第一部分 天文大發現
銀河係在轉動
銀河係轉動嗎？為了回答這個問題，先讓我們來看看兩種不同的轉動方式。
一種是非常常見的所謂剛體式轉動，像車輪、軸承、兒童樂園裏的轉盤車的轉動都屬於這種形式。剛體式轉動的特點，是任何一點繞轉動軸一圈所花的時間與其他點相同，因而離轉動軸越遠處轉動的線速度（以“米/秒”為標準單位的速度）越大，它走的路程長於離轉動軸近的地方在相同時間所走的路程。請你想象一下，你和另外兩個人站在大轉盤的任意三個位置上不動，那麼當轉盤分別以快速、慢速轉動時，你看另外兩個人和你距離變了嗎？方位差變了嗎？顯然都沒變，這是因為，剛體式轉動中的任意兩點之間的相對位置不變。
另一種轉動方式是較差式轉動，又叫開普勒轉動，太陽係的九大行星繞太陽作開普勒轉動：離太陽越遠的行星轉動周期越長。離太陽最遠的冥王星轉動一周約需248年，在這麼長的時間裏離太陽最近的水星已轉了近1000圈了。顯然，這類轉動中點與點之間的相對位置會因轉動周期不同而發生變化。
回過頭來再談談我們的話題銀河係的轉動吧。從穩定性來說，以扁平的銀盤為主體的銀河係應該有自轉才能維持其長久的旋渦狀態，所以有自轉是肯定的，問題在於采取什麼樣的自轉方式。如果銀河係是剛體自轉的，那麼我們就看不出其他恒星繞銀心的轉動，因為恒星之間的相對位置因剛體式自轉而無改變；如果銀河係作開普勒式轉動，恒星之間就應有相對運動，統計出恒星的自行就能證實這一猜測。1926年，瑞典的林德布拉德（B.Lindblad）證明了銀河係有繞人馬座方向的銀心普遍自轉；1927年，荷蘭的奧爾特（H.Oert）利用觀測資料推導出著名的銀河係較差的自轉的奧爾特公式。
綜合分析各種觀測資料，得出銀河係核球部分是剛體式的自轉，核球以外就是較差自轉。現在還測得太陽繞銀心的轉速為每秒250千米，又知道它離銀心約3萬光年，就是說它繞銀心轉一圈約需2.5億年。
銀河係的中心
銀河係透鏡狀銀盤的中心微凸部分就是它的核球，呈橢球形狀，長軸4～5萬光年，厚約4萬光年。由於光學觀測受星際消光的影響——銀心及附近方向尤為嚴重，我們得到的關於核球的資料主要來自穿透力強的射電波段、紅外波段觀測，專用衛星上天還獲得了X射線，γ射線觀測資料。
關於銀河係核球裏的恒星是哪個星族的——是老年星還是青年星，尚未取得一致看法，但持“大爆炸”宇宙論觀點的學者認為，既然銀河係也在不斷膨脹，那麼越靠近銀心也許帶著越多的銀河係形成的早期信息，因而研究銀河係核球，也許能解答星係的起源問題。
多種波段的觀測雖還不能得出核球的物理狀態和輻射機製，但已有了大概的了解。
射電探測表明，離銀心3000秒差距處有一個正在膨脹而且旋轉著的氫氣環，它可能是0.3億年前在銀核的一次爆發中被拋射出去的。
在橢圓核球中央的銀核，範圍大約在幾個到幾十個秒差距之間，而且銀核內部可能還有內核，但詳情我們至今仍一無所知。
銀核內有銀河係中最密集的恒星群，還有大量電離氣體、塵埃。通過與仙女座星係的光學觀測資料對比，可估計到，銀核3秒差距範圍內恒星總質量可能達千萬個太陽質量，也就是說恒星密度高出太陽附近千萬倍。而銀核內電離氣體的探測告訴我們，中央物質很密集，可能有300萬個太陽質量。在這麼小的核內存在這麼多的物質，而且核又在繞銀心作剛體式轉動，電離氣體也在高速轉動，這些都表明中央物質不能以恒星這種形式存在，否則將因太密集而導致頻繁的碰撞，以至無法穩定地維持下去。很有可能的是中央有一個大質量黑洞，X射線輻射似乎也認為其中包含著不尋常的天體。
銀盤
銀盤是銀河係的主要組成部分，在銀河係中可探測到的物質中，有九成都在銀盤範圍以內。銀盤外形如薄透鏡，以軸對稱形式分布於銀心周圍，其中心厚度約1萬光年，不過這是微微凸起的核球的厚度，銀盤本身的厚度隻有2000光年，直徑近10萬光年，可見總體上說銀盤非常薄。
除了1000秒差距範圍內的銀核繞銀心作剛體轉動外，銀盤的其他部分都繞銀心作較差轉動，即離銀心越遠轉得越慢。銀盤中的物質主要以恒星形式存在，占銀河係總質量不到10％的星際物質，絕大部分也散布在銀盤內。星際物質中，除含有電離氫、分子氫及多種星際分子外，還有10％的星際塵埃，這些直徑在1微米左右的固態微粒是造成星際消光的主要原因，它們大都集中在銀道麵附近。
由於太陽位於銀盤內，所以我們不容易認識銀盤的起初麵貌。為了探明銀盤的結構，根據本世紀40年代巴德和梅奧爾對旋渦星係M31（仙女座大星雲）旋臂的研究得出旋臂天體的主要類型，進而在銀河係內普查這幾類天體，發現了太陽附近的三段平行臂。由於星際消光作用，光學觀測無法得出銀盤的總體麵貌。有證據表明，旋臂是星際氣體集結的場所，因而對星際氣體的探測就能顯示出旋臂結構，而星際氣體的21厘米射電譜線不受星際塵埃阻擋，幾乎可達整個銀河係。光學與射電觀測結果都表明，銀盤確實具有旋渦結構。
銀河係的磁場
我國古代勞動人民發明的指南針早就證明了地球的磁場，而銀河係廣闊空間的大尺度磁場的探測，則始於20世紀30年代，40年代證實了大尺度磁場的存在，60年代以後能進行可靠的測量。
磁場是物質存在的一種形式，但看不見、摸不著。不過，就像往上跳能感覺到無形的重力場把我們往下拉一樣，也有辦法讓我們感到（即證實）磁場的存在，比如用指南針。對於廣闊的銀河，指南針就派不上用場了，不過，來自銀河係的宇宙線——主要成分是帶電粒子和α粒子的各向同性，對銀河係背景輻射的非熱輻射性質的合理解釋，許多彌漫星雲具有纖維狀結構而且外形呈平行於銀道麵的扁氏形、許多恒星光因為長條形星際塵埃的影響導致隨距離而增大的微小偏振等等，都非常有力地證明了，銀河係存在大尺度的磁場，其方向可能平行於銀道麵。
要比較可靠地測量銀河磁場的大小、方向，僅憑以上證據難以做到；不過，采取以下兩種方法即可實現。
將輻射源產生的偏振輻射，通過平行於輻射方向磁場的星際介質，出來後偏振麵會發生變化，叫法拉第旋轉。轉動的大小正比於磁場強度，因而在測定了前者的情況下就可能推出後者，即平行於輻射方向的星際物質磁場強度。這種方法叫法拉第旋轉法，適用範圍顯而易見是星際物質。
另一種方法利用的是塞曼效應——原子能級在強磁場中的分裂導致譜線發生分裂的現象，這也是測定恒星磁場的最基本方法。如果星際空間有磁場，那麼就能測出其中大量中性氫的21厘米譜線的分裂，由分裂的大小可算出平行於視線方向的中性氫磁場。
用這兩種方法得到的比較可靠的測量結果是：銀河係的磁場平均強度約為1～3×10-6高斯，比由宇宙線、銀河背景射電、星光偏振估計出的1～3×10-5高斯的結果為低，而磁場的方向在旋臂區域可能沿著旋臂方向，其他區域則是紊亂的。
星係的發現
星係是一個宏大的天體係統，它包含了幾十億至幾百億甚至上千億顆恒星及星際氣體和塵埃，空間尺度達到幾億億公裏以上，實在是超級“龐然大物”。然而，人們直到20世紀初才真正發現它們。
在生活中，我們有一個常識，一個物體離我們越近，就可看得越清楚，當物體逐漸遠去，它的像也就逐漸模糊，那是物體對觀察者來說張角逐漸變小的緣故。到一定距離，我們就看不見它了。星係雖然那麼龐大，但它們離地球實在太遠，就拿最近的星係大麥哲侖星雲來說，它離我們16萬光年，光年是光在一年中所走過的路程，光每秒鍾可繞地球7個半圈。計算得出1光年是9萬多億公裏，16萬光年就約是150億億公裏，因此，肉眼看上去，大麥哲侖星雲就是一小片雲霧狀天體。
17世紀，望遠鏡發明了，這種神奇的儀器可使得物體對人眼睛的張角增大，讓人可以看清更遙遠的物體。用望遠鏡來觀測天空，人們又陸續觀測到一些雲霧狀的天體，開始，以為它們都是氣體雲，而且和恒星一樣是銀河係內的天體，並稱之為星雲。
不過也有人對此有不同看法，18世紀，德國的天文學家康德以及英國和瑞典的兩位天文學家都猜測這些所謂星雲是和銀河係一樣由恒星組成的天體係統，隻是因為距離太遠而分辨不出一顆顆的星來。如果把宇宙看作一個浩瀚的海洋，這些天體係統就猶如海中的島嶼，因而被形象地稱為“宇宙島”。
隨著望遠鏡越造越大，人們可以看到這些星雲的更進一步的細節了，正如康德他們所猜測的那樣，星雲在望遠鏡中分離成了一顆顆暗弱的星星。但是問題並沒有完全解決，那就是，它們是銀河係內的恒星集團，還是銀河係之外的天體係統呢？
根本的問題集中到距離上來了，可它們離我們十分遙遠，通常所用的三角視差測距法已經無法測出它們的距離。1917年，美國的天文學家G·W·裏奇在威爾遜山天文台所攝的一個星雲照片中發現了一顆新星，因為新星極其暗弱，他認為星雲應該極其遙遠，是銀河係之外的天體，但是給不出準確距離，無法讓人信服。
怎麼辦呢？難道人們在此困難麵前真是束手無策嗎？正是“山重水複疑無路，柳暗花明又一村”，造父變星周光關係的發現為我們打開了新的途徑，造父變星是一種脈動變星，天文學家發現它的光變周期與絕對光度有確定關係，大體上是接近於成正比的。光變周期越長，它的絕對光度就越大。測出了它的光變周期，就可以算出它的絕對光度，而我們看到星的亮度是與它離我們的距離的平方成反比的，從而由造父變星觀測到的亮度和它的絕對亮度的比值就可以推算出距離來。
1924年，美國的天文學家哈勃用威爾遜山天文台的2.5米大望遠鏡在仙女座星雲，三角座星雲和星雲NGC6822中發現了造父變星，並且由周光關係算出了它們的距離，推出它們是銀河係之外的天體係統，並稱之為河外星係。到這時，星係才算真正發現了。
奇怪的蠍虎座BL天體
1929年用光學望遠鏡在蠍虎座天區發現了一個光度變化不規則的呈恒星狀的暗弱天體，1968年被證認為射電點源VRO42·22·01的光學對應體，這就是蠍虎座BL天體。20世紀70、80年代又發現了100多個類似的天體，人們就把它們統稱為蠍虎座BL天體，或BLLac天體。
BLLac天體的光學像與類星體一樣類似於恒星，並且至今不能分辨它們的細節。它們都發出很強的紅外輻射和射電輻射。並和光學輻射一樣具有無規則的快速變化（光變在幾天或幾月之內成幾倍地變化，甚至成百倍地變化，但射電光變和光學光變似乎相互獨立），同樣具有非熱致譜（即輻射不同於黑體輻射）。其射電譜在厘米波段增強，譜線平甚至倒轉。並且，所有波段都具有較其他活動天體更大的偏振度。在其具有的連續譜中找不到發射線或吸收線。
由BLLac天體光變的時間知道其大小和太陽係尺度相當，但當天文學家設法在它的光譜中得到了一些特征譜線時，發現其紅移在0.05～1.78，這樣再根據哈勃的紅移—距離公式可推算出它們遠離銀河係。現在大部分天文學家認為它們是一些活動星係核。所以這種處於劇烈活動中的微小天體競釋放著相當於整個星係的輻射能量，高達1041焦耳/秒。這甚至比人類在類星體麵前遇到的困難還巨大。
開普勒的定律
說到伽利略為了天上那遙遠的星星竟被判刑受罪。其實在那茫茫星海的探索中，蒙受同樣遭遇的又何止他一個。1601年，在奧地利國的布拉格一座古堡裏正氣息奄奄地躺著一個人，他叫第穀·布拉赫（1564～1601年），丹麥人。14歲那年，第穀正在哥本哈根大學讀書。在這年，天文學家預告8月21日將有日蝕發生，果然那天他看到了這個現象。他感到很奇怪，那些天文學家何以能如此神機妙算，於是決心去觀測天象，究其原因。他從小由伯父收養，老人原想讓他學法律，但是任性的他根本就不聽這些，每晚隻睡幾個小時，其餘時間都在舉目夜空，直到天亮。到17歲時，他已發現了許多書本上記載的行星位置有錯誤，便決心要繪製出一份準確的星表。腓德烈二世把離首都不遠的赫芬島撥給他，建造起一座當時在世界上最先進的天文台供他使用。20年後新王即位，卻逼迫他離開了這座辛苦經營的基地。幸好1599年奧地利國王魯道夫收留了他，並給他在布拉格又重修了一座天文台，他才得以繼續從事自己熱愛的工作。第穀能言善辯，恃強好鬥。年輕時他曾為一個數學問題爭執與人相約決鬥，被對方一劍削掉了鼻子，所以不得不裝上一個金銀合金的假鼻子。別看他鼻子有傷，眼睛卻極好使，20多年來，他觀察各行星的位置誤差不超過0.67度。就是數百年後有了現代儀器的科學家也不能不驚歎他當時觀察的準確。他一生的精力不是花費在觀天上，就是記錄星辰。但現在他卻再也不能爬起來工作了，因此急忙從德國招來一個青年繼承他的事業。這人叫開普勒（1571～1630年），身體瘦弱，眼睛近視又散光，觀天自然很是不合適，但是他卻有一個非常聰明的數學哲學頭腦。第穀就是在1596年看到他出版的《宇宙的奧秘》一書後，才感到他是一個人才。
在這個古堡式的房間裏，地上擺著一個巨大的半圓軌道，軌上有可移動的準尺，對準對麵牆上的洞眼。屋裏擺滿儀器，牆上是三張天體示意圖（托勒密體係、哥白尼體係和第穀體係）。第穀老人費力地睜開眼睛，對守護在他身邊的開普勒說：“我這一輩子沒有別的企求，就是想觀察記錄一千顆星，但是現在看來已不可能了，我一共才記錄了750顆。這些資料就全都留給你吧，你要將它編成一張星表，以供後人使用。為了感謝支持過我們的國王，這星表就以他的名字，尊敬的魯道夫來命名吧。”第穀一邊說著喘了口氣，又看著周圍那陪伴了他一生的儀器，還有牆上的圖表，又招了招手，讓開普勒更湊近些：“不過你得答應我一件事，你看，這一百多年來人們對天體眾說紛紜，各有體係。我知道你也有你的體係，這個我都不管，但是你在編製星表和著書時，必須按照我的體係。”開普勒心中突然像被什麼東西敲擊了一下，但他還是含著眼淚答應了這個垂危老人的請求。老人又微微轉過頭對守在床邊的女婿滕格納爾說：“我的遺產由你來處理，那些資料，你就全交給他吧。”說完便溘然長逝，屋裏一片靜默。開普勒用手擦掉掛在腮邊的淚水。他從外地艱苦跋涉來拜見這位天文學偉人，才剛剛一年，卻想不到老師便辭他而去，這時騰格納爾卻突然轉身在那個大資料箱上“卡嚓”一聲上了一把鎖，便走出門外。
第穀一死，開普勒本應實現自己許下的諾言，著手《星表》的編製出版，但是由於連年的戰爭，加之滕格納爾又爭名奪利，不肯交出全部資料，所以開普勒隻好暫停《星表》的編著，轉向了火星的研究。
無論是托勒密還是哥白尼，盡管體係不同，但都認為星球是作著圓周運動的。起初開普勒自然也是這樣假設的。他將第穀留下的關於火星的資料，用圓周軌道來計算，直算得頭昏眼花，心慌神躁，但是連算了幾個月還是毫無結果。這天他的夫人走進房間，看到這些畫滿大小圓圈的紙片，氣得上去一把抓過，揉作一團，指著他的鼻子直嚷：“你自己不準備過日子了，可是還有我們母女。自從跟上你就沒過上一天舒心的日子，你每天晚上看星星，白天趴案頭，我窮得隻剩下最後一條裙子了，你還在夢想你的天體，我早就說過，不要到布拉格來尋找這個老頭子。他這一死給你留下這個亂攤子，錢沒有錢，人沒有人，看你怎麼收拾。”說著便嗚咽咽地抹起淚來。開普勒是個天性柔弱之人，很少與人吵嘴，而且他也自覺對不住妻子。這女人本是個富有的寡婦，開普勒娶她是為能得點財產來補助研究的，不想分文沒有得到，反倒拖得她也成了貧家婦女。開普勒看了看桌上牆上那亂七八糟的樣子，無可奈何地唉歎了一聲。開普勒有一個好習慣：他常常及時將自己的研究進展、喜悅、苦惱記錄下來。這些可貴的記錄給我們留下了追溯它思路的線索、成了科學史上難得的第一手資料。他提筆寫起來：“我預備征服馬爾斯（指火星），把它俘虜到我的星表中來，我已為它準備了枷鎖。但是我忽然感到毫無把握。這個星空中狡黠的家夥出乎意料地扯斷了我給它戴上的用方程式連成的枷鎖，從星表的囚籠中衝出來，逃往自由的宇宙空間去了。”