《神秘宇宙》课件

神秘宇宙浩瀚星空，无垠宇宙，充满了无数谜团与奇观从最微小的基本粒子到庞大的星系群，从宇宙诞生的那一刻到未来的终极命运，这一切都在等待着我们去探索与发现目录宇宙的起源大爆炸理论、宇宙年龄、宇宙膨胀、宇宙微波背景辐射宇宙的结构宇宙层次结构、恒星、行星系统、星系、星系团宇宙的奥秘暗物质、暗能量、黑洞、引力波、中子星宇宙中的极端现象与未来超新星爆发、伽马射线暴、宇宙的命运、星系的碰撞与合并宇宙生命与探索引言宇宙的魅力无限的广阔永恒的变化12可观测宇宙直径达亿光宇宙并非静止不变，而是充满930年，包含约万亿个星系即使动态演化恒星诞生与死亡，2以光速旅行，也需要数十亿年星系碰撞与合并，时刻上演着才能横穿宇宙这种广阔超出宏大的宇宙剧场了人类的想象能力深刻的谜题第一部分宇宙的起源大爆炸前1时间与空间的概念不存在，所有物质和能量压缩在一个无限密度的奇点中大爆炸瞬间2约亿年前，奇点发生爆炸，时间和空间开始存在，宇宙诞生138婴儿期宇宙3宇宙在最初的一秒内完成了从量子涨落到基本粒子形成的过程，开始了快速膨胀结构形成4在接下来的数十亿年中，物质聚集形成恒星、星系和更大的结构，创造了我们今天所见的宇宙大爆炸理论理论由来理论核心年，比利时神父乔治勒梅特宇宙始于一个密度和温度极高的1927·首次提出宇宙起源于原始原子奇点，经过爆炸开始膨胀，温度的观点年，弗雷德霍伊尔逐渐降低，使物质能够凝聚成我1949·在批评这一理论时戏称其为大爆们现在所见的各种结构炸，这一名称却意外流传下来支持证据宇宙膨胀、宇宙微波背景辐射、宇宙中氢和氦的丰度比例，以及星系形成的层级结构，都是支持大爆炸理论的强有力证据宇宙年龄亿年138亿亿13893宇宙年龄地球形成前根据普朗克卫星对宇宙微波背景辐射的测量，宇宙年龄约为138亿年，误差范围约为3700万在地球形成之前，宇宙已经存在了约93亿年，经历了众多恒星的诞生与死亡年⁰

0.00110²宇宙秒表恒星数量如果将宇宙138亿年的历史压缩为一年，人类的整个文明历史只占最后一分钟的一小部分在这漫长的时间中，宇宙形成了约100亿个星系，每个星系平均包含上千亿颗恒星宇宙膨胀哈勃发现哈勃定律加速膨胀年，埃德温哈勃通过观测发现，星系星系的后退速度与其距离成正比目前测年，天文学家通过观测型超新星发1929·1998Ia之间的距离在不断增加，且距离越远，后得的哈勃常数约为每秒每兆秒差距公现，宇宙膨胀速度不是减慢而是加快，这73退速度越快这一发现证明宇宙正在膨里，意味着每兆秒差距（约万光年）一惊人发现导致了暗能量概念的提出326胀的距离每秒增加公里73宇宙微波背景辐射大爆炸余辉这种辐射是宇宙诞生后约万年时，宇382宙冷却到足以让电子与质子结合形成中性偶然发现原子时释放的光子，随宇宙膨胀而波长拉长，现今表现为微波辐射年，阿诺彭齐亚斯和罗伯特威尔1964··逊在测试通信卫星接收器时，发现了来1均匀分布自宇宙各个方向的微弱背景噪音，这就是宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射在各个方向上的温度极为均匀，约为，但存在约十万分之一

2.7K3的微小波动，这些波动正是今天宇宙大尺度结构的种子第二部分宇宙的结构宇宙网络由星系团、超星系团组成的大尺度结构1星系团2由多个星系组成的引力束缚系统星系3由数千亿颗恒星组成的巨大系统恒星系统4恒星及其行星、卫星行星、卫星5组成太阳系的主要天体宇宙的结构呈现出明显的层次性，从最基本的行星和恒星，到庞大的星系、星系团，再到超星系团和宇宙网络每一个层次都有其独特的特征和演化规律，共同构成了复杂而有序的宇宙大厦宇宙的层次结构行星系统星系星系团以恒星为中心，包含行星、由数千亿颗恒星、星际气由数十到数千个星系通过引卫星、小行星和彗星等天体、尘埃和暗物质组成的巨力束缚在一起形成的结构体我们的太阳系是典型的大系统银河系是一个包含室女座星系团是我们附近最行星系统，包含颗行星和约亿颗恒星的棒旋星大的星系团，包含约个820001500无数小天体系星系宇宙网络星系和星系团分布形成的巨大网状结构，包含空洞、纤维和墙壁这种结构跨越数亿光年，是宇宙中最大的可见结构恒星宇宙的基本单元恒星类型表面温度质量范围太阳质典型寿命量型以上万年O30,000K15-90100型万年B10,000-30,000K

2.1-161000型亿年A7,500-10,000K

1.4-

2.110型亿年F6,000-7,500K

1.04-

1.440型太阳亿年G5,200-6,000K

0.8-

1.04100型亿年K3,700-5,200K

0.45-

0.8300型数万亿年M2,400-3,700K

0.08-

0.45恒星是宇宙中最基本的发光天体，通过核聚变过程释放能量依据表面温度、光谱特征和质量大小，天文学家将恒星分为、、、、、、七种主要类型从高温的型到低温的O BA FG KM O型，恒星的寿命逐渐增长，颜色从蓝白色过渡到红色M恒星的生命周期主序星阶段恒星诞生核心氢聚变为氦，恒星保持稳定星际云气收缩形成原恒星，中心温度升高21红巨星阶段氢耗尽，核心收缩，外层膨胀3遗迹演化5恒星死亡白矮星冷却，中子星旋转减慢，黑洞吸积物质低质量星变为白矮星，高质量星爆发成超4新星恒星的一生从星云气体坍缩开始，经历主序阶段、红巨星阶段，最终根据质量不同有着不同的命运太阳质量的恒星最终会变成白矮星；比太阳重倍的会形成中子星；超过倍的可能会形成黑洞这个循环过程使重元素不断富集，为行星和生命的形成提供了物质基础8-2020行星系统行星1围绕恒星运行的大质量天体卫星2围绕行星运行的次级天体小行星3岩石和金属构成的小天体彗星4冰和尘埃构成的远日天体矮行星5球形但未清空轨道的天体行星系统是围绕恒星运行的一系列天体的集合在典型的行星系统中，行星是最大的天体，围绕恒星沿近似圆形轨道运行许多行星拥有自己的卫星系统除了行星和卫星外，行星系统中还包含小行星、彗星、矮行星和各种小天体，共同构成了复杂而有序的结构目前已发现超过5000个系外行星系统，表明行星系统在宇宙中相当普遍这些系统的多样性远超我们的想象，从热木星到超级地球，各种奇特的行星构型不断刷新我们对行星系统形成和演化的认识太阳系概览柯伊伯带和奥尔特云外行星太阳系边缘区域，包含无数冰质小小行星带木星、土星、天王星、海王星，气天体，是彗星的起源地冥王星是内行星位于火星和木星轨道之间，包含数体构成，体积巨大，拥有环系和众柯伊伯带中最著名的天体之一，曾水星、金星、地球、火星，岩石构十万颗小行星其中最大的是谷神多卫星木星质量是太阳系所有行被列为第九大行星成，体积较小，轨道紧密地球是星，直径约940公里这些天体被星总和的

2.5倍，拥有79颗已知卫唯一已知存在生命的行星，而火星认为是行星形成过程的残余物星是人类重点探索的目标系外行星的发现1995年，天文学家迈尔和奎罗兹首次确认了一颗围绕太阳型恒星运行的系外行星——飞马座51b这一发现开创了系外行星探测的新时代随着技术的进步，尤其是开普勒太空望远镜的发射，系外行星的发现数量呈爆发式增长截至2023年，已确认的系外行星超过5300颗，还有数千颗候选行星等待确认这些发现表明，行星在宇宙中普遍存在，多样性远超我们想象星系宇宙的城市星系是由恒星、星际气体、尘埃、暗物质和可能的中央超大质量黑洞组成的巨大系统根据形态可分为椭圆星系、旋涡星系、棒旋星系、透镜状星系和不规则星系等类型典型星系包含数千亿颗恒星，直径通常为数万至数十万光年星系之间有时会发生相互作用和碰撞，这种壮观的过程可持续数亿年，最终可能导致两个星系合并成一个更大的星系银河系我们的家园基本参数结构组成太阳位置银河系是一个直径约万光年的棒旋星银河系由中央核球、盘面和晕构成盘太阳位于银河系的猎户臂上，距离银河10系，包含约亿颗恒星、大量星际气面包含大部分恒星，呈螺旋结构，厚度系中心约万光年，相当于从中心到边

20002.6体和尘埃，以及占总质量约的暗物约光年；核球包含老年恒星；而晕缘距离的一半多一点太阳带着太阳系90%1000质银河系中央有一个质量约万倍则主要由球状星团和暗物质组成，直径以约公里秒的速度围绕银河系中心400220/太阳质量的超大质量黑洞人马座可达万光年旋转，一周需约亿年——

302.5A*仙女座星系邻居接近碰撞类似结构观测历史仙女座星系是距离银河系最近的大型仙女座星系的结构与银河系相似，都是棒仙女座星系是最早被记录的星系之一，最M31星系，距离约万光年它比银河系稍旋星系，具有明显的旋臂结构它也有自早由波斯天文学家阿尔苏菲于年描述250-964大，直径约为万光年，包含约万亿颗己的卫星星系，最大的两个是和为小云直到年代，天文学家才确221M321920恒星天文学家预测，约亿年后，仙女，类似于银河系的大小麦哲伦星云认它是一个独立的星系而非银河系的一部45M110座星系将与银河系发生碰撞并最终合并分，这一发现彻底改变了人类对宇宙规模的认识星系团和超星系团局部星系群室女座星系团12我们的银河系所在的星系团被距离我们约万光年的室女5400称为局部星系群，包含约个座星系团是我们附近最大的星54星系，直径约万光年其系团，包含约个星系，质10001500中最大的三个星系是银河系、量约为万亿太阳质量其1000仙女座星系和三角座星系，其中心有一个巨大的椭圆星系余大多是矮星系，内有一个质量约亿倍M8765太阳质量的超大质量黑洞拉尼亚凯亚超星系团3我们所在的超星系团被称为拉尼亚凯亚超星系团，包含约个星100,000系，直径约亿光年它是由多个星系团组成的巨大结构，质量约为

5.2太阳质量，是宇宙中最大的已知结构之一1017宇宙大尺度结构宇宙网络宇宙空洞巨型壁面在最大尺度上，星系分布呈现出网络状结宇宙空洞是星系极其稀少的区域，直径可达星系墙是星系密集排列形成的平面状结构，构，形成了宇宙网络这个网络包含密集的数亿光年最大的已知空洞是波俄忒斯空是宇宙大尺度结构的显著特征最著名的是星系墙、星系团连接的细丝和几乎没有星系洞，直径约亿光年这些空洞占据了宇斯隆长城，长度约亿光年，厚度约

3.3131600的巨大空洞这种结构是由暗物质的引力作宙总体积的大部分，是研究宇宙演化的重要万光年，是目前已知最大的连续结构之一用和宇宙初期微小密度涨落共同塑造的线索第三部分宇宙的奥秘暗能量暗物质约占宇宙物质能量总量的，推动宇宙70%2加速膨胀约占宇宙物质能量总量的，通过引力25%1作用影响可见物质黑洞极度弯曲时空的天体，引力强大到光也3无法逃逸中子星5超新星爆发后的致密残骸，主要由中子组引力波成4时空的涟漪，由剧烈天体活动产生宇宙充满了各种神秘现象，许多至今仍未被完全理解最令人困惑的是暗物质和暗能量，它们占据了宇宙质量能量总量的以上，却无-95%法直接观测黑洞、引力波和中子星等极端天体和现象则挑战着我们对物理学基本规律的理解这些奥秘不仅是天文学研究的前沿，也是理解宇宙本质的关键暗物质看不见的主宰发现历程年，兹维基通过研究后发座星系团发现，星系运动速度远高于根据可见物质计算1933的预期年代，鲁宾等人通过研究星系旋转曲线进一步证实了这一异常，提出了1970暗物质假说存在证据除星系旋转曲线外，引力透镜效应、星系团碰撞（如子弹星系团）、宇宙微波背景辐射的温度波动以及宇宙大尺度结构的形成，都是支持暗物质存在的强有力证据物理本质暗物质可能由尚未探测到的基本粒子构成，如弱相互作用大质量粒子或轴子WIMP也有可能是微小原始黑洞，或者是修改引力理论的结果，如修改的牛顿动力学MOND探测努力科学家使用地下探测器、粒子加速器和天文观测多管齐下寻找暗物质的证据目前已建成多个大型暗物质探测器，如中国的锦屏地下实验室、意大利的实验室Gran Sasso等暗能量推动宇宙加速膨胀惊人发现宇宙主导者物理本质1998年，两个独立研究小组通过暗能量约占宇宙总能量-物质的暗能量的本质是当今物理学最大观测Ia型超新星发现，远距离超新

68.3%，远超普通物质

4.9%和暗谜题之一主流理论包括宇宙星的亮度低于预期，表明宇宙膨物质

26.8%的比例这种神秘能学常数源自量子场的真空能量、胀正在加速而非减速这一颠覆量均匀分布在空间中，密度几乎第五种基本力如精华理论中的精性发现导致了暗能量概念的提不变，随宇宙膨胀总量增加华、或修改引力理论等出，并最终为研究者赢得了2011年诺贝尔物理学奖未来探测欧空局的欧几里得太空望远镜和美国的南希·格雷斯·罗曼太空望远镜将专门研究暗能量，通过精确测量数十亿星系的分布和引力透镜效应，揭示暗能量的本质黑洞时空的扭曲理论预言黑洞概念最早可追溯到1783年米歇尔的暗星理论1915年，爱因斯坦的广义相对论为黑洞提供了理论基础1916年，卡尔·施瓦西给出了静态黑洞的精确解而黑洞一词则是由约翰·惠勒于1967年首次提出基本特征黑洞是极度弯曲时空的区域，具有事件视界（无法逃逸的边界）和奇点（理论上的无限密度点）黑洞完全由三个参数描述质量、角动量和电荷这一特性被称为黑洞无毛定理形成机制恒星级黑洞由大质量恒星核心坍缩形成，质量约为太阳的5-100倍；中等质量黑洞100-100,000太阳质量可能由恒星级黑洞合并形成；超大质量黑洞超过100万太阳质量则可能由原始气体直接坍缩或多次黑洞合并形成观测证据科学家通过多种方式看到黑洞伴星轨道运动、吸积盘辐射、引力波信号、以及直接成像2019年，事件视界望远镜拍摄了M87星系中心黑洞的首张照片，2022年又拍摄到银河系中心黑洞照片，这是黑洞研究的里程碑超大质量黑洞星系中心的巨兽几乎每个大型星系中心都有一个超大质量黑洞，质量从百万到数十亿太阳质量不等银河系中心的超大质量黑洞人马座质量约为万个太阳质量，而星系中心A*400M87的黑洞质量高达亿个太阳质量65这些黑洞与星系共同演化，质量通常与星系核球质量成正比，暗示着黑洞与宿主星系之间存在紧密联系活动星系核当大量物质落入超大质量黑洞时，会形成明亮的吸积盘和高能射流，产生活动星系核现象根据观测角度和黑洞特性不同，活动星系核表现为类星体、布雷泽天体、射电星系等多种形式最强大的活动星系核亮度可超过整个宿主星系的总和，是宇宙中最亮的持续光源，在数十亿光年外也能被观测到引力波时空的涟漪理论预言11916年，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在这种波动是时空本身的涟漪，由加速运动的大质量天体产生，以光速传播间接证据21974年，赫尔斯和泰勒发现双星系统PSR B1913+16的轨道周期在缓慢减小，与引力波辐射导致能量损失的预测完全吻合这一发现为他们赢得了1993年诺贝尔物理学奖首次探测32015年9月14日，LIGO首次直接探测到引力波信号GW150914，源自两个约30倍太阳质量的黑洞合并这一里程碑式的发现为科学家们带来了2017年诺贝尔物理学奖多信使天文学42017年8月17日，LIGO和Virgo探测到了来自双中子星合并的引力波GW170817，同时伴随着伽马射线、X射线、可见光等多波段电磁辐射，开创了多信使天文学新时代中子星宇宙中最致密的天体

1.4-

2.16太阳质量中子星质量通常在

1.4到

2.16个太阳质量之间，这个狭窄范围由托尔曼-奥本海默-沃尔科夫极限决定低于此范围可能形成白矮星，高于则可能形成黑洞20-25公里直径尽管质量巨大，中子星的直径仅有20至25公里左右，相当于一个中等城市的大小其密度极高，一茶匙中子星物质质量约为10亿吨⁴10¹磁场强度高斯典型中子星表面磁场强度约为10^12高斯，是地球磁场的万亿倍而磁星的磁场可达10^14-10^15高斯，是已知宇宙中最强的磁场716每秒转数最快的脉冲星PSR J1748-2446ad每秒旋转716圈，表面赤道速度接近光速的1/4这种高速旋转源自角动量守恒，类似于旋转的花样滑冰运动员收紧手臂时转速加快脉冲星宇宙的灯塔脉冲星是高速旋转的中子星，发出规律的射电脉冲它们极其精确的周期性使其成为宇宙中最精确的天然时钟，一些脉冲星的计时精度可达原子钟水平科学家利用这一特性来验证广义相对论、检测引力波背景辐射和行星探测年，乔瑟琳贝尔首次发现脉冲星，当时被误认为可能是外星文明的信号迄今已发现超过颗脉冲星，它们分布在银河系各处，1967·3000为研究恒星演化、星际介质和引力理论提供了宝贵工具第四部分宇宙中的极端现象超新星爆发伽马射线暴磁星大质量恒星生命终结时的剧烈宇宙中最剧烈的能量释放事具有极强磁场的中子星，表面爆炸，瞬间释放的能量相当于件，在几秒到几分钟内释放的磁场强度可达10^15高斯，足太阳一生辐射能量的总和，亮能量相当于太阳整个寿命辐射以扭曲原子结构磁星偶尔会度可超过整个星系这一过程能量的总和这些强烈闪光可发生剧烈的能量爆发，称为磁中形成的元素对宇宙化学演化能源自双中子星合并或超新星星闪烁，释放出大量高能辐至关重要塌缩射类星体由超大质量黑洞吸积物质形成的极亮天体，亮度可达普通星系的数百倍尽管体积仅为一个太阳系大小，却能在数十亿光年外被观测到，是早期宇宙的重要探针超新星爆发型超新星II源自大质量恒星核心坍缩，当铁核无法继续核聚变时发生塌缩过程中产生的中微子和冲击波将恒星外层吹散，形成壮观的爆发型超新星Ia2这类超新星是宇宙中大部分重元素的主要来源自白矮星吸积物质或双白矮星合并，源当质量超过钱德拉塞卡极限时发生热核1爆炸这类超新星光度高度统一，被用超新星遗迹作测量宇宙距离的标准烛光，曾帮助超新星爆发后，抛射出的物质与周围星际气发现宇宙加速膨胀3体相互作用形成膨胀的气体壳，成为超新星遗迹这些结构如蟹状星云可持续数万年，对星际介质加热和元素丰度演化有重要影响伽马射线暴短伽马暴长伽马暴宇宙时间机器持续时间不到秒的伽马射线爆发，通常持续时间超过秒（通常为数十秒）的伽由于伽马射线暴极其明亮，即使在宇宙早22伴随着千新星现象这类伽马暴被认为马射线爆发，通常与型超新星相关联期也能被探测到最远的伽马射线暴Ic GRB是双中子星或中子星黑洞系统合并的产这类伽马暴被认为是特别大质量、快速旋距离约亿光年，红移为，-090429B

1369.4物年，天文学家首次同时观测到短转的恒星核心坍缩成黑洞，同时形成高速让我们得以窥探宇宙年龄仅亿年时的情20175伽马暴和引力波事件喷流的结果这些恒星被称为巨星体，况，为研究早期宇宙和首批恒星提供了宝GRB170817A，证实了这一理论质量通常超过太阳的倍贵窗口GW17081725磁星宇宙中最强磁场极端磁场1高达高斯的表面磁场10^15软伽马重复源2周期性释放软伽马射线爆发磁星闪烁3剧烈的能量释放事件磁力线重联4磁场能量转化为粒子能量磁星是一类特殊的中子星，拥有极其强大的磁场这种磁场强度可达高斯，比普通中子星强倍，比地球磁场强万亿亿倍如此强大的磁场会导致许多奇特现象，10^151000包括量子效应和光的双折射年月日，来自磁星的巨大闪光在短短秒内释放的能量相当于太阳万年的总辐射能量，是有记录以来除伽马射线暴外最强的天体爆发尽管距离地20041227SGR1806-

200.21球万光年，这次爆发仍然对地球电离层产生了明显影响5类星体远古宇宙的明灯z11z22z33z44z5z5类星体是宇宙中最亮的持续光源，亮度可达普通星系的1000倍它们的能量来源是超大质量黑洞吸积物质形成的热吸积盘，有时还伴随有强大的射电喷流尽管体积仅有太阳系大小，类星体却能在数十亿光年外被轻易观测到最遥远的已知类星体J0313-1806，红移达到

7.64，意味着我们看到的是宇宙年龄仅

6.7亿年时的样子研究表明，这个类星体中心的黑洞质量已达到16亿个太阳质量，这对理解早期宇宙中超大质量黑洞的形成提出了挑战第五部分宇宙的未来热寂大撕裂大收缩如果暗能量密度保持不变，宇宙将永远膨如果暗能量密度随时间增加，宇宙膨胀将变如果暗能量最终变为负值，或者某种未知机胀在万亿年的时间尺度上，所有恒星都将得越来越快最终，膨胀力将超过所有其他制阻止宇宙继续膨胀，宇宙可能会开始收耗尽燃料，所有黑洞也将通过霍金辐射蒸力，导致星系、恒星甚至原子被撕裂在这缩所有物质将重新汇聚到一起，温度和密发最终，宇宙将变成一片均匀的、极低温个场景中，宇宙将在有限时间内结束，可能度急剧上升，最终可能导致大挤压，成为度的辐射场，所有有组织的结构都将消失在数百亿年后下一个宇宙的起点宇宙的命运热寂还是大撕裂？亿年后1001银河系与仙女座星系碰撞并合并太阳演化为红巨星，吞噬水星和金星，地球可能成为一颗炙热的岩石万亿年后21所有恒星燃料耗尽，宇宙进入恒星停滞期除了极低质量的红矮星可能仍在发光外，宇宙中只剩下白矮星、中子星和黑洞年后10^403质子衰变使所有可见物质分解为基本粒子黑洞通过霍金辐射蒸发，最大的超大质量黑洞也在年内消失10^100年后410^100宇宙达到热寂，只剩下极度稀薄的光子和其他基本粒子，温度接近绝对零度所有有组织的结构和信息都将消失暗能量的未来影响宇宙加速幽灵宇宙12如果暗能量属于宇宙学常数，宇宙膨胀将继续加速大约万亿年未来的观测者将无法看到遥远的星系，宇宙学证据将消失他们2后，除了本星系群外的所有星系都将超出我们的观测视野，因为可能无法了解宇宙的真实历史和规模，错误地认为宇宙只有一个光速无法追上宇宙膨胀速度星系大小能量稀释物理极限34随着宇宙体积无限增大，所有能量将被稀释到无限低的密度这在极其遥远的未来，量子隧穿和真空波动可能成为唯一的活动形将导致所有结构逐渐瓦解，最终达到热平衡状态式在足够长的时间尺度上，甚至可能出现全新的结构，如玻尔兹曼脑这样的随机涨落星系的碰撞与合并在宇宙中，星系碰撞是一种普遍现象尽管星系中的恒星之间几乎不会直接相撞（恒星间距离过大），但星系的气体和尘埃会剧烈相互作用，引力扰动会改变恒星轨道，形成潮汐尾和桥等壮观结构银河系正在吞噬多个矮星系，并且预计将在约亿年后与仙女座星系碰撞并合并这一过程将持续数十亿年，最终形成一个巨大的椭圆星45系，天文学家将其命名为银女座星系这种合并过程在宇宙中非常常见，是星系演化的重要驱动力太阳系的未来近期未来数百万年地球轨道周期性变化将导致冰期和间冰期交替出现小行星撞击概率较低但不可忽视，一颗直径公里的小行星足以引发全球性灾难1中期未来亿年10-50太阳亮度逐渐增强，约亿年后地球可能变得过热无法维持生命亿年后银1045河系与仙女座星系碰撞，太阳可能被抛入新轨道，但恒星间直接碰撞的概率极低太阳红巨星阶段亿年50-70太阳耗尽核心氢气后膨胀成红巨星，直径增至现在的倍以上水星和金星100将被吞没，地球可能被蒸发或仅剩下灼热的岩石核心太阳的终结亿年后80太阳抛射出外层，形成行星状星云，核心收缩成白矮星太阳系的行星要么被抛出，要么继续绕着白矮星运行，但不再有生命存在的条件第六部分宇宙生命智能文明能够使用工具和技术的生命1复杂生命2多细胞生物，具有器官和神经系统简单生命3单细胞生物，如细菌和原生生物有机化合物4复杂碳基分子，如氨基酸和核苷酸适宜环境5液态水、能量来源和基本元素宇宙中的生命是否普遍存在？这个问题是天文学和哲学的重大谜题生命的出现需要一系列条件和过程，从适宜的物理环境到复杂有机分子的形成，再到简单生命的出现和进化地球上生命的存在证明这一过程至少可能发生一次，但我们尚不知道这种现象在宇宙中有多普遍探索系外行星和太阳系内潜在宜居环境是天文生物学的核心任务通过分析遥远行星的大气成分，或探测太阳系内天体的地下海洋，科学家希望能在本世纪找到地外生命的证据生命的基本条件液态水关键元素能量来源作为通用溶剂，液态水对于我碳、氢、氧、氮、硫、磷是地生命需要能量维持代谢活动们所知的生命形式至关重要球生命的基本构成元素特别这种能量可以来自恒星辐射它能溶解多种物质，促进化学是碳，能形成复杂且稳定的分（如光合作用），也可来自化反应，并提供稳定的环境地子链，为生命提供多样的化学学能（如化能合成），甚至可球生命中，所有生化反应都在基础理论上，硅或许也能形以是热液喷口的热能或放射性水溶液中进行成类似的复杂分子衰变保护屏障稳定的环境对生命至关重要这包括适宜的温度范围、防护有害辐射（如磁场）以及相对稳定的物理条件地球的磁场和大气层为生命提供了关键保护地球已知唯一的生命家园地球年龄亿年前生物多样性物种数估计地球是我们已知的唯一拥有生命的天体，其45亿年的历史中，生命已存在至少38亿年最早的生命形式是简单的单细胞生物，如古细菌复杂多细胞生命直到约6亿年前的寒武纪大爆发才开始繁盛地球的一系列独特特征使其成为理想的生命摇篮适宜的轨道位于恒星宜居带内，强大的磁场防护有害辐射，稳定的板块构造循环碳和其他元素，以及大型月球稳定自转轴倾角这些条件共同创造了一个在宇宙中可能相当罕见的环境，使复杂生命能够在地球上蓬勃发展数十亿年火星曾经的希望古代湿润气候多项探测任务证实，火星曾经拥有湖泊、河流甚至可能有海洋好奇号和毅力号火星车发现的地质证据表明，火星在约35-40亿年前拥有适合微生物生存的环境，液态水可能在表面稳定存在数亿年大气流失由于火星质量较小且没有强大的磁场，其大气被太阳风逐渐剥离MAVEN探测器的数据显示，这一过程使火星从温暖湿润的世界变成了现在的冰冷沙漠如今的火星大气压仅为地球的1%，主要成分是二氧化碳地下水冰尽管表面极度干燥，火星地下仍有大量水冰存在欧洲航天局的火星快车探测器探测到南北极冰盖下大量水冰，地表下几米至几公里处也存在永久冻土这些发现增加了火星上可能存在微生物的希望甲烷之谜好奇号探测器间歇性检测到大气中的甲烷，这一发现令人困惑，因为甲烷在火星大气中应快速分解甲烷可能来自地质过程，但也可能是地下微生物活动的证据，这成为火星生物学研究的热点木卫二和土卫六可能的生命摇篮木卫二冰下海洋土卫六碳氢化合物的世界木卫二表面覆盖冰层，厚度约公里，下方是深约公里的土卫六是太阳系中唯一有浓密大气层的卫星，大气主要由氮气组15-25100液态水海洋伽利略号探测器观测到的羽流喷发表明，这个海洋成，含有甲烷和其他有机化合物其表面有液态甲烷和乙烷组成与太空有联系木卫二的海洋体积约为地球海洋的两倍，可能含的湖泊和海洋，形成了类似地球的液体循环系统有溶解氧和必要的生命元素卡西尼号探测器发现，土卫六大气中存在复杂有机分子，这些分木星的引力使木卫二内部因潮汐力而变形，产生热量维持海洋液子可能是生命前体物质尽管表面温度极低（约），科学-179°C态状态这种能量来源独立于太阳辐射，理论上可以支持类似地家认为土卫六可能存在以液态甲烷为溶剂的非水基生命，或在可球深海热液喷口周围的生态系统能存在的地下液态水环境中孕育水基生命系外宜居行星开普勒比邻星系统-22b bTRAPPIST-1距离地球约光年，是首批被确认位于宜位于距离太阳最近的恒星系统中，仅光距离地球约光年，包含颗大小与地球相

6004.2407居带的系外行星之一直径约倍于地年远，是我们最近的系外行星邻居质量约似的岩石行星，其中至少颗位于宜居带

2.43球，被称为超级地球科学家推测其表面为地球的倍，位于其恒星的宜居带内内这些行星围绕一颗超冷红矮星运行，公

1.3可能被海洋覆盖，拥有适宜生命的温度开尽管比邻星是一颗红矮星，可能发射强烈的转周期极短，最内侧行星仅需天完成一

1.5普勒绕其恒星公转一周需约天耀斑影响行星宜居性，但比邻星仍是未来周这个系统是研究系外行星大气和潜在生-22b290b星际探测的首选目标命迹象的理想目标德雷克方程估算外星文明数量参数符号当代估计范围银河系恒星形成率R*7颗/年拥有行星的恒星比例fp

0.5-

1.0每个行星系统中宜居行星数ne

0.1-

0.5宜居行星上实际出现生命的比例fl

0.001-

1.0生命演化为智能生命的比例fi

0.001-

1.0智能生命发展出可探测技术的比例fc

0.1-

1.0技术文明的平均寿命年L100-10,000,000德雷克方程是由美国天文学家弗兰克·德雷克于1961年提出的，用于估算银河系中可能存在的具有通讯能力的外星文明数量N方程为N=R*×fp×ne×fl×fi×fc×L这个方程的各参数估值差异极大，导致最终结果从只有地球一个到银河系中存在数百万个文明不等随着系外行星研究的进展，前三个参数R*、fp、ne已有较可靠的估计，但后四个参数仍然高度不确定，反映了我们对生命起源和智能进化过程的了解有限费米悖论外星人在哪里？悖论提出1950年，诺贝尔物理学奖获得者恩里科·费米在讨论外星生命可能性时提出了一个简单问题他们在哪里？如果宇宙中存在无数适合生命的行星，且宇宙已有138亿年历史，那么外星文明早应该遍布银河系，为何我们没有观测到任何明确证据？大过滤假说可能存在某种大过滤器阻止了生命从简单形式发展到可探测的高级文明这个过滤可能是生命起源的极低概率、智能进化的罕见性、或高级文明自我毁灭的倾向我们要么已经通过了这个过滤（是极其罕见的），要么它还在我们面前等待着动物园假说可能有高度发达的外星文明知道我们的存在，但选择不干扰我们的发展，类似于动物园管理者观察动物他们可能建立了某种银河系自然保护区，让我们独立发展直到达到某个技术或道德水平我们真的孤独吗？可能我们对寻找外星生命的方法过于局限，或对文明发展轨迹的假设过于人类中心外星智能可能以我们无法理解的形式存在，或使用我们尚未掌握的通信技术更简单的解释是，星际距离实在太大，即使存在其他文明，也难以跨越这些巨大间隔第七部分探索宇宙光学望远镜从伽利略的简易望远镜到现代巨型地基望远镜，光学观测一直是天文学的核心世纪20末发展的自适应光学技术克服了大气扰动限制，让地基望远镜能够获得接近理论极限的清晰图像无线电和红外天文学无线电天文学开创于年代，使我们能够观测宇宙中的低能辐射和中性氢分布1930红外天文学则渗透了宇宙中的尘埃屏障，揭示了恒星形成区域和星系中心等被遮蔽的区域太空望远镜太空望远镜避开了大气限制，能够观测紫外线、射线和伽马射线等无法穿透地X球大气的波段哈勃太空望远镜和詹姆斯韦伯太空望远镜等设备彻底革新了我们·对宇宙的认识多信使天文学世纪天文学最重要的进展是多信使观测的兴起通过同时捕捉来自同一天21体的电磁波、引力波、中微子和宇宙射线，科学家能够获得以往无法想象的全面认识望远镜的发展历程年16091伽利略改进荷兰人的设计，制造出首台天文望远镜，发现了木星的四颗大卫星、月球的山脉和环形山、金星的相位变化等，年支持了哥白尼的日心说21668牛顿发明了反射式望远镜，使用镜面而非透镜收集光线，避免了色差问题这一设计为现代大型望远镜奠定了基础年19173胡克山天文台的米反射望远镜建成，成为当时世界最大的望

2.5远镜哈勃使用它发现了星系红移现象，证明宇宙正在膨胀年41990哈勃太空望远镜发射升空，在地球轨道上运行，避开大气扰动，获得前所未有的清晰图像它的深空观测彻底改变了我们对年20215宇宙的认识詹姆斯韦伯太空望远镜发射升空，配备米主镜，主要在红·

6.5外波段工作，设计用于观测宇宙中最早的星系和系外行星大气哈勃空间望远镜的贡献32服役年数自1990年发射以来，哈勃太空望远镜已在太空服役超过30年，远超最初设计的15年使命期限经过五次维修任务的升级，其性能和能力不断提高

1.4M观测次数哈勃已进行了超过140万次的观测，积累了超过150TB的科学数据这些数据已用于发表超过17,000篇科学论文，使其成为天文史上最多产的仪器

13.8B宇宙年龄年哈勃通过观测遥远超新星精确测量了宇宙膨胀速率，确定宇宙年龄约为138亿年，这是人类对宇宙年龄的最准确估计之一500M最远观测光年哈勃深场和超深场观测捕捉到了位于宇宙早期的星系，其中一些光线已经旅行了超过130亿年才到达地球，让我们得以窥见宇宙诞生后仅几亿年的样貌詹姆斯韦伯空间望远镜·革命性设计拉格朗日点轨道詹姆斯韦伯太空望远镜拥有米折叠式与绕地球运行的哈勃不同，韦伯位于距地·

6.5主镜，由块六边形镜片组成，镀金以优球万公里的拉格朗日点，这个位置18150L2化红外反射它的太阳遮光板大如网球能使望远镜、地球和太阳保持在一条直线12场，能将温度降至，使望远镜能上，最大限度减少热干扰，并提供稳定的-233°C够探测极微弱的红外信号轨道环境首批成果科学目标年月发布的首批科学图像展示了韦20227韦伯的主要任务包括观测宇宙中第一批伯的惊人能力从卡里纳星云中形成中的恒星和星系的形成；研究星系演化和黑洞43恒星的精细细节，到韦伯深场中遥远星系生长；观测恒星和行星系统的诞生过程；的前所未有的清晰图像，再到系外行星以及研究系外行星大气，寻找生命存在的大气中水蒸气的光谱特征WASP-96b潜在指标地基大型望远镜尽管太空望远镜获得了大量关注，地基大型望远镜仍然是天文学研究的中坚力量现代地基望远镜采用自适应光学技术实时校正大气扰动，主镜直径可达米，如凯克望远镜米和甚大望远镜米这些望远镜的收光能力远超太空望远镜，特别适合研究微弱天体8-

10108.2下一代超大型望远镜已在建设中，包括欧洲极大望远镜，米、巨型麦哲伦望远镜，米和三十米望远镜，米这些ELT39GMT

24.5TMT30望远镜将具有前所未有的分辨率和灵敏度，有望直接拍摄系外行星，研究早期宇宙，甚至探测系外行星大气中的生物标记空间探测器钱德拉射线天文台斯皮策红外空间望远镜费米伽马射线空间望远镜X年发射，专注于射线波段观测，能够年发射，主要在红外波段工作，能够年发射，专注于宇宙中最高能量的电1999X20032008探测高能现象如黑洞、中子星和超新星遗穿透宇宙中的尘埃云观测被隐藏的天体它磁辐射伽马射线它能够观测黑洞、中——迹其分辨率比之前的射线望远镜高绘制了银河系结构的详细图像，发现了数百子星、超新星遗迹和活动星系核等剧烈高能X25倍，分离出了以前被认为是单一来源的射个褐矮星，并帮助确认了第一个系外行星的现象费米望远镜每小时就能扫描整个天X3线钱德拉对超大质量黑洞、暗物质分布和大气成分尽管其液氦冷却剂在年耗空，建立了迄今最全面的伽马射线源图，探2009宇宙大尺度结构提供了关键观测尽，望远镜继续在温模式下运行直至测到了数千个伽马射线暴，并首次在伽马射2020年退役线波段观测到了新星爆发航天器的深空探索旅行者任务人类最远的使者1年发射的旅行者号和号探测器已经成为首批离开太阳系进入星际空间的人造物体旅行197712者号于年穿越日球层顶，进入星际介质，旅行者号于年也达到了这一里程碑尽1201222018管距离地球已超过亿公里，它们仍在传回有关星际空间的宝贵数据140卡西尼惠更斯土星系统的探索者2-年发射的卡西尼惠更斯任务在土星系统度过了近年，进行了超过次土1997-132004-2017290星轨道，详细研究了土星及其环和卫星该任务发现了土卫六表面的液态甲烷湖泊，土卫二南极的水汽喷流，并在土星环中发现了前所未知的结构新视野号冥王星的首位访客3年发射的新视野号在年成功飞掠冥王星，获取了这颗遥远矮行星的首批高分辨率图20062015像，揭示了意外复杂的地形和地质活动年月，它又飞掠了更远的柯伊伯带天体20191，为我们研究太阳系外缘原始天体提供了宝贵数据Arrokoth帕克太阳探测器触摸太阳4年发射的帕克太阳探测器是首个触摸太阳的航天器，它将在七年任务中飞入太阳外层2018大气探测器配备英寸厚的碳复合材料隔热罩，能承受高达的极端温度截至

3.51370°C2023年，它已多次创下最接近太阳的航天器纪录未来的宇宙探索计划阿尔忒弥斯计划2020s1的登月计划，旨在年前将宇航员重返月球，并建立NASA2025长期月球基地这将为未来的火星载人任务积累经验，测试关罗马空间望远镜键技术，如深空居住舱、月球资源利用等22027前身为，将拥有与哈勃相同口径但倍视野的主镜，WFIRST100专注研究暗能量、系外行星和红外天文学其配备的冕仪将能德雷珀空间望远镜20273直接成像系外行星这个由私人资助的太空望远镜将寻找类地系外行星，特别是位于邻近恒星宜居带的行星计划对约颗最近的恒星系统进1000火星样本返回任务行监测，寻找可能的生命迹象42030s和合作的多阶段任务，旨在将毅力号火星车收集的样NASA ESA本送回地球这将是首次从另一行星带回样本，为研究火星地载人火星任务2030s-2040s5质历史和可能的生命迹象提供重要机会多国航天机构和私人公司如都计划在本世纪中叶前实现SpaceX载人火星登陆这将是人类太空探索的里程碑，可能导致火星永久基地的建立第八部分宇宙与人类文化影响科学启迪宇宙塑造了人类艺术、宗教和哲学2天文学推动了基础科学和技术发展1空间资源太空探索提供新材料和能源可能性35宇宙视野生存延续宇宙探索拓展了人类思维边界4多行星文明作为人类生存保障宇宙探索不仅是科学好奇心的驱动，更与人类文明的未来紧密相连从实用层面讲，太空技术已经深刻改变了我们的日常生活，从卫星通信到导GPS航，从天气预报到遥感监测天文学的研究方法和发现也推动了基础科学和应用技术的进步更深层次上，宇宙研究塑造了人类的世界观和自我认知通过了解宇宙的广袤、星球的形成和生命的演化，我们更清楚地认识到地球的珍贵和人类在宇宙中的位置这种概览效应促使我们思考我们的责任和未来，引导我们在技术发展的同时关注生态保护和可持续发展宇宙对人类文明的影响科学技术推动文化思想演变天文学是最古老的科学之一，对人类科学思维的形成有着深远影宇宙观念深刻影响了人类文化的各个方面从古埃及和中国的星响从古代农业文明利用天文观测指导农事活动，到中世纪航海象崇拜，到希腊的宇宙论，再到哥白尼革命引发的思想变革，天家依靠星象导航探索新大陆，再到现代空间技术的广泛应用，天文发现一直在重塑人类对自身位置的理解文学始终与人类文明进步密切相关世纪的宇宙学发现，如宇宙膨胀、大爆炸理论和地球生命的宇20太空研究催生了大量先进技术，如微型计算机、太阳能电池、水宙起源，进一步挑战了人类中心主义思想阿波罗计划拍摄的地净化系统等，这些技术又反过来改善了地球上的生活据估球升起照片被视为环保运动的象征性图像，展示了地球作为宇宙NASA计，每投入美元在太空探索上，就能产生美元的经济回报中孤独绿洲的脆弱本质17-14天文学的实际应用卫星通信天气预报能源技术全球约4000颗活跃卫星为通信、气象卫星提供的实时大气数据将为太空任务开发的太阳能电池技广播、互联网和导航提供服务天气预报准确率从1950年代的约术推动了地面可再生能源发展GPS系统由24颗卫星组成，每天支40%提高到现在的80-90%极地核能领域的进步部分受到对恒星持数十亿设备定位天基互联网轨道和地球同步轨道卫星相结核聚变过程研究的启发天文学项目如SpaceX的星链计划部署了合，形成了全球气象监测网络，的辐射探测技术被应用于发电厂超过2500颗卫星，旨在为全球提为灾害预警和气候研究提供关键监测和核废料管理供高速互联网接入数据医学进步天文成像技术适应用于医学成像，如X射线天文学的传感器改进了CT扫描仪为太空任务开发的小型化电子设备促进了微创手术设备发展太空站微重力实验帮助研发新药物和了解疾病机制宇宙的哲学意义宇宙学原理多元宇宙假说现代宇宙学基于平凡性原理地球并非宇宙特殊地点这一思想自哥白尼以来当代物理学中的多重宇宙理论提出，我们的宇宙可能只是无限多宇宙构成的多—逐步发展，从地球不是宇宙中心，到太阳不是银河系中心，再到银河系只是众元宇宙中的一个这一概念源于量子力学、弦理论和通货膨胀宇宙学的理论发多星系之一这种逐步去中心化的认识历程深刻改变了人类的哲学视角展，挑战了传统的唯一实在观，引发关于必然性、偶然性和可能性的深刻哲学思考人择原理时间性质宇宙的基本参数似乎被精确调节以允许生命存在，这一观察引发了人择原理的宇宙学时间尺度挑战了我们对时间的直觉理解从宇宙亿年的年龄，到黑洞138讨论弱人择原理认为我们观测到的宇宙特性受限于观测者存在的必要条件；附近的时间扭曲，再到宇宙早期的时空结构，天文学研究持续重塑我们对时间而强人择原理则认为宇宙必须具有允许生命发展的属性这涉及目的论和宇宙本质的认识量子引力理论甚至提出了时间可能是涌现的而非基本的概念演化的根本问题人类在宇宙中的地位人类地球太阳太阳系银河系可观测宇宙从物理尺度看，人类在宇宙中微不足道人体约

1.7米高，而可观测宇宙直径约930亿光年，相差26个数量级银河系中约2000亿颗恒星环绕着一个超大质量黑洞运行，而银河系仅是约2万亿个星系中的一个然而从认知意义上看，人类又是宇宙中最复杂的存在之一通过观测与思考，人类大脑—这个仅重

1.5公斤的器官—能够理解从量子尺度到宇宙学尺度的自然规律，能够推演宇宙138亿年的历史，甚至能够预测其未来演化正如卡尔·萨根所言我们是宇宙认识自己的一种方式这种宇宙视角既彰显了人类的渺小，又赋予了人类独特的意义和责任结语无尽探索，永恒魅力认知的边界技术的飞跃宇宙意识123尽管人类对宇宙的认识取得了巨大进步，我未来几十年，新一代望远镜和探测器将继续通过对宇宙的探索，我们不仅发现了外部世们仍然只探索了其中极小的一部分暗物质拓展我们的视野随着人工智能、量子计算界的奥秘，也深化了对自身的认识宇宙研和暗能量的本质、生命在宇宙中的普遍性、等技术的发展，我们处理和分析天文数据的究告诉我们，所有元素都是恒星核聚变的产宇宙起源前的状态等根本问题仍未解答科能力也将大幅提升星际探索将从机器人先物，我们的身体字面意义上由星尘构成这学的边界不断扩展，每一个回答往往带来更锋逐步发展到人类踏足其他星球，将我们的种宇宙联结感为人类提供了全新的视角，促多新问题文明边界推向太阳系外使我们思考自身在浩瀚时空中的角色神秘宇宙的探索永无止境，它既是科学研究的前沿，也是人类精神的源泉正如爱因斯坦所言宇宙最不可理解的事情，就是它是可以被理解的让我们怀着好奇与敬畏，继续这段穿越时空的奇妙旅程。