星空奥秘 前言： 美丽的夜空，群星璀璨，令人浮想联翩。好奇的人们不禁要问：星星离我们有多远，是什么东西构成的，它们有多亮，为什么相互之间不动，它们怎么来的，以后又会怎样?宇宙里真的还有人类吗?其实，这些都是天文学研究的课题。正是这样的好奇心，促使人们运用各种不同的方式和手段去探索星空的奥秘。望远镜是天文学家的眼睛，也是探索星空的好工具。天文学家为了把星星看得更清楚，除了把望远镜越造越大外，还设计出了各种各样的望远镜，既可以直接看到星星，又可以接收星星发出的电波，通过电波了解星星的秘密。更为神奇的是，人们还想到把望远镜放到太空飞船上，避开了大气层的干扰，看到了更多更美的星星。

宇宙无边无际，现在我们估算出的星星超过万亿亿颗。我们能够观测到的，最远可达150亿光年。也就是说，那里发出的光要走150亿年才能到达地球，所以，我们看到的是它150亿年前的情况。这样看来，天空就是一部历史。假设我们能乘上超越光速的飞船，飞到遥远的星际，在那里观测地球，我们就能看到地球的过去，重温历史。 　　宇宙就是这么神奇，往往超越我们 的想象，星星之遥远、高温、高速，体 积、密度、年龄之大无不令人咋舌，至 少地球上是没有的，所以才? 天文数字 “之说。举个例子，就连不大不小的太 阳，都有2000亿亿吨，70万公里的半径， 1500万度的温度，50亿岁的年龄。而每 秒钟释放的能量可供地球上用1000万年。 此外，又有谁会想到，在广袤的宇宙间，星与星之间居然会是一片真空，没有丁点儿空气呢？ 　　星空就是这样的神秘莫测而又丰富多采。每颗星星都象迷人的眼睛，激发每位有志的少年朋友，长大后去探索它的奥秘。

认识宇宙 人类经过很长时间的努力才认识到我们脚下的大地是个球体。大地这个球体该放在宇宙的什么地方呢?开始人们把它放在了宇宙的中心。后来，有个叫帕拉多喜的人发现天上的星星有一些在动——人们叫它们行星，与之相应，不动的星星便叫恒星。于是人们就说，天上的月亮、太阳、行星及所有恒星都绕着地球做圆周轨道运动。托勒密第一个用数学方法确定了地球与行星的关系，给古希腊人心目中的宇宙图景做出了定量的描绘。这个图景后来成了基督教神学的理论基础。直至1543年哥白尼出版《天体运行论》，才把地球从宇宙中心移开。在哥白尼的体系中，地球不再是宇宙的中心，而是与其他行星一样沿正圆形轨道绕太阳旋转。 17世纪之前，人们—直都是凭借肉眼来观察 大象，并借助一些简单的度量仪器来研究天 体，主要是太阳、月球和可以用肉眼看到的 五大行星。中国人用他们所熟知的金木水火 土五行，古希腊、古罗马人用他们熟悉的神 来给这些行星起了名字。1610年，伽利略发 明了天文望远镜，从而拓宽了人们的视野， 看到了用肉眼无法看到的新的宇宙图景。

从18世纪到19世纪上半叶是近代天文学大发展的时期，这时期建立了完整的大行星、地球和彗星运动理论，发现了一些新的行星、行星的卫星和小行星，并且把观察的视野从太阳系扩展到了银河系的其他恒星系。19世纪下半叶，天文学家将当时物理学中的一些新的理论和方法引入到天体研究中，创立了天体物理学，从此开始了现代天文学阶段。 进入20世纪之后，无论是天体物理理论，还是天体观测方法都取得了很大的进展。在传统的光学天文学领域，随着反射天文望远镜的出现，一改19世纪折射天文望远镜的局限，天文望远镜的口径不断增大。1908年出现了1.5米镜、1918年出现了2.5米镜、1948年出现了5米镜、1976年出现了6米镜，1993年口径10米的巨型天文望远镜问世，使人们的视野进入到更为遥远的宇宙空间。 1932年，美国工程师央斯基发现了来自银河系 中心方向的宇宙无线电波，后来将这种无线电波 称为宇宙射线，由此发现了了解宇宙的新途径， 并创立了射电天文学。手段的改进是天文学发展 的前提，射电望远镜的出现使宇宙全波段地展现 在人类的视野中，使人类了解到一些根据可见光 无法了解的天体和物质，例如超新星痕迹、类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射等。 20世纪60年代开始，人类探索宇宙的立足点不再局限于地球，1962年，美国探空火箭携带X射线探测器飞离地球150公里，发现了在地球表面无法接收的来自宇宙的强X射线，开创了空间天文学时代。1998年6月，美国航天飞机发现者号携带着有中国科学家参与研制的α磁谱仪，试图寻找宇宙中的反物质。

星河——银河系 银河系是太阳系所在的星系，包括1000到4000亿颗恒星和大量的星团、星云，还有各种类型的星际气体和星际尘埃。银河系本体直径约为10~12万光年（不考虑银冕和外围物质），中心厚度约为1.2万光年。银河系总质量是太阳的2100亿倍。与邻居仙女星系均为本星系群中较大的星系。 银河系是棒旋星系，具有巨大的盘面结构，由明亮密集的核球、两条主要的旋臂和两条未形成的旋臂组成，旋臂相距4500光年。太阳位于银河一个支臂猎户臂上，至银河中心的距离大约是26,000光年。 银河系的中央是超大质量的黑洞（人马座A），自内向外分别由银心、银核、银盘、银晕和银冕组成。银河系中央区域多数为老年恒星（以白矮星为主），外围区域多数为新生和年轻的恒星。周围几十万光年的区域分布着十几个卫星星系，其中较大的有大麦哲伦星云和小麦哲伦星云。银河系通过吞噬周边的矮星系使自身不断壮大，虽然过程相当漫长。 天文学家玛丽亚·格曼认为通过对银河系恒星集群盘面的研究表明，银河系内围的恒星集群年龄较大，而外围的恒星则更加年轻，可以推测银河系的形成过程从内部开始，后来逐渐演化到10万光年以上的直径。科学家称本次调查还发现新的证据，银河系在成长过程中还吞并了许多小星系，来自其他星系的天体汇入了银河系的内部。曾经史蒂芬·霍金声称自己的观测表明银河系中心是一个巨大的黑洞。

宇宙梯级分布和各向同性 宇宙是自然科学最大的研究对象，关于宇宙，人类已经有了越来越多的知识。这些知识包含了可能对宇宙进行某种科学解释、建立某种模型所必需的东西；已经让我们能够理性地推断可测范围之内宇宙的起源和不很久远时段内宇宙的未来；已经让我们能够发射地球卫星和为各种不同目的服务的太阳系际探测器；已经让我们能够以科技的方式展开对宇宙间智能生命伙伴的搜寻…… 我们现在对宇宙的基本认识是：在相对较小的时空内，宇宙中的物质依次聚集为星体、星系、星系团、超星系团、超超星系团……。宇宙在整体上是均匀的、各向同性的，宇宙没有中心，任何典型星系的观察者所看到的宇宙规律是一样的。

宇宙的时空是柔性的 在牛顿时空观中，空间是三维平直的，是绝对均匀、各向同性的；时间是单向一维的，像河流一样匀速地流淌着。时间和空间与物质无关，它们就像是盛装物质的容器，亘古存在，永远 不变。 爱因斯坦1905年和1915年先后提出狭义 相对论和广义相对论，狭义相对论初步建立 了时间、空间的统一性，以及时间空间与物 质运动的联系。在狭义相对论中，时空度规 随物质的运动而变化。 广义相对论统一了引力质量和惯性质量 ，引力场等效于具有相当加速度的参照系。 他还揭示了四维时空与物质的统一关系，指出空间一时间不能离开物质而独立存在，物质的质量及其分布状况决定时空的结构。反过来看，引力场是空间几何弯曲的表现，空间的曲率体现引力场的强度

有人依据爱因斯坦的理论推论，在极 强引力场，比如黑洞中，空间收缩为 1维的，时间扩张为3维的；而超强理 论又认为在极微观高能的世界中时空 可能是11维的。 爱因斯坦指出大引力场周围可测 到空间弯曲，并预言在日全食的时候 观测太阳背景处的恒星位置可以证实 这种现象。1919年爱丁顿率队赴非洲 观测日全食验证了爱因斯坦关于光线 在引力场中发生弯曲的预言，也就是证实了爱因斯坦关于物质与时空结构关系的理论。 3、太阳系 直至目前，太阳系依然是我们在宇宙中了解最多的天体系统。哥白尼之后的几个世纪中，太阳系一直是天文学研究的重点。到了19世纪末，科学家们已经发现了除冥王星之外的其他八大行星和将近500颗小行星。20世纪二三十年代，天文学家们又发现了太阳系中的一颗新的大行星——冥王星，并且发现了一些大行星周围的卫星、7000多个小行星，以及若干颗彗星，从而绘制出更加完备的太阳系图景

宇宙在大尺度上是膨胀着的 人们发现天空中有许多云雾状的天体，名之为星云。19 24年哈勃把天文望远镜对准仙女座大星云，分辨出构成 该星云的单个星体，使河外星系和尘埃云得以区分，并 发现仙女座大星云不是银河系中的天体，而是距地球约 220万光年之遥的与我们的银河系一样的星系，谓之河外 星系。继而他又对河外星云做了更深入细致的研究，发 现了许多更为遥远的星系。 1912年始，致力于天体光 谱研究的美国天文学家斯莱弗发现，几乎所有河外星系的光谱线都存在着向红端移动的现象。如果按照多普勒效应解释，这就意味着这些星系都在远离地球而去，而且运行速度相当大，比如室女座大星云的运行速度是每秒1000千米。1929年，哈勃考察了斯莱弗的工作，结合自己对河外星系的研究，把运行速度的研究范围扩展到每秒2万公里，提出著名的哈勃定律：星系光谱线的红移量同它们与地球的距离成正比。哈勃的理论被后来的观测进一步证实。也就是说，河外星系的红移是反映宇宙整体性特征的系统性红移——从宇宙中的任何一点都能看到几乎所有的天体都在远离该点而去——宇宙在膨胀。这是一种全方位的无中心膨胀，其情形类似于膨胀的气球上各点之间相互远离。

宇宙中的未解之谜 著名科普作家阿西莫夫说：“在科学上每一个新的发现都会打开通往新的神秘的大门，同时最大的发展往往来自意外的发现，即推翻原有观点的发现。”对人类现有的理解能力和科学水平而言，宇宙深奥而神秘，下面所列的只是几个有代表性的现象。 ●暗物质 美国女天文学家葳拉·罗宾依据已经发现的一些天文现象及人类已知的一些科学规律，提出宇宙中应该存在大量的暗物质，否则许多现象都无法解释。暗物质可能是黑洞和矮星，但暗物质中的绝大多数应该是一些不发光、不反光、不挡光的透明物质，科学家们有的说是重子物质、有的说是光子、有的说是中微子，总之，宇宙间的暗物质还是个未解之谜。

●类星体 类星体指一类特别明亮、体积特别小、运行速度特别大、发射出的能量特别强又有极快的明暗周期变化的一类天体。美国天文学家马丁·斯密特等人对类星体做了深入研究总结出一些现象，提出了一些令人费解的问题，但直至今天，天文学家们连在类星体到底是离我们较近的天体还是离我们非常遥远的天体这一点上还没有完全达成共识，类星体到底是什么东西就更是不得而知。 超光速 会成为一个讨论题目，源自于相对论中对于局域物体不可超过真空中光速c的推论限制，光速（真空中大约为3亿米/秒，光速定义值c=299792458m/s=299792.458km/s）成为许多场合下速率的上限值。在此之前的牛顿力学并未对超光速的速度作出限制。除非世上存在自旋超过5的粒子，不然是不可能达到的。（因为超光速超越了光速）

●黑洞、白洞，蛀洞 1939年奥本海默根据广义相对论预言，当恒星质量足够大(相当于我们太阳质量的3.2倍以上)时，可能会由于巨大的引力而坍缩；随着它的体积的变小，引力场会变得十分强大，以至大到将其引力范围(科学上称视界)内任何东西都吸进去的程度，连光线也无法逃逸，像一个无限深的洞。20世纪60年代，美国物理学家惠勒将其名之为黑洞。有科学家预言，银河系中应该有100万个黑洞。由于黑洞吞食一切物质和光线，起码现阶段人类还找不到直接观察黑洞的方法，不过科学家已经间接证明了若干个黑洞的存在。 白洞是科学家为平衡宇宙间物质的流动性而预言的一种与黑洞性质相反的天体，在视界之内的物质只向外流不向里流；蛀洞(亦有称虫洞)则是有了黑洞和白洞之后一种必然性的理论假说，它是科学家预言的弯曲空间不同区域间或不同宇宙间可能存在的联系通道。究竟在这样深的层次上宇宙如何结构自己，人类还不得而知。

大爆炸宇宙模型 自从爱因斯坦用他的广义相对论给出第一个宇宙模型之后，一门新的学科——宇宙学便诞生了。爱因斯坦1917年提出有限无边静态宇宙模型，在这个模型中物质均匀分布，宇宙的大尺度特征不随时间发生变化。1922年，苏联数学家弗里德曼提出了现代宇宙学中第一个动态宇宙模型，提出宇宙有膨胀和收缩两种可能。1932比利时天文学家阿贝·乔治·勒梅特依据宇宙膨胀逆推而提出宇宙中所有的物质最初应该聚集在一起。1946年，美籍俄裔科学家伽莫夫首次将广义相对论宇宙学和化学元素生成理论结合起来，提出宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温度高达几十亿度，很快便降低到10亿度，这时的宇宙充满了辐射和基本粒子，随后温度开始下降，宇宙开始膨胀，当膨胀持续100万年，温度降至一定程度时，宇宙物质逐渐凝聚成星云，再演化成今天所见的各种天体。 后来伽莫夫的学生阿尔法推断150～200亿年前宇宙大爆炸的余烬，在今天应表现为温度为几K的背景辐射。这个理论在提出来的时候被很多人当作臆想，并未引起特别的关注。1965年，鲍伯·威尔逊和阿诺·彭齐亚斯用贝尔实验室的角形天线无意间测到了2.7K的微波背景辐射。宇宙微波背景辐射的发现使沉寂的大爆炸宇宙模型焕发出新的生命力。 在大爆炸宇宙模型中，宇宙诞生的时候密度极大，空间高度弯曲，能量集中为引力能；大爆炸发生后，空间中充满辐射、各向同性。这就产生了疑问——严格各向同性的均匀辐射场中何以能出现离散性的粒子?有人预言，这个辐射场中可能会出现细微的扰动，是扰动破坏了场的均质性，产生了粒子。1989年，美国发射“宇宙背景探索者”卫星，1992年正式宣布探测到微波背景辐射的不均匀性，这就使大爆炸在最初完全的能量状态：足可以产生出粒子进而演化成现今的宇宙有了前提。乔治·斯勒姆以计算机对数据进行处理得出早期宇宙图，这个图被形象地戏称为“宇宙蛋”。 不过，大爆炸宇宙学也还有许多不能解决的问题，比方说大爆炸之前的宇宙是什么样子?是整个宇宙都起源于这场爆炸，还是这场大爆炸仅仅是我们已知范围的宇宙的起源?爆炸之后如今还在膨胀的宇宙是要永远膨胀下去，还是有一天会停下来或转变为逆向的收缩?……