恒星 · 星系 · 宇宙 ——过去和未来的十年

发布时间：81年06月28日

Vera C. Rubin* 编译赵君亮

〔提要〕由于最近在天文学上通过五花八门的观测技术所作出的种种发现，包括对于新的天体和新的现象的一些发现，使得我们对宇宙的认识发生了改变。待到1990年，在有关宇宙中的物质分布、高能天体物理学以及发生在各种空间和时向尺度上的天体物理过程之间错综复杂的相互关系等问题上，天文学家们无疑会取得更为丰富的认识。

在过去20年内，天文学上的一些发现向我们对于宇宙的认识提出了挑战。要想理解这些发现，就应该指出未来的一些年内天文学的发展方向。在科学史上，很少能找到在这样一段时期内，会使我们的认识范围有如此巨大的增长。

到本世纪中期为止，天文学知识都一直是通过在电磁波的可见光区域所作的观测取得的，这一区域可以透过地球大气并为人眼所察知。这部分辐射的频率是10¹⁵赫，波长为10^-7米，这也正是像太阳那样表面温度接近6000 K的那些恒星发出的热辐射所具有的特征。在本世纪中期天文学家们所知道的宇宙是一个规模宏大、缓慢演化着的恒星宇宙。但是，技术在不断地发展，今天已经制造出了能探测到来自射电和红外光谱区的仪器，这一部分区域已超出了光谱中可见光红端的范围，但仍然可以透过地球大气。另外，新的探测器在地球大气层之外飞行，并在波谱的X射线、γ射线、紫外以及远红外区进行观测，而对于这些波段大气是不透明的。可观测的波谱范围增大了，所覆及的波长范围从10^-14米一直到100米。今天，天文学家们知道我们生活在一个名副其实的博物世界之中：这里有各种不同天体所发出的X射线，其中包括类星射电源，弥漫星系际气体，冷星周围的冕，正在为致密天体（也许是黑洞）不断吸积之中的物质，以及由于超新星爆发形成的脉动着的恒星遗迹；这里的γ射线是宇宙核反应的一种直接探测器，它是通过宇宙线同星际物质间的相互作用，以及在超新星内部、太阳内部和致密的银河天体内部、有时候则是在历时仅仅只有10秒钟的些瞬息事件中产生的；在这个世界里，星系核和某些类星射电源在红外部分所发出的辐射要比在可见光区域来得强；这里，新诞生的恒星所处位置的特征是有来自稠密分子会的红外发射；还有，在银河系恒星间的广袤空间内包含有复杂的有机化学分子，也就是构成地球上生物基本成分的有机分子。一大批超出经典天文学研究范围的天体现在已经可以进行常规的研究了；其内容之丰富、变化之多端、活动之剧烈程度，即使是20年前所幻想的那种宇宙也是根本不能与之相比的。下面就来对这个丰富多彩的宇宙作一番简要的介绍，同时也为二十世纪八十年代的天文研究工作提出几个明确的方向。

宇宙学

就最大尺度范围来说，天文学的研究对象就是宇宙。天文学家们力图通过此时此地的观测，来推测宇宙的早期历史，揭示出促使宇宙演化到目前状态的种种因素。大多数天文学家所接受的一种模型，是一个从一种原始的炽热、致密状态开始，经过膨胀和冷却了的宇宙。原始火球的辐射是由膨胀最初的大爆炸引起的。从这次大爆炸以来，在100 ~ 200亿年的时间内，这种辐射一直处于不断的膨胀和冷却之中；目前的辐射温度是3 K. 在乔治 · 伽莫夫（George Gamow）所做的宇宙学研究工作之后，阿尔法（Alpher）和赫尔曼（Herman）在二十世纪五十年代晚期就已预言有这种微波背景辐射存在，但是一直到1965年才为彭齐阿斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）所探测到。目前有关宇宙学方面的研究就是为这一发现带来的影响所支配。

3 K热辐射（物理学家称之为黑体辐射）具有一种特有的谱结构，其峰值辐射位于波谱的微波区，地球大气在这一区域的辐射强度约为300 K。因此，对于背景辐射谱的能量分布的高精度测量工作就只能在地球大气层之外进行。二十世纪七十年代期间的一项杰出成就，是利用球载仪器设备证实了微波辐射的黑体性质。不过，也许还探测出了对于黑体辐射有着令人难以解释的微小差异。这种偏差是重要的，因为它们可以使我们把宇宙早期历史中热辐射所引起的事件同比较近期的一些效应区分开来，后者如沿着视线方向的那些星系所造成的热的尘埃辐射。

辐射的各向同性程度是对大爆炸宇宙学的一种检验——所谓各向同性就是在各个方向上都一样；它是对早期宇宙的那种初始剪切运动、自转以及非均匀性的一种量度，又可作为测量我们银河系运动情况的一种里程计。我们浸浴在光子的汪洋大海之中，这些光子的数目要比核子数目大10⁸倍，它们具有的能量所相当的温度是3 K，当我们银河系通过这个光子场而运动时，在运动的前进方向上会发现有比较高的温度，而在我们来的方向上的温度就相应地比较低。在过去的几年内，很明显地探测到背景辐射的非各向同性程度大得出奇。银河系和本星系群相对于背景辐射的速度大约是每秒400公里，方向朝着室女座星系团*。如果得以证实的话，这种运动就意味着室女座星系团内所有星系的总质量足以使我们银河系附近宇宙膨胀的过程略有减慢。

由于微波背景辐射是目前我们研究早期宇宙的最容易加以利用的探测器，因而在二十世纪八十年代内将要计划进行一些带有关键性意义的实验，目的是提高被测波谱的精度，并为大尺度和小尺度的各向同性结构确立比较严格的界限。只有这样的观测才能确证背景辐射是大爆炸的余温，而不是许许多多个点源迭加的结果。上述测量工作将由CDBE——宇宙背景探索者来承担，这是宇航局的一台仪器，将于二十世纪八十年代期间绕地球运行，并在毫米和亚毫米区来对背景辐射进行观测。在跨入二十世纪九十年代时，我们应当会对这一由来已久的辐射的详细情况有更多的了解。

现已证明，要想说明银河系附近宇宙膨胀的图像有着意想不到的困难。必须知道一大批星系的距离和速度；特别是距离的测定会同复杂的选择效应以及系统效应紧紧地纠缠在一起。尽管许许多多天文学家为此进行了不懈的努力，然而哈勃常数H却可能有着2倍的不确定性。H的数值是宇宙学的一个尺度因子。它影响到河外天体的光度、大小以及密度的计算值，在一些最简单的宇宙学中它也就是宇宙年龄的一种量度。如果我们要想知道我们这个宇宙的年龄和尺度，那么就需要有可以得到相对精度为10 ~ 20%的H值的观测结果；这种观测将会作为二十世纪八十年代期间的一项主要观测成就而继续下去。

随着二十世纪八十年代内空间望远镜的发射，天文学家们就会在地球大气层之外有一个巨大的、高分辨率的光学望远镜。有了这台绝妙的仪器，就有可能以前所未有的能力，对更为遥远的河外星系中的单颗恒星、星团、新星以及电离气体云进行观测，所有这些天体对于确定单个星系的距离来说都起着标准烛光的作用。利用空间望远镜所作的观测，再配以地面上用经典技术和新技术所进行的详细研究'，就应当能解决目前有关H值的争端。

宇宙是开放的？抑或还是封闭的？平均质量密度是否已足够低，因而宇宙将会永远不断地膨胀下去？或者密度会不会已高到引力可以使膨胀缓慢下来并最终使它停止，从而倒过来进行收缩呢？尽管目前所掌握的证据对继续膨胀有利，但我们现在实际上还没有一个令人信服的答案。我们确实意识到，以前专门为判断宇宙是开放的还是封闭的这一问题而制订的一些实验，往往转而用来认识星系的演化。有些星系在过去也许曾经是比较明亮的，在那个阶段恒星的形成较现在更为活跃。星系团中一些大的星系在过去也许曾经是比较暗的，后来由于它们吞食邻近星系边缘区域中的恒星，或者由于它们同附近较小的星系完全合并在一起，结果就变得明亮了。只有当我们认识了星系的光度演变史的时候，才能通过对光度的测量来描述出早期宇宙中距离的图像。试图直接计算宇宙质量的其他一些方法都失败了。造成这一失败的一些非同寻常的理由将在下面加以讨论。

类星射电源

二十世纪六十年代早期类星体（类星射电源）发现的意义，远远超出了这些特殊天体的天文学和物理学的范围。天文学家们明白了，宇宙的一个重要成分只是到了那个时候才得以发现；而毫无疑问的是，在我们的宇宙中还有其他一些重要成分至今仍然一无所知。

类星射电源最初是通过它们的强射电发射来加以识别的。光学研究表明，它们是一些恒星状的点光源，波谱中的强发射线表现有巨大的红移。在一个膨胀着的宇宙中，谱线向红端移动是由退行速度引起的；z=3.5（这就是说，谱线波长对于实验室谱线位置移动了3.5倍）的类星射电源是迄今所知宇宙中最遥远的天体。今天，大多数天文学家一致认为类星射电源是一些十分遥远的星系的反常星系核，它们以极其巨大的光度发出辐射。业已发现，有一些类星射电源位于由普通星系组成的暗弱星系团的内部；类星射电源与团星系有着相同的红移，因而它们位于相同的距离处。有些类星射电源的周围有暗物质存在，经证认这是普通的星系盘。

有一个特别的例子是，两个类星射电源在天空中靠得非常非常之近，它们又有着几乎完全一样的可见光谱和红移；这一发现可能意味着我们所观测到的是单个天体的两个象（图1）。位于视线方向上介于地球和该类星射电源之间的一个星系使来自背景类星射源的辐射发生偏折，从而就起到了一个引力透镜的作用，并形成了两个（或者也许是三个）象。如果这一模型是正确的话，那么就会揭示出一个人们早就预言过的现象。另外，这也将是能说明类星射电源比中介星系更为遥远的有决定性意义的证据。

观测发现类星射电源在亮度上是有变化的，其变化的时间尺度之短令人难以置信。在可见光和红外波段，有些类星射电源星等变化的时间尺度为1天；有些在极化性质上变化的时间尺度为数小时。类星射电源极高的X射线强度（每秒10¹⁴太阳光度）可以在几个小时的时间尺度上发生改变。这里所涉及到的光行时间很短，说明中央能源是很少的，只有一个太阳范围那么大！有关类星射电源和活动星系核的模型为数甚多，内中以具有10⁶到10¹⁰太阳质量的大质量黑洞的吸积作用这一模型在目前看来最为令人满意。接近黑洞的那些恒星被撕碎、吞噬，同时释放出大量的引力能。不管这个具体的模型结果是否正确，大多数天文学家一致认为不存在任何具有说服力的理由，来怀疑观测到的红移就标志着惊人的距离，或者相信需要有“新的物理学”来理解类星射电源。但是，由它们的能量状况所引起的难题乃是当代天文学中最富有挑战性的问题之一。

从对于那些是双射电源的类星射电源的观测，还引起另一个谜一般的问题。如果类星体是位于从它们的红移所推算得的宇宙学距离处的话，那么对某些这类天体来说，如像射电源正在以超光（即比光速更快）的速度在互相分离。目前，对这类观测结果并没有作为对现有关于类星射电源的认识的一种威胁来加以解释，而是假定射电讯号是在活动中央天体周围的一种稳定介质中产生、折射或反射出来的。这类源必然同有些射电星系的可见光照片上所看到的一种喷流有关。二十世纪八十年代间进行的连续干涉观测，应该会把它们的性质更进一步地弄清楚。

类星射电源光谱中所发现的大量吸收线显然有着各种不同的起源。有些吸收线是在类星射电源中产生的，有些在围绕着类星射电源的那个星系中产生，有些在中介星系中形成，而有些则是在沿视线方向的星系际云中产生的。这些云将为宇宙早期气体密度和元素丰度提供独一无二的探测器。我们希望，通过对这些无处不有的云体的研究，将会使我们了解云以及由云形成的原始星系的化学史和演化史。

在过去，类星射电源的数目要比现在多，也更为明亮。z=3时，已探测到的类星射电源的数目就很少了，而距离最远的类星射电源有z=3.5。因此，类星射电源可以用来作为识别z值最大到3.5的远距离星系的一种工具。我们应该寻求什么样的途径来识别距离更远的星系，比如z值接近10的星系呢？它们会不会是一些范围十分广大、表面温度很低、又由于红移量大而呈现红色的弥漫状天体？或者它们是否会是一些蓝得出奇、从而标志着在早期的那些年代里有着高得惊人的恒星形成率呢？而识别大爆炸之后星系形成时期的特征又是什么呢？这是一些天文学家目前正力图加以回答的问题，它们往往同新观测技术的使用联系在一起，而在二十世纪八十年代内将会对这些问题进行具有决定性意义的研究。

宇宙中质量的分布

宇宙中可见物质的分布是阶梯式的，从星系到星系团，再到星系团的集团。对上百万最明亮星系所作的计数工作（图2）揭示出一种花边网状结构，其中“线”排列得很开，空洞很大，而孤立的场星系则少得出奇。大多数星系位于一些小的群或团之中（图3），这些群或团进而又聚集成超星系团。正是在过去的十年内天文学家们才意识到，星系在形成之后并不像哈勃在早些日子所想象的那样是一些孤立的岛宇宙。相反，它们通过一些复杂的方式，同它们的外界，以及在彼此之间发生着相互作用。在星系团内密度较高的区域中发现以椭圆星系居多数；而旋涡星系则常常出现在比较靠近团的外部的低密度区域中，或者是孤立地出现。在团的内部，位于中央部分的那些星系的质量，因吞食邻近星系的星系晕中的恒星而增大。星系由于碰撞，或者由于相互之间的潮汐作用而变形，都会使星系的外形产生不正常的变化，这些常常可以在天空中观测到。对于决定星系的形态类别来说。星系的周围环境看来是一个主要的因素。

使一个星系演变为旋涡星系或椭圆星系的其他方面的因素仍然还不清楚，尽管局部质量密度及局部气体含量这两方面必然都是很重要的。对于决定星系的演化过程来说，气体含量有着特别重要的意义，因为新的恒星就是从这中间形成的。我们还不知道，在星系的整个一生中，主要是吸积气体，还是把气体释放到星系际**空间中去；也许在演化的不同阶段有着不同的过程。观测表明，对于那些位于大的星系团中心、处于静止状态的大质量星系来说，看来有一些氢云正在向内跌落。有些星系以巨大的速度穿过星系际介质而运动，可以预料，由于星系际气体撞击压力作用的结果，气体便会从星系中剥离出去。在星系内部，由于超新星爆发的激励、新形成恒星带来的外部物质的流失以及炽热星系际介质的蒸发，都会引起高速的恒星风，而这种恒星风就会使气体、尘埃和恒星间的平衡关系发生改变。这些过程之间的相互作用甚为微妙，而某一种重要的气体成分是存在还是不存在便是由它所决定的。

星系内的恒星在演化，星系团内的星系在演化，而星系团本身也在演化。现在这个时期也许可以称为团演化时期。像室女座星系团（我们银河系是它的一个外围成员）这样一个星系的集团正处于演化的早期阶段，它的形状很不规则，大部分成员是旋涡星系，星系之间的随机运动不显著，星系际气体的温度很低，而包围在单个星系四周的X射线光度也不高（图4）。随着星系团的演化，团的形状变得比较有规则，星系间的速度分布范围扩大，中央气体密度增高（这也许是气体从穿过星系团核的那些星系中剥离出来的结果），中心部分的引力位增大，因而就有可能在中心位置上形成一个超巨椭圆星系。天文学家们吃惊地发现，由于有X射线发射而得以识别的炽热的星系际气体，并不是在大爆炸后不久形成、并且经星系形成后残留下来的原始的氢和氦，在这些气体的内部像铁这样的重元素是很丰富的。这个特征明白无疑地说明了这种气体是在恒星内部合成的，后来又通过超新星爆发的途径回到星系际空间。对二十世纪八十年代来说，有些计划就是要力图弄清楚团内星系的演化怎样影响团的演化，以及相反的影响又是怎样。在过去的60年内，天文学的对象从研究恒星扩大到研究星系，二十世纪八十年代应该是全力研究星系团的时代。

只是在过去的十年内，天文学家们才认识到宇宙中有许多质量必然是不可见的，尽管长时间内有争议的证据一直不断地在积累着。差不多50年前，史密斯（Smith）和茨维基（Zwicky）做了一项令人吃惊的观测工作：团内各个星系本身的运动速度是很大的，因而全部团星系的引力吸引作用不足以把这个星系团束缚住。所以，星系团应该处于瓦解之中，尽管它们看上去并非如此。这意味着有一种不可见的物质成分把星系团束缚住了。最近的工作使这一结论变得更为有力：有关单个星系、双重星系、星系群和星系团的动力学研究，全都指出存在着这种观测不到然而又无所不在的物质成分。目前，宇宙中可能有90%那么多的质量是不可见的。这种物质每单位质量的光度必然比一般恒星物质的光度低得多。天文学家们喜欢说，这些质量可能以砖头、垒球、木星、彗星或者微黑洞的形式出现。目前，仅仅通过引力相互作用才知道它的存在，但是在整个电磁波谱范围内进行继续不断地研究，应该有助于把它的各种性质弄清楚。这种质量存在的数量之大足以把星系团束缚住，但仍然不足以把宇宙封闭着。

宇宙中，至少有某一部分无光度物质位于各个旋涡星系的外部边缘。天文学家早就知道，旋涡星系中的恒星和气体是绕着星系中心在作轨道运动。过去曾以为恒星轨道运动的速度应当随着离开星系，中心距离的增大而减小，就像太阳系行星运动的速度随着离开太阳距离的增大而减小。这种速度的减小是由于大质量中心天体引力作用的变化而造成的，对太阳系来说这个中央天体就是太阳。然而近年来通过对旋涡星系的分光研究无可怀疑地证明，在离开星系中心距离很远的地方气体和恒星的运动速度仍然很高。这意味着星系中的质量并没有朝着中心方向凝聚，这一点与太阳系中的情况不同。在普通旋涡星系中，质量的分布必定远远超出光学像的范围之外，可能存在大质量的暗星系晕。

最近，在轨道飞行器国际紫外探险者（International Ultraviolet Explorer）所拍得的光谱中，发现有一些特征紫外谱线，根据这一点也许已经是探测到了在我们银河系周围有一个炽热的气体冕。初步分析表明，这是一个由高度电离了的碳和硅的原子（这意味着温度约为10⁵ K），以及一些电离程度比较低的成分所组成的晕。我们银河系周围炽热星系晕的发现，为下面的说法提供了进一步的证据：类星射电源的某些吸收线，是在朝着类星射电源的视线方向上前景星系的星系晕中产生的。

椭圆星系也表现出一些意想不到的动力学性质。这类星系看上去是一些椭球状的系统，呈现各种不同的扁度；天文学家们曾认为：外形很扁是高速自转造成的结果。近期的动力学研究表明情况并非如此。许多扁的椭圆星系只是缓慢地在转动着，其速度之慢说明自转不可能是它们变扁的原因，椭圆星系可能有三根长度不等的轴，其中稳定的恒星轨道以一种三轴形式排列着。在人们致力于了解椭圆星系和旋涡星系的动力学性质的过程中，经典恒星动力学正在和现代宇宙学紧紧地结合在一起。

银河系

令人奇怪的是，在认识我们自己银河系的结构方面所取得的进步，却比不上河外星系工作中的成就。我们知道我们生活在一个旋涡星系之中（见另文说明），尽管有关它在形态结构和大小范围上的细节仍然是一个奥秘。我们既不知道太阳离开银心有多少远，也不知道我们绕银心旋转速度的准确数值，因而所确定的银河系范围的准确度不好于20%。今天，天文学家们把旋臂作为一种波动现象来理解，但是这个理论用于一般情况要比用于特定情况来得成功。在推断遥远的银河系核的详细结构方面所得到的最初的进展，是利用甚长基线射电干涉测量技术，以及对于电离氖红外发射的观测结果取得的。在银心附近的一个小区域内，表现为一种由各种不同大小和速度的小的辐射源所组成的非对称性结构，这一点是令人惊讶的。其质量很大，能量输出很高，尤其在红外部分。

就核能的产生来说，银河系并不是独一无二的。星系核是产生巨大能源的策源地，它们在X射线、可见光、红外以及射电谱区发出辐射。类星射电源、塞佛特星系、蝎虎座BL天体，以及甚至普通的星系都在产生出巨大的能量。所有这些天体可能都会有一个大质量的中央天体，这也许是一个黑洞，它把向它靠拢的恒星和气体吞食掉，同时释放出大量的引力能。要不是这样的话，也许用一般的天体物理现象也能够对所观测到的结果作出解释。弄清楚中央能量“机器”的来源以及它对恒星形成和星系演化的影响，便是二十世纪八十年代天文学的一项重要目标。

在今后的十年内，通过各种各样的途径对银河系进行详细的研究之后，应该能对我们所居住的这一恒星系统得出一个更为合理的图像。通过用空间望远镜对暗弱的晕恒星、远处的球状星团以及遥远的卫星系的研究，应该能详细地说明这个系统的范围，以及它的化学演化情况同年龄和位置之间的函数关系；颇有希望的是，通过对分子云所作的射电和毫米波观测，将会识别出哪些地方正在形成恒星，并帮助我们弄清楚它们的动力学情况。成熟的理论模型将会说明盘状系统的稳定性问题。通过这些研究，天文学家们应该会弄明白，星系盘外圈部分的翘曲结构在它的稳定性问题中起着什么样的作用。也许这样一来麦哲伦流——这是一条由中性氢组成的长带，从我们银河系向外延伸，一直伸到最邻近的两个卫星系——也就可以理解了。通过对邻近星系的X射线观测，我们应该把那些高能核事件弄个一清二楚。现在，在离我们最近的旋涡星系（M31）的核中，证认出有17个X射线辐射源；它们的性质目前还不清楚。通过内外两方面的研究，我们也许最终能为我们自己的银河系综合出一幅详细的图像来。

恒星的演化

对于我们理解恒星演化过程来说，至关重要的一点是要对位于恒星之间的星际气体和尘埃有所了解，新诞生的恒星便是从这些气体尘埃中产生的。在二十世纪七十年代，天文学家们就已知道银河系中的星际介质有热的和冷的两种。有些气体的温度是1,000,000 K；有些气体则以温度在10 K左右的稠密分子云的形式出现。在毫米波和红外波段工作的一些新的仪器，可以使天文学家们观测到冷的分子云，这也就是恒星诞生的地方。气体和尘埃组成的云块在它们本身自行力的作用下收缩，同时随着塌缩过程的进行而越变越热，一直到它们的核心温度高到足以引起核聚变；一颗原恒星或一个原恒星团就诞生了。

某些迹象表明，处于衰亡之中的恒星所引起的超新星爆发，使这些云受到压缩，同时就引起新的一代恒星的诞生。无论从空间上还是从时间上来说，恒星的形成都是连贯着进行的，新的一代出现在与它们有关的老一代的外边缘。磁场、自转和湍流所起的作用，以及决定单个诞生或多个同时诞生的因素还不清楚。有些恒星同太阳相类似，它们在形成之后保留了一个盘，或者有一种复杂的碎片结构。这种恒星便是可能会形成太阳系的候选天体。

恒星一生中的大部分时间是在一种稳定的发展阶段中度过的，在这个期间恒星依仗着它的核能源来维持其能量消耗，演化的详细情况主要取决于它的质量和化学成分。然而，人们已经越来越清楚地认识到，几乎各种质量的恒星在它们的演化过程中都要失去相当大一部分的质量，或者通过放射形式的恒星风，或者通过爆发事件。根据在紫外、可见光以及红外波段所作的观测，已经对所涉及到的各种过程有了一个大致的概念。有趣的是，现在看来星际尘埃很可能是从恒星抛射物中产生的。要想知道气体通过恒星循环、元素合成以及再循环这一过程，首先就一定要了解恒星的内部结构、恒星物质的混合情况以及抛射的机制。

在恒星演化的晚期阶段，当恒星已经把它的核燃料消耗殆尽，或者通过收缩作进一步加热已不再可能之时，便会出现一种能量危机。现在我们可以确认白矮星、中子星以及可能还有黑洞，是恒星演化的最终产物。通过对天狼B星的观测肯定了白矮星的存在，而蟹状星云中脉冲星的证认则肯定了中子星的存在。令人遗憾的是关于黑洞的存在迄今还没有任何对应的、有决定性意义的证据，尽管接连不断地发现了一批候选天体。有关它们存在的一条线索是由于大质量致密天体对物质进行吸积而造成的X射线发射。最近证认出两种奇异的天体，即X射线爆发源和γ射线爆发源，都同这一类状态有关，尽管对所涉及到的机制问题几乎还没有明确的意见。如果考虑到对有关黑洞真实性问题所进行的各种紧张热烈的观测和理论研究，那么回想一下第一个白矮星——天狼B的发现就是很有意义的了。1844年：白塞尔注意到了天狼星的不规则运动，并断认它是—颗双星。1862年，美国望远镜制造商阿尔文 · 克拉克（Alvan Clark）的公司应密西西比大学的订货而做好了一块18英寸的透镜（由于国内战争，这块透镜始终没能交货，最后毁于西北大学的迪尔伯恩（Dearborn）天文台）。在对这块透镜进行安装成望远镜前的检验过程中，小阿尔文 · 克拉克觉察到天狼星有一颗暗弱的伴星。但是，只是在50年之后才拍得了它的光谱，而又过了10年人们才认识到这颗虽小但质量很大的恒星在天体物理学中的重要意义。今天，科学的步伐迈得更快了，因而我们希望就在八十年代就会找到黑洞存在的直接证据。

中子星的质量和太阳质量相接近，但是半径要小10⁵倍，而密度则要大上10¹⁴倍。第一颗中子星是作为一个射电脉冲星而被发现的；脉冲式的辐射讯号是由于强磁场的存在而引起的。现在在我们银河系内已知道有大约300颗脉冲星。其中有些脉冲星位于密近双星系统之中；人们把这些系统中的X射线发射理解为中子星对物质的吸积。所观测到的脉冲周期的变化，使人们深入地认识到一些极其复杂的物理条件。由于脉冲星的表面各层由固态晶格组成，并且又有一个超流体的核，因而它们就是一些具有地球上所无法取得的物理条件的实验室。

人们对有一个脉冲星的轨道周期进行了连续5年的监测，由此为广义相对论早就预言的一个结果——引力波的存在提供了第一个令人信服的间接性的证据。这两个天体的轨道运动是微小的，然而却在不断地缩小，人们把这一现象归因为由于引力波辐射所引起的能量损耗。为直接探测出由更强的源（例如坍缩中的超新星核）的引力辐射所做的实验是极其困难的，但是目前正在进行之中。

太阳

二十世纪七十年代期间的太阳物理，是从对这颗离我们最近的恒星进行充分的研究，逐渐地演变为对于在恒星内部的引力场和电磁场中电离气体的性能进行更具有广泛性的了解。太阳的作用几乎是一个“伸手可及”的实验室，它可以使我们对诸如质量损失、炽热的晕、活动性循环以及加热作用等现象进行深入地了解。我们知道，所有这些现象也发生在各种各样的恒星上。

由于发现来自太阳的中微子流比预期的数值来得低，这便迫使人们要对有关太阳内部的结构和动力学状态的观念从各个方面来重新进行一番估价。可能探测到的中微子流量是2.2±0.4太阳中微子单位，这个数值同根据近代实验室及理论研究所预期的数值相比，仅仅为后者的七分之一。如果我们要想认识太阳的内部结构，那就一定要对恒星模型、元素丰度、核参数，以及诸如太阳会不会有一个快速自转着的核和太阳内部是否在经历着物质混合阶段这一类问题重新作一番研究。我们不得不得出这样的结论：对于太阳内部核燃烧率的认识，并不像过去一度所认为的那么完善。

根本的问题是要掌握太阳上大尺度和尺度结构的本质以及它们的循环情况。这种运动同太阳的活动，以及可能还同太阳的长期起伏变化紧密地联系在一起，而这两方面也许就会对地面上的气候起着直接的影响。令人惊讶的一项发现是太阳大气有5分钟周期的径向波状运动，从而导致人们对声波、引力波及电磁波的产生、传播和衰亡进行了一些比较重要的理论研究。目前正在用这种5分钟的振荡现象来探测太阳内部的一部分结构状况，所用的方法同地震学上探测地核结构的方法是类似的。

由于乔治 · 海尔（George Hale）对于太阳磁场所做的早期研究，就有可能把太阳黑子中的强磁场，同强度为一高斯的太阳普遍性弱磁场区分开来。在过去的十年内，先进的观测技术已经使我们关于太阳磁场结构的认识发生了根本的变化。在太阳磁场出现的那些区域内，场强是非常高的（1500高斯）、早先所观测到的1高斯强度的普遍磁场，乃是因为这些高场强磁单元的范围很小所造成的结果，由于磁强仪分辨率很低就把这些磁单元平均掉了。就观测上来说，它们的实际大小是不知道的；即使对于地面上最好的磁强仪来说它们也太小了。这些磁单元可能有太阳“细丝”（图5）那么大，后者是太阳上现已发现的最小的结构（＜0″.3），它们看起来同磁单元出现在同样的位置上。目前，正在试图从理论上来对这些磁流管的起源和稳定性问题作出解释。

作为航天飞机上太阳光学望远镜的一项主要目标，人们将要对太阳磁场进行研究，其细致程度和质量水平都是以前不可做到的。预期在二十世纪八十年代内，我们对太阳（因而也就意味着恒星）磁场以及这种磁场同太阳活动、日冕结构和加热作用之间的关系的认识将会取得一些比较重要的进展。

过去十年内，在太阳物理上所作出的一些杰出的发现都同日冕有关。日冕中包含了一些活动区、宁静区和冕洞（图6）：活动区有很强的磁场，它们是一些封闭（环状）结构；宁静区的磁场是弱的，它们看来在大范围上是封闭的；而冕洞则与那些具有向外发散的开放结构结合在一起。冕上的亮点是一些小的强X射线和极端紫外线发射区，它们同把磁通量重新并入日冕的作用有关。冕洞是重复出现的高速太阳风粒子粒（每秒1000公里）的发源地。冕的瞬变现象是一些频繁发生的高能量的质量抛射事件，这在外日冕的重新构成以及耀斑出现的过程中是很重要的。如果我们想要为太阳风理论打下有意义的基础，那么就必须把所有这些现象弄个一清二楚。在二十世纪八十年代内，携带X射线望远镜和具有高分辨成像能力的磁强仪的卫星，应该向理论工作者提供他们所需要的资料，从而不仅可以找到有关太阳的这些问题的答案，而且也能解决有关它们的天体物理和地球物理意义的一些问题。

尽管对于恒星和太阳的研究，最终导致了对太阳系起源问题的研究，在目前也还只有为数不多的天文学家和地球物理学家在从事这些问题方面的工作。研究陨星——它们是行星形成后剩下的碎片——中的元素丰度，研究行星和太阳系中的一些微粒，研究核历史，研究正在形成之中的恒星以及本身带有盘的那些恒星——所有这些研究都是增进我们对于用什么东西来构成一个太阳系这个问题的认识。搜索其他恒星周围的行星很可能是二十世纪八十年代期间要着手进行的工作，为了完成这一任务就得用到各种各样的技术，包括对这些行星进行直_接成像，或者注意它们对恒星运动的影响。如果我们可以探测到其他的太阳系，那么我们也许最终能探测到其他的文明生物。而这项探测工作，以及可能进行的、同宇宙中其他文明生物的通讯联系，便确实是未来的一项目标。

结论

我们生活在一个绚丽奇妙的宇宙之中，几千年来，人们一直在观测天空、列数天体；几百年来，天文学家们一直在用望远镜来发现更为暗弱的天空成员。只是在最近的30年间，天文学家和物理学家们才能够在可见光波长范围以外的波段上来对天空进行观测。这些观测工作向我们展现了各类新的、以前从未想到过的天体和现象。

但是，天文学家们在过去这几十年间所做的不只是这些发现和分类。现在，对宇宙中各个细小方面之间的复杂的相互作用已经有了基本的认识。恒星从原始星云中形成，合成重元素，然后又把这些复杂化了的气体送回到星际空间，并成为生成下一代恒星的原始材料。旋涡结构的动力学作用会影响到星系盘中的恒星形成过程；星系的形态要受到恒星形成率的影响。特定的成团环境会影响星系的形态，即成为旋涡星系或是椭圆星系；星系的演化是星系团特性的反映。我们人体中的分子是由原子形成的，而这些原子又是在某个恒星中合成的，并且可能通过暴发的形式储存到原始太阳星云之中。在今后的几十年内，看来天文学家们很可能会利用地面上和空间中的新发明的仪器，来发现更多的奇妙的天体，来研究它们的性质。在二十世纪八十年代期间，预期空间望远镜的首次飞行，将会向我们展现出今天我们只能模模糊糊意识到的一些奇妙现象。通过所有这些方面的研究，我们应该能对宇宙究竟怎样在发展变化的问题取得更多的了解。在《我在群山中的第一个夏天》—书中，约翰 · 米尔（John Muir）写道，“当我们试图单单挑选出一样什么东西来的时候，我们会发现它总是同宇宙中所有其他的东西纠缠在一起。”在今后十年内天文学研究的主攻方向，就是要对这类关系中某些部分作出详细的说明。