大爆炸-宇宙通史-第6部分
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尽管不同爆发的原因似乎不同，但许多伽马射线暴产生于超大质量恒星死亡之时。记住一旦这些恒星中用于核反应的燃料枯竭，从中心发出的辐射就消失了。重力最终赢得了战斗。恒星的外层向内塌陷，中心区域彻底坍缩形成黑洞，同时外层被反弹回来并以极高的速度被抛出。释放的能量是如此巨大，在恒星的一生中所合成的原子核又重被打碎，一切几乎又变回了氢。但是，这种巨大爆炸中的能量又会引发进一步的核反应，将氢原子聚变成更重的元素，其中特别包括那些比铁重的元素。
爆发是否较弱，从而意味着距离较近；或者是非常强劲，即十分遥远。现在我们相信这些爆发是从离我们10亿光年的源头发出的，而且不可思议地强大，可能是自大爆炸以来最大的爆炸！
如果这个爆炸的恒星像第一代恒星那样大，那么向外释放的能量就足以产生一次伽马射线暴。在我们邻近的宇宙中，最大的恒星只有太阳的20～30倍，我们看到它们以相对温和的超新星方式灭亡。但是一颗超新星的光芒已足以盖过它所在的整个星系，所以一颗特超新星可以穿过整个可视宇宙被看到。
伴随这激烈的灭亡，爆炸产生的冲击波以接近光速横扫过去，相似的过程可以在哈勃太空望远镜拍摄的附近超新星的照片上看到。濒死的第一代恒星产生的冲击波除了加热周围的气体外，还使得周围的气体云随之收缩，触发了下一代恒星的形成。这些新恒星在形成过程中吸收了第一代恒星产生的元素，这些元素在更早的时期还不存在。这些原子，尤其是碳和氧，能有效地把收缩云气中的能量辐射出去，这促使气体团冷却碎裂，形成更小的团块，进而形成较小的恒星。结果是，这些第二代的恒星与我们现在看到的恒星非常相似。它们中最小的那些，也就是寿命最长的，可能今天还在闪烁，并且可以在银河系里找到。
这些恒星的确切质量对于其命运有着决定性的影响。例如，300个太阳质量以上的恒星会直接坍缩成大质量黑洞，既没有物质被抛出也没有冲击波扩散出来。而在160个太阳质量上下的恒星则会形成成对不稳的超新星。这种爆炸正好产生大量的正电子，即电子的反粒子。当正反粒子相遇时，它们会在湮灭的同时产生能量。这些超新星中的这种能量足以防止核心的坍缩，这样黑洞和中子星都不会生成，而所有的物质都被抛出，进入第二代恒星的形成过程。我们相信在宇宙早期有大量的这种尺寸的恒星形成，并按照这种机制进行演化。
相对论——观测者的指南
黑洞的物理学通常是用广义相对论的语言来描写的，所以值得花点时间做些了解。根据爱因斯坦的理论，两个拥有各自独立的参考系的观测者，当相对加速（或减速）时，它们的时标无法保持一致。换句话说，我觉得经过了10秒钟，而如果你正在加速离开我，那么会感到只过去了6秒钟。
人们首先会想到“哪个人是正确的”，然后去检查时钟是不是被动了手脚。然而相对论明白无误地告诉您，两者都是对的，这里面没有人施展诡计。不同观测者的时间确实在以不同的速度流逝。不过一些常识性的原则被保留下来。例如两人观察到的事件发生的顺序是一致的。故而尽管可能其中一人看到A在B之前一分钟发生，而另一人看到A和B同时发生，任何人不可能看到B先于A发生。所以因果关系保持不变。但许多其他我们认为是理所当然的常识都不再成立了。
为什么在日常生活中从未经历过这种类似悖论的事情？为什么我们从未见过时钟在以不同的速率走动？答案是，我们很幸运没有生活在黑洞附近。在没有极端的加速度，或接近光速的高速，或非常巨大的质量聚集在一起的条件下，这些改变微乎其微，牛顿的运动定律可以很好地得到符合。爱因斯坦并没有去证明牛顿错了，而是扩展了牛顿的思想，使之在更为极端的情况下依旧准确。
黑洞除了对时间的流逝有如此作用外，相对论还告诉我们巨大的质量是如何影响周围的空间的。相对论难于理解的原因之一是其数学框架是四维形式的：三个我们所熟悉的空间维度加上一个时间维度，空间和时间不再独立存在。为相对论提供了大部分数学架构的闵可夫斯基曾这样说道：单独的空间和单独的时间消失得无影无踪，而这两者的复合体开始大放异彩。
如何去想象一个四维的球体？我们都不能。但可以通过只考虑两个维度来对它的特性有所认识。把时空想象成一条四角拉紧的平展的床单。现在在中间放上一只圆球或其他重物，床单就会变形。就像理论告诉我们质量使得时空扭曲一样。穿越这个畸变时空的光线，其路径也会被扭曲。在一个大质量黑洞附近，这种效应会强大到使一个观测者在某个合适角度能同时看到周围星盘的正面和反面。
虫洞，现实还是科幻小说
对黑洞里面的情形，我们只能猜测。难道这个倒霉的恒星真把自己挤压成不存在的东西了吗？有人提出这样一种想法，就是黑洞使得时空畸变到出现一条连接宇宙间不同地点和时间的，甚至连接不同宇宙间的通道。这种叫做虫洞的观点目前还处在科幻小说的范畴，它为里面的人物提供了一种有用的武器使之可以摆脱现代物理学的束缚。但是必须提到，在对黑洞这种怪异物体的严肃的科学研究之中，虫洞的观念也包含在研究内容里。
目前的状况也许可以这样说：任何经过检验的理论都没有排斥虫洞的观点，而同时也没有任何倾向于这种观点的证据。无论如何，在黑洞内部，所有的普通科学规律似乎都已失灵，我们深信不疑的那些常识也不再管用。
第三章 演化中的宇宙 大爆炸后7亿～90亿年
章序
在前两章的讲述之后，我们到达了宇宙演化史上出现能够实际看到的分立天体的时间点。甚至在最早的恒星出现之前，物质收缩形成星系的过程就已经开始。哈勃太空望远镜的深空图像揭示出大爆炸后7亿年时的星系景象它们看上去与在我们附近的天体不同。许多都较小，而且有各式各样奇怪而美妙的形状，有些里面还有大质量黑洞。占主导地位的是神秘的类星体，现在知道这种能量源是非常活跃的星系核，其光度等效于几千个银河系。因为它们如此明亮，所以可以从很远的地方看到，也就是可以追溯到宇宙相当年轻的那些日子。
超大质量黑洞
在这些星系的中心，甚至在很早的阶段就存在着数百万太阳质量的超大质量黑洞。就像我们前面提到过的，它们可能直接由坍缩的气体形成，也可能是大质量恒星的残余又吸附了大量的额外物质而形成的。无论如何，这一尺寸的黑洞其引力都十分巨大，能够吸引庞大数量的物质。
看来在星系形成的早期，当恒星刚开始形成时，有大量的尘埃和气体存在。这些物质的存在为黑洞提供了燃料，并向内旋转形成圆盘状。这时，它所发出的光线分成多个束流，当我们沿着其中一束的方向看过去时，就看到了被称作类星体的威力巨大的信标。在宇宙演化的这个早期阶段，这些原始星系之间的碰撞是很平常的。而当两个星系合并时，新的物质被吸入一个或几个黑洞中，类星体发出闪亮。实际上，所有大质量星系，包括我们的银河系，在演化过程中都经历过类星体的阶段。而近来对某些类星体的研究发现，在其他方面它们就是普通星系。当燃料最终耗尽时，星系就稳定下来。
这个在地球轨道上运行的天文台将望远镜指向了一块以前从未引起过任何兴趣的天空。长达100万秒（略长于11天）的极端长时间曝光使得来自最暗
弱天体的光线也能积累到可被探测到的水平，将这块似乎空无一物的天区变成充满成千上万个星系的地方。图中每一个斑点都代表一个背景星系，而不是背景恒星。并且尽管有少量较近的星系看上去完全平常，大多数则是小很多，暗很多，且明显怪很多。即使根据直观印象也能得出一些结论。例如，颜色发红的星系是最远的，因为红移很大。所以我们可以把这些探测到的天体按照大致的演化顺序分类排列。
通过观察这些最早的星系并尝试以上的分析，可以获得对今天星系如何形成的深入认识。我们不再认为每个星系都是相互隔绝地形成的，否则，在超深空照片中，较大的“普通”星系应该少些。根据模拟结果提出的新的图景是：早期的坍缩会导致较小的结构，然后再经过一系列的碰撞合并形成较大的系统。在可观测宇宙最远古的区域里的这些大量的小星系正是这一过程的原料。探测到的这些星系为这一理论增加了砝码。在超深空视野照片中所看到的正是建造我们所熟悉的现代宇宙的砖石。这一进程甚至可能仍在继续，近年来我们已经认识到银河系也是一个吞食同类的巨物，因为天文学家观测到它正在把一些矮星系撕裂。
这些小系统环绕大星系运动，但渐渐地被拉了过来。最终它们的轨道变形到经常穿越大星系的星系盘。而每次穿越都会被大星系夺走气体和尘埃。经过这样的几个回合，小星系彻底丧失了自己，成为更大的系统的一部分。这就是等待银河系最显着的两个伙伴大小麦哲伦云的命运。
哈勃太空望远镜拍摄的美丽的超深空视野照片，在它的继任者出现之前可能一直是独一无二的。图中那些星系的异常颜色体现出我们所掌握的、本书中心议题的最根本的证据，这就是宇宙确实在膨胀。这众多天体的不同颜色代表着不同的红移。天体越红，看上去就离开我们越快。我们看到的光线在大爆炸后7亿年宇宙年龄的5％时就离开了它们。通过对地基望远镜获得的这些星系的谱线位置的分析，已经证实了这一点。
贯穿这一时期，这些结构还是通过自身引力造成的物质收缩来形成，就像在黑暗（或昏暗）时期那样。这当中也包括最后形成银河系的种苗。银河系的大小超过了平均值，但也不是非常特别。它相当于1000亿个太阳的质量，但赶不上邻近的仙女座旋涡星系。本星系群也不是特别突出，其他的星系群要庞大得多。平均在6000万光年处的室女座星系团包括1000多个星系。
我们的星系：银河系
年轻的星系中储备有大量的气体和尘埃，可以转变成恒星。这些星系的光芒主要发自明亮年轻的蓝色恒星，看上去和我们的星系一个非常正常的旋涡星系很相似。在讨论其他星系之前，有必要详细地了解一下银河系。我们知道它是旋涡状的，其中心距离我们26000光年。整个系统的总直径超过10万光年，看上去像一个双凸透镜（或两个背靠背叠在一起的煎蛋）。沿着这个系统的平面望去，可以看到许多星星几乎排在一条线上，形成了从太古时代起就被称为银河的横跨夜空的壮丽的光带。中心核球（煎蛋蛋黄）的直径约2万光年。平面之外离开星系盘，在我们称之为银晕的地方有巨大密集的球状星团和许多流浪的恒星。
银心不易看到，因为中间有太多遮蔽的物质。但是射电波和X射线则不受阻碍。银河系中心位于人马座的繁星之后，其精确位置是人马座A*（读作人马座A星），是一个很强的射电源。在中心区有盘绕的尘埃云和能量巨大的恒星组成的星团。在很靠近真正的中心的地方有一个260万倍太阳质量的黑洞。其证据来自星表编号为S21、质量是太阳15倍的一颗恒星。长期的跟踪研究发现它在围绕着一个中心天体以15。2年的周期运动。它离中心天体最近的距离只有17光时（光速×小时），已经贴近黑洞“事件边际”的边缘。在那个界限之内，任何东西都无法逃出。它绕行的速度是惊人的每秒5000千米。从它运动的方式可以推断出中心天体的质量。这一质量是如此巨大而又局限在如此狭小的体积内，除了黑洞，别无可能。
星系在旋转。太阳大约要用2。25亿年转完一周。这一周期通常叫做宇宙年。在一个宇宙年前，地球上最高级的生命形式是两栖动物，甚至恐龙都还没有出现。设想一下一个宇宙年之后的地球是什么样子将是十分有趣的。我们在离星系主平面不远处运动，并刚刚离开其中一条旋臂猎户臂。所以我们现在位于一个相对空旷的区域。
旋涡星系
许多星系是螺旋状的，除了唯一一个令人困惑的反例之外，所有的旋臂都由于星系的旋转而呈现拖尾状。现在认为旋臂是由回荡在系统内的压力波造成的，里面的某些区域里星际物质的密度比平均值要高，这将引发恒星的形成。最容易看到的恒星质量很大，以宇宙学的标准来看，在它最终爆炸成超新星前的寿命是较短的。但它们明亮的光芒使得旋臂变得明显。当压力波扫过后，激烈的恒星形成过程停顿了，这个旋臂变得不那么突出。而扫荡的压力波又会造就一条新的旋臂。如果这种图景是正确的，那么在几千万年的时间里，我们的银河系仍会有旋臂，只是这些旋臂是由另外的恒星构成的。
支配星系旋臂的物理学规律可用一个日常的问题来类比，就是交通拥堵。想象一下M25伦敦的环路上的交通，所有汽车都以几乎相同的速度前进，但是如果道路较挤，一辆车稍微减速就会让它后面的车排起队来。这正是聚集在环绕星系核心的旋臂上的气体或尘埃的情况。每辆具体的汽车只会在有限的时段里成为拥堵的一员，而之后仍会在环路上继续前行。但拥堵会持续下去，只是换成了后面跟上来的车辆。
通过多普勒效应，我们已经测量出很多星系的旋转。如果一个旋涡星系正在旋转，那么在一侧的所有物质将朝向我们运动，而另一侧的所有物质将远�
