上下古今走一回 ── 縱談宇宙天體
陳文屏
（中央大學天文所及物理系、所）
1998.11 大地地理雜誌
面對夜空的那種迷惘與震撼，只有親身體會過的人才曉得。
因為工作的關係，我得以終日浸淫在宇宙天文的世界裡，整天環繞的是物理定理，觀測數據及電腦。只有偶而到天文台進行觀測時，偶而在疲於操作之餘走到屋外，看到滿天的星斗，壓得人喘不過氣來，才頓時想起當年為什麼會走進這一行。我會用腫脹的雙眼凝視看得見的最暗的星星，然後大力吸口漆黑的冷空氣，對自己緩緩的說：「嗯，這就是為什麼！」
星座
天上的星星發光的強弱各自不同，與地球的距離也不相同，但是在漆黑的太空裡，我們無法直接看出來這些星球的距離。這個情形有如在黑夜裡的微弱光點，我們無法判斷到底光線來自螢火蟲，還是來自明亮而遙遠的探照燈。
從地球看出去，不同距離的星球會構成某種圖形，這就是星座。例如冬季的夜裡，台灣上空會看到獵戶座，這是由幾顆亮星組成形似獵人的圖像。同個星座裡的星球彼此沒有關係，相互之間離得非常遠；要是我們從太空的另外一個角度來看，構成獵戶座的這些星球便再也不是獵人的樣子了。天文學家把全天空分成很多區域，以星座命名，所以獵戶座代表的不只是那幾顆星，而是那塊天區的名稱，就好像澎湖縣、台東縣一樣，都是區域的名稱。
從地球看出去，不同距離的星球構成特殊的星座圖樣。
星球之間是非常空曠的。我們看到的某顆星可能距離我們好幾百光年，表示這顆星發出來的光得費時好幾百年才到我們這裡。這是非常遠的距離，因為繞地球一圈的距離大概是四萬公里，而光線一秒鐘便可以行進約30萬公里。換句話說，光線在一秒鐘內所走的距離，相當於地球圓周的七、八倍。太陽是離我們最近的恆星，光線從太陽發出，大約八分多鐘到達地球。如果我們把地球比喻成像籃球般大小的地球儀，按照這個比例，台灣有如一顆小西瓜子，月球就好比是房間門口的棒球，而太陽則相當於我們走了一個鐘頭以後，看到的一座巨大的十層大樓！有些遙遠天體所發出的光線，要花上幾十億年的時間才到達地球，必須利用大型望遠鏡，才可能偵測到它們微弱的光線。
星際物質
星球之間廣大的空間並不是完全真空的。我們平常在地面上所呼吸的空氣，像小指尖大小的範圍內大約包含了數千萬兆個氣體粒子，相對之下，星球之間的物質稀薄得多：在同樣指尖大小的體積內，大約只有一個粒子。這些星際的氣體與塵埃，一旦被星光照耀，我們便看到了繽紛奪目的星際雲氣。這些雲氣是製造星球的原料。雲氣逐漸聚集在一起，將來便有可能形成恆星，大團的雲氣更可能分裂成小團的雲氣，後來形成一堆星球。秋天的夜晚在金牛座附近的昴宿星團，中國人稱為七姊妹，用裸眼可見六、七顆藍白色的星球，透過雙筒望遠鏡更是可以看到好幾十顆，這些就是來自同一團雲氣、同時形成的一群恆星。
太空中有各式的氣體與塵埃，被星光照射後，產生各種形式的星雲。
太陽系
太陽最初由一團雲氣收縮，溫度逐漸升高，引發了核融合反應，因此能夠自己產生能量發光。太陽的周圍還繞行了很多小型天體，這些天體也是從同一團雲氣裡凝聚而形成，但是因為質量不夠大，收縮後所造成的溫度不足以引發核反應，因此無法自行發光。
太陽與行星從雲氣收縮而形成。
這些小天體，由不同比例的氣體、液體、及固體物質組成。以地球而言，主要的成分為岩石，而在表面覆蓋了廣大的海洋，外面則包覆了以氮、氧為主要成分的大氣層。地球的大氣層非常薄；如果把地球比喻成籃球，那麼大氣層的厚度有如一層薄紗（當然，大氣是向外逐漸稀薄，而沒有清晰的邊界）。行星當中，離太陽比較近的四顆行星──依照與太陽的距離漸遠，依次為水星、金星、地球，及火星──都是以岩石成分為主。
距離太陽更遠的另外四顆行星，分別是木星、土星、天王星，以及海王星，它們和裡面的四顆迥然不同。這四顆外圍行星的體積都很大，而成份則都以氣體為主。以最大的木星為例，它的體積超過地球的一千倍，所包含的質量則是地球的三百多倍。如果我們還是將地球比喻成籃球，那麼木星就相當於從地板到天花板那麼大的球了。但是這顆球可非比尋常，因為它不是固體。我們看到木星的外表是它的大氣，主要成分是氫與氦，橘紅色斑紋則可能源於大氣裡的硫化物。氫與氦這兩種氣體，也是組成太陽的主要成分，在地球上則幾乎不存在（地球上的氫都和別的元素結合了，例如和氧結合成為水）。木星大氣的內部，由於氣壓高，物質呈液態存在。換句話說，木星是沒有陸地的。木星和地球雖然都稱為行星，但是彼此非常不一樣。
在太陽系現知的九顆行星當中，冥王星是最特殊的了。地球繞太陽一圈需要一年的時間，木星繞一圈要約12年，而冥王星則需時約250年。大多數的時間裡，冥王星是行星中距離太陽最遠的，但是在1979年與1999年之間，冥王星卻比海王星更接近太陽，等到明（1999）年之後，冥王星便又是最遠的行星了。由於冥王星距離遠，地面上的望遠鏡無法看得清楚，過去的幾次太空任務又不曾飛經冥王星，因此我們對冥王星的認識，一直不如其他八顆行星。哈柏太空望遠鏡所拍攝到的冥王星影像，是我們第一次看到它的真面目。
冥王星的軌道狹長，有時候比海王星還接近太陽。
雖然冥王星距離太陽遠，但是卻沒有其他大型氣體行星的特性，例如它的質量還不到地球的千分之二，直徑也不到地球的五分之一，甚至比月球還小。長久以來，天文學家一直困擾冥王星是怎麼來的，因為它違反了其他行星共同的規律性。過去幾年，天文學家利用靈敏的儀器，在海王星以外的區域，找到了很多小型的天體，它們比冥王星還小，也繞著太陽運行。如果沿用地球如籃球的比喻，那麼冥王星的大小差不多像個撞球，而這些新發現的小天體──截至1998年秋天已經發現了約70個──則只有彈珠般大小。
太陽系裡發現小天體不是稀奇的事情，因為在火星與木星之間，就有數以萬計的小型天體，稱為小行星，成分多是岩石及金屬。但是在海王星以外的區域，因為距離太陽遠，溫度低，天體成分以冰體為主，一些彗星（例如著名的哈雷彗星）就存在這個區域裡。這些彗星因為體積小，反射陽光不足，因此平常不容易觀測到，只有當彗星順著狹長的橢圓軌道接近太陽時，受到陽光的照射，冰體蒸發，而產生壯觀的彗星景象。有趣的是，冥王星在很多方面和這些新發現、海王星以外的小天體類似。也就是說，冥王星和彗星或是小行星屬於同一個家族，只不過是目前發現最大的一顆，再加上發現冥王星的過程具有歷史意義，因此忝為行星的一員。未來數年，天文學家必定還會發現更多位於海王星以外的小天體，大小甚至可能和冥王星差不多，屆時我們對太陽系的認識，就要改觀了。
太陽系中有小型的石頭與冰體在太空中運行。
恆星的生、老、病、死
恆星靠著內部的核反應釋放能量，氣體獲得這些能量後，便快速運動而彼此撞擊。結果產生一股壓力，能夠「撐住」自己，抵擋因為萬有引力所造成的內縮。換句話說，星球因為萬有引力收縮，達到高溫進行核反應，而核反應釋出的能量則提供氣體向外撐住的力量，當這兩種力量平衡時，星球便處於穩定的狀態。我們的太陽在過去的50億年就處於這種穩定的狀態，發出光與熱滋養了地球上的生命。
太陽是顆恆星，藉由內部的核子反應產生能量而發光。
恆星一生當中，內部的各種核子反應不斷將簡單的原子核，融合成比較複雜的原子核，同時釋放出能量。一旦可作為核反應燃料的簡單原子核用罄，星球失去了能源，氣體無法繼續快速運動，向外膨脹的力量消失，星球內外平衡的狀態無法繼續維持，星球便免不了收縮的命運。
恆星內部溫度極高，因此能夠產生核反應，但是到了外部，溫度降低到不足以進行核反應。所以，太陽的能源來內部的核融合，但是並非整顆太陽都在進行核反應。也就是說，星球的核融合其實只在靠中心溫度夠高的部分進行，也只有那裡的燃料被消耗掉。當我們說太陽所擁有的核燃料足夠使用大約共一百億年──據估計太陽現在已經照耀了約50億年，它所包含的燃料還可以再供應50億年──所指的是太陽內部的燃料。
星球用完了中心燃料之後，會發生收縮，而產生一些非常奇妙的後果。我們知道平常看到的東西，最後可以分解成個別的原子，原子的構造包括一個非常緊密的原子核，外面圍繞著電子。當星球燃料用完後，萬有引力會將電子擠壓到緊貼著原子核的外面，再度撐住星球內縮的趨勢。如此構成的星球，物質擠壓得非常緊，體積很小，但是溫度很高，天文學家稱之為「白矮星」。小指尖般大小的白矮星物質可重達上百公噸，相當於一輛貨櫃車！
獵戶座西方有顆非常明亮的星，叫做「天狼星」，是全天空除了太陽以外最明亮的恆星。天狼星有顆伴星和它互相繞著旋轉，這顆伴星就是顆白矮星，溫度很高，但是體積小──它的質量與太陽差不多，但是大小只比地球稍大──所以比起天狼星要暗了許多。
要是燃料用完的星球本身的萬有引力非常大，那麼電子緊貼在原子核外圍也撐不住內縮的力量，電子就會被擠壓進原子核，而與質子結合成中子。這樣的星體是極為奇特的，因為整顆星就是個大原子核，天文學家稱這種星體為「中子星」。構成中子星的物質比白矮星還要緊密得多。一顆質量與太陽差不多的中子星，只相當於台北市般大小，而小指尖大小的一堆中子星物質，其重量竟高達一億公噸！
不管是白矮星或是中子星，它們的前身都是恆星中心用完核燃料的部分。當星球這部分發生劇烈變化時，常常會把外部殘存的氣體拋出，有時候是以和緩的方式，但有時候則會發生激烈的爆炸。
當白矮星把周圍的氣體拋向太空時，便形成「行星狀星雲」。行星狀星雲其實和行星完全沒有關係，只是因為環繞了雲氣，看起來類似行星大氣，因而得名。
太陽用完核子燃料後，會成為白矮星，而將外層的氣體拋像太空，我們便看到行星狀星雲。
中子星拋出外圍物質的方式則劇烈多了，它們會將周圍的雲氣炸開，產生「超新星爆炸」的現象。之所以有「新」這個字，也是歷史上的誤解，因為早年超新星爆炸時，人們在天空突然發現了新出現的亮星，以為是新誕生的恆星。現在我們知道，其實超新星是星球死亡之前迴光返照的爆炸現象。超新星爆炸所釋出的能量相當於上兆顆正常恆星所發出的光，因此是宇宙中劇烈無比的事件，有時候甚至連中央的中子星可能都被炸得支離破碎。超新星爆炸對環境有巨大的影響，在很多情形下，可能會擾動星際雲氣，使其收縮而形成另一批的恆星。
大質量的恆星用完核燃料後，會發生超新星爆炸，演變成中子星，同時將外層的氣體炸開。
恆星窮其一生不斷在內部製造各種複雜的元素。到了星球演化晚期，經由類似行星狀星雲或是超新星爆炸等方式，將這些元素拋回星際空間。星際雲氣於是又能經由萬有引力的聚集，產生下一代的恆星，但是組成下一代恆星的物質，會具有較豐富的複雜元素，誠所謂「生命的意義在創造宇宙繼起之生命」，宇宙本身似乎就是承先啟後的生命體！
超新星爆炸所產生的高溫環境，引發進一步的核反應，產生了重元素。我們平常配戴的金、銀等金屬，都是在超新星爆炸的剎那間產生的。換句話說，充斥在我們四周，我們賴以維生的各式資源，甚至構成我們身體的分子與礦物質等，全都是恆星的產物。
說不定很久很久以前，銀河系裡有顆超新星爆炸，把豐富的複雜元素撒向太空，在其中一團雲氣中，誕生了太陽、行星、地球，並且演化出了生命，另外的雲氣則形成了其他的恆星。真是如此，天上的某顆星，它所擁有的元素，可能和我們身上的元素一樣，都來自同一顆超新星。那麼這顆星可以說是我們的兄弟姊妹了，我們和天上星星的關係，實在比想像中密切得多！
如果瀕臨死亡星球的萬有引力更大，大到連中子星這樣極為緊密的結構都支撐不住，星體就會繼續收縮下去，直到成為無法想像的緊密，這就是「黑洞」。
黑洞所包含的物質緊密無比，它們的萬有引力也就因此強得無法思議──強到連光線都跑不出來，也因此而得名──任何東西（不管是桌子、汽車，你的情人或是丈母娘）一旦掉到黑洞裡，便被分解、壓縮而成為黑洞的一部份，絕對公平。
是否天體不發光（或是不發任何訊號），我們根本偵測不到，就無法研究它們了呢？幸好情形並非如此。所謂「若要人不知，除非己莫為」，只要是存在的，就必留下痕跡！黑洞本身雖然不發光，但是周圍的物質在被吸引時，卻會顯示特別的性質。例如說圍繞著黑洞的雲氣，會以極高的速度運動，因此若偵測到氣體圍繞著非常小的區域高速運動，我們便能推測該區域可能有個黑洞。當物質被吸入黑洞時，會加速而放出高能量的輻射，因此另外一個偵測黑洞的方式，便是藉由偵測X射線或珈瑪射線，來指認出可能的黑洞。
質量非常大的恆星用完核燃料後，會收縮成為黑洞，其強大的萬有引力會吸引周遭的物質。
太陽周圍的恆星鄰居
太陽和其他千億顆星聚集在一起，集中在一個像蔥油餅般的盤狀結構上，稱為「銀河系」。因為我們自己也在盤狀結構當中，因此看到其他的星星都集中在一條帶狀區域裡。在夏季晴朗的夜晚，在沒有光害的地方，可以看見一條銀白色的亮帶橫跨天際，有如灑在天空的滑潤牛奶，這就是「銀河」。
恆星看起來的亮度一方面取決於它本身發光的能力，另一方面端視它與我們之間的距離。兩顆發光能力相同的星球，距離近的那顆看起來會比較明亮。太陽四周十光年之內，大約有十幾顆恆星，但是這些星球大多很暗，必須藉助望遠鏡才看得到。
牛郎星與織女星是夏天晚上天空明顯的亮星，它們與我們的距離分別是17光年及25光年，都不是最近的恆星，但是因為構成它們的氣體非常熱，因此發光能力強，即使隔著些距離，看起來也很亮，高溫的氣體使得牛郎星與織女星看起來呈藍白色。
而在天空的另個角落，獵戶座是冬夜明顯的星座，其中右肩的亮星稱為參宿四，是顆紅色的星球，表示它的表面溫度低，發光能力也就弱。參宿四與我們的距離超過900光年，但是看起來的亮度卻和牛郎、織女相當。既然溫度低，距離也遠，那為什麼參宿四看起來仍然非常明亮呢？這是因為參宿四的體積很大。溫度高的氣體發出強烈的光線，有如強力探照燈一般，而溫度低的氣體發光弱，有如螢火蟲。然而如果體積大，溫度低的星球其整體發光能力也可以很強，就好像把數以萬計的螢火蟲放在一起，亮度還是可能超過探照燈。
太陽與其他千億顆恆星聚集成為銀河系。
銀河系
太陽與所有我們看到的星星靠著萬有引力聚集在一起。這個稱為銀河系的星系包含了上千億顆的恆星，以及雲氣及灰塵，此外應該尚有我們目前還看不到的行星及更小的天體。如果扁平的銀河系有如蔥油餅，那麼太陽這粒小麵粉大約位於餅中央到邊緣三分之一的位置。
我們的銀河系形狀扁平，太陽居於銀河系的盤面上。
夏季晚上十點左右，南方有顆明亮的紅色星球，稱為「大火星」，代表了天蝎（座）的心臟，整個天蝎的身體則向左及向下延伸。在天蝎尾巴的上方，就是我們銀河系中心的方向。我們距離銀河系中心大約三萬光年。由於塵埃集中在銀河盤面附近，遠方的星光都被塵埃吸收或反射掉了，因此沿著銀河盤面無法看得很遠。
銀河系周圍的星系鄰居
銀河系的附近還有很多星球群聚的系統，這些星系當中，有些和我們的銀河系一樣，包含了超過千億顆恆星，有些則小得多。在仙女座的方向，有個類似銀河系的大型星系，稱為「仙女座星系」，在沒有光害而晴朗的秋夜，以裸眼便可以看到其呈現的模糊橢圓光團。以望遠鏡長期曝光，便能清楚看到這個兩百廿萬光年之外的星系。因為我們身在銀河系的盤面上，因此無法看到銀河系的外觀，但是經過科學家的研究，得知銀河系的外觀應與仙女座星系類似，在盤面上都有螺旋狀的結構。在仙女座星系的旁邊，另外還有兩個橢圓形的衛星星系。
仙女座星系是銀河系附近的大型星系，外觀與銀河系類似也有螺旋結構。
我們銀河系也有兩個小型的衛星星系，稱為「大麥哲倫雲」以及「小麥哲倫雲」，這兩個星系只在南半球的天空看得到，因當年伴隨麥哲倫環遊世界的船員返鄉後向友人敘述這兩團雲而得名。現在我們知道這兩團其實不是雲，而是不規則的小型星系。大麥哲倫雲距離我們17萬光年，而小麥哲倫雲則與我們相距19萬光年。
大、小麥哲倫星系的形狀不規則，是銀河系的近鄰。
星系的外型五花八門。除了有螺旋形狀、橢圓形狀、不規則形狀以外，有的星系核心有棒條狀的結構，而在兩端才連出螺旋紋路。
科學家還不確定星系為何有不同的形狀，但是在很多情形下，可能和當初收縮形成星系的那團雲氣的旋轉快慢有關。快速旋轉的球狀雲氣，在收縮時會形成扁平狀，而演變成螺旋狀星系。我們之前已經談到，太陽以及周圍行星系統也是以同樣的方式形成的，所以行星及衛星大都分佈在同一個盤狀結構裡。至於旋轉緩慢的雲氣，則演變成橢圓星系，由於不需要經過扁平的過程，因此可以在短時間內形成恆星，很快用盡星系裡的氣體與塵埃。
相對而言，螺旋狀星系中早期形成的恆星仍然留在遠離星系中心之處，也就是我們現在看的大型星團，而原來快速旋轉的星系形成盤狀結構後，氣體與塵埃聚集在盤面上，直到現在還在製造恆星，也因此螺旋狀星系仍保留了大量的雲氣。
太空中有各式各樣由恆星及雲氣組成的星系，有的成橢圓狀，
有的除了螺旋結構以外，中央還有個發亮的棒狀結構。
有些星系具有非常奇特的外型，其中有些可能是大規模超新星爆炸所造成，另外一些則可能源於星系之間的碰撞。
有的星系外型非常特殊，像是兩個星系相撞的結果。
星系會碰撞？
恆星之間的空間是極其廣大的。離太陽最近的恆星，其距離是太陽直徑的7百萬倍。如果把太陽比喻成一顆網球，那麼最近的恆星就如同在菲律賓的另外一顆網球，恆星在這樣空曠的環境裡運動，幾乎沒有機會互相撞在一起。
星系就完全不一樣了。銀河系和仙女座星系之間的距離，只不過是個別星系大小的20倍左右，有些星系之間的距離甚至更近，因此星系彼此碰撞的機會要大得多了。那麼，星系碰撞時會是什麼情形呢？
組成星系的，除了恆星外，還有充斥在星際之間的雲氣。星系碰在一起時，恆星之間依然有廣大的空間而不會碰撞，星際雲氣則比較容易彼此接觸，同時星系間的強大萬有引力會激起大尺度的變形，因而造就了形形色色壯麗的外觀。星系碰撞所引發對雲氣的攪動，也可能促成大規模恆星形成的活動。
星系相遇而小星系穿越後，便產生了車輪狀星系。
值得一提的是，我們的銀河系與仙女座星系正以60萬公里的時速互相接近，以這樣的速度要20億年才會相遇，但由於兩個星系的運動方向並非朝向對方，因此並不會撞在一起。
前面提到，當大質量的恆星再也沒有燃料進行核反應後，巨大無比的萬有引力將使星球收縮成黑洞這種物質型態。對於一團質量相當於太陽數億倍、集中在小區域內的物質來說，情形也是一樣，要是沒有向外支撐的力量，這些物質也會收縮成超大質量的黑洞。這樣的黑洞，和單一大質量恆星死亡後所演變成的黑洞是一樣的，只不過質量和大小都遠大得多。
天文學家的確在某些星系核心的部分，發現可能是這種超大質量的黑洞，正大規模而快速吸聚周圍的物質，這些物質來自星際雲氣，及被扯碎的恆星，在吸往黑洞的途中不斷加速而放出能量。
稱為 M87 的星系是個橢圓星系，其核心可能有個黑洞，引發噴出高速的氣流。
黑洞還有個特性，就是在自轉軸的上下方，纏繞了強大無比的磁場。磁場的力量會使得部分吸聚而來的物質不致落入黑洞，反而像洗車的水管引導水流一般，將物質以極高的速度向黑洞的上下方向射出，形成驚人的氣體噴流。
有些天文學家相信，很多星系的核心可能都有黑洞，而在年輕的星系當中，由於有大量的物質可供黑洞吸聚，因此我們可以觀測到特殊的現象，但是隨著可供吸聚的物質減少，星系核心的活動便逐漸式微。有證據顯示我們銀河系的中心可能也就有個超大質量的黑洞。
星系和恆星一樣，也有群聚的趨勢。我們的銀河系與仙女座星系便屬於一個至少擁有35個星系成員的星系群，銀河系是其中最大的一個。在太空裡還有很多其他的星系集團，有些包含超過上千個星系，有些則少得多。一些星系集團又群聚成更大尺度的結構，我們現在知道的宇宙就這樣延綿下去，更遙遠的天體亮度非常微弱，即使用目前最大的望遠鏡，我們還無法偵測到。
太空中有數以千億計的星系，有的群聚在一起構成星系團。
以上簡單地把宇宙天體由近而遠、由小而大簡介了一番，即使以我們現在知道的東西來說，這些當然也只是九牛一毛，更不用說我們還有太多太多不知道的事情。這裡要強調，之前說到天體的距離遙遠，動輒以數百光年計，甚至距離我們百億光年以外。我們的訊息全來自這些天體發出的光線，然後利用我們所在上下四方的這個小角落、古往今來的這剎那所累積的知識，試圖解釋令人敬畏的宇宙，看似不自量力。然則，人類文明發祥以來，這股「以有涯度無涯、從剎那思永恆」的企圖心，也足以讓人心動不已。
回顧文明的歷史，不過兩、三百年前，人類尚認為地球是宇宙的中心，後來明白地球不過是繞著太陽轉；也不過70多年前，科學家還在辯論太陽是否位於銀河系的中心、銀河系是否就是整個宇宙。
現在我們知道，地球不是宇宙的中心，太陽不是，銀河系也不是，實際上太空裡存在了千億個以上的星系，每個星系平均包含了億萬顆的恆星，甚至我們發現宇宙目前正在膨脹，而這樣空間的膨脹是沒有中心的！換句話說，文明的發達使得人與人互相看待的價值越來越高，但是知識的累積，則讓人類離宇宙舞台中心的角色越來越遠。我們實在應該保持開放的心胸！
「接觸未來」的影片中有句名言：「如果宇宙中只有我們，那真是太浪費空間了」。我不知道宇宙其他角落是否也有智慧生物，正在思索類似的問題，但是讓我姑且拾其牙慧，做這樣的延伸：宇宙有那麼多空間，那麼多奇妙的天體，要是不探索一番，豈不是太浪費了嗎？
美麗的照片讓我們感受到天體的多彩多樣，文字的說明可以幫助大家瞭解天體的奧秘。但是真要體會夜空懾人的魔力，請您關掉電視，放下雜誌，走到戶外往天上看吧！