宇宙島

十六世紀末，義大利思想家布魯諾推測恆星都是遙遠的太陽，並提出了關於恆星世界結構的猜想。到了十八世紀中葉，測定恆星視差的初步嘗試表明，恆星確實是遠方的太陽。這時，就有人開始研究恆星的空間分佈和恆星系統的性質。1750年英國人賴特為了解釋銀河的形態，即恆星在銀河方向的密集現象，就假設天上所有的天體共同組成一個扁平的系統，形狀如磨盤，太陽是其中的一員。這就是最早提出的銀河系概念。在賴特和康德前後，還有斯維登堡和朗伯特等人，都發表了同樣的見解。可是，當時人們把河內星雲（即銀河星雲）和河外星雲（即星系）都當作星系，而且對銀河系本身的大小和形狀也沒有正確的認識。因此，宇宙島這個假說在一百七十年間有時被承認，有時被否定；直到1924年前後，測定了仙女星系等的距離，確鑿無疑地證明在銀河系之外還有其他的與銀河系相當的恆星系統，宇宙島假說才得到證實。

宇宙島這一名稱，據哈勃考證，最初出現在德國博物學家洪保德的著作(《宇宙》第三卷，1850年)中，因為它形象地表達了星系在宇宙中的分佈，後來就被廣泛採用。另外還有“恆星宇宙”和“恆星島”等名稱，都是“宇宙島”的同義語。 1755年德國哲學家康德在《自然通史和天體論》一書中，發展了賴特的思想，明確提出“廣大無邊的宇宙”之中有“數量無限的世界和星系”，這就是宇宙島假說的淵源。

宇宙島，是人們對星系極其形象的稱呼。在宇宙大爆炸之後的膨脹過程中，分佈不均勻的物質受到引力的作用逐漸聚集而形成一個個星系，即宇宙島。1755 年，德國哲學家康德提出宇宙中有無限多星系的觀點，這就是宇宙島假說的淵源。天文學家通過觀測，看到許多霧狀的星雲，便猜測它可能是由很多恆星構成的，只是離得太遠，人們無法一一分辨出。後來，英國天文學家赫歇爾發現許多星雲可分解成恆星群，而另一些星雲無法分解，於是他提出了星系並非宇宙島的觀點。到了20 世紀，科學家們經過精確的測量和論證，才把河外星系定名為宇宙島。

關於星系起源的理論有很多，有代表性的是引力不穩定性假說和宇宙湍流假說。前者認為，在30 億年間，星系團物質由於引力的不穩定而形成原星系，並進一步形成星系或恆星；後者認為，宇宙膨脹時形成旋渦，它可以阻止膨脹，並在旋渦處形成原星系。二者都認為星系形成了100 億年。現在人們觀測到的河外星系已達上萬個，最遠者距銀河系達7 0 億光年。估計河外星係數目大得驚人，若畫一個半徑達20億光年的圓球，其內含有約30 億個星系，每個星系都包含著數以千億計的恆星。

人類常用環狀器物做裝飾，有趣的是星星也會用環狀物裝飾自己。不但土星、木星會這樣，就是龐大的星系也會用環狀物來裝飾自己。天空中的確有這樣一類星系：它們的中心呈恆星狀，周圍有一個光度均勻、結構對稱的環。它們雖有著酷似行星狀星雲的美麗外表，實質上卻是一個星系。用世界上最大的天文望遠鏡可以看見它清晰的倩影：核心呈紅色，環則有些發藍。這類天空中的特殊星系又叫“華格天體”。

美國天文學家奧康涅爾等人曾專門研究過星系的環，但與橢圓星系的環相比，華格天體的環具有特殊性，它光度均勻，結構對稱，十分完美。他們還拍攝到了華格天體的光譜，譜線紅移相當於每秒12750 千米，證明這種天體確實是在銀河系之外。以色列特拉維夫大學天文台的布洛施，通過對華格天體的研究，又有了新的收穫。他發現，華格天體的環發出的光比核發出的光還要強。他經過深入研究，認為華格天體的環屬於旋渦星系環中的一種特例，是由星系盤的某種不穩定性造成的，也就是說，星系中棒狀結構的不穩定性，攪動星系盤而形成了星系的環狀結構。

“宇宙島”的提出者——德國科學家洪堡（1769—1859）

“宇宙島”是19世紀中葉德國科學家洪堡提出的一個概念，他是為了描述宇宙中像我們所在的銀河系一樣的天體系統。他把這種天體系統形象地比喻為大海中的小島，而將德文中的welt（宇宙）和inseln（島）連用，命名它為weltinseln，即宇宙島。宇宙島概念提出之後，引起了爭論，在經歷了一番曲折的歷程，直到20世紀發現了河外星系才得到證實和確認。

宇宙島的概念是在19世紀中葉才提出的，而它的思想淵源則是與對銀河和對星雲的認識相聯繫的。

早在17世紀初，義大利物理學家伽利略就首次用天文望遠鏡看到了比肉眼所看的多得多的恆星，並發現了銀河是由無數的恆星構成的。不過，那時多數人仍認為恆星是“固定”在遙遠的天球上的光點。1717年，英國天文學家哈雷發現了恆星的自行，這才開始樹立起恆星也是一種天體的觀念。瑞典的斯維登堡在18世紀初期推測：恆星都是人們所熟悉的銀河的成員，它們構成一個完整的體系，這種體系（即銀河系）可能不是唯一的。1750年，英國天文學家賴特提出，天上所有的恆星和銀河共同組成一個巨大的天體系統，它的形狀像是一個車輪或薄餅，太陽系就在其中。站在這個天體系統向外看去，就可以看到銀河的形象，他甚至猜測到銀河輪廓的不整齊，很可能是由於太陽不在銀河中心的緣故。1755年，德國哲學家康德在他的著作《自然通史和天體論》一書中，發展了斯維登堡和賴特的思想。他認為貌似“雲霧狀的星體”實際上是比恆星大幾千倍的恆星世界，其中每一個恆星都聯繫在一個共同平面上，從而組成一個協調的整體。他還認為整個宇宙是無限個這樣有限大小的天體系統所組成的總體。1761年，德國學者朗伯提出了一種無限階梯式的宇宙模型，他認為太陽系是第一級體系；太陽及其周圍的許多恆星構成的恆星集團是第二級體系；銀河系是這種龐大的恆星集團的總合，構成了第三級體系；第四級、第五級以此類推直至無窮。可見，這時宇宙島的概念雖然還沒有明確提出，但是已經有了這種基本思想。這些見解都是相當出色的思想，但是當時人們在概念上還是有一些混亂。比如，對“雲霧狀星體”，有的天文學家把它理解為星雲；康德則理解為星系。這種混亂表現在當時對於宇宙和天體的認識還處於較為膚淺的階段，想象與猜測的成分居多。儘管有的想法是正確的，但是也需要通過觀測和研究加以證明。特別是有這樣兩個問題急需回答：其一是眾多的恆星與銀河是否組成了獨立的整體；其二是在這樣一個系統之外是否還有類似的恆星集團。

正是在這樣的背景下，英籍德國天文學家赫歇爾從觀測的角度把認識推向了深入。他是通過業餘自學而進入天文學領域的，憑著幾十年堅韌不拔的努力，終於成為世界上赫赫有名的天文學家。他自己磨製了一架又一架的反射望遠鏡，一夜又一夜地觀測天空。1781年，他發現了天王星。1783—1802年，他對星團和星雲進行了系統的觀測，赫歇爾最重要的觀測工作就是對銀河繫結構的觀測與研究，他不滿足於斯維登堡、賴特、康德、朗伯等人的猜測。他採用取樣統計的方法，觀測事先選定的許多特定天區，一一數出這些天區中的星數以及亮星與暗星的比例。他發現，在銀河附近比遠離銀河方向上同樣面積的天區中的恆星數目要多得多。他通過1083次觀測，一共數了683個取樣天區中的117600 顆恆星，獲得了豐富的觀測資料。1785年，赫歇爾給出了一幅扁平、輪廓參差不齊、太陽居中的銀河結構圖，首次用觀測證明了銀河與眾多恆星確實構成了一個天體系統，這就是銀河系。赫歇爾還做了一項在當時非常有影響的工作，那就是對星雲的觀測。他使用當時首屈一指的反射望遠鏡觀測那些“雲霧狀天體”（當時也有人稱之為“無星的星雲”），一共選擇了29個觀測對象。結果，它們中的極大多數都被分解為一個個暗弱恆星的集合體，赫歇爾認定“星雲”就是星系。他還指出，一些在現在的望遠鏡中無法分辨出恆星的“星雲”，在更大的望遠鏡中也許會分辨出恆星來。由於赫歇爾的聲望，他的結論一發表就產生了很大的影響。這對人們接受“宇宙島”的思想產生了積極的作用。

是否所有的星雲都如同赫歇爾所說的那樣，可以分解為恆星呢？不一定，事實上赫歇爾本人在1790中就觀測到這樣一個星雲，它的中央有一顆星，四周則是雲，他把它稱之為“行星狀星雲”。這種星雲無法分解為無數暗星的集合體，這說明真正的雲狀物是存在的。後來，他又觀測到許多瀰漫星雲，也都無法分解出恆星。於是，他又否認了以前所得到的結論，放棄了星雲就是宇宙島的見解。而且不久以後，法國著名數學家、天文學家拉普拉斯獨立於康德提出了太陽系起源於星雲的理論。同時，由於拉普拉斯的工作有較好的科學基礎，再加上拉普拉斯本人的學術聲望，他的學說很快就得到了公認。這也使人們相信宇宙中存在星雲是必然的，而星雲就是宇宙島的說法就被人們冷落了。

1845年，一架口徑為1.8米的巨大反射望遠鏡投入了觀測。一開始似乎帶來了某種希望：原先不能分解的星雲有的被分解了。但是進一步的觀測表明，仍然有不少星雲分解不開，星雲到底是不是宇宙島的爭論仍然無法定論。

在這之後，由於物理學關於光譜研究的推動，天體分光術成為研究天體的一種新手段。義大利的賽奇和英國天文學家哈金斯曾觀測恆星和星雲的光譜，發現恆星的光譜與星雲的光譜是不同的。恆星的光譜是連續光譜上有吸收線，而氣體星雲的光譜則是一組明亮的譜線。這一發現似乎給出了判斷的標準，如果天體的光譜是明線光譜，那它就是氣體星雲；如果天體的光譜是連續背景上加吸收線，它則是恆星或者是宇宙島。可是，實際上問題沒有這麼簡單，因為在實際觀測中發現，有些典型的星雲卻表現為恆星光譜。而有些通過望遠鏡已被分解為恆星的星雲，它的光譜既不表現為明線光譜，又不表現為吸收光譜，而是連續光譜。哈金斯於1864年用分光鏡觀測位於天蠍座的一個行星狀星雲，發現它的光譜是明線光譜，這表明它不是一些恆星，而是發光的氣體雲。他進一步將觀測對象擴展到其他星雲，發現它們的光譜也屬於明線光譜，這更使他斷言星雲是氣團。這樣一來，宇宙島之說簡直就站不住腳了。最終，宇宙島之爭是靠觀測的進展解決的。1924年，美國天文學家哈勃用威爾遜山天文台的2.5 米口徑的望遠鏡（這是當時世界上最大的望遠鏡）成功地把仙女座大星雲的邊緣部分分解為恆星，並在裡面發現了幾顆經典造父變星。他利用造父變星的周光關係定出仙女座大星雲的距離為80萬光年（現在公認的實測值為220萬光年），遠在銀河系之外。1924年底，哈勃在美國天文學會上宣布了這一重要發現。這一發現非常有說服力，從此人們認定了仙女座大星雲等實際都不是星雲，而是銀河系之外的恆星世界即宇宙島，現在稱之為河外星系。

從宇宙島的提出到確認以及伴隨著的爭論，充分表明人類對宇宙和天體的認識走過的是一條艱難而曲折的道路。新的思想和新的觀念最初總是比較粗糙，它本身需要一個完善的過程。宇宙島思想剛提出時是超前的，由於受到觀測手段和研究方法的限制，人們一下子還不能予以證實。所以，走一個曲折的路也是很自然的。在這一過程中，不同意見的爭論正是使人們的認識由片面走向全面的推動力。

我們肉眼能輕易看到最遙遠的天體就是M31，也就是巨大的仙女座星系，距離我們大約250萬光年遠。但是，如果沒有一架望遠鏡，即使是如此巨大的旋渦星系（覆蓋約20萬多光年）看上去也只是 一個位於仙女座內昏暗模糊的星雲。與之相反，在這張壯觀的望遠鏡數碼影像中有明亮的黃色星系核，黑暗的纏繞塵埃帶，絢麗的藍色旋臂和星系團。現在連剛剛入門的觀測者也知道宇宙中有許多類似M31的遙遠星系，但是在短短的80年內，天文學家們之間連基礎的概念都有很嚴重的爭論。這些“旋渦星系”僅僅是我們銀河系簡單的外圍成員，抑或它們是“宇宙島”—與銀河系相當的遙遠恆星系統？而這就是1920年著名的Shapley-Curtis之間爭論的話題要點，而後通過對M31的觀測發現仙女座星雲是一個宇宙島。