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天文大发现12008年08月30日 星期六 下午 08:10 
银河系在转动
银河系转动吗？为了回答这个问题，先让我们来看看两种不同的转动方式。
一种是非常常见的所谓刚体式转动，像车轮、轴承、儿童乐园里的转盘车的转动都属于这种形式。刚体式转动的特点，是任何一点绕转动轴一圈所花的时间与其他点相同，因而离转动轴越远处转动的线速度（以“米/秒”为标准单位的速度）越大，它走的路程长于离转动轴近的地方在相同时间所走的路程。请你想象一下，你和另外两个人站在大转盘的任意三个位置上不动，那么当转盘分别以快速、慢速转动时，你看另外两个人和你距离变了吗？方位差变了吗？显然都没变，这是因为，刚体式转动中的任意两点之间的相对位置不变。
另一种转动方式是较差式转动，又叫开普勒转动，太阳系的九大行星绕太阳作开普勒转动：离太阳越远的行星转动周期越长。离太阳最远的冥王星转动一周约需248年，在这么长的时间里离太阳最近的水星已转了近 1000圈了。显然，这类转动中点与点之间的相对位置会因转动周期不同而发生变化。
回过头来再谈谈我们的话题银河系的转动吧。从稳定性来说，以扁平的银盘为主体的银河系应该有自转才能维持其长久的旋涡状态，所以有自转是肯定的，问题在于采取什么样的自转方式。如果银河系是刚体自转的，那么我们就看不出其他恒星绕银心的转动，因为恒星之间的相对位置因刚体式自转而无改变；如果银河系作开普勒式转动，恒星之间就应有相对运动，统计出恒星的自行就能证实这一猜测。1926年，瑞典的林德布拉德（B.Lindblad）
证明了银河系有绕人马座方向的银心普遍自转；1927年，荷兰的奥尔特
（H.Oert）利用观测资料推导出著名的银河系较差的自转的奥尔特公式。
综合分析各种观测资料，得出银河系核球部分是刚体式的自转，核球以外就是较差自转。现在还测得太阳绕银心的转速为每秒250千米，又知道它离银心约3万光年，就是说它绕银心转一圈约需2.5亿年。
银河系的中心
银河系透镜状银盘的中心微凸部分就是它的核球，呈椭球形状，长轴4～5万光年，厚约4万光年。由于光学观测受星际消光的影响——银心及附近方向尤为严重，我们得到的关于核球的资料主要来自穿透力强的射电波段、红外波段观测，专用卫星上天还获得了X射线，γ射线观测资料。
关于银河系核球里的恒星是哪个星族的——是老年星还是青年星，尚未取得一致看法，但持“大爆炸”宇宙论观点的学者认为，既然银河系也在不断膨胀，那么越靠近银心也许带着越多的银河系形成的早期信息，因而研究银河系核球，也许能解答星系的起源问题。
多种波段的观测虽还不能得出核球的物理状态和辐射机制，但已有了大概的了解。
射电探测表明，离银心 3000秒差距处有一个正在膨胀而且旋转着的氢气环，它可能是0.3亿年前在银核的一次爆发中被抛射出去的。
在椭圆核球中央的银核，范围大约在几个到几十个秒差距之间，而且银核内部可能还有内核，但详情我们至今仍一无所知。
银核内有银河系中最密集的恒星群，还有大量电离气体、尘埃。通过与仙女座星系的光学观测资料对比，可估计到，银核3秒差距范围内恒星总质量可能达千万个太阳质量，也就是说恒星密度高出太阳附近千万倍。而银核内电离气体的探测告诉我们，中央物质很密集，可能有300 万个太阳质量。
在这么小的核内存在这么多的物质，而且核又在绕银心作刚体式转动，电离气体也在高速转动，这些都表明中央物质不能以恒星这种形式存在，否则将因太密集而导致频繁的碰撞，以至无法稳定地维持下去。很有可能的是中央有一个大质量黑洞，X射线辐射似乎也认为其中包含着不寻常的天体。
银盘
银盘是银河系的主要组成部分，在银河系中可探测到的物质中，有九成都在银盘范围以内。银盘外形如薄透镜，以轴对称形式分布于银心周围，其中心厚度约1万光年，不过这是微微凸起的核球的厚度，银盘本身的厚度只有2000光年，直径近10万光年，可见总体上说银盘非常薄。
除了1000秒差距范围内的银核绕银心作刚体转动外，银盘的其他部分都绕银心作较差转动，即离银心越远转得越慢。银盘中的物质主要以恒星形式存在，占银河系总质量不到10％的星际物质，绝大部分也散布在银盘内。星际物质中，除含有电离氢、分子氢及多种星际分子外，还有10％的星际尘埃，这些直径在1微米左右的固态微粒是造成星际消光的主要原因，它们大都集中在银道面附近。
由于太阳位于银盘内，所以我们不容易认识银盘的起初面貌。为了探明银盘的结构，根据本世纪40年代巴德和梅奥尔对旋涡星系M31（仙女座大星云）旋臂的研究得出旋臂天体的主要类型，进而在银河系内普查这几类天体，发现了太阳附近的三段平行臂。由于星际消光作用，光学观测无法得出银盘的总体面貌。有证据表明，旋臂是星际气体集结的场所，因而对星际气体的探测就能显示出旋臂结构，而星际气体的 21厘米射电谱线不受星际尘埃阻挡，几乎可达整个银河系。光学与射电观测结果都表明，银盘确实具有旋涡结构。
银河系的磁场
我国古代劳动人民发明的指南针早就证明了地球的磁场，而银河系广阔空间的大尺度磁场的探测，则始于20世纪30年代，40年代证实了大尺度磁场的存在，60年代以后能进行可靠的测量。
磁场是物质存在的一种形式，但看不见、摸不着。不过，就像往上跳能感觉到无形的重力场把我们往下拉一样，也有办法让我们感到（即证实）磁场的存在，比如用指南针。对于广阔的银河，指南针就派不上用场了，不过，来自银河系的宇宙线——主要成分是带电粒子和α粒子的各向同性，对银河系背景辐射的非热辐射性质的合理解释，许多弥漫星云具有纤维状结构而且外形呈平行于银道面的扁氏形、许多恒星光因为长条形星际尘埃的影响导致随距离而增大的微小偏振等等，都非常有力地证明了，银河系存在大尺度的磁场，其方向可能平行于银道面。
要比较可靠地测量银河磁场的大小、方向，仅凭以上证据难以做到；不过，采取以下两种方法即可实现。
将辐射源产生的偏振辐射，通过平行于辐射方向磁场的星际介质，出来后偏振面会发生变化，叫法拉第旋转。转动的大小正比于磁场强度，因而在测定了前者的情况下就可能推出后者，即平行于辐射方向的星际物质磁场强度。这种方法叫法拉第旋转法，适用范围显而易见是星际物质。
另一种方法利用的是塞曼效应——原子能级在强磁场中的分裂导致谱线发生分裂的现象，这也是测定恒星磁场的最基本方法。如果星际空间有磁场，那么就能测出其中大量中性氢的21厘米谱线的分裂，由分裂的大小可算出平行于视线方向的中性氢磁场。
用这两种方法得到的比较可靠的测量结果是：银河系的磁场平均强度约
-6为 1～3×10高斯，比由宇宙线、银河背景射电、星光偏振估计出的 1～3
-5×10高斯的结果为低，而磁场的方向在旋臂区域可能沿着旋臂方向，其他区域则是紊乱的。
星系的发现
星系是一个宏大的天体系统，它包含了几十亿至几百亿甚至上千亿颗恒星及星际气体和尘埃，空间尺度达到几亿亿公里以上，实在是超级“庞然大物”。然而，人们直到20世纪初才真正发现它们。
在生活中，我们有一个常识，一个物体离我们越近，就可看得越清楚，当物体逐渐远去，它的像也就逐渐模糊，那是物体对观察者来说张角逐渐变小的缘故。到一定距离，我们就看不见它了。星系虽然那么庞大，但它们离地球实在太远，就拿最近的星系大麦哲仑星云来说，它离我们 16万光年，光年是光在一年中所走过的路程，光每秒钟可绕地球7个半圈。计算得出1光年是9万多亿公里，16万光年就约是150亿亿公里，因此，肉眼看上去，大麦哲仑星云就是一小片云雾状天体。
17世纪，望远镜发明了，这种神奇的仪器可使得物体对人眼睛的张角增大，让人可以看清更遥远的物体。用望远镜来观测天空，人们又陆续观测到一些云雾状的天体，开始，以为它们都是气体云，而且和恒星一样是银河系内的天体，并称之为星云。
不过也有人对此有不同看法，18世纪，德国的天文学家康德以及英国和瑞典的两位天文学家都猜测这些所谓星云是和银河系一样由恒星组成的天体系统，只是因为距离太远而分辨不出一颗颗的星来。如果把宇宙看作一个浩瀚的海洋，这些天体系统就犹如海中的岛屿，因而被形象地称为“宇宙岛”。
随着望远镜越造越大，人们可以看到这些星云的更进一步的细节了，正如康德他们所猜测的那样，星云在望远镜中分离成了一颗颗暗弱的星星。但是问题并没有完全解决，那就是，它们是银河系内的恒星集团，还是银河系之外的天体系统呢？
根本的问题集中到距离上来了，可它们离我们十分遥远，通常所用的三角视差测距法已经无法测出它们的距离。 1917年，美国的天文学家G•W•里奇在威尔逊山天文台所摄的一个星云照片中发现了一颗新星，因为新星极其暗弱，他认为星云应该极其遥远，是银河系之外的天体，但是给不出准确距离，无法让人信服。
怎么办呢？难道人们在此困难面前真是束手无策吗？正是“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”，造父变星周光关系的发现为我们打开了新的途径，造父变星是一种脉动变星，天文学家发现它的光变周期与绝对光度有确定关系，大体上是接近于成正比的。光变周期越长，它的绝对光度就越大。测出了它的光变周期，就可以算出它的绝对光度，而我们看到星的亮度是与它离我们的距离的平方成反比的，从而由造父变星观测到的亮度和它的绝对亮度的比值就可以推算出距离来。
1924年，美国的天文学家哈勃用威尔逊山天文台的2.5米大望远镜在仙女座星云，三角座星云和星云NGC6822中发现了造父变星，并且由周光关系算出了它们的距离，推出它们是银河系之外的天体系统，并称之为河外星系。
到这时，星系才算真正发现了。
奇怪的蝎虎座BL天体
1929年用光学望远镜在蝎虎座天区发现了一个光度变化不规则的呈恒星状的暗弱天体，1968年被证认为射电点源VRO42•22•01的光学对应体，这就是蝎虎座BL天体。20世纪70、80年代又发现了100多个类似的天体，人们就把它们统称为蝎虎座BL天体，或BL Lac天体。
BL Lac天体的光学像与类星体一样类似于恒星，并且至今不能分辨它们的细节。它们都发出很强的红外辐射和射电辐射。并和光学辐射一样具有无规则的快速变化（光变在几天或几月之内成几倍地变化，甚至成百倍地变化，但射电光变和光学光变似乎相互独立），同样具有非热致谱（即辐射不同于黑体辐射）。其射电谱在厘米波段增强，谱线平甚至倒转。并且，所有波段都具有较其他活动天体更大的偏振度。在其具有的连续谱中找不到发射线或吸收线。
由BL Lac天体光变的时间知道其大小和太阳系尺度相当，但当天文学家设法在它的光谱中得到了一些特征谱线时，发现其红移在0.05～1.78，这样再根据哈勃的红移—距离公式可推算出它们远离银河系。现在大部分天文学家认为它们是一些活动星系核。所以这种处于剧烈活动中的微小天体竞释放
41着相当于整个星系的辐射能量，高达 10焦耳/秒。这甚至比人类在类星体面前遇到的困难还巨大。
开普勒的定律
说到伽利略为了天上那遥远的星星竟被判刑受罪。其实在那茫茫星海的探索中，蒙受同样遭遇的又何止他一个。 1601年，在奥地利国的布拉格一座古堡里正气息奄奄地躺着一个人，他叫第谷•布拉赫（1564～1601年），丹麦人。14岁那年，第谷正在哥本哈根大学读书。在这年，天文学家预告8月21日将有日蚀发生，果然那天他看到了这个现象。他感到很奇怪，那些天文学家何以能如此神机妙算，于是决心去观测天象，究其原因。他从小由伯父收养，老人原想让他学法律，但是任性的他根本就不听这些，每晚只睡几个小时，其余时间都在举目夜空，直到天亮。到17岁时，他已发现了许多书本上记载的行星位置有错误，便决心要绘制出一份准确的星表。腓德烈二世把离首都不远的赫芬岛拨给他，建造起一座当时在世界上最先进的天文台供他使用。20年后新王即位，却逼迫他离开了这座辛苦经营的基地。幸好 1599年奥地利国王鲁道夫收留了他，并给他在布拉格又重修了一座天文台，他才得以继续从事自己热爱的工作。第谷能言善辩，恃强好斗。年轻时他曾为一个数学问题争执与人相约决斗，被对方一剑削掉了鼻子，所以不得不装上一个金银合金的假鼻子。别看他鼻子有伤，眼睛却极好使，20多年来，他观察各行星的位置误差不超过0.67度。就是数百年后有了现代仪器的科学家也不能不惊叹他当时观察的准确。他一生的精力不是花费在观天上，就是记录星辰。但现在他却再也不能爬起来工作了，因此急忙从德国招来一个青年继承他的事业。这人叫开普勒（1571～1630年），身体瘦弱，眼睛近视又散光，观天自然很是不合适，但是他却有一个非常聪明的数学哲学头脑。第谷就是在1596年看到他出版的《宇宙的奥秘》一书后，才感到他是一个人才。
在这个古堡式的房间里，地上摆着一个巨大的半圆轨道，轨上有可移动的准尺，对准对面墙上的洞眼。屋里摆满仪器，墙上是三张天体示意图（托勒密体系、哥白尼体系和第谷体系）。第谷老人费力地睁开眼睛，对守护在他身边的开普勒说：“我这一辈子没有别的企求，就是想观察记录一千颗星，但是现在看来已不可能了，我一共才记录了750颗。这些资料就全都留给你吧，你要将它编成一张星表，以供后人使用。为了感谢支持过我们的国王，这星表就以他的名字，尊敬的鲁道夫来命名吧。”第谷一边说着喘了口气，又看着周围那陪伴了他一生的仪器，还有墙上的图表，又招了招手，让开普勒更凑近些：“不过你得答应我一件事，你看，这一百多年来人们对天体众说纷纭，各有体系。我知道你也有你的体系，这个我都不管，但是你在编制星表和著书时，必须按照我的体系。”开普勒心中突然像被什么东西敲击了一下，但他还是含着眼泪答应了这个垂危老人的请求。老人又微微转过头对守在床边的女婿滕格纳尔说：“我的遗产由你来处理，那些资料，你就全交给他吧。”说完便溘然长逝，屋里一片静默。开普勒用手擦掉挂在腮边的泪水。他从外地艰苦跋涉来拜见这位天文学伟人，才刚刚一年，却想不到老师便辞他而去，这时腾格纳尔却突然转身在那个大资料箱上“卡嚓”一声上了一把锁，便走出门外。
第谷一死，开普勒本应实现自己许下的诺言，着手《星表》的编制出版，但是由于连年的战争，加之滕格纳尔又争名夺利，不肯交出全部资料，所以开普勒只好暂停《星表》的编著，转向了火星的研究。
无论是托勒密还是哥白尼，尽管体系不同，但都认为星球是作着圆周运动的。起初开普勒自然也是这样假设的。他将第谷留下的关于火星的资料，用圆周轨道来计算，直算得头昏眼花，心慌神躁，但是连算了几个月还是毫无结果。这天他的夫人走进房间，看到这些画满大小圆圈的纸片，气得上去一把抓过，揉作一团，指着他的鼻子直嚷：“你自己不准备过日子了，可是还有我们母女。自从跟上你就没过上一天舒心的日子，你每天晚上看星星，白天趴案头，我穷得只剩下最后一条裙子了，你还在梦想你的天体，我早就说过，不要到布拉格来寻找这个老头子。他这一死给你留下这个乱摊子，钱没有钱，人没有人，看你怎么收拾。”说着便呜咽咽地抹起泪来。开普勒是个天性柔弱之人，很少与人吵嘴，而且他也自觉对不住妻子。这女人本是个富有的寡妇，开普勒娶她是为能得点财产来补助研究的，不想分文没有得到，反倒拖得她也成了贫家妇女。开普勒看了看桌上墙上那乱七八糟的样子，无可奈何地唉叹了一声。开普勒有一个好习惯：他常常及时将自己的研究进展、喜悦、苦恼记录下来。这些可贵的记录给我们留下了追溯它思路的线索、成了科学史上难得的第一手资料。他提笔写起来：“ 我预备征服马尔斯（指火星），把它俘虏到我的星表中来，我已为它准备了枷锁。但是我忽然感到毫无把握。这个星空中狡黠的家伙出乎意料地扯断了我给它戴上的用方程式连成的枷锁，从星表的囚笼中冲出来，逃往自由的宇宙空间去了。”
却说，火星越是从开普勒的圆圈里溜掉，开普勒就越是不厌其烦地寻找新的圆圈。这天布拉格来了一位老头子，叫马斯特林，是开普勒的恩师、挚友。当年开普勒在图宾根神学院临毕业时，正是这位数学教师保举他到格拉茨去教数学，使他从此离开神学步入了科学领域。多年来他们一直保持着通信，一起探讨天文、数学、物理。这次他远道而来，见到开普勒屋子里这许多乱七八糟的圆圈，便奇怪地问他：“朋友，我不知道你这些年到底在干什么？”
“我想弄清行星的轨道。”
“这个问题从托勒密到第谷，不是都毫无疑问了吗？”
“不对，现在的轨道和第谷的数据还有8分之差。”
马斯特林摸着一头白发不禁失声叫了起来：“哎呀，8分，这是多么小的一点啊。它只不过相当于钟盘上秒针在 0.02秒的瞬间走过的一点角度。我的朋友，你面前是浩渺无穷的宇宙啊，难道连这一点误差也要引起愁思？难道你就不怀疑第谷会记错吗？”开普勒虽然神色疲倦，但是口气却十分坚决地说：“是的。我已经查遍第谷关于火星的资料，他二十多年如一日的观察数据完全一致——火星轨道与圆周运动有8分之差。感谢上帝给了我这样一位精通的观测者。这8分决不敢忽视，我决心从这里打开缺口，改革以往所有的体系。”
“既然第谷的那许多观测都是对的，为什么他自己没有对行星轨道提出怀疑？”
“老师，我对第谷的尊敬决不亚于对您。请恕我直言一句：第谷是个富翁，但是他不懂得怎样来正确地使用这些财富。”
老师不说话了，他想，几年不见，开普勒变得固执狂妄起来了。
妻子的反对，老师和朋友们的反对，周围人的不理解，并没有使开普勒动摇。他没有像第谷那样决心要研究一千个星星，但他却相信规律只有一个，便紧紧盯住了一个火星，解剖现象，探求其规律。他不仅是一个天文工作者，而且也是一个热爱数学，又教过多年数学的人。他要用几何学来帮天文学的忙了。开普勒从那许多圆圈里找到了蛛丝马迹。古希腊的阿基米德就知道世界上不只是有一个圆，还有更复杂的圆锥曲线。开普勒终于发现，火星的轨道不是圆，而是椭圆。他用这副笼头去套那匹火星烈马，终于就范了。第谷的数据天衣无缝。这件天文史上划时代的大事出现在公元1605年。这个发现就是后来称之为开普勒第二定律的椭圆定律。这之后，他还发现了第一定律：行星绕太阳作圆周运动在一定时间内扫过的面积相等，即等面积定律。
为什么一个看来简单的题目却拖了千百年后才由开普勒揭晓呢？尊敬的读者，大家知道。圆有一个圆心，椭圆却有两个焦点。椭圆度到底有多大全
c靠两个焦点距离（焦距）与椭圆的长直径（长径）来决定。即e = ，可以
a看出，当两个焦点越来越近，直到重合时，c=0，因此e=0，椭圆就是圆。所以圆实际上是椭圆的一种特殊形式。但是，茫茫宇宙中，行星绕太阳转的那个无形的圈e值是很小的，所以，以往的天文学家都把行星轨道当做圆来看待。这个定律的发现首先要感谢第谷那二十多年来精确的观测，以及开普勒精心的计算。更幸运的是，他又正好选中火星这个典型来解剖，而火星恰是太阳系中椭圆度最大的星，这个天机终于被他识破了。
开普勒发现了火星的椭圆轨道后，真是高兴得如癫如狂。他立即写信给他的恩师、老友马斯特林。不想马斯特林对他这一新发现置之不理，而欧洲其他有名的天文学家对他更是公开的嘲笑。这让他想起一个人来，就是意大利的伽利略。在伽利略最困难的时候，开普勒曾写信支持他说：“伽利略，鼓起勇气，站出来！我估计，欧洲重要的数学家中只有少数几个会反对我们。
真理的力量无比强大。”而伽利略对他却反应很冷淡，甚至连信也不回一封，连他一再想要一架伽利略新发明的望远镜也没有得到。而这同时，伽利略却写信给科斯摩公爵，把他捧为太阳，愿去做他的宫廷数学家。后人猜测，伽利略可能是忌妒他的发现。反正，伽利略的这种沉默成了科学史上的一个谜。
开普勒兴冲冲地取得这一发现，之后又冷冰冰地碰了这许多次钉子，此后便闭门不出，一人写起书来。过了些日子，一本记录着他的伟大发现的《新天文学》便完稿了。这天他将手稿装订好，放在案头，像打了一个胜仗一样高兴。虽然家境日趋贫寒，他还是连呼妻子预备一点酒菜，要自我庆祝一番。
妻子见他这样，脸上也泛出一点笑意。正当全家人难得高兴一会儿时，突然有人“砰砰砰”叩了三下门。开普勒连忙起身开门，门还未完全打开，他倒暗自叫起苦来，刚才他脸上的那点喜气霎时也跑得无踪无影了。来人也不与主人寒暄，进门走到桌旁就大声喊道：“开普勒，你好大胆子，不经过我的同意，你就敢偷偷出书？”
来人正是第谷的女婿滕格纳尔。他拿出当年第谷临终时的话来要挟开普勒，并以第谷遗产继承人的身份提出：要出书可以，但得署上他的大名。开普勒气得半天说不出话来。他曾答应过第谷，以后写书用老师的观点。可是他现在的认识已比老师进步了许多，怎么能再后退回去？直到 1609年夏天，双方互相作出让步，答应可以让滕格纳尔写一篇文章放在书的正文前面，这本书才算出版。在这篇文章里，这个滕格纳尔对开普勒的新体系进行了一番攻击，大喊开普勒对他岳父如何背叛。但是不管怎样，书总算出了，作为现代天文学奠基石的开普勒第一、第二定律也总算得以正式问世。
开普勒在研究火星轨道问题时，心中无时不在惦念着第谷托付的《鲁道夫星行表》。然而，整个国家政局不稳，宗教斗争严重，炮火连天，哀鸿遍野。开普勒被迫离开首都布拉格，居住在多瑙河边的一个叫林茨的小城里，任数学教师。
这天早晨，他依桌傍窗而坐，望着窗外多瑙河面上粼粼水波，不觉犯起了愁思，近来他有说不出的烦躁和凄凉。他这个数学家已名存实亡。他想起1611年——那个最使他辛酸的年头。这年2月29日，他最心爱的小女儿夭折；3月24日，政变部队拥进首都，他的靠山鲁道夫皇帝也不久身亡了；7月8日，他的夫人去世……而新皇帝不喜欢他，他只好离开首都来到这个小地方。家破人亡，靠山倒台了，他的境遇更是十分艰难。恩人鲁道夫死了，但以他的名字命名的《星表》还未编成。他本想隐居此地埋头整理《星表》，但是在1618年开始了一场“三十年战争”。他的薪水总是一再欠拖。他穷得连一个助手也雇不起。现在第谷的那些资料，倒是都已在他的手中，那个总是喜欢捣乱的滕格纳尔也家境败落了，自顾不暇，不再找他纠缠……他这样对着多瑙河想了一番心事，叹了几口气，也无可奈何，于是又提起笔，对着第谷留下的那一堆数字去动脑子。
行星是在作着椭圆运动，但是它们绕太阳一周到底要多少时间，为什么有的快，有的慢呢？这茫茫宇宙是无法丈量的。聪明的开普勒却想出了一个妙法，它将人们最熟悉的地球到太阳间的距离R定为1，而地球绕太阳的公转周期T是1年，以此为标准，这样再换算出其他行星的周期的距离，便得到这么几组数字：
行星 T R 行星 T R
水星 0.2410.387火星 1.8811.542
金星 0.6150.723木星 11.8625.203
地球 1.0001.000土星 29.4579.539
它们之间到底有什么联系？开普勒看来看去，这些数字四散在桌子上，它们之间就像多瑙河里的鱼，桌上的蜡与天花板上的尘土一般，看不出有一点的联系。但是开普勒坚信宇宙是一个和谐的整体。他和数学家毕达哥拉斯一样，认为世间一切物体都有一定的和谐的数量关系。于是他将这一堆数字互加、互减、互乘、互降、自乘、自除，翻来倒去，想看看能否发现它们之间的规律。这样变了一阵“魔方”，但终究还是乱麻一团。
大约过了有很长一段这样的日子，他就这样一直在乱麻堆里寻求和谐。
现在出入书房送茶倒水侍候他的，自然已不是先前那位跟着他吃尽苦头的贵族出身的夫人了，而是一位年龄与他相差甚大的少妇。
一天早晨，太阳照进了书房，一夜没有离开桌子的开普勒正把头埋在稿纸堆里，夫人轻轻走了进来，先吹灭桌上的蜡，又伸手去推窗户。突然开普勒霍地从椅子上弹了起来，一把拉住夫人：“啊，亲爱的，我找见了，我发现了，感谢上帝将你赐给我，我们是这样的和谐，宇宙是这样的和谐。”他说着甩开夫人，自己上去一把推开窗户，多瑙河上带有雾气的凉风吹了进来，拂动他蓬乱的头发。妻子以为他累疯了，忙喊“开普勒，亲爱的，你怎么了？”
开普勒什么也不说，忙将一张纸片递给妻子，这张纸上是这样几行数字：
2 3
行星 T R T R
水星 0.2410.3870.0580.058
金星 0.6150.7320.3780.378
地球 1.0001.0001.0001.000
火星 1.8811.5243.543.54
木星 11.8625.203140.7140.7
土星 29.4579.539867.7867.7
妻子自然不懂这些数字。但是现在我们却可以看出最后两列数字一模一样。开普勒做了无数次的加减乘除之后，终于碰着了天体上的一个电钮，漆黑的宇宙在他的眼前忽然大放光彩。原来行星绕太阳运转时，其运转周期的
2 3平方等于它与太阳间平均距离的立方：T=R。这就是后来人们称的“开普勒第三定律”。这是一个天文史上极伟大的发现，开普勒的“和谐”思想找到了根据，这说明太阳与其他行星决不是一群乌合之众，而是一个极严密的系统——太阳系。
开普勒的妻子将这张纸片拿在手里正不知何意，却见开普勒不言不语，又伏在案头，奋笔写起他的笔记来：
“……这正是我十六年以前就强烈希望探求的东西。我就是为这个目的而同第谷合作……现在我终于揭示出了它的真相，认识到这一真理，这已超出我的最美好的期望。大事告成，书已写出，可能当代就会有人读它，也可能要到后世才有人读它，甚至可能要等一个世纪才有读者，就像上帝等了六千年才有信奉者一样，这我就管不着了。”
开普勒将他的“第三定律”等成果写成一本书《宇宙之和谐》于1619年出版。开普勒发现的这三条定律可真是非同小可，它使那杂乱的宇宙星空顿时在人们眼里显得井井有序，开普勒在后来也被人们誉为天空的立法者。
已知的特殊星系
按照当今世界上最为流行的哈勃星系分类系统，星系被分为椭圆星系、旋涡星系和不规则星系三种类型。然而，目前已经被发现的星系中，还有一些不能简单地归入哈勃系统中的另一类，有的星系还具有一般星系所没有的特殊性质，我们将它们统称为特殊星系。
到目前为止，天文学家已经发现了许许多多的特殊星系并按照这些星系的性质把它们分为不同的类型。目前已知的特殊星系主要有：类星体、塞佛特星系、N型星系、射电星系、马卡良星系、致密星系、蝎虎座BL型天体、有多重核的星系及有环的星系等。这些星系的命名，有的是根据历史情况，有的是根据星系特性，有的是根据发现者的名字而来的。这些星系之间有重叠交错的情况。例如，马卡良星系中至少有10％可归入塞佛特星系，N 型星系中许多又是射电星系。这些特殊星系的特殊性质主要是由于星系核的活动或者是主伴星系之间的相互扰动所造成的。
特殊星系一般有一个很亮的致密核，有的还有伴星系。绝大多数特殊星系都有核区爆发遗留下来的痕迹。星系核周区域往往可观测到高速非圆周运动的天体。特殊星系辐射的能量的大部分是非热能的。下面我们着重介绍一下几类重要的特殊星系。
射电星系：一般正常的星系都发射射电波，但我们一般将那些具有强射电发射能力的星系称为射电星系。这类星系的射电功率比正常星系强 100到
37 4710万倍，即达 10～10尔格/秒。有些星系所产生的射电能量甚至超过了它们所产生的可见光能量。
射电星系的形态结构多种多样。最主要的几种形态结构是：致密型、核晕结构、延展的双瓣结构、复杂源结构及头尾结构。这些星系的形态结构均可从名字的字面理解。射电星系中大多数可归入椭圆星系一类，不规则星系很少，它们往往是星系团中最亮的成员星系。
首先被发现的射电星系是天鹅座A。到目前为止，已经测定了数千个其他射电星系的位置，其中最主要的有室女座射电星系M87及半人马座A等。
塞佛特星系，这类星系因被美国天文学家塞佛特于1943年发现而得名。
这类星系都有一个明亮的恒星状核，核的周围有朦胧的旋涡结构、核区是激烈活动区。塞佛特星系的光谱中有很强的发射线，这些发射线通常是在一般星系光谱中看不到的。有些塞佛特星系的可视光度以长达数月的周期发生着变化；某些塞佛特星系发射着巨大的红外辐射；有的还是强大的X射线源。
尽管塞佛特星系的体积比一般星系要小得多，质量也小，但是它们以各种波长辐射的能量是大多数星系的100倍。
塞佛特星系大都是漩涡星系，这类星系占漩涡星系的1～2％。因此，许多天文学家认为，塞佛特星系实际上不是特殊星系，它们只是漩涡星系演化所经历的一个阶段。至于何种理论正确，目前尚难定论。
N型星系，这种类型的星系由摩根在50年代所发现。这类星系的主要特征是有一个恒星状亮核以及比较致密的暗弱星云包层。星系的辐射大部分由核提供，表明核区是强活动区。有些N型星系的周围可以看到旋臂。这类星系有的是射电星系，光谱同塞佛特星系相似，只是发射线较窄，核的宽度有变化。
马卡良星系，这类星系是因前苏联天文学家马卡良发现而得名。马卡良星系是具有反常强紫外连续谱的特殊星系。这类星系主要有两种类型。第一类为亮核型，即核是紫外源，这类星系占所有马卡良星系中的2/3，它们大多也是塞佛特星。另一类为弥漫型，紫外连续源分散在整个星系中，这类星系的较暗者多为不规则星系。最近发现马卡良星系多为密近而有相互作用的双重星系。
特殊星系中的蝎虎座BL天体及类星体是非常重要的天体，由于我们在别的篇幅中对它们已有详细的介绍，这里就不再多说了。
特殊星系按光度构成一个能量序列，类星体最大、正常星系比它们都小。
这表明这些活动现象与类星体有某种联系。而类星体似乎是性质多样的天体集合。因此，研究特殊星系，对探讨星系的起源和演化具有重要意义。
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银河系在转动银河系转动吗？为了回答这个问题，先让我们来看看两种不同的转动方式。
一种是非常常见的所谓刚体式转动，像车轮、轴承、儿童乐园里的转盘车的转动都属于这种形式。刚体式转动的特点，是任何一点绕转动轴一圈所花的时间与其他点相同，因而离转动轴越远处转动的线速度（以“米/秒”为标准单位的速度）越大，它走的路程长于离转动轴近的地方在相同时间所走的路程。请你想象一下，你和另外两个人站在大转盘的任意三个位置上不动，那么当转盘分别以快速、慢速转动时，你看另外两个人和你距离变了吗？方位差变了吗？显然都没变，这是因为，刚体式转动中的任意两点之间的相对位置不变。
另一种转动方式是较差式转动，又叫开普勒转动，太阳系的九大行星绕太阳作开普勒转动：离太阳越远的行星转动周期越长。离太阳最远的冥王星转动一周约需248年，在这么长的时间里离太阳最近的水星已转了近 1000圈了。显然，这类转动中点与点之间的相对位置会因转动周期不同而发生变化。
回过头来再谈谈我们的话题银河系的转动吧。从稳定性来说，以扁平的银盘为主体的银河系应该有自转才能维持其长久的旋涡状态，所以有自转是肯定的，问题在于采取什么样的自转方式。如果银河系是刚体自转的，那么我们就看不出其他恒星绕银心的转动，因为恒星之间的相对位置因刚体式自转而无改变；如果银河系作开普勒式转动，恒星之间就应有相对运动，统计出恒星的自行就能证实这一猜测。1926年，瑞典的林德布拉德（B.Lindblad）
证明了银河系有绕人马座方向的银心普遍自转；1927年，荷兰的奥尔特
（H.Oert）利用观测资料推导出著名的银河系较差的自转的奥尔特公式。
综合分析各种观测资料，得出银河系核球部分是刚体式的自转，核球以外就是较差自转。现在还测得太阳绕银心的转速为每秒250千米，又知道它离银心约3万光年，就是说它绕银心转一圈约需2.5亿年。
银河系的中心
银河系透镜状银盘的中心微凸部分就是它的核球，呈椭球形状，长轴4～5万光年，厚约4万光年。由于光学观测受星际消光的影响——银心及附近方向尤为严重，我们得到的关于核球的资料主要来自穿透力强的射电波段、红外波段观测，专用卫星上天还获得了X射线，γ射线观测资料。
关于银河系核球里的恒星是哪个星族的——是老年星还是青年星，尚未取得一致看法，但持“大爆炸”宇宙论观点的学者认为，既然银河系也在不断膨胀，那么越靠近银心也许带着越多的银河系形成的早期信息，因而研究银河系核球，也许能解答星系的起源问题。
多种波段的观测虽还不能得出核球的物理状态和辐射机制，但已有了大概的了解。
射电探测表明，离银心 3000秒差距处有一个正在膨胀而且旋转着的氢气环，它可能是0.3亿年前在银核的一次爆发中被抛射出去的。
在椭圆核球中央的银核，范围大约在几个到几十个秒差距之间，而且银核内部可能还有内核，但详情我们至今仍一无所知。
银核内有银河系中最密集的恒星群，还有大量电离气体、尘埃。通过与仙女座星系的光学观测资料对比，可估计到，银核3秒差距范围内恒星总质量可能达千万个太阳质量，也就是说恒星密度高出太阳附近千万倍。而银核内电离气体的探测告诉我们，中央物质很密集，可能有300 万个太阳质量。
在这么小的核内存在这么多的物质，而且核又在绕银心作刚体式转动，电离气体也在高速转动，这些都表明中央物质不能以恒星这种形式存在，否则将因太密集而导致频繁的碰撞，以至无法稳定地维持下去。很有可能的是中央有一个大质量黑洞，X射线辐射似乎也认为其中包含着不寻常的天体。
银盘
银盘是银河系的主要组成部分，在银河系中可探测到的物质中，有九成都在银盘范围以内。银盘外形如薄透镜，以轴对称形式分布于银心周围，其中心厚度约1万光年，不过这是微微凸起的核球的厚度，银盘本身的厚度只有2000光年，直径近10万光年，可见总体上说银盘非常薄。
除了1000秒差距范围内的银核绕银心作刚体转动外，银盘的其他部分都绕银心作较差转动，即离银心越远转得越慢。银盘中的物质主要以恒星形式存在，占银河系总质量不到10％的星际物质，绝大部分也散布在银盘内。星际物质中，除含有电离氢、分子氢及多种星际分子外，还有10％的星际尘埃，这些直径在1微米左右的固态微粒是造成星际消光的主要原因，它们大都集中在银道面附近。
由于太阳位于银盘内，所以我们不容易认识银盘的起初面貌。为了探明银盘的结构，根据本世纪40年代巴德和梅奥尔对旋涡星系M31（仙女座大星云）旋臂的研究得出旋臂天体的主要类型，进而在银河系内普查这几类天体，发现了太阳附近的三段平行臂。由于星际消光作用，光学观测无法得出银盘的总体面貌。有证据表明，旋臂是星际气体集结的场所，因而对星际气体的探测就能显示出旋臂结构，而星际气体的 21厘米射电谱线不受星际尘埃阻挡，几乎可达整个银河系。光学与射电观测结果都表明，银盘确实具有旋涡结构。
银河系的磁场
我国古代劳动人民发明的指南针早就证明了地球的磁场，而银河系广阔空间的大尺度磁场的探测，则始于20世纪30年代，40年代证实了大尺度磁场的存在，60年代以后能进行可靠的测量。
磁场是物质存在的一种形式，但看不见、摸不着。不过，就像往上跳能感觉到无形的重力场把我们往下拉一样，也有办法让我们感到（即证实）磁场的存在，比如用指南针。对于广阔的银河，指南针就派不上用场了，不过，来自银河系的宇宙线——主要成分是带电粒子和α粒子的各向同性，对银河系背景辐射的非热辐射性质的合理解释，许多弥漫星云具有纤维状结构而且外形呈平行于银道面的扁氏形、许多恒星光因为长条形星际尘埃的影响导致随距离而增大的微小偏振等等，都非常有力地证明了，银河系存在大尺度的磁场，其方向可能平行于银道面。
要比较可靠地测量银河磁场的大小、方向，仅凭以上证据难以做到；不过，采取以下两种方法即可实现。
将辐射源产生的偏振辐射，通过平行于辐射方向磁场的星际介质，出来后偏振面会发生变化，叫法拉第旋转。转动的大小正比于磁场强度，因而在测定了前者的情况下就可能推出后者，即平行于辐射方向的星际物质磁场强度。这种方法叫法拉第旋转法，适用范围显而易见是星际物质。
另一种方法利用的是塞曼效应——原子能级在强磁场中的分裂导致谱线发生分裂的现象，这也是测定恒星磁场的最基本方法。如果星际空间有磁场，那么就能测出其中大量中性氢的21厘米谱线的分裂，由分裂的大小可算出平行于视线方向的中性氢磁场。
用这两种方法得到的比较可靠的测量结果是：银河系的磁场平均强度约
-6为 1～3×10高斯，比由宇宙线、银河背景射电、星光偏振估计出的 1～3
-5×10高斯的结果为低，而磁场的方向在旋臂区域可能沿着旋臂方向，其他区域则是紊乱的。
星系的发现
星系是一个宏大的天体系统，它包含了几十亿至几百亿甚至上千亿颗恒星及星际气体和尘埃，空间尺度达到几亿亿公里以上，实在是超级“庞然大物”。然而，人们直到20世纪初才真正发现它们。
在生活中，我们有一个常识，一个物体离我们越近，就可看得越清楚，当物体逐渐远去，它的像也就逐渐模糊，那是物体对观察者来说张角逐渐变小的缘故。到一定距离，我们就看不见它了。星系虽然那么庞大，但它们离地球实在太远，就拿最近的星系大麦哲仑星云来说，它离我们 16万光年，光年是光在一年中所走过的路程，光每秒钟可绕地球7个半圈。计算得出1光年是9万多亿公里，16万光年就约是150亿亿公里，因此，肉眼看上去，大麦哲仑星云就是一小片云雾状天体。
17世纪，望远镜发明了，这种神奇的仪器可使得物体对人眼睛的张角增大，让人可以看清更遥远的物体。用望远镜来观测天空，人们又陆续观测到一些云雾状的天体，开始，以为它们都是气体云，而且和恒星一样是银河系内的天体，并称之为星云。
不过也有人对此有不同看法，18世纪，德国的天文学家康德以及英国和瑞典的两位天文学家都猜测这些所谓星云是和银河系一样由恒星组成的天体系统，只是因为距离太远而分辨不出一颗颗的星来。如果把宇宙看作一个浩瀚的海洋，这些天体系统就犹如海中的岛屿，因而被形象地称为“宇宙岛”。
随着望远镜越造越大，人们可以看到这些星云的更进一步的细节了，正如康德他们所猜测的那样，星云在望远镜中分离成了一颗颗暗弱的星星。但是问题并没有完全解决，那就是，它们是银河系内的恒星集团，还是银河系之外的天体系统呢？
根本的问题集中到距离上来了，可它们离我们十分遥远，通常所用的三角视差测距法已经无法测出它们的距离。 1917年，美国的天文学家G•W•里奇在威尔逊山天文台所摄的一个星云照片中发现了一颗新星，因为新星极其暗弱，他认为星云应该极其遥远，是银河系之外的天体，但是给不出准确距离，无法让人信服。
怎么办呢？难道人们在此困难面前真是束手无策吗？正是“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”，造父变星周光关系的发现为我们打开了新的途径，造父变星是一种脉动变星，天文学家发现它的光变周期与绝对光度有确定关系，大体上是接近于成正比的。光变周期越长，它的绝对光度就越大。测出了它的光变周期，就可以算出它的绝对光度，而我们看到星的亮度是与它离我们的距离的平方成反比的，从而由造父变星观测到的亮度和它的绝对亮度的比值就可以推算出距离来。
1924年，美国的天文学家哈勃用威尔逊山天文台的2.5米大望远镜在仙女座星云，三角座星云和星云NGC6822中发现了造父变星，并且由周光关系算出了它们的距离，推出它们是银河系之外的天体系统，并称之为河外星系。
到这时，星系才算真正发现了。
奇怪的蝎虎座BL天体
1929年用光学望远镜在蝎虎座天区发现了一个光度变化不规则的呈恒星状的暗弱天体，1968年被证认为射电点源VRO42•22•01的光学对应体，这就是蝎虎座BL天体。20世纪70、80年代又发现了100多个类似的天体，人们就把它们统称为蝎虎座BL天体，或BL Lac天体。
BL Lac天体的光学像与类星体一样类似于恒星，并且至今不能分辨它们的细节。它们都发出很强的红外辐射和射电辐射。并和光学辐射一样具有无规则的快速变化（光变在几天或几月之内成几倍地变化，甚至成百倍地变化，但射电光变和光学光变似乎相互独立），同样具有非热致谱（即辐射不同于黑体辐射）。其射电谱在厘米波段增强，谱线平甚至倒转。并且，所有波段都具有较其他活动天体更大的偏振度。在其具有的连续谱中找不到发射线或吸收线。
由BL Lac天体光变的时间知道其大小和太阳系尺度相当，但当天文学家设法在它的光谱中得到了一些特征谱线时，发现其红移在0.05～1.78，这样再根据哈勃的红移—距离公式可推算出它们远离银河系。现在大部分天文学家认为它们是一些活动星系核。所以这种处于剧烈活动中的微小天体竞释放
41着相当于整个星系的辐射能量，高达 10焦耳/秒。这甚至比人类在类星体面前遇到的困难还巨大。
开普勒的定律
说到伽利略为了天上那遥远的星星竟被判刑受罪。其实在那茫茫星海的探索中，蒙受同样遭遇的又何止他一个。 1601年，在奥地利国的布拉格一座古堡里正气息奄奄地躺着一个人，他叫第谷•布拉赫（1564～1601年），丹麦人。14岁那年，第谷正在哥本哈根大学读书。在这年，天文学家预告8月21日将有日蚀发生，果然那天他看到了这个现象。他感到很奇怪，那些天文学家何以能如此神机妙算，于是决心去观测天象，究其原因。他从小由伯父收养，老人原想让他学法律，但是任性的他根本就不听这些，每晚只睡几个小时，其余时间都在举目夜空，直到天亮。到17岁时，他已发现了许多书本上记载的行星位置有错误，便决心要绘制出一份准确的星表。腓德烈二世把离首都不远的赫芬岛拨给他，建造起一座当时在世界上最先进的天文台供他使用。20年后新王即位，却逼迫他离开了这座辛苦经营的基地。幸好 1599年奥地利国王鲁道夫收留了他，并给他在布拉格又重修了一座天文台，他才得以继续从事自己热爱的工作。第谷能言善辩，恃强好斗。年轻时他曾为一个数学问题争执与人相约决斗，被对方一剑削掉了鼻子，所以不得不装上一个金银合金的假鼻子。别看他鼻子有伤，眼睛却极好使，20多年来，他观察各行星的位置误差不超过0.67度。就是数百年后有了现代仪器的科学家也不能不惊叹他当时观察的准确。他一生的精力不是花费在观天上，就是记录星辰。但现在他却再也不能爬起来工作了，因此急忙从德国招来一个青年继承他的事业。这人叫开普勒（1571～1630年），身体瘦弱，眼睛近视又散光，观天自然很是不合适，但是他却有一个非常聪明的数学哲学头脑。第谷就是在1596年看到他出版的《宇宙的奥秘》一书后，才感到他是一个人才。
在这个古堡式的房间里，地上摆着一个巨大的半圆轨道，轨上有可移动的准尺，对准对面墙上的洞眼。屋里摆满仪器，墙上是三张天体示意图（托勒密体系、哥白尼体系和第谷体系）。第谷老人费力地睁开眼睛，对守护在他身边的开普勒说：“我这一辈子没有别的企求，就是想观察记录一千颗星，但是现在看来已不可能了，我一共才记录了750颗。这些资料就全都留给你吧，你要将它编成一张星表，以供后人使用。为了感谢支持过我们的国王，这星表就以他的名字，尊敬的鲁道夫来命名吧。”第谷一边说着喘了口气，又看着周围那陪伴了他一生的仪器，还有墙上的图表，又招了招手，让开普勒更凑近些：“不过你得答应我一件事，你看，这一百多年来人们对天体众说纷纭，各有体系。我知道你也有你的体系，这个我都不管，但是你在编制星表和著书时，必须按照我的体系。”开普勒心中突然像被什么东西敲击了一下，但他还是含着眼泪答应了这个垂危老人的请求。老人又微微转过头对守在床边的女婿滕格纳尔说：“我的遗产由你来处理，那些资料，你就全交给他吧。”说完便溘然长逝，屋里一片静默。开普勒用手擦掉挂在腮边的泪水。他从外地艰苦跋涉来拜见这位天文学伟人，才刚刚一年，却想不到老师便辞他而去，这时腾格纳尔却突然转身在那个大资料箱上“卡嚓”一声上了一把锁，便走出门外。
第谷一死，开普勒本应实现自己许下的诺言，着手《星表》的编制出版，但是由于连年的战争，加之滕格纳尔又争名夺利，不肯交出全部资料，所以开普勒只好暂停《星表》的编著，转向了火星的研究。
无论是托勒密还是哥白尼，尽管体系不同，但都认为星球是作着圆周运动的。起初开普勒自然也是这样假设的。他将第谷留下的关于火星的资料，用圆周轨道来计算，直算得头昏眼花，心慌神躁，但是连算了几个月还是毫无结果。这天他的夫人走进房间，看到这些画满大小圆圈的纸片，气得上去一把抓过，揉作一团，指着他的鼻子直嚷：“你自己不准备过日子了，可是还有我们母女。自从跟上你就没过上一天舒心的日子，你每天晚上看星星，白天趴案头，我穷得只剩下最后一条裙子了，你还在梦想你的天体，我早就说过，不要到布拉格来寻找这个老头子。他这一死给你留下这个乱摊子，钱没有钱，人没有人，看你怎么收拾。”说着便呜咽咽地抹起泪来。开普勒是个天性柔弱之人，很少与人吵嘴，而且他也自觉对不住妻子。这女人本是个富有的寡妇，开普勒娶她是为能得点财产来补助研究的，不想分文没有得到，反倒拖得她也成了贫家妇女。开普勒看了看桌上墙上那乱七八糟的样子，无可奈何地唉叹了一声。开普勒有一个好习惯：他常常及时将自己的研究进展、喜悦、苦恼记录下来。这些可贵的记录给我们留下了追溯它思路的线索、成了科学史上难得的第一手资料。他提笔写起来：“ 我预备征服马尔斯（指火星），把它俘虏到我的星表中来，我已为它准备了枷锁。但是我忽然感到毫无把握。这个星空中狡黠的家伙出乎意料地扯断了我给它戴上的用方程式连成的枷锁，从星表的囚笼中冲出来，逃往自由的宇宙空间去了。”
却说，火星越是从开普勒的圆圈里溜掉，开普勒就越是不厌其烦地寻找新的圆圈。这天布拉格来了一位老头子，叫马斯特林，是开普勒的恩师、挚友。当年开普勒在图宾根神学院临毕业时，正是这位数学教师保举他到格拉茨去教数学，使他从此离开神学步入了科学领域。多年来他们一直保持着通信，一起探讨天文、数学、物理。这次他远道而来，见到开普勒屋子里这许多乱七八糟的圆圈，便奇怪地问他：“朋友，我不知道你这些年到底在干什么？”
“我想弄清行星的轨道。”
“这个问题从托勒密到第谷，不是都毫无疑问了吗？”
“不对，现在的轨道和第谷的数据还有8分之差。”
马斯特林摸着一头白发不禁失声叫了起来：“哎呀，8分，这是多么小的一点啊。它只不过相当于钟盘上秒针在 0.02秒的瞬间走过的一点角度。我的朋友，你面前是浩渺无穷的宇宙啊，难道连这一点误差也要引起愁思？难道你就不怀疑第谷会记错吗？”开普勒虽然神色疲倦，但是口气却十分坚决地说：“是的。我已经查遍第谷关于火星的资料，他二十多年如一日的观察数据完全一致——火星轨道与圆周运动有8分之差。感谢上帝给了我这样一位精通的观测者。这8分决不敢忽视，我决心从这里打开缺口，改革以往所有的体系。”
“既然第谷的那许多观测都是对的，为什么他自己没有对行星轨道提出怀疑？”
“老师，我对第谷的尊敬决不亚于对您。请恕我直言一句：第谷是个富翁，但是他不懂得怎样来正确地使用这些财富。”
老师不说话了，他想，几年不见，开普勒变得固执狂妄起来了。
妻子的反对，老师和朋友们的反对，周围人的不理解，并没有使开普勒动摇。他没有像第谷那样决心要研究一千个星星，但他却相信规律只有一个，便紧紧盯住了一个火星，解剖现象，探求其规律。他不仅是一个天文工作者，而且也是一个热爱数学，又教过多年数学的人。他要用几何学来帮天文学的忙了。开普勒从那许多圆圈里找到了蛛丝马迹。古希腊的阿基米德就知道世界上不只是有一个圆，还有更复杂的圆锥曲线。开普勒终于发现，火星的轨道不是圆，而是椭圆。他用这副笼头去套那匹火星烈马，终于就范了。第谷的数据天衣无缝。这件天文史上划时代的大事出现在公元1605年。这个发现就是后来称之为开普勒第二定律的椭圆定律。这之后，他还发现了第一定律：行星绕太阳作圆周运动在一定时间内扫过的面积相等，即等面积定律。
为什么一个看来简单的题目却拖了千百年后才由开普勒揭晓呢？尊敬的读者，大家知道。圆有一个圆心，椭圆却有两个焦点。椭圆度到底有多大全
c靠两个焦点距离（焦距）与椭圆的长直径（长径）来决定。即e = ，可以
a看出，当两个焦点越来越近，直到重合时，c=0，因此e=0，椭圆就是圆。所以圆实际上是椭圆的一种特殊形式。但是，茫茫宇宙中，行星绕太阳转的那个无形的圈e值是很小的，所以，以往的天文学家都把行星轨道当做圆来看待。这个定律的发现首先要感谢第谷那二十多年来精确的观测，以及开普勒精心的计算。更幸运的是，他又正好选中火星这个典型来解剖，而火星恰是太阳系中椭圆度最大的星，这个天机终于被他识破了。
开普勒发现了火星的椭圆轨道后，真是高兴得如癫如狂。他立即写信给他的恩师、老友马斯特林。不想马斯特林对他这一新发现置之不理，而欧洲其他有名的天文学家对他更是公开的嘲笑。这让他想起一个人来，就是意大利的伽利略。在伽利略最困难的时候，开普勒曾写信支持他说：“伽利略，鼓起勇气，站出来！我估计，欧洲重要的数学家中只有少数几个会反对我们。
真理的力量无比强大。”而伽利略对他却反应很冷淡，甚至连信也不回一封，连他一再想要一架伽利略新发明的望远镜也没有得到。而这同时，伽利略却写信给科斯摩公爵，把他捧为太阳，愿去做他的宫廷数学家。后人猜测，伽利略可能是忌妒他的发现。反正，伽利略的这种沉默成了科学史上的一个谜。
开普勒兴冲冲地取得这一发现，之后又冷冰冰地碰了这许多次钉子，此后便闭门不出，一人写起书来。过了些日子，一本记录着他的伟大发现的《新天文学》便完稿了。这天他将手稿装订好，放在案头，像打了一个胜仗一样高兴。虽然家境日趋贫寒，他还是连呼妻子预备一点酒菜，要自我庆祝一番。
妻子见他这样，脸上也泛出一点笑意。正当全家人难得高兴一会儿时，突然有人“砰砰砰”叩了三下门。开普勒连忙起身开门，门还未完全打开，他倒暗自叫起苦来，刚才他脸上的那点喜气霎时也跑得无踪无影了。来人也不与主人寒暄，进门走到桌旁就大声喊道：“开普勒，你好大胆子，不经过我的同意，你就敢偷偷出书？”
来人正是第谷的女婿滕格纳尔。他拿出当年第谷临终时的话来要挟开普勒，并以第谷遗产继承人的身份提出：要出书可以，但得署上他的大名。开普勒气得半天说不出话来。他曾答应过第谷，以后写书用老师的观点。可是他现在的认识已比老师进步了许多，怎么能再后退回去？直到 1609年夏天，双方互相作出让步，答应可以让滕格纳尔写一篇文章放在书的正文前面，这本书才算出版。在这篇文章里，这个滕格纳尔对开普勒的新体系进行了一番攻击，大喊开普勒对他岳父如何背叛。但是不管怎样，书总算出了，作为现代天文学奠基石的开普勒第一、第二定律也总算得以正式问世。
开普勒在研究火星轨道问题时，心中无时不在惦念着第谷托付的《鲁道夫星行表》。然而，整个国家政局不稳，宗教斗争严重，炮火连天，哀鸿遍野。开普勒被迫离开首都布拉格，居住在多瑙河边的一个叫林茨的小城里，任数学教师。
这天早晨，他依桌傍窗而坐，望着窗外多瑙河面上粼粼水波，不觉犯起了愁思，近来他有说不出的烦躁和凄凉。他这个数学家已名存实亡。他想起1611年——那个最使他辛酸的年头。这年2月29日，他最心爱的小女儿夭折；3月24日，政变部队拥进首都，他的靠山鲁道夫皇帝也不久身亡了；7月8日，他的夫人去世……而新皇帝不喜欢他，他只好离开首都来到这个小地方。家破人亡，靠山倒台了，他的境遇更是十分艰难。恩人鲁道夫死了，但以他的名字命名的《星表》还未编成。他本想隐居此地埋头整理《星表》，但是在1618年开始了一场“三十年战争”。他的薪水总是一再欠拖。他穷得连一个助手也雇不起。现在第谷的那些资料，倒是都已在他的手中，那个总是喜欢捣乱的滕格纳尔也家境败落了，自顾不暇，不再找他纠缠……他这样对着多瑙河想了一番心事，叹了几口气，也无可奈何，于是又提起笔，对着第谷留下的那一堆数字去动脑子。
行星是在作着椭圆运动，但是它们绕太阳一周到底要多少时间，为什么有的快，有的慢呢？这茫茫宇宙是无法丈量的。聪明的开普勒却想出了一个妙法，它将人们最熟悉的地球到太阳间的距离R定为1，而地球绕太阳的公转周期T是1年，以此为标准，这样再换算出其他行星的周期的距离，便得到这么几组数字：
行星 T R 行星 T R
水星 0.2410.387火星 1.8811.542
金星 0.6150.723木星 11.8625.203
地球 1.0001.000土星 29.4579.539
它们之间到底有什么联系？开普勒看来看去，这些数字四散在桌子上，它们之间就像多瑙河里的鱼，桌上的蜡与天花板上的尘土一般，看不出有一点的联系。但是开普勒坚信宇宙是一个和谐的整体。他和数学家毕达哥拉斯一样，认为世间一切物体都有一定的和谐的数量关系。于是他将这一堆数字互加、互减、互乘、互降、自乘、自除，翻来倒去，想看看能否发现它们之间的规律。这样变了一阵“魔方”，但终究还是乱麻一团。
大约过了有很长一段这样的日子，他就这样一直在乱麻堆里寻求和谐。
现在出入书房送茶倒水侍候他的，自然已不是先前那位跟着他吃尽苦头的贵族出身的夫人了，而是一位年龄与他相差甚大的少妇。
一天早晨，太阳照进了书房，一夜没有离开桌子的开普勒正把头埋在稿纸堆里，夫人轻轻走了进来，先吹灭桌上的蜡，又伸手去推窗户。突然开普勒霍地从椅子上弹了起来，一把拉住夫人：“啊，亲爱的，我找见了，我发现了，感谢上帝将你赐给我，我们是这样的和谐，宇宙是这样的和谐。”他说着甩开夫人，自己上去一把推开窗户，多瑙河上带有雾气的凉风吹了进来，拂动他蓬乱的头发。妻子以为他累疯了，忙喊“开普勒，亲爱的，你怎么了？”
开普勒什么也不说，忙将一张纸片递给妻子，这张纸上是这样几行数字：
2 3
行星 T R T R
水星 0.2410.3870.0580.058
金星 0.6150.7320.3780.378
地球 1.0001.0001.0001.000
火星 1.8811.5243.543.54
木星 11.8625.203140.7140.7
土星 29.4579.539867.7867.7
妻子自然不懂这些数字。但是现在我们却可以看出最后两列数字一模一样。开普勒做了无数次的加减乘除之后，终于碰着了天体上的一个电钮，漆黑的宇宙在他的眼前忽然大放光彩。原来行星绕太阳运转时，其运转周期的
2 3平方等于它与太阳间平均距离的立方：T=R。这就是后来人们称的“开普勒第三定律”。这是一个天文史上极伟大的发现，开普勒的“和谐”思想找到了根据，这说明太阳与其他行星决不是一群乌合之众，而是一个极严密的系统——太阳系。
开普勒的妻子将这张纸片拿在手里正不知何意，却见开普勒不言不语，又伏在案头，奋笔写起他的笔记来：
“……这正是我十六年以前就强烈希望探求的东西。我就是为这个目的而同第谷合作……现在我终于揭示出了它的真相，认识到这一真理，这已超出我的最美好的期望。大事告成，书已写出，可能当代就会有人读它，也可能要到后世才有人读它，甚至可能要等一个世纪才有读者，就像上帝等了六千年才有信奉者一样，这我就管不着了。”
开普勒将他的“第三定律”等成果写成一本书《宇宙之和谐》于1619年出版。开普勒发现的这三条定律可真是非同小可，它使那杂乱的宇宙星空顿时在人们眼里显得井井有序，开普勒在后来也被人们誉为天空的立法者。
已知的特殊星系
按照当今世界上最为流行的哈勃星系分类系统，星系被分为椭圆星系、旋涡星系和不规则星系三种类型。然而，目前已经被发现的星系中，还有一些不能简单地归入哈勃系统中的另一类，有的星系还具有一般星系所没有的特殊性质，我们将它们统称为特殊星系。
到目前为止，天文学家已经发现了许许多多的特殊星系并按照这些星系的性质把它们分为不同的类型。目前已知的特殊星系主要有：类星体、塞佛特星系、N型星系、射电星系、马卡良星系、致密星系、蝎虎座BL型天体、有多重核的星系及有环的星系等。这些星系的命名，有的是根据历史情况，有的是根据星系特性，有的是根据发现者的名字而来的。这些星系之间有重叠交错的情况。例如，马卡良星系中至少有10％可归入塞佛特星系，N 型星系中许多又是射电星系。这些特殊星系的特殊性质主要是由于星系核的活动或者是主伴星系之间的相互扰动所造成的。
特殊星系一般有一个很亮的致密核，有的还有伴星系。绝大多数特殊星系都有核区爆发遗留下来的痕迹。星系核周区域往往可观测到高速非圆周运动的天体。特殊星系辐射的能量的大部分是非热能的。下面我们着重介绍一下几类重要的特殊星系。
射电星系：一般正常的星系都发射射电波，但我们一般将那些具有强射电发射能力的星系称为射电星系。这类星系的射电功率比正常星系强 100到
37 4710万倍，即达 10～10尔格/秒。有些星系所产生的射电能量甚至超过了它们所产生的可见光能量。
射电星系的形态结构多种多样。最主要的几种形态结构是：致密型、核晕结构、延展的双瓣结构、复杂源结构及头尾结构。这些星系的形态结构均可从名字的字面理解。射电星系中大多数可归入椭圆星系一类，不规则星系很少，它们往往是星系团中最亮的成员星系。
首先被发现的射电星系是天鹅座A。到目前为止，已经测定了数千个其他射电星系的位置，其中最主要的有室女座射电星系M87及半人马座A等。
塞佛特星系，这类星系因被美国天文学家塞佛特于1943年发现而得名。
这类星系都有一个明亮的恒星状核，核的周围有朦胧的旋涡结构、核区是激烈活动区。塞佛特星系的光谱中有很强的发射线，这些发射线通常是在一般星系光谱中看不到的。有些塞佛特星系的可视光度以长达数月的周期发生着变化；某些塞佛特星系发射着巨大的红外辐射；有的还是强大的X射线源。
尽管塞佛特星系的体积比一般星系要小得多，质量也小，但是它们以各种波长辐射的能量是大多数星系的100倍。
塞佛特星系大都是漩涡星系，这类星系占漩涡星系的1～2％。因此，许多天文学家认为，塞佛特星系实际上不是特殊星系，它们只是漩涡星系演化所经历的一个阶段。至于何种理论正确，目前尚难定论。
N型星系，这种类型的星系由摩根在50年代所发现。这类星系的主要特征是有一个恒星状亮核以及比较致密的暗弱星云包层。星系的辐射大部分由核提供，表明核区是强活动区。有些N型星系的周围可以看到旋臂。这类星系有的是射电星系，光谱同塞佛特星系相似，只是发射线较窄，核的宽度有变化。
马卡良星系，这类星系是因前苏联天文学家马卡良发现而得名。马卡良星系是具有反常强紫外连续谱的特殊星系。这类星系主要有两种类型。第一类为亮核型，即核是紫外源，这类星系占所有马卡良星系中的2/3，它们大多也是塞佛特星。另一类为弥漫型，紫外连续源分散在整个星系中，这类星系的较暗者多为不规则星系。最近发现马卡良星系多为密近而有相互作用的双重星系。
特殊星系中的蝎虎座BL天体及类星体是非常重要的天体，由于我们在别的篇幅中对它们已有详细的介绍，这里就不再多说了。
特殊星系按光度构成一个能量序列，类星体最大、正常星系比它们都小。
这表明这些活动现象与类星体有某种联系。而类星体似乎是性质多样的天体集合。因此，研究特殊星系，对探讨星系的起源和演化具有重要意义。
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