气体多大呢？不是我们看到说太平洋上的台风有多大，大西洋上的台风，这个比太阳系大得多，就那么明亮的背景上面，出现了一个马的头，我们只好叫它马头星云，多有意思，但是这个马头呢，可不是发光的东西，它是一个宇宙间的尘埃，这个尘埃是不发光的，在明亮的背景前面呢，它就显出它的形状来了，我们知道宇宙间像这样光彩夺目的这些形象多得是，但是宇宙间并不都是这些东西，我们眼睛能够看到的可见光也好，X光也好，还有射电波等等，那还是小部分，宇宙间大部分的东西是不发光的，叫暗物质。暗物质正是现在研究宇宙的一个前沿阵地，研究这个暗物质。

　　这个叫蟹状星云，螃蟹的“蟹”。蟹状星云就是说当时看到它的样子，好像螃蟹的样子。这个远了，七千多光年，离我们七千多光年。这是什么呢？这是宇宙间的超新星爆发以后，残余物质留下来的，现在我们不是说联合国给全世界优美的地方都定了世界文化遗产，这是宇宙间的遗产。什么遗产？就是多少万年以前爆发的超新星或者几千年以前发现的超新星爆发以后形成这种星云。这个是1054年中国宋代史上记载的一颗超新星，后来就变成这个，所以这个在天文学上的编号叫M1，那么名字叫蟹状星云，还有一个名字叫中国超新星，就因为是中国最早发现的。正因为如此，所以天文学家就发现中国历史上记载的东西还真不错，根据这个我们就研究1054年以来发现的超新星，现在变成这个样子了。那么它在这些年里面是怎么演化发展的？有年代可考，你就研究它的速度、它的质量、它的比重、它的物理性质、光学的现象，就可以研究出好多事情来，1054年蟹状星云是在现在世界天文学研究领域很重要的一个对象。

　　这个又很漂亮，哎呀，这好像是红绸舞一样地甩起来了，你看，这么多星啊！这是在天鹅星座，银河里面有这么一张照片，这就是1959年第一次拍下的彩色照片，在银河系里面。这也是一颗超新星爆发以后，它剩余下的东西，飘洒在宇宙间，就成了这个样子，据说是在一亿五千万年以前，爆发的超新星，到现在就洒成这宇宙间非常漂亮的丝带，就洒在空中了，那颗星哪儿去了？到现在没找着，据研究可能是一亿五千万年以前爆发了。这是在银河系里面在天鹅星座附近这叫做网状星云，它像个网一样的，那么后面的这些星很多，有的近有的远，它是在一个方向重叠在一张照片上，就看成这样子了。这张也是特别神奇美妙的一张，在银河系里面就是这样的，所以你要拿上望远镜去到处拍照，那风光多得是，很多的，这个更有意思了，这个叫猫眼星云，像猫的眼睛。这是哈勃望远镜在宇宙空间拍的照片传回地球上来的，这个猫眼星云，这个离我们是三千六百光年，也是一个恒星。在它到了它的晚期，它行将衰亡的时候，把它的热量气体往外膨胀发出来，那么据说这可能是附近有两颗星，一颗星是这个圈，另外一颗星是那个圈，两个圈绕来绕去的，中间还有个蓝色的眼睛，就是蓝色的恒星，你看得很清楚，这个也是在哈勃望远镜拍摄的最漂亮的星云之一。这个照片，就是遥远的宇宙，我们看到的这是河外星系，这里面也是成千上亿的恒星组成的，你看它有它的运转，它的运转，转这么一圈，和我们的银河系如果相仿的话，也有两亿年，什么意思呢？就是说河外星系在那里运动着，你看它是在运动吧，它不运动怎么转出这么多漩涡来，对吧，它这个运动从宏观来说，它不是说一两小时就转这么一圈，地球是24小时转一圈，太阳是二十几天转一圈，二十五六天转一圈，银河系就不是这样了，银河系要两亿多年才能转一圈，这一张照片特别重要，这是哈勃望远镜在北斗七星附近拍的一张照片，这张照片拍了好几天，不是几小时，拍了好几天才拍下来，这里面有多少个银河系，多少个河外星系，银河系以外的银河系就叫河外星系，那么成千上万的银河系就集中在这么一张照片，里面每一个光点几乎就是一个银河系，这张照片呢，是一百多万万光年以外的宇宙的缩影，你要知道，一百多万万光年，这是真了不起，这个宇宙尺度呢，真是让我们惊讶，如果我们能拍到一百三十几亿光年以外的星球，就表示我们看到了宇宙大爆炸开始时候的景象，就是宇宙的开始，从这里我们就可以回想到一点，我们人类是很渺小的，地球也是很渺小的，但是我们能了解到这么遥远的宇宙，你说我们伟不伟大，那么这个遥远的宇宙你就派上宇宙飞船飞呀飞呀飞呀，飞到几万代也不见得飞到这个地方去，但是有一个比光速还要快的你知道是什么吗？就我们的思想最快，我一下就跳到一百三十亿光年以外去了，你信不信，我们的思想特伟大，我们一下就能跳到一百三十亿光年以外，马上还能收回来，来回我就两秒钟，多棒！我们人类的伟大就在这里。你不要小看人类，你的脑子比电脑不知道强多少万倍。

　　这张划时代照片的就是说，能把一百多万万光年以外的星球星系统统缩影在这个篇幅里头，让你一览无疑，何等地壮烈，何等地畅快，我们真是幸运儿，能够看到这么遥远的宇宙，我相信你以前还没看过这么精彩的事情，即使看到你也没理解到是这么深刻的印象，对吧，我愿你以后能看到更多的东西，人类对宇宙的探索是没有止境的，这宇宙呢，的确是充满了形形色色壮烈无比的形象，这些形象都激发我们向科学进军，去钻研科学，让我们国家的科学水平迅速提高，让我们在宇宙的长征道路上有我们五星红旗。那么我讲到这里呢，我就自己编了一首小歌，叫《赞美宇宙》，我想借用意大利名曲《桑塔露西亚》的美丽旋律表达我对宇宙的向往：“看宇宙多辽阔，灿烂辉煌。太阳和月亮，更有无数的星光。科学探索太空，人类飞向天方。宇宙多么壮丽，真叫我向往！”