《天体的运行》课件

天体的运行欢迎来到《天体的运行》课程在这个课程中，我们将一起探索浩瀚宇宙中天体运动的奥秘，了解从地球、月球到遥远星系的运行规律，揭示宇宙的壮观与神秘通过本课程，您将获得对宇宙基本结构和天体运动规律的深入理解，领略天文学的魅力，感受人类探索宇宙的伟大历程无论您是天文爱好者还是对宇宙好奇的学习者，这门课程都将为您打开认识宇宙的新视角课程目标了解天体运动的基本概掌握主要天体的运行规念律我们将学习描述天体运动的基深入研究太阳系中各大天体的本概念和术语，建立对天文学运动规律，包括行星的公转、的基础认识这包括天体的位自转特点，卫星的轨道特征，置测量、运动描述以及相关物以及彗星、小行星等小天体的理规律，为后续学习打下坚实运行轨迹和周期变化基础探索宇宙探索的最新进展了解现代天文学的最新发现和人类探索宇宙的最新技术与成果，包括太空探测任务、先进的观测设备以及对宇宙起源与演化的最新理论宇宙概述宇宙的定义宇宙的基本结构宇宙是指存在的一切物质、能量、空间和时间的总体在现代宇宇宙的基本结构呈现为层次化的组织从小到大依次为行星及宙学中，我们通常将宇宙描述为从大爆炸开始膨胀至今的时空连其卫星、恒星系统、星云、星团、星系、星系团、超星系团，以续体及更大尺度的宇宙网络结构宇宙的边界至今仍是未解之谜，可观测宇宙的半径约为460亿光这些结构由可见物质（约占

4.9%）、暗物质（约占

26.8%）和年，但实际宇宙可能远远超出这个范围，甚至可能是无限的暗能量（约占

68.3%）组成，后两者的本质至今仍是天文学界的重大课题天文学简介古代天文学1早在公元前3000年，古巴比伦、埃及和中国等文明就开始系统记录天象，主要用于农业和历法制定古代中国的甲骨文中已有对日食、彗星等天象的记载经典天文学216-17世纪，哥白尼的日心说、开普勒的行星运动定律和牛顿的万有引力定律奠定了经典天文学基础，使天文学成为精确科学现代天文学320世纪以来，借助先进观测设备和理论突破，天文学分化为天体物理学、宇宙学等分支，研究范围从可见光扩展到全电磁波段和引力波天文学前沿4当代天文学关注暗物质、暗能量、黑洞、系外行星和宇宙起源等问题，通过空间望远镜和地基大型设备进行观测研究天球坐标系统地平坐标系以观测者所在地点的地平面为基准平面，用方位角和高度角确定天体位置•方位角从正北方向起，沿地平面向东测量到天体方向的角度•高度角天体方向与地平面之间的夹角地平坐标系与观测者的位置和时间有关，同一天体在不同地点或不同时间的地平坐标不同赤道坐标系以天球赤道为基准平面，用赤经和赤纬确定天体位置•赤经从春分点起，沿天赤道向东测量到天体时圈的角度•赤纬天体方向与天赤道平面的夹角赤道坐标系不随观测地点和时间变化，适合制作恒星表和星图，是天文学中最常用的坐标系地球的自转自转的定义自转的周期地球自转是指地球绕着自身的轴线旋转地球自转一周的时间称为一个恒星日，的运动地球自转轴与地球表面垂直相约为23小时56分4秒我们日常使用的交于地理北极和南极，自转方向为自西太阳日（即24小时）略长于恒星日，原向东，即从北极上空俯视时为逆时针方因是地球同时在绕太阳公转向自转的起源自转速度地球自转最初源于太阳系形成时物质云地球赤道上的自转线速度约为每小时的角动量，经过46亿年，受月球引力的1674公里，随着纬度增加而减小，在两影响，地球自转速度逐渐减慢，每100极点为零地球自转角速度为每小时15年约减慢

0.002秒度地球自转的影响昼夜交替科里奥利效应时区划分地球形状地球自转使不同经度的地区依在地球表面运动的物体受到科以格林威治子午线为基准，地自转作用使地球呈现赤道隆次面向太阳或背离太阳，形成里奥利力的作用，北半球向右球表面被划分为24个时区，每起、两极扁平的椭球体形状，昼夜交替现象，这是人类最基偏转，南半球向左偏转，影响个时区跨越15度经度，时间相赤道半径比极半径长约21千本的时间参照气流、洋流运动及飞行物轨差一小时，便于全球时间协米迹调地球的公转公转的定义1地球公转是指地球绕太阳运行的轨道运动地球沿着近似椭圆形的轨道，以太阳为一个焦点，每年完成一周公转公转周期2地球公转一周的时间称为一个恒星年，约为

365.2564个太阳日（即365天6小时9分10秒）日历年通过设置闰年来弥补与恒星年的差异公转轨道特征3地球公转轨道呈椭圆形，离心率约为

0.0167，半长轴（平均日地距离）约为

1.5亿公里地球绕太阳公转的平均速度约为每秒

29.8公里近日点与远日点4每年1月初地球运行至近日点，距太阳约

1.47亿公里；7月初运行至远日点，距太阳约

1.52亿公里，相差约500万公里地球公转的影响春季夏季北半球阳光逐渐增强，气温回升，植物开始北半球直射光最强，温度最高，昼长夜短生长冬季秋季北半球太阳高度角最小，温度最低，昼短夜北半球阳光减弱，气温下降，植物准备休眠长地球公转结合自转轴倾斜（约

23.5度）导致四季变化当北半球倾向太阳时为夏季，南半球为冬季；半年后南北半球季节相反这种季节更替影响全球气候模式，进而影响生态系统、农业生产和人类活动节律地球公转还造成昼夜长短的年周期性变化夏至日北半球昼长夜短，冬至日昼短夜长，春分和秋分日昼夜平分这种变化在高纬度地区尤为明显，极圈内出现极昼和极夜现象月球的运动同步自转月球自转周期与公转周期相同，始终同一面对着地球椭圆轨道月球轨道离心率为

0.0549，轨道平面与黄道面夹角约

5.14度朔望月月球从一次新月到下一次新月的时间为

29.53天月相变化随着月球位置变化，地球上看到的被照亮部分不同，形成月相月球是地球唯一的天然卫星，平均距离地球约

38.4万公里月球绕地球公转一周的恒星月为

27.32天，由于地月系统同时绕太阳公转，导致朔望月（从一个新月到下一个新月的时间）约为

29.53天，比恒星月长

2.21天月球运动的影响潮汐现象日食月食月球引力作用导致地球表面海水产生规律当月球运行到太阳与地球之间并遮挡太阳当地球位于太阳和月球之间，地球的影子性涨落，形成潮汐在满月和新月时，太光线时，在地球上可观测到日食根据遮投射到月球表面时，形成月食月食分为阳、地球、月球近乎一线排列，太阳和月挡程度分为日全食、日环食和日偏食日月全食、月偏食和半影月食月全食时，球引力合力最大，产生大潮；在上弦月和全食时可观测到太阳大气层的日冕，是研月球通常呈现红铜色，这是因为地球大气下弦月时，太阳和月球引力相互垂直，产究太阳活动的重要机会层折射的太阳光以红光为主生小潮太阳系概览1恒星太阳是太阳系唯一的恒星，占据系统

99.86%的质量8行星水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星5矮行星包括冥王星、谷神星、阋神星、妊神星和鸟神星200+卫星数量持续增加，木星和土星拥有最多卫星太阳系形成于约

45.67亿年前，源自一团旋转的气体和尘埃云在引力作用下，云团中心密度增大并形成原恒星，随后核聚变开始，太阳诞生剩余物质形成围绕太阳旋转的原行星盘，逐渐聚集成行星和其他天体太阳系划分为内太阳系（包括类地行星和小行星带）和外太阳系（包括巨行星和柯伊伯带）更远处是散布着彗星的奥尔特云，可能延伸至1-2光年远，标志着太阳系的外边界太阳的特征行星的运动开普勒第一定律开普勒第二定律12行星沿椭圆轨道运行，太阳位于椭行星与太阳的连线在相等时间内扫圆的一个焦点上这打破了古代天过相等的面积这意味着行星在近文学中行星运动必须是圆周运动的日点运行速度较快，在远日点运行观念，解释了行星轨道的真实形速度较慢，是角动量守恒的体现状开普勒第三定律3行星公转周期的平方与其轨道半长轴的立方成正比这一定律揭示了行星轨道尺寸与运行周期之间的精确数学关系，为后来牛顿发现万有引力定律奠定了基础开普勒三大定律由德国天文学家约翰内斯·开普勒于1609年和1619年提出，基于对火星轨道长达数年的精确观测数据这些定律不仅适用于太阳系行星，也适用于所有在中心力场中运动的天体，包括人造卫星、彗星以及系外行星系统内行星和外行星内行星特征外行星特征内行星包括水星、金星、地球和火星，轨道位于小行星带内侧外行星包括木星、土星、天王星和海王星，轨道位于小行星带外它们具有以下共同特点侧它们具有以下共同特点•体积较小，直径在3,000-13,000公里之间•体积巨大，直径在5万-14万公里之间•密度大，主要由岩石和金属构成•密度小，主要由氢、氦等气体和冰构成•自转速度相对较慢，自转周期为数十小时至数百天•自转速度快，自转周期仅为10-17小时•卫星数量少，水星和金星没有卫星，地球有1个，火星有2个•卫星系统庞大，每个行星拥有数十颗卫星•公转周期长，从12年（木星）到165年（海王星）不等•公转周期较短，从88天（水星）到687天（火星）不等•都有明显的环系统，其中土星环最为壮观水星的运行轨道特点轨道进动表面特征水星是太阳系八大行星中最靠近太阳的一颗，平水星轨道近日点每世纪进动约574角秒，其中牛水星表面遍布陨石坑，类似月球，最大的卡洛里均轨道半径约5,790万公里，相当于地球与太阳顿力学只能解释532角秒，剩余42角秒的偏差由斯盆地（Caloris Basin）直径约1,550公里距离的

0.39倍爱因斯坦的广义相对论成功解释水星没有明显大气层，导致昼夜温差极大，白天水星轨道离心率为

0.206，是八大行星中最大这一偏差成为爱因斯坦广义相对论的首个重要实可达430℃，夜间降至-180℃，是太阳系温度变的，导致其近日点与远日点距离相差约2,400万验证据，表明在强引力场中需要考虑时空弯曲效化最剧烈的行星公里应水星极区存在永久阴影区，美国信使号探测器水星公转周期约88地球日，是最短的行星公转周发现这些区域可能存在水冰期由于同时自转，水星上的一个太阳日（从一次日出到下一次日出）长达176地球日金星的运行金星轨道逆向自转平均距太阳

1.08亿公里，公转周期225天，自转周期243天，方向与公转相反，是唯一轨道几乎为正圆逆向自转的行星大气环流金星日金星大气层以超级旋转方式运行，周期约4一个金星日长达117地球日，比其公转周期天，远快于行星自转还短金星是距离地球最近的行星，也是除太阳和月球外天空中最亮的天体，亮度可达-

4.6等金星大气主要由二氧化碳（

96.5%）组成，厚度约100公里，气压是地球表面的92倍强大的温室效应使金星表面温度高达462℃，比水星还热金星与地球在质量、密度和体积方面非常相似，因此被称为地球的姊妹星然而，由于温室效应失控，金星演化成了一个极端炎热的世界，成为研究气候变化和行星宜居性的重要参照火星的运行火星轨道公转与自转探测任务火星平均距离太阳约

2.28火星公转周期为687地球自1960年代以来，已有45亿公里，是地球与太阳距日，约

1.88地球年火星次火星探测任务，成功的离的

1.52倍其轨道离心自转周期为24小时37分包括勇气号和机遇号率为

0.093，导致近日点与钟，与地球非常接近火探测车、凤凰号着陆远日点相差约4,240万公星自转轴倾角为

25.19度，器、好奇号探测车等里，显著影响火星季节的也与地球相似，因此火星2021年，毅力号探测车长短和强度同样有四季变化成功着陆，首次实现火星样本采集，计划未来取回地球卫星系统火星有两颗小卫星火卫一（Phobos）和火卫二（Deimos），分别于1877年被美国天文学家阿萨夫·霍尔发现火卫一直径约22公里，距火星表面仅9,376公里，每7小时39分钟绕火星一周，且正在缓慢靠近火星木星的运行轨道特征木星平均距离太阳约

7.79亿公里（

5.2个天文单位），公转周期约

11.86地球年木星轨道离心率为

0.048，轨道倾角仅

1.31度，近似圆形且几乎与黄道面平行自转特点木星是太阳系自转最快的行星，赤道区域自转周期约9小时50分钟，极区约9小时56分钟这种差异自转导致木星表面呈现明显的带状结构，并产生复杂的大气环流系统大红斑木星最著名的特征是南半球的大红斑，这是一个持续至少400年的巨大风暴系统大红斑长约16,000公里，宽约8,000公里，足以容纳两到三个地球风暴中心为高压区，逆时针旋转，完成一周约需6天卫星系统木星拥有至少79颗已知卫星，其中最著名的是伽利略发现的四大卫星木卫一（艾奥）、木卫二（欧罗巴）、木卫三（甘尼米德）和木卫四（卡里斯托）木卫三是太阳系最大的卫星，直径5,268公里，比水星还大土星的运行土星平均距离太阳约

14.29亿公里（

9.54个天文单位），公转周期约

29.46地球年土星赤道自转周期约10小时33分钟，极区约10小时39分钟，这种差异自转导致土星扁率高达

0.1，是太阳系大行星中最扁的一个土星最引人注目的特征是壮观的环系统，宽度约28万公里，但厚度仅约10-100米土星环由无数冰颗粒和岩石碎片组成，这些颗粒大小从微米到数米不等，分成数千个环带卡西尼号探测器发现土星环内部结构复杂，包括引力波动、螺旋密度波和辐条等动态现象天王星的运行年°8498公转周期自转轴倾角天王星绕太阳运行一周需要

84.01地球年几乎与轨道平面垂直，造成极端季节变化小时颗1727自转周期已知卫星赤道区域自转周期为17小时14分钟最大的五颗是米兰达、阿丽尔、恩布里尔、泰坦尼亚和奥伯龙天王星于1781年被英国天文学家威廉·赫歇尔发现，是第一颗通过望远镜发现的行星天王星平均距离太阳约

28.7亿公里（

19.2个天文单位），是一颗冰巨星，主要由氢、氦和含有水、氨、甲烷的冰组成天王星最独特的特征是其自转轴几乎与轨道平面平行（倾角约98度），就像一个在轨道上侧躺滚动的行星这可能是由于早期太阳系形成过程中的巨大碰撞造成的这种极端的轴倾角导致天王星有长达42年的极昼和极夜，造成非常特殊的季节变化模式海王星的运行数学预测与发现轨道与自转特征海王星是第一颗通过数学计算预测后发现的行星19世纪中海王星平均距离太阳约45亿公里（

30.1个天文单位），是八大期，天文学家注意到天王星轨道出现偏移，法国数学家勒维耶和行星中最远的一颗海王星公转周期约

164.8地球年，自1846年英国数学家亚当斯分别计算预测了一个未知行星的位置1846发现以来尚未完成一周完整公转海王星轨道离心率为

0.009，年9月23日，德国天文学家约翰·加勒根据勒维耶的计算结果，成近似圆形功发现了海王星海王星自转周期约16小时6分钟，自转轴倾角为

28.32度，与地这一发现被视为数学天文学的伟大胜利，证明了牛顿万有引力理球和火星相似海王星大气层呈现深蓝色，源于大气中甲烷对红论的强大预测能力从预测到发现的整个过程展示了科学方法的光的吸收海王星表面有明显的大气特征，如大黑斑风暴系统力量，成为天文学史上的里程碑事件和快速移动的白色云带，风速可达每小时2,100公里，是太阳系最强风速矮行星冥王星的降级矮行星的定义冥王星于1930年被美国天文学家矮行星是指围绕恒星运行、质量足克莱德·汤博发现，长期被视为太以通过自身引力达到流体静力平衡阳系第九大行星随着更多类似天（近似球形），但未能清空其轨道体的发现，2006年国际天文学联附近区域，且不是卫星的天体简合会重新定义了行星概念，将冥言之，矮行星满足行星的前两个条王星降级为矮行星这一决定引发件，但未能主宰其轨道了广泛讨论，但反映了天文学对太阳系边缘天体认识的深入已知矮行星目前国际天文学联合会正式认定的矮行星有5颗谷神星（位于小行星带）、冥王星（位于柯伊伯带）、阋神星（柯伊伯带）、妊神星（柯伊伯带）和鸟神星（散射盘）科学家估计可能有数百个符合矮行星定义的天体尚未被发现，特别是在柯伊伯带小行星带彗星的运行远日区彗星在远离太阳时呈现为不活跃的脏雪球，主要由冰、尘埃和岩石组成，温度极低活跃阶段接近太阳时，表面物质开始升华，释放气体和尘埃，形成彗发（围绕彗核的气体云团）彗尾形成太阳辐射压力和太阳风将气体和尘埃推向背离太阳方向，形成彗尾，长度可达数千万公里远离太阳通过近日点后，彗星逐渐远离太阳，活动减弱，彗发和彗尾消散，直到下一次接近太阳彗星按轨道周期分为短周期彗星（周期小于200年）和长周期彗星（周期大于200年）短周期彗星主要来自柯伊伯带，如著名的哈雷彗星（周期约76年）；长周期彗星则主要来自更远的奥尔特云，轨道更为椭圆，如被誉为世纪彗星的海尔-波普彗星流星和陨石流星现象陨石坑陨石类型流星是当太空中的小颗粒（多为彗星留下当较大的太空岩石撞击地表时，会形成陨陨石主要分为三类石质陨石（主要由硅的尘埃）进入地球大气层时，因摩擦生热石坑地球上最著名的陨石坑是位于美国酸盐矿物组成，约占95%）、铁质陨石而发光的现象这些颗粒通常只有沙粒大亚利桑那州的巴林杰陨石坑，直径约

1.2公（主要由铁镍合金组成，约占4%）和石铁小，在距离地面约80-120公里的高空燃烧里，深约170米，形成于约5万年前更大陨石（石质和铁质成分混合，约占1%）殆尽，形成我们看到的流星或流星雨的撞击事件如6500万年前的希克苏鲁伯撞陨石是研究太阳系早期形成的宝贵样本，击，可能导致了恐龙灭绝提供了地球无法获得的原始太阳系物质人造卫星通信卫星通信卫星主要用于电视广播、电话、互联网等信息传输服务它们通常部署在地球同步轨道（高度约36,000公里），使卫星相对地面位置保持不变，便于地面天线对准现代通信卫星系统如铱星、OneWeb和SpaceX的星链计划使用多颗卫星组成的低轨道星座，提供全球覆盖的高速互联网服务导航卫星全球导航卫星系统（GNSS）包括美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲伽利略系统和中国北斗系统这些系统通常由24-30颗卫星组成，部署在中轨道（高度约20,000公里）导航卫星通过高精度原子钟提供精确的时间信号，地面接收机通过测量来自多颗卫星的信号时间差计算出位置，定位精度可达数米至厘米级对地观测卫星对地观测卫星用于气象监测、资源勘探、环境监测、灾害预警等应用它们通常部署在低地球轨道（高度约400-900公里），以获得高分辨率图像现代遥感卫星如中国的高分系列、美国的陆地卫星系列等，采用多种传感器和成像技术，可在各种波段获取数据，分辨率可达亚米级科学研究卫星科学研究卫星用于天文观测、空间物理研究、地球科学研究等著名的有哈勃太空望远镜、詹姆斯·韦伯太空望远镜、钱德拉X射线天文台等这类卫星通常配备特殊的科学仪器，根据研究目标部署在不同轨道，从近地轨道到拉格朗日点不等同步卫星地球同步轨道高度约36,000公里，周期恰好24小时地球静止轨道同步轨道的特例，位于赤道上空，相对地面静止轨道特征3轨道能量高，部署成本大，但一颗卫星可覆盖近三分之一地球信号特点传输延迟约250毫秒，适合广播应用，不适合实时交互地球同步卫星是指轨道周期与地球自转周期相同的卫星，绕地球运行一周恰好需要一个恒星日（23小时56分4秒）当这些卫星位于赤道上空且轨道为圆形时，它们相对地面上的固定点保持静止，称为地球静止卫星这种特性使得地面接收设备可以固定指向某一方向，无需跟踪卫星运动地球静止轨道资源有限，各国需通过国际电信联盟协调使用目前该轨道上已部署了数百颗卫星，主要用于通信广播、气象监测和一些军事用途随着低轨道星座系统的发展，部分应用正从同步轨道向低轨道迁移，但对于广播电视、区域通信等应用，同步卫星仍具有不可替代的优势近地卫星引力辅助技术引力辅助原理引力辅助是利用行星的引力场改变航天器速度矢量（大小和方向）的技术当航天器接近行星时，行星的引力使航天器轨道弯曲；在适当条件下，航天器可以获得额外的速度增量，这种额外能量来自行星的轨道动能轨道设计引力辅助轨道设计是一项精细的数学计算工作，需要精确计算航天器的到达时间、速度和方向合理设计的多次引力辅助轨道能够大幅减少推进剂消耗，甚至到达单纯依靠火箭无法到达的目标经典任务旅行者号探测器利用木星和土星的引力辅助最终飞出太阳系；卡西尼号利用金星和地球多次引力辅助才能抵达土星；信使号则通过多次飞掠地球和金星降低轨道能量，成功进入水星轨道引力辅助技术是深空探测的关键技术之一，通过合理安排航天器与行星的相遇机会，可以实现搭便车的效果，节省大量推进剂例如，旅行者2号从地球直接发射到冥王星需要的速度约为16公里/秒，而通过引力辅助只需约11公里/秒，大大降低发射要求宇宙速度公里秒公里秒

7.9/

11.2/第一宇宙速度第二宇宙速度物体在近地轨道运行的速度，克服地球引力成为物体脱离地球引力场所需的最小速度，也称为地人造卫星所需最小速度球逃逸速度公里秒

16.7/第三宇宙速度物体脱离太阳系引力场所需的最小速度，也称为太阳系逃逸速度宇宙速度是航天飞行的基本参数，决定了航天器能够达到的目标第一宇宙速度是近地轨道飞行的基准，国际空间站以约

7.7公里/秒的速度运行第二宇宙速度是深空探测任务的门槛，所有飞向月球及更远目标的航天器都必须超过这一速度第三宇宙速度是飞出太阳系的最低要求，目前只有旅行者1号、旅行者2号、先驱者10号、先驱者11号和新视野号五个探测器拥有足够的速度最终离开太阳系值得注意的是，这些速度值随着距离地球表面的增加而减小，且与发射位置和方向有关地月系统地月距离引力相互作用平均距离约

38.4万公里，光传播时间约

1.3秒月球引力导致地球海洋潮汐，地球引力使月球同步自转轨道演化系统稳定性月球以每年

3.8厘米速度远离地球，地球自转月球稳定地球自转轴，维持气候长期稳定减慢地球和月球构成太阳系中较为独特的行星-卫星系统月球质量约为地球的1/81，是太阳系中卫星与行星质量比最大的系统之一（冥王星-卡戎系统除外）这种较大的质量比使地月系统在某些方面表现为双行星系统，两者共同围绕系统的质心运行月球对地球演化产生了深远影响月球的引力稳定了地球自转轴的倾角，防止出现像火星那样的剧烈摆动，为地球提供了相对稳定的气候环境月球引力产生的潮汐力也可能促进了早期地球生命的演化，并通过潮汐摩擦持续影响地球自转速度拉格朗日点点点和点L1L2L4L5位于地球和太阳之间，距地球约150万公位于地球背离太阳的方向，距地球约150位于地球轨道上，与地球和太阳构成等边里在此处放置的卫星可以持续观测太阳万公里是深空望远镜的理想位置，可以三角形这两个点是稳定的平衡点，太阳-而不受地球遮挡，如SOHO和ACE等太阳屏蔽来自地球、太阳和月球的干扰詹姆木星系统的L4和L5点聚集了大量小行星，观测卫星L1点轨道不稳定，需要定期轨斯·韦伯空间望远镜和普朗克探测器都部署被称为特洛伊群和希腊群L4和L5点被认道修正在L2点为是未来太空殖民的理想位置太阳活动对地球的影响太阳辐射太阳电磁辐射（光和热）是地球能量的主要来源，驱动气候系统和生物圈太阳活动周期导致紫外线和X射线辐射强度变化，影响地球高层大气太阳风太阳持续向外辐射的高能带电粒子流，速度约400-800公里/秒太阳风与地球磁场相互作用，形成磁层，保护地球免受大部分太阳风和宇宙射线的直接影响太阳耀斑太阳表面的剧烈爆发现象，释放大量能量和高能粒子强烈的太阳耀斑会产生电磁脉冲和高能粒子流，干扰无线电通信，增加高空航班的辐射暴露日冕物质抛射太阳大气大规模物质喷发现象，可喷射数十亿吨物质进入行星际空间当日冕物质抛射撞击地球磁层时，会引发地磁暴，影响电网、卫星和通信系统地球磁场磁场的形成磁场的防护作用地球磁场主要由地核中的发电机效应产生地球外核是由液态铁地球磁场形成的磁层是地球生命的重要保护屏障，它偏转大部分镍合金组成的导电流体，在地球自转和热对流作用下产生电流，太阳风和宇宙射线，防止这些高能粒子直接冲击地球大气和地进而生成磁场表地球磁场呈现为近似偶极子结构，磁轴与地球自转轴存在约11磁层对太阳风的拦截形成了复杂的结构，包括弓形激波、磁层度的倾角磁北极和磁南极的位置不断变化，目前磁北极正以每顶、等离子体层和磁尾等在日侧，磁层边界距地表约10个地年约55公里的速度向俄罗斯方向移动球半径；在夜侧，磁尾可延伸至数百个地球半径地质记录显示，地球磁场约每20-80万年发生一次极性反转，最磁场强度的历史变化可能对地球气候和生物演化产生重要影响近一次发生在约78万年前反转过程可能持续数千年，期间磁磁场减弱期间，大气层受到的宇宙辐射增加，可能导致云量变化场强度显著减弱和大气化学成分改变极光现象太阳粒子流极光始于太阳释放的高能带电粒子（主要是电子和质子），这些粒子随太阳风传播至地球附近在太阳活动剧烈时期，如太阳耀斑或日冕物质抛射事件后，粒子流会显著增强磁场引导当这些带电粒子接近地球时，地球磁场将它们引导向南北极区域粒子沿着磁力线螺旋运动，最终集中在极区上空的环形区域，即极光椭圆大气相互作用高能粒子进入高层大气后，与氧原子、氮分子等发生碰撞，将能量传递给这些分子和原子，激发它们的电子跃迁到更高能级发光现象当激发态的原子和分子回到基态时，释放出特定波长的光子，形成不同颜色的极光绿色（

557.7纳米）来自氧原子，红色（

630.0纳米）来自高空氧原子，蓝色和紫色则主要来自氮分子天体测量技术视差测量多普勒效应测量利用地球绕太阳运动的基线，观测近邻恒星通过测量光谱线的红移或蓝移来确定天体的相对遥远背景恒星的视位置变化恒星年视径向速度这一技术广泛应用于测量恒星系差角度与距离成反比，是最直接的距离测量统、星系和宇宙膨胀根据轨道特征和多普方法，但仅适用于约1000光年内的恒星勒变化，还可推算天体的质量时延测量亮度测量通过测量信号传播时间确定距离，如雷达测利用天体的表观亮度和绝对亮度计算距离距和脉冲星计时对太阳系天体，可直接发对于标准烛光（如造父变星和Ia型超新星）射无线电信号并接收回波；对脉冲星等周期尤其有效，是测量河外星系和宇宙学尺度的性信号源，可通过脉冲到达时间变化测量其关键方法轨道特性射电天文学射电天文学是研究宇宙射电波辐射的天文学分支，起源于20世纪30年代卡尔·詹斯基首次探测到银河系射电辐射射电波段（毫米波至米波）穿透能力强，可观测到光学不可见的宇宙现象，如星际气体、脉冲星、类星体和宇宙微波背景辐射等由于射电波长较长，单个射电望远镜的分辨率受限，因此科学家开发了干涉测量技术，将多个天线组成阵列，如超长基线干涉测量（VLBI）可实现毫角秒级分辨率重大射电天文发现包括脉冲星、类星体、宇宙微波背景辐射、星际分子等，以及近期的事件视界望远镜对黑洞的首次成像空间望远镜哈勃空间望远镜詹姆斯韦伯空间望远镜·1990年发射的哈勃空间望远镜是2021年发射的詹姆斯·韦伯空间望第一个大型空间天文台，运行在距远镜是哈勃的继任者，部署在日-地面约570公里的轨道上哈勃主地系统的L2拉格朗日点韦伯主镜镜直径

2.4米，覆盖紫外到近红外由18个六边形金镀铍镜面组成，口波段，可实现

0.04角秒的分辨率径达

6.5米，工作波段为

0.6-28微其标志性成就包括测定哈勃常数、米，专注于红外观测韦伯有望探观测深场宇宙、证实超大质量黑洞测宇宙第一批恒星和星系的光芒，存在、研究系外行星大气等研究行星形成和寻找生命迹象其他空间望远镜当代重要的空间望远镜还包括钱德拉X射线天文台（研究高能宇宙），斯皮策红外空间望远镜（观测尘埃和冷天体），费米伽马射线空间望远镜（探测最高能宇宙现象），盖亚空间望远镜（精确测量恒星位置和运动）等这些设备组成了覆盖全电磁波谱的空间观测网络引力波探测引力波的本质引力波是时空结构的波动，由质量加速运动产生，以光速传播爱因斯坦的广义相对论在1916年首次预测了引力波的存在，但直到一个世纪后才被直接探测到强烈的引力波源包括双黑洞合并、双中子星合并和超新星爆发等剧烈天体物理过程项目LIGO激光干涉仪引力波天文台（LIGO）是世界上最大的引力波探测器，由位于美国华盛顿州和路易斯安那州的两个相隔3000公里的探测器组成每个探测器使用两个4公里长的垂直激光臂，能够探测到比原子核还小的距离变化（约10^-18米）历史性发现2015年9月14日，LIGO首次直接探测到引力波信号GW150914，源自13亿光年外两个黑洞（36和29个太阳质量）的合并这一发现开创了引力波天文学时代，因此三位关键科学家获得2017年诺贝尔物理学奖截至2023年，已探测到数十个引力波事件未来展望引力波探测网络正在扩展，包括欧洲的Virgo、日本的KAGRA和印度的LIGO-India项目未来的太空引力波探测器如LISA（激光干涉空间天线）将能探测更低频率的引力波，观测更多类型的宇宙事件，包括超大质量黑洞合并和宇宙背景引力波暗物质和暗能量暗物质的证据暗能量的影响暗物质是一种不发光、不吸收光、几乎不与普通物质相互作用的物质形暗能量是一种分布均匀、具有负压力特性的能量形式，驱动宇宙加速膨式，只通过引力效应被探测到暗物质存在的证据包括胀暗能量存在的主要证据来自•星系旋转曲线异常星系外围恒星运行速度远高于可见物质引力所•Ia型超新星观测远处超新星比预期更暗，表明宇宙膨胀正在加速能解释的值•宇宙微波背景辐射空间几何测量表明宇宙总密度接近临界密度•星系团引力透镜效应星系团弯曲背景光源的光线程度表明存在大•重子声波振荡星系分布中的声波特征支持暗能量存在量不可见物质•星系团演化星系团随时间增长的方式符合加速膨胀宇宙模型•宇宙微波背景辐射功率谱温度波动模式需要暗物质才能解释暗能量占宇宙总能量密度的约68%，其本质可能是爱因斯坦宇宙学常数•大尺度结构形成计算机模拟表明，没有暗物质，宇宙无法形成观（真空能量）、动态标量场（如精神场）或修正引力理论的表现测到的结构暗物质占宇宙物质-能量总量的约27%，是可见物质的5倍多可能的暗物质候选者包括弱相互作用大质量粒子WIMP、轴子和原初黑洞等系外行星探测凌日法1观测行星经过恒星前方时造成的亮度微小周期性减弱开普勒太空望远镜使用此方法发现了数千颗系外行星，特别适合探测小型行星和多行星系统径向速度法2测量恒星光谱线的多普勒位移，探测恒星因行星引力而产生的轻微摇摆这是最早成功的系外行星探测方法，特别适合发现大质量近轨行星直接成像法3使用高对比度技术直接观测行星反射的恒星光或行星自身热辐射目前仅适用于年轻、大质量、远离恒星的行星，但提供最直接的行星特性信息微引力透镜法4利用引力透镜效应，当前景恒星-行星系统经过背景恒星时，行星引力导致背景星特征性亮度变化这种方法可探测远离恒星的低质量行星截至2023年，已确认发现超过5,000颗系外行星，分布在超过3,700个恒星系统中这些发现表明行星在宇宙中非常普遍，几乎每颗恒星平均拥有至少一颗行星系外行星类型多样，从热木星（绕恒星近距离快速运行的巨行星）到超级地球（质量介于地球和海王星之间的行星），还有与地球类似大小的岩石行星宜居带理论银河系结构中央核球半径约1万光年，包含超大质量黑洞和密集恒星群银河盘直径约10万光年，厚度约1000光年，包含大部分恒星和星际物质旋臂结构至少有四条主要旋臂，太阳位于猎户臂上银晕半径超过10万光年，主要包含老年恒星团和暗物质银河系是一个包含约1000-4000亿颗恒星的棒旋星系，总质量约为

1.5万亿太阳质量，其中大部分为暗物质中心区域有一个超大质量黑洞人马座A*，质量约为430万太阳质量银河系核心区域有一个横贯中心的棒状结构，长约

2.7万光年太阳位于银河系盘面内，距离中心约

2.7万光年，位于银河系猎户臂上太阳以约220公里/秒的速度围绕银河系中心运行，完成一周需约

2.25亿年，这被称为一个银河年自太阳系形成以来，太阳已经环绕银河系中心运行了约20-25圈银河系中的天体运动恒星运动星际气体运动星团运动银河系中的恒星以三种基本方式运星际气体包括原子氢、分子氢和电球状星团主要分布在银晕中，沿着动围绕银河系中心的圆周运动、离氢等不同形式，它们既参与银河高度倾斜的椭圆轨道运行，轨道周垂直于银河盘的震荡运动和相对于系整体旋转，也有复杂的局部运期约为数亿年这些古老星团的运局部标准静止的随机运动恒星运动气体云受恒星形成、超新星爆动轨迹保存了银河系早期形成的信动学特性与其年龄和出生位置密切发和旋臂密度波的影响，形成复杂息开放星团则主要位于银盘中，相关，年轻恒星通常有更规则的圆的湍流和射流结构星际气体的运随银盘一起旋转，同时经历缓慢解形轨道和较小的垂直震荡动可通过21厘米射电辐射和分子谱体过程，为银盘补充单独恒星线进行测量卫星星系银河系有多个卫星星系，大麦哲伦云和小麦哲伦云是最显著的两个这些矮星系围绕银河系运行，同时受到银河系潮汐力的强烈影响，导致恒星和气体被剥离，形成如麦哲伦气流等结构卫星星系的运动和分布提供了理解银河系暗物质晕分布的关键线索河外星系椭圆星系椭圆星系呈现椭球形或球形结构，缺乏明显的盘面和旋臂它们主要由老年恒星组成，星际气体和尘埃含量极低，因此恒星形成活动很少椭圆星系的大小差异极大，从矮椭球星系（仅含数百万颗恒星）到巨椭球星系（含数万亿颗恒星）后者通常位于星系团中心，可能是多个星系合并的结果旋涡星系旋涡星系具有明显的盘面结构和旋臂模式，可分为正常旋涡星系和棒旋星系旋臂是恒星形成活跃区域，呈现蓝色和亮粉色，反映年轻恒星和发光气体云的存在银河系是一个典型的棒旋星系，其他著名例子包括仙女座星系M31和三角座星系M33旋涡星系通常含有大量气体和尘埃，恒星形成活动活跃透镜状星系透镜状星系是椭圆星系和旋涡星系之间的过渡类型，具有盘面结构但缺乏明显旋臂它们通常有一个突出的中央核球和一个由老年恒星组成的平滑盘面透镜状星系的气体和尘埃含量低，恒星形成活动有限这种星系类型可能是旋涡星系演化的后期阶段，当星系用尽大部分气体后形成不规则星系不规则星系缺乏对称结构，形状不规则这类星系通常是由于星系相互作用或合并导致结构被扰动著名例子包括大小麦哲伦云（银河系的卫星星系）很多不规则星系含有丰富的气体和尘埃，恒星形成率高哈勃望远镜观测显示，早期宇宙中不规则星系的比例远高于现今宇宙宇宙大尺度结构星系宇宙最基本的可见结构单元，包含数百亿至数万亿颗恒星以及气体、尘埃和暗物质直径从几千光年到几十万光年不等银河系是一个中等大小的旋涡星系，直径约10万光年星系群含有数十个引力相互联系的星系组成的结构银河系所在的本星系群包含约50个成员，主导成员是银河系和仙女座星系星系群直径通常为数百万光年，总质量约10¹²-10¹³太阳质量星系团包含数百至数千个星系的大型结构，由引力束缚在一起典型直径为数百万至数千万光年，总质量约10¹⁴-10¹⁵太阳质量著名的星系团包括室女座星系团（约1,500个星系）和后发座星系团（约1,000个星系）超星系团由多个星系团和星系群组成的巨大结构，直径可达数亿光年我们所在的拉尼亚凯亚超星系团包含约10万个星系，总质量约10¹⁷太阳质量这些超星系团形成了宇宙宇宙网络的节点宇宙网络在最大尺度上，宇宙物质分布形成蜂窝状结构，由贯穿宇宙的巨大丝状结构（星系长城）、大尺度空洞和密集节点组成这种网络结构延伸数亿光年，反映了宇宙早期小密度波动的演化宇宙膨胀哈勃发现1929年，美国天文学家埃德温·哈勃通过观测多个河外星系的光谱红移，发现星系的退行速度与距离成正比这一发现表明宇宙不是静态的，而是在膨胀，成为现代宇宙学的奠基石红移证据星系光谱的红移是宇宙膨胀的主要观测证据当光源远离观测者时，光的波长被拉长，频率降低，光谱线向红端移动宇宙学红移与多普勒效应有所不同，它实际上是空间本身膨胀的结果，而非物体通过空间的运动哈勃常数哈勃常数描述了宇宙膨胀速率，定义为单位距离（1兆秒差距，约

3.26百万光年）的退行速度目前测量值约为每兆秒差距73公里/秒，但不同测量方法得出的结果有所差异，这一张力是当前宇宙学的重要问题加速膨胀1998年，通过观测遥远的Ia型超新星，天文学家发现宇宙膨胀正在加速，而非减速这一意外发现表明宇宙中存在一种未知的暗能量，提供斥力抵抗引力，推动宇宙加速膨胀该发现为2011年诺贝尔物理学奖的获奖成果大爆炸理论微波背景辐射理论提出宇宙微波背景辐射（CMB）是大爆炸理论的大爆炸理论最初由比利时神父乔治·勒梅特于最强有力证据，由彭齐亚斯和威尔逊于19641927年提出，后由乔治·伽莫夫等人发展这年意外发现这是宇宙在约38万年时释放的一理论描述宇宙起源于约138亿年前的一个光子，当时电子与质子复合形成中性氢，宇极度致密、高温的奇点，随后迅速膨胀冷宙变得对光透明如今这些光子已冷却至却，形成现今宇宙

2.7K，成为微波辐射宇宙结构演化元素丰度大尺度宇宙结构的观测与大爆炸理论框架下观测到的宇宙中氢、氦和锂的原始丰度与大的结构形成模型相符从宇宙微波背景辐射爆炸核合成理论预测的比例非常吻合根据中的细微温度波动到今天的星系分布，这一理论，大爆炸后的前3分钟，宇宙中形成了约演化过程可在计算机模拟中重现，特别是引75%的氢、25%的氦和微量的锂，这与观测入暗物质和暗能量后，模型与观测高度吻结果高度一致合宇宙年龄的测定宇宙演化普朗克时期大爆炸后的10^-43秒内，四种基本力（引力、强力、弱力和电磁力）统一为一种力这一时期的物理条件超出了现有理论的适用范粒子形成时期围，需要量子引力理论才能描述大爆炸后的第一秒至三分钟，宇宙温度从10^32K降至10^9K基本粒子形成，夸克结合成质子和中子，开始进行核合成，形成氢、氦辐射主导时期和微量锂元素从大爆炸后几分钟到约38万年，宇宙处于不透明的等离子态，辐射与物质紧密耦合随着宇宙冷却至约3000K，电子与原子核结合形成中性原子，宇宙变得透明，释放出今天观测到的宇宙微波背景辐结构形成时期射从38万年到几亿年，第一批恒星和星系开始形成在暗物质的引力作用下，小尺度结构先形成，然后逐渐合并成更大的结构，形成了今天观测到的星系、星系团和宇宙网络现代宇宙过去70亿年，宇宙进入暗能量主导阶段，膨胀开始加速星系继续演化，大质量恒星寿命结束后产生的超新星爆发将重元素释放到星际空间，新一代恒星系统（如太阳系）形成，最终孕育生命恒星的演化恒星的生命始于巨大的分子云，在自身引力作用下塌缩，中心温度和压力不断升高当核心温度达到约1000万K时，氢核聚变开始，恒星进入稳定的主序阶段，这一阶段占恒星寿命的90%太阳质量的恒星主序寿命约为100亿年，而8倍太阳质量的恒星仅有数千万年当核心氢燃料耗尽后，恒星进入红巨星阶段，外层膨胀，核心收缩升温中小质量恒星（小于8倍太阳质量）最终通过抛射行星状星云结束生命，留下白矮星；大质量恒星会经历超新星爆发，根据剩余质量形成中子星或黑洞恒星死亡过程中释放的重元素成为下一代恒星和行星系统的原材料，这一循环构成了宇宙的化学演化黑洞奇点黑洞中心的无限密度点，时空曲率无限大1事件视界光也无法逃脱的边界，是黑洞的实际边缘吸积盘围绕黑洞旋转的高温物质，是观测黑洞的主要手段喷流从黑洞极区喷射的高能粒子束，可延伸数万光年黑洞是时空中引力极端强大的区域，任何物质或辐射一旦越过事件视界就无法逃脱黑洞由爱因斯坦广义相对论预测，最初被认为只是数学解而非实际存在的天体黑洞通常由大质量恒星坍缩形成，恒星核心超过3倍太阳质量时，任何已知力量都无法阻止其引力坍缩成黑洞黑洞按质量分为几类恒星级黑洞（3-100倍太阳质量）、中等质量黑洞（100-10万倍太阳质量）和超大质量黑洞（百万至数十亿倍太阳质量）2019年，事件视界望远镜团队发布了人类历史上第一张黑洞照片，展示了M87星系中心超大质量黑洞的轮廓，这一突破性成果为黑洞理论提供了直接证据中子星和脉冲星中子星的特征脉冲星的发现中子星是恒星演化的终极阶段之一，形成于8-25倍太阳质量恒星1967年，英国天文学家乔瑟琳·贝尔发现了第一个脉冲星，最初的超新星爆发过程中当这类恒星核心坍缩时，电子与质子结合这种规律性无线电信号被误认为可能是外星智能生命发出的后形成中子，创造了这种异常致密的天体来证实，脉冲星是快速自转的中子星，自转周期从数秒到毫秒不等典型中子星直径仅约20公里，但质量达到

1.4-2倍太阳质量，密度极高，一茶匙中子星物质质量约为10亿吨它们是宇宙中除脉冲星像宇宙灯塔一样，磁极产生的辐射束随着自转扫过地球，黑洞外最致密的天体，表面引力比地球强约10¹¹倍形成规律的脉冲信号这些脉冲极其稳定，某些毫秒脉冲星的计时精度可达原子钟水平，成为研究极端物理条件和精确宇宙测量中子星表面温度可达数百万度，主要辐射X射线它们通常具有的工具极强磁场，强度可达10⁸-10¹⁵特斯拉，是地球磁场的数万亿倍这种强磁场导致了许多独特的高能现象双脉冲星系统PSR B1913+16的轨道衰减为广义相对论提供了间接证据，证实了引力波的存在2017年发现的中子星并合事件GW170817则提供了引力波和电磁波的多信使观测，开启了多信使天文学时代超新星爆发型超新星型超新星Ia IIIa型超新星源于双星系统中的白矮II型超新星是大质量恒星（超过8倍太星当白矮星从伴星吸积物质达到钱阳质量）生命终结时的壮观爆发当德拉塞卡极限（约

1.4倍太阳质量）这类恒星核心燃料耗尽，核心在自身时，碳核聚变失控，导致整个星体在引力作用下急剧坍缩，而后反弹形成几秒内爆炸由于起始条件相似，Ia爆炸波，将外层抛射到星际空间这型超新星亮度非常一致，成为测量宇类超新星通常留下中子星或黑洞宙距离的标准烛光元素合成超新星是宇宙中最强大的元素工厂，在爆发过程中通过快速中子捕获（r过程）合成铁以上的重元素，包括金、银、铂和铀等人体中的碳、氧部分来自恒星内部，而钙、铁等则主要来自古老超新星的贡献这意味着从字面意义上讲，我们都是星辰的孩子超新星是宇宙中最剧烈的爆发事件之一，释放的能量可相当于恒星一生辐射能量的总和，亮度可超过整个星系在爆发顶峰，超新星可达到约100亿倍太阳光度，远距离也可被观测到历史上人类肉眼可见的超新星包括1054年的蟹状星云超新星和1604年的开普勒超新星星际旅行的可能性曲速引擎理论物理障碍推进技术曲速引擎概念源于米格实现星际旅行面临的主要物现有较为现实的星际推进概尔·阿尔库比耶的理论工理障碍包括传统推进方式念包括核脉冲推进（如奥作，它设想通过操控时空几下接近光速所需的巨大能利安计划）、核聚变火箭、何，在飞船前方压缩空间、量、相对论效应导致的时间离子驱动、太阳帆、激光推后方扩张空间，使飞船在一膨胀、星际辐射和微尘对高进和反物质推进器等这些个时空气泡中移动这种速航行器的威胁、以及维持技术可能使飞船达到约

0.1-方式理论上可以绕过光速限长期生命支持系统的挑战

0.2倍光速，将星际旅行时制，因为飞船本身并不在局间缩短到数十年级别部空间中超光速运动，而是乘坐移动的时空人员运输方案面对漫长的星际旅程，人类可能采取的解决方案包括多代飞船（乘员在飞船上生活繁衍多代）、休眠技术（将乘员置于生物学休眠状态）、以及数字化思维上传等前沿概念这些方案各有优缺点，但都需要突破性技术进展时间膨胀效应天文学前沿问题暗物质本质奇点问题暗能量与宇宙命运尽管暗物质的引力效应已被广泛观测，但其黑洞中心的奇点是现代物理学最大谜团之暗能量导致宇宙加速膨胀，但其本质仍是谜本质仍是未解之谜主要候选者包括弱相互一，在这一点上密度和曲率变为无限大，现团它可能是爱因斯坦宇宙学常数（真空能作用大质量粒子（WIMPs）、轴子和原初有物理定律失效解决奇点问题可能需要量量）、动态能量场（如精灵场）或修正引力黑洞目前科学家正通过多种探测器寻找直子引力理论，如弦理论或环量子引力，将广理论的表现暗能量的性质将决定宇宙的最接证据，包括地下实验室的散射探测、粒子义相对论与量子力学统一有些理论认为奇终命运持续加速膨胀（大撕裂）、无限膨加速器的碰撞实验和间接探测暗物质湮灭或点可能被量子效应所替代，形成密度极高但胀但速率趋于稳定，或者如果暗能量性质随衰变产生的信号有限的区域时间变化，可能最终转为收缩天文学与其他学科的交叉天体物理学将物理学原理应用于天体现象的研究，包括恒星结构与演化、高能天体物理、宇宙射线和中微子天文学等量子力学解释恒星内部核聚变过程，广义相对论描述黑洞和宇宙学，粒子物理则帮助理解早期宇宙和天体高能过程天体化学研究宇宙中的化学元素和分子，包括其起源、演化和分布通过光谱分析揭示恒星组成和年龄，探索星际分子形成机制，追踪元素从恒星核合成到行星系统形成的循环这一领域与地球化学紧密联系，帮助理解太阳系和地球的化学起源宇宙生物学探索宇宙中生命起源、分布和未来的跨学科领域研究极端环境中的生命形式，寻找系外行星的生物标志，评估宜居带的条件，设计探测外星生命的方法这一领域结合天文学、生物学、地质学和化学，探索人类在宇宙中的位置和可能性计算天文学利用高性能计算和数据科学技术处理和分析海量天文数据现代天文望远镜每晚产生数TB数据，需要自动化数据处理管线和机器学习算法识别天体和现象计算模拟也成为理解复杂天体过程的重要工具，从恒星形成到星系演化都依赖精密数值模拟总结与展望太阳系探索恒星与行星从近地天体到遥远的柯伊伯带，我们的太阳系研系外行星探测与恒星演化研究揭示了更广阔的宇究不断深入宙图景前沿与未来星系与宇宙学暗物质、暗能量和多信使天文学正引领天文学进从银河系到宇宙大尺度结构，我们理解了宇宙的入新时代基本框架在本课程中，我们系统学习了天体运行的基本规律，从地球和月球的运动到行星绕日运行，从恒星的诞生到死亡，从银河系结构到宇宙大尺度特性这些知识不仅帮助我们理解宇宙的过去和现在，也为预测其未来提供了框架天文学正处于黄金发展时期，未来几十年将有更多突破性发现詹姆斯·韦伯空间望远镜将观测宇宙第一批恒星和星系；下一代大型地基望远镜将详细研究系外行星大气；引力波天文学将打开观测宇宙的新窗口这些进展将进一步拓展我们对宇宙的认识，或许最终解答生命起源和宇宙命运的终极问题。