五年级上册《探索宇宙》课件

探索宇宙欢迎来到《探索宇宙》课程！在这个神奇的旅程中，我们将一起揭开宇宙的神秘面纱，探索从我们脚下的地球到遥远星系的奇妙世界宇宙是一个充满奇迹和未解之谜的地方，它包含了无数的恒星、行星、星云和黑洞通过这些课时，我们将了解宇宙的起源、结构以及人类如何探索这个浩瀚的空间让我们一起踏上这段激动人心的太空之旅，探索我们在这个无限宇宙中的位置和意义！学习目标认识宇宙基本概念了解宇宙的定义、大小和年龄，建立对宇宙基本结构的认识掌握太阳系知识识别太阳系中的八大行星及其特点，了解太阳系中其他天体的特征了解宇宙探索方法认识人类探索宇宙的工具和技术，了解重要的太空任务及其成就思考生命与宇宙探讨宇宙中可能存在的生命形式，思考人类在宇宙中的地位和未来什么是宇宙？宇宙的定义宇宙的组成宇宙是指所有存在的空间、时间、物质和能量的总和它包宇宙主要由普通物质、暗物质和暗能量组成普通物质仅占含了我们能观测到的一切，以及那些尚未被发现的事物宇宇宙总量的约，而我们尚不完全了解的暗物质和暗能量则5%宙中有数十亿个星系，每个星系中又有数十亿颗恒星占了其余暗物质通过引力影响可见物质，而暗能量则推95%动宇宙的加速膨胀在古代，人们认为地球是宇宙的中心，但随着科学的发展，我们现在知道地球只是太阳系中的一个行星，太阳系则是银河系中的一个微小部分，而银河系又只是宇宙中无数星系之一宇宙的大小地球与太阳系地球直径约为12,742公里，而太阳系的直径约为9光时（从太阳到海王星的距离的两倍）一光时是光在一小时内传播的距离，约为10亿公里银河系我们的银河系是一个巨大的旋涡星系，直径约为10万光年一光年是光在一年内传播的距离，约为

9.5万亿公里银河系中大约有2000亿至4000亿颗恒星本星系群银河系属于一个包含约54个星系的本星系群，直径约为1000万光年最著名的成员包括仙女座星系和三角座星系可观测宇宙可观测宇宙的直径约为930亿光年，包含约2万亿个星系这是我们目前能够观测到的宇宙范围，受限于宇宙的年龄和光速宇宙的年龄宇宙大爆炸1根据现代宇宙学理论，宇宙起源于约138亿年前的一次大爆炸这一理论认为，宇宙最初是极其热密的一个点，随后开始膨胀原始元素形成2大爆炸后的最初几分钟，宇宙中形成了氢、氦等最轻的元素这个过程被称为大爆炸核合成星系和恒星形成3大约在宇宙诞生后3亿年，第一批恒星和星系开始形成这些早期的恒星通过核聚变创造了更重的元素太阳系形成4我们的太阳系形成于约46亿年前，比宇宙本身年轻约92亿年地球和其他行星从围绕年轻太阳的气体和尘埃盘中形成太阳系概览组成部分形成过程太阳系由太阳、八大行星及其卫星、太阳系形成于约亿年前，起源于一46矮行星、小行星、彗星和陨石等组成个旋转的气体和尘埃云随着云气的12这些天体通过引力相互作用，围绕太收缩，中心形成了太阳，周围的物质阳运行则形成了行星和其他天体太阳系结构柯伊伯带和奥尔特云太阳系内部行星（水星、金星、地球、在海王星轨道之外存在着柯伊伯带和43火星）主要由岩石组成，而外部行星更远的奥尔特云，这些区域含有大量（木星、土星、天王星、海王星）则的冰质小天体，是许多彗星的来源主要由气体和冰组成太阳我们的恒星基本特征能量来源太阳是一颗型主序星，直径约太阳通过核聚变产生能量，每秒G为万公里，相当于地球直径将约万吨氢转化为氦这个139600的倍它的质量约为地球的过程释放出巨大的能量，以光和109万倍，占太阳系总质量的热的形式向太空辐射这些能量33太阳表面温度约为支持着地球上的生命和气候系统

99.86%，核心温度可达万5500°C1500°C太阳活动太阳表面存在多种活动现象，如黑子、耀斑和日冕物质抛射这些活动受到太阳磁场的影响，遵循约年的周期变化强烈的太阳活动可能干11扰地球的通信系统和电网太阳系八大行星行星距离太阳直径（地球自转周期公转周期（天文单位））=1水星天天

0.

390.

3858.688金星天天

0.

720.95243225地球小时天

1.

001.0024365火星小时天

1.

520.

5324.6687木星小时年

5.

2011.

29.912土星小时年

9.

549.

4510.729天王星小时年

19.

24.

017.284海王星小时年

30.

13.

916.1165水星最靠近太阳的行星

0.39天文单位水星距离太阳平均约

0.39天文单位，是最靠近太阳的行星°430C最高温度白天表面温度可达430°C，夜间则降至-180°C88公转天数水星每88个地球日完成一次绕太阳公转

58.6自转天数水星完成一次自转需要

58.6个地球日水星表面遍布陨石坑，与月球表面相似由于缺乏大气层的保护，水星表面直接暴露在太空中，受到小行星和彗星的持续撞击水星的核心相对较大，占行星体积的约40%，主要由铁组成金星地球的邻居极端温度致密大气层逆行自转金星是太阳系中最热金星拥有一个主要由与其他行星不同，金的行星，表面平均温二氧化碳组成的厚重星的自转方向与公转度约为，足以熔大气层，大气压力是方向相反（顺时针），462°C化铅这种高温是由地球的约倍浓密一次自转需要个地92243强烈的温室效应造成的硫酸云层环绕整个球日，比它绕太阳公的，大气中的二氧化行星，使我们无法直转一周的时间（天）225碳捕获并保持了太阳接观察其表面还长热量地球我们的家园水循环大气层地球表面被水覆盖，这些水在海71%氮气和氧气组成的大气层78%21%洋、大气和陆地之间循环，支持生命保护地球免受有害辐射，调节温度存在生物多样性磁场地球是唯一已知拥有生命的行星，估地球的磁场由内核运动产生，偏转太计有超过万种物种共存阳风并创造极光景观800地球是太阳系中第三颗行星，也是唯一已知存在生命的天体它形成于约亿年前，距离太阳一个天文单位（约亿公里）

461.496这个距离使地球处于适居带内，温度适中，液态水能够稳定存在于表面火星红色星球红色表面古代水源两个小卫星火星表面呈现红色是因为富含氧化铁虽然现在的火星干燥且寒冷，但有证据火星有两个小卫星火卫一（）Phobos（铁锈）的土壤这种特殊的颜色使火表明它曾拥有丰富的水资源干涸的河和火卫二（）它们形状不规Deimos星在夜空中容易被辨认出来，也赋予了床、湖盆和冲积扇等地质特征表明，液则，可能是被火星引力捕获的小行星它红色星球的绰号火星的表面特征态水曾在火星表面流动科学家认为火火卫一正在逐渐靠近火星，预计在几千包括巨大的火山、峡谷、沙丘和极地冰星曾有更温暖、更湿润的气候万年后将被引力撕碎或撞击火星表面盖木星巨行星之王318地球质量木星的质量是地球的318倍，占太阳系所有行星质量的71%11地球直径木星直径约为地球的11倍，是太阳系中最大的行星79+已知卫星木星有至少79颗已确认的卫星，数量在太阳系行星中最多400风速km/h大红斑是一个持续了至少400年的巨大风暴，风速可达400公里/小时木星主要由氢和氦组成，与恒星成分相似，但质量不足以启动核聚变木星强大的磁场是太阳系中最强的，其辐射带对航天器构成威胁木星的大气层呈现出多彩的条纹和涡旋，其中最著名的是大红斑土星光环之美光环结构由数以万计的冰块和岩石碎片组成的薄片系统1卫星系统2拥有颗已知卫星，其中包括泰坦唯一有浓密大气层的卫星82——气态巨行星3主要由氢和氦组成，密度低于水，理论上能漂浮在足够大的水池中土星是太阳系中第六颗行星，最著名的特征是其壮观的环系统虽然其他巨行星也有环，但土星的环最大、最明亮，从地球上用小型望远镜就能看到这些环的直径约为万公里，但厚度仅有约米2710-100土星的大气层也呈现出条带状结构，但比木星的色彩更为柔和土星的内部存在着一个岩石核心，被金属氢层和液态氢氦层所包围土星强风可/达公里小时，是太阳系中风速最快的行星1800/天王星侧卧的行星独特的自转轴蓝绿色大气天王星最引人注目的特点是其自天王星呈现出独特的蓝绿色调，转轴与公转轨道几乎垂直，倾角这是由于其大气中含有甲烷气体，约为度这意味着天王星是能够吸收红色光线而反射蓝绿色98侧卧着绕太阳公转的，就像一光线天王星大气主要由氢、氦个滚动的球这种极端倾斜可能和甲烷组成，其上层大气温度约是由于早期太阳系形成过程中的为，是太阳系中最冷的行-224°C巨大碰撞造成的星大气环系统和卫星天王星拥有条细小的环和颗已知卫星与其他巨行星不同，天王星1327的环主要由较大的暗色颗粒组成，而不是明亮的冰粒子其卫星以莎士比亚和亚历山大蒲柏作品中的角色命名·海王星蓝色巨人超级风暴海王星拥有太阳系中最强的风，风速可达2100公里/小时这些超级风暴围绕行星环绕，创造出动态的气象系统最著名的风暴曾是大黑斑，1989年被旅行者2号探测器发现，但现已消散冰冷行星海王星被归类为冰巨星，内部含有较高比例的水、氨和甲烷冰尽管表面温度极低（约-214°C），但海王星内部温度可达5000°C以上，足以产生巨大的热能神秘卫星海王星有14颗已知卫星，最大的是海卫一（Triton）海卫一是太阳系中唯一一颗逆行运动的大型卫星，表明它可能是被海王星引力捕获的柯伊伯带天体海卫一表面温度约-235°C，是太阳系中已知最冷的天体之一小行星带位置与形成数量与大小组成与价值小行星带位于火星和木星轨道之间，是小行星带中已知的小行星超过一百万个小行星的成分多种多样，包括岩石、金太阳系中大量小行星集中的区域科学最大的小行星是谷神星（），直属和冰的混合物一些小行星富含稀有Ceres家认为，这些小行星是太阳系早期形成径约为公里，被归类为矮行星大金属和矿物，如铂、金和稀土元素，潜940过程中未能聚合成行星的原始物质木多数小行星的尺寸从几米到几百公里不在具有巨大的经济价值未来的采矿任星强大的引力干扰阻止了这些物质形成等，形状不规则，缺乏足够的质量形成务可能会针对这些资源丰富的天体行星球形彗星太阳系的访客彗星结构接近太阳彗星主要由彗核、彗发和彗尾组成，当彗星接近太阳时，表面物质受热气核心是冰和尘埃的混合物化形成彗发和彗尾周期性访问轨道特性一些彗星如哈雷彗星每隔一段固定时大多数彗星来自太阳系边缘的奥尔特间回归内太阳系云或柯伊伯带彗星被称为太空雪球或脏雪球，因为它们主要由冰、尘埃和岩石碎片组成最著名的周期彗星是哈雷彗星，大约每年回归76一次，下次出现将在年彗星被认为是太阳系早期形成的原始物质，研究它们有助于了解太阳系的起源2061流星与陨石太空碎片小颗粒物质在太空中漂浮流星进入地球大气层燃烧发光陨石未完全燃烧坠落到地表科学研究提供太阳系早期信息流星，也被称为流星雨或射星，是空间碎片进入地球大气层时与空气摩擦燃烧产生的光亮现象这些碎片通常来自彗星尾部脱落的尘埃或小行星碰撞产生的碎片当地球穿过彗星轨道上的碎片密集区域时，会出现流星雨，如每年8月的英仙座流星雨和12月的双子座流星雨陨石是未在大气层中完全燃烧而坠落到地球表面的天外物体它们是研究太阳系早期历史的宝贵资源，有些陨石甚至包含了在地球上不常见的有机化合物月球地球的卫星3474直径公里月球是太阳系中第五大卫星，直径约为地球的四分之一384,400平均距离公里月球距离地球约38万公里，光需要

1.3秒传播到月球

27.3公转周期天月球环绕地球一周需要

27.3天，与自转周期完全相同12登月宇航员迄今为止共有12名宇航员在阿波罗任务中登上月球月球是地球唯一的天然卫星，可能形成于约45亿年前一个火星大小的天体与原始地球碰撞后的碎片重新聚合月球对地球有重要影响，包括产生潮汐、稳定地球自转轴和减缓地球自转速度其他行星的卫星太阳系中的巨行星拥有庞大的卫星系统木星的四大卫星（木卫一至木卫四）被称为伽利略卫星，因为它们是伽利略在年1610最先发现的其中木卫三（）表面覆盖着冰层，科学家认为其下可能存在液态水海洋，是寻找太阳系内生命的重要目标Europa土星最大的卫星泰坦（）是太阳系中唯一拥有浓密大气层的卫星，表面有类似地球的河流、湖泊和海洋，但其中流动的不是Titan水，而是液态甲烷和乙烷海王星的海卫一（）表面温度极低，有间歇性的氮气喷发现象Triton太阳系之外银河系银河系结构我们的银河系是一个巨大的旋涡星系，直径约为10万光年，中心有一个超大质量黑洞银河系由核球、盘面和晕组成，其中盘面上有明显的旋臂结构太阳位于银河系的猎户臂上，距离中心约

2.6万光年恒星数量银河系中估计有2000亿至4000亿颗恒星，大部分集中在盘面和核球区域这些恒星的类型、大小、温度和年龄各不相同，从年轻的蓝色巨星到年老的红巨星，以及致密的中子星和黑洞星际物质银河系中充满了星际气体和尘埃，这些物质构成了新恒星形成的原料一些区域气体密度较高，形成了分子云，这是恒星诞生的摇篮这些云的塌缩会导致新的恒星和行星系统形成银河系运动银河系不是静止的，它以约828,000公里/小时的速度围绕自身中心旋转，太阳需要约

2.5亿年完成一次绕银河系中心的公转此外，银河系本身也在宇宙中移动，与仙女座星系共同围绕本星系群的共同中心旋转恒星的生命周期分子云恒星的诞生始于冷却的分子气体云，主要由氢和氦组成在某些区域，由于引力不稳定、超新星爆炸的冲击波或星系碰撞，气体开始收缩原恒星阶段随着气体继续塌缩，中心区域变得越来越热密当温度和压力足够高时，氢开始聚变成氦，释放出巨大能量，恒星点燃周围的物质形成原行星盘，可能发展成为行星系统主序星阶段一旦核聚变稳定，恒星进入主序阶段，这是恒星生命中最长的阶段太阳目前处于这一阶段，预计还将持续约50亿年在这个阶段，引力内塌和核聚变产生的辐射压力达到平衡恒星死亡当核心氢耗尽后，恒星开始燃烧更重的元素根据质量不同，恒星会膨胀为红巨星，最终演化为白矮星（如太阳）、中子星或黑洞（大质量恒星）一些大质量恒星会以超新星爆炸结束生命星座夜空中的图案北斗七星猎户座天蝎座北斗七星是大熊座的一部分，由七颗明猎户座是冬季天空中最显眼的星座之一，天蝎座是南半球夏季和北半球冬季可见亮的恒星组成它在北半球全年可见，代表神话中的猎人它的特征是三颗排的星座，形状像一只蝎子其中最亮的是最容易识别的星座之一北斗七星的成一线的猎户腰带星猎户座中还包是红色巨星心宿二（），名字意Antares指向可以帮助找到北极星，从而确定北含著名的猎户座大星云，这是一个活跃为火星的对手，因其红色外观与火星方的恒星形成区域相似黑洞宇宙的神秘天体引力陷阱黑洞是一个空间区域，其引力如此强大，连光都无法逃脱当大质量恒星耗尽核燃料后发生引力塌缩，可能形成黑洞事件视界黑洞的边界被称为事件视界，越过这个边界的物质和信息将永远无法返回事件视界的大小与黑洞质量成正比吸积盘许多黑洞周围环绕着由气体和尘埃组成的吸积盘物质在落入黑洞前会加热到极高温度，发出强烈的X射线辐射黑洞观测虽然黑洞本身不发光，但科学家可以通过观测其对周围物质和光线的影响来研究它们2019年，人类首次拍摄到黑洞的照片星云恒星的摇篮星云的类型恒星形成著名星云星云是星际空间中的气体和尘埃云，有许多星云是新恒星诞生的场所在分子猎户座大星云（）是最著名的星云M42多种类型发射星云发出自己的光；反云内部，物质在自身引力作用下逐渐塌之一，肉眼即可看到，位于猎户座的射星云反射附近恒星的光；暗星云吸收缩，形成原恒星核心随着核心温度升剑部位鹰状星云中的创生之柱因背景光线形成黑暗区域；行星状星云是高，最终点燃核聚变反应，新恒星诞生哈勃太空望远镜拍摄的照片而闻名于世恒星死亡时喷出的气体壳层这些不同年轻恒星的强烈辐射和恒星风常常能吹蟹状星云是一个超新星遗迹，记录了类型的星云展现出宇宙中物质循环的不散周围的气体，创造出壮观的形态年中国天文学家观测到的超新星爆1054同阶段发星系宇宙的基本单元旋涡星系不规则星系旋涡星系如我们的银河系，具有盘状不规则星系缺乏对称形状，常常是由结构和明显的旋臂旋臂中含有大量于星系间的引力相互作用或碰撞造成气体、尘埃和年轻恒星旋涡星系可的它们通常含有大量气体和尘埃，椭圆星系星系团和超星系团分为有棒旋涡和无棒旋涡两类，取决恒星形成活动活跃大小麦哲伦云是于中心区域是否有棒状结构银河系的两个不规则卫星星系椭圆星系形状从近球形到扁平椭圆不星系不是孤立的，而是在引力作用下等，缺乏明显的旋臂结构它们通常形成星系团我们的银河系属于本星包含较老的恒星，恒星形成活动较少，系群，与仙女座星系和其他约54个星星际气体和尘埃含量低椭圆星系常系共同组成星系团进一步聚集形成见于星系团的中心区域超星系团，构成宇宙的大尺度结构2314宇宙大爆炸理论时间零点约138亿年前，宇宙从一个极其热密的奇点开始膨胀这个初始状态的性质尚不清楚，因为当前物理学在极端条件下不适用暴涨时期大爆炸后极短时间内（10^-32秒），宇宙经历了指数级的快速膨胀，称为暴涨这一理论解释了宇宙的平坦性和均匀性原始核合成在大爆炸后的最初几分钟，宇宙温度足够高，能够进行核反应，形成了氢、氦和微量锂这些是宇宙中最初的化学元素恒星和星系形成大约在宇宙年龄3亿年时，第一批恒星和星系开始形成这些早期恒星通过核聚变产生了更重的元素，丰富了宇宙的化学成分宇宙大爆炸理论的主要证据包括宇宙微波背景辐射（宇宙早期的回声）、宇宙的膨胀、宇宙中轻元素的丰度比例以及星系的大尺度分布但这一理论并不解释大爆炸之前发生了什么，或为何会发生大爆炸宇宙膨胀暗物质与暗能量

4.9%

26.8%普通物质暗物质组成恒星、行星和生命的常规物质所占比例不与光或其他电磁辐射相互作用的神秘物质

68.3%暗能量导致宇宙加速膨胀的未知能量形式暗物质是一种假设存在的物质形式，不发光也不吸收光，但通过引力影响可见物质科学家通过观察星系旋转曲线、星系团中可见物质的不足质量以及宇宙微波背景辐射推断出暗物质的存在暗物质的本质仍是物理学最大谜团之一，可能的候选者包括弱相互作用大质量粒子（WIMP）和轴子暗能量更加神秘，是一种推动宇宙加速膨胀的能量形式1998年，科学家发现宇宙膨胀不是减慢而是加速，这一出人意料的发现导致暗能量概念的提出暗能量可能是空间本身的固有特性，类似于爱因斯坦曾提出的宇宙学常数探索宇宙的工具望远镜光学望远镜射电望远镜光学望远镜是最常见的天文工具，射电望远镜接收来自天体的无线电收集可见光以观察天体它们可分波，能够观察到光学望远镜看不见为折射式（使用透镜）和反射式的现象它们通常是大型碟形天线（使用镜子）两种大型天文台通或天线阵列中国的天眼（五FAST常使用反射式望远镜，因为它们可百米口径球面射电望远镜）是世界以制造得更大，从而收集更多的光上最大的单口径射电望远镜射电线业余天文爱好者也常使用小型望远镜对研究脉冲星、类星体和宇光学望远镜观星宙微波背景辐射尤为重要空间望远镜太空望远镜位于地球大气层之外，避免了大气对观测的干扰它们可以观测各种波长的辐射，从伽马射线到红外线著名的空间望远镜包括哈勃太空望远镜和詹姆斯韦伯太空望远镜空间望远镜提供了最清晰的深空图像，帮助我们了解宇·宙的起源和结构哈勃太空望远镜发射与服务哈勃太空望远镜于年月日由发现号航天飞机发射升空，在距地球约1990424公里的轨道上运行它经历了五次航天飞机服务任务进行维修和升级，这550些任务显著延长了望远镜的寿命并提高了其性能科学成就哈勃太空望远镜取得了无数科学突破，包括帮助确定宇宙的年龄、观测遥远星系的形成、研究系外行星大气和拍摄如创生之柱等标志性天文照片它使宇宙变得触手可及，激发了公众对天文学的兴趣技术特点哈勃是一个米口径的反射式望远镜，装备了多台观测仪器，可以从紫外线

2.4到近红外线波段进行观测它的精确指向系统能够将目标锁定在角秒的

0.007精度内，相当于从纽约能看清华盛顿一枚硬币上的细节詹姆斯韦伯太空望远镜·下一代太空观测站革命性设计科学目标詹姆斯韦伯太空望远镜（）是哈韦伯望远镜的主镜由个六边形镀金铍韦伯望远镜的主要科学目标包括观测·JWST18勃的后继者，于年月日发射升镜片组成，展开后直径达米，比哈宇宙第一批恒星和星系的形成，研究星

202112256.5空它不是在地球轨道上运行，而是位勃大得多它主要观测红外波段，这使系演化，探索行星系统的形成和系外行于距离地球约万公里的拉格朗日点它能够穿透星尘云观察隐藏的天体，以星，以及研究太阳系内的天体它的观150，这个位置可以使望远镜保持稳定的及探测非常遥远的宇宙早期天体发出的测能力将帮助回答一些宇宙学中最基本L2轨道，同时最大限度地避免地球和太阳已被红移的光线的问题的热干扰地面天文台中国天眼（）超大型望远镜（）粒子加速器与探测器FAST ELT五百米口径球面射电望远镜（）位欧洲南方天文台的超大型望远镜（）虽然不是传统意义上的天文台，但如欧FAST ELT于贵州省平塘县，是世界上最大的单口正在智利建造中，将成为世界上最大的洲核子研究中心（）的大型强子对CERN径射电望远镜它的灵敏度使其能够接光学红外望远镜，主镜直径达米撞机这样的粒子加速器也在帮助我们理/39收来自宇宙深处的微弱信号，对研究脉将能够直接观测系外行星，研究第一解宇宙通过模拟宇宙早期的高能条件，ELT冲星、快速射电暴和寻找可能的外星文批星系的形成，并可能为宇宙加速膨胀科学家们可以研究基本粒子和力，揭示明信号具有重要价值提供新的线索宇宙的基本规律航天器太空探索的先锋早期太空探索（）1957-1970太空探索始于1957年苏联发射第一颗人造卫星斯普特尼克1号随后的探测器如美国的先驱者和苏联的月球系列实现了多个第一首次飞越月球、拍摄月球背面和首次软着陆这一时期的探测任务奠定了航天器设计的基础行星探测黄金时代（）1970-1989这一时期发射了许多有影响力的行星探测器旅行者1号和2号探测了外行星，现在已飞出太阳系海盗号实现了首次火星着陆，而先驱者金星号和苏联的金星号系列探测了金星这些任务大大扩展了我们对太阳系的了解新千年探索（至今）2000近年来的太空探测更加复杂和专业化好奇号和毅力号等火星车在红色星球上寻找生命迹象新视野号飞越了冥王星，朱诺号正在研究木星，而中国的嫦娥系列实现了月球背面软着陆等壮举这些任务使用了先进的仪器和技术阿波罗计划人类登月肯尼迪总统的挑战1961年5月，美国总统约翰·F·肯尼迪向国会发表演讲，提出在十年内将人类送上月球并安全返回地球的目标这一宏伟目标在冷战背景下提出，旨在展示美国的技术实力前期任务在阿波罗11号成功登月前，NASA进行了一系列准备任务阿波罗7号和9号测试了指令舱和登月舱；阿波罗8号实现了人类首次绕月飞行；阿波罗10号则进行了登月彩排，接近月面但没有着陆历史性的一小步1969年7月20日，阿波罗11号的登月舱鹰号成功降落在月球表面的静海地区尼尔·阿姆斯特朗成为第一个踏上月球的人，说出了那句著名的话这是一个人的一小步，但却是人类的一大步后续任务与遗产阿波罗计划共进行了六次成功的载人登月任务（阿波罗11-17号，其中13号未能登月）最后一次是1972年12月的阿波罗17号这些任务共带回382千克月球岩石样本，大大增进了我们对月球形成和演化的理解国际空间站大型合作项目国际空间站（ISS）是人类历史上最大的国际科学合作项目，由美国、俄罗斯、欧洲、日本和加拿大共同建造和运营建设始于1998年，2011年完成主体结构空间站长约109米，宽约73米，重约420吨，是地球轨道上最大的人造物体微重力实验室空间站是一个独特的微重力实验室，科学家在那里进行了超过3000项研究，涉及生物学、物理学、天文学和医学等多个领域这些实验帮助我们了解微重力环境对生物体的影响，测试新技术，以及为未来深空任务做准备持续人类居住自2000年11月以来，国际空间站一直有人类居住，是人类在地球轨道上持续存在最长的记录超过240名来自19个国家的宇航员曾在空间站生活和工作宇航员通常在站内停留6个月，轮换乘组确保空间站始终有人值守太空视角空间站以约28,000公里/小时的速度围绕地球运行，每90分钟完成一圈，宇航员每天可以看到16次日出和日落从空间站上可以观察地球气象系统、海洋洋流、森林火灾、城市灯光以及极光等壮观景象，提供了研究地球的独特视角火星探测任务早期探测（）1960-19801最早的火星探测由苏联和美国开展1965年，美国的水手4号首次成功飞越火星并传回照片1976年，美国的海盗1号和2号成功着陆并进行了生命探测实验，但结果不确定轨道器与着陆器（）1990-201021997年，美国的火星探路者任务将第一个火星车索杰纳送上火星2003年，欧洲的火星快车进入火星轨道，至今仍在工作2004年，勇气号和机遇号火星车着陆，后者工作了超过14年现代探测（至今）201032012年，好奇号火星科学实验室着陆，带来了更先进的科学仪器2020年，美国的毅力号携带首个火星直升机机智号着陆，中国的天问一号成功实现环绕、着陆和巡视阿联酋的希望号进入火星轨道这些火星探测任务共同绘制了火星的详细地图，研究了其地质历史，确认了古代水流的存在，分析了表面和大气成分，并为未来可能的载人任务铺平了道路未来的火星样本返回任务计划将火星岩石带回地球进行详细分析探索其他行星的任务除了火星外，人类也派出了许多探测器研究太阳系中的其他行星伽利略号（）对木星及其卫星进行了详细研究，发现了木卫1989-2003二（）可能存在的地下海洋卡西尼惠更斯号（）是人类探索土星最成功的任务，它详细研究了土星环系统，并将惠更Europa-1997-2017斯着陆器送到了土星最大的卫星泰坦表面信使号（）是第一个环绕水星的探测器，绘制了水星的完整地图旅行者号和号（年发射）在探索完木星和土星后，旅2004-2015121977行者号还访问了天王星和海王星，成为迄今唯一探测过这两颗行星的探测器如今，它们已飞出太阳系，成为人类最远的探测器2寻找系外行星宜居带生命可能存在的区域宜居带的定义太阳系的宜居带系外行星的宜居性宜居带是指围绕恒星的一个区域，在这在我们的太阳系中，宜居带大约位于在宜居带内并不保证行星适合生命存在个区域内，行星表面温度适中，可以维至天文单位之间（天文单位是其他因素如行星质量、大气成分、磁场

0.

951.671持液态水的存在液态水被认为是生命地球到太阳的平均距离）地球位于这保护和地质活动也很重要科学家特别存在的关键条件之一宜居带的位置取个区域内，而金星和火星分别位于宜居关注绕红矮星运行的宜居带行星，如比决于恒星的亮度和温度越亮的恒星，带的内外边缘附近虽然火星曾经可能邻星和系统中的行星，因b TRAPPIST-1其宜居带距离越远；越暗的恒星，其宜有液态水，但现在它太冷太干燥；而金为红矮星是最常见的恒星类型居带距离越近星则因温室效应变得过热寻找外星生命生命的基本条件太阳系内的目标科学家认为生命需要几个基本条件在太阳系内，几个天体被认为可能液态水作为溶剂，碳等元素作为构适合生命存在木卫二（）Europa建块，能量来源以及足够的时间让和土卫六（）拥有液态水或烃Titan复杂化学反应发生这种以碳为基类液体的海洋，而火星和土卫二础、以水为溶剂的生命是地球上唯（）也可能在地下拥有液Enceladus一已知的形式，但其他类型的生命态水未来的探测任务如木卫二快在不同条件下可能存在帆和龙飞船将专门研究这些天体生物标记的寻找在系外行星上，科学家寻找生物标记可能表明生命存在的化学信号这些——包括氧气、甲烷和水蒸气等气体的组合，这些组合在没有生命活动的情况下很难维持詹姆斯韦伯太空望远镜和未来的任务将有能力分析系外行星大气中的这·些成分项目搜寻地外文明SETI无线电搜索SETI（搜寻地外智能）项目主要通过监听来自太空的无线电信号来寻找可能的外星文明通信这基于这样一种假设先进的外星文明可能使用无线电波进行星际通信科学家们专注于特定频率，如水线（1420MHz），认为这可能是宇宙中共通的通信频率公民科学参与SETI@home是一个创新项目，利用全球志愿者的个人电脑处理射电望远镜收集的海量数据虽然该项目于2020年暂停，但它展示了公众参与科学研究的力量其他公民科学项目如银河动物园继续让普通人参与宇宙研究光学SETI除了无线电信号外，SETI研究人员也寻找可能的激光通信或其他光学信号先进文明可能使用强大的激光脉冲传输信息，这些信号比背景恒星光更集中和明显光学SETI项目使用特殊望远镜和探测器寻找这类短暂但强烈的光脉冲尽管SETI项目已经进行了几十年，至今尚未发现确认的外星信号，但研究人员认为这项工作价值巨大如果我们确实发现外星文明的证据，这将是人类历史上最重要的发现之一，彻底改变我们在宇宙中的自我认知宇宙中的水水在宇宙中的起源水分子（H₂O）在宇宙中相当普遍它由宇宙中最丰富的元素氢和在恒星内部形成的氧结合而成分子云中的水通常以冰的形式存在，但在特定条件下也可以是气态或液态太阳系中的水水在太阳系中分布广泛除了地球的海洋外，水以冰的形式存在于火星极地冰冠、月球的永久阴影区、彗星核心以及许多外行星的卫星上木卫

二、土卫二和冥王星等天体可能拥有巨大的地下液态水海洋地球水的来源研究表明，地球上的水可能部分来自早期太阳系的小行星和彗星撞击这些天体携带的水冰在撞击后释放，逐渐积累形成了海洋同位素分析显示，地球水的化学特征与某些小行星中的水相似系外行星上的水天文学家已经在多个系外行星的大气中探测到水蒸气的存在拥有适量液态水的系外行星是寻找外星生命的首要目标未来的望远镜将能够更详细地分析这些行星的水含量和分布宇宙中的有机分子极端环境中的生命嗜热生物嗜冷生物某些微生物能在极热环境中生存，如南极和北极的冰层中发现了能在零下温度高达的深海热液喷口和陆地122°C环境中生存的微生物这些生物20°C温泉这些生物通常依赖化学能而非产生天然防冻剂保护细胞火星上光能，这表明类似生命可能存在于木12的低温环境或木星和土星的冰冻卫星卫二或土卫二等有热液活动的天体上上可能存在类似的生命形式嗜酸和嗜碱生物耐辐射生物某些微生物适应了极酸（）或极如放射菌的一些微生物能耐受致命辐pH243碱（）环境这表明生命可以适射剂量，通过高效修复维持生存pH10DNA应各种化学条件，包括火星上的酸性这种能力对在高辐射环境中生存至关环境或其他星球上的特殊化学环境重要，如木星和土星辐射带附近的卫星表面地球生命的起源从化学到生物学地球生命可能起源于原始海洋中的化学反应米勒-尤里实验表明，在模拟地球早期大气条件下，简单化学物质在电闪雷鸣等能量源作用下可形成氨基酸等生命基本分子世界假说RNA许多科学家支持RNA世界假说，认为在DNA和蛋白质出现前，RNA既能储存遗传信息又能催化化学反应RNA分子可能是最早的自我复制系统，为生命进化奠定基础第一个细胞约40亿年前，简单的原核生物可能已在地球上出现这些单细胞生物可能起源于深海热液喷口，利用化学能源而非阳光生存，并发展出基本的新陈代谢和繁殖系统生命多样化约27亿年前，光合作用的出现彻底改变了地球氧气的积累使大气转变，催生了更复杂的真核生物，最终导致多细胞生物和今天地球上的丰富生物多样性宇宙中的生命可能性碳基复杂生命类似地球上的多细胞生物，可能在适宜的系外行星上进化1微生物生命2在较恶劣环境中也能存活的简单单细胞生物化学前生命系统3能够自我复制但不具备细胞结构的复杂分子系统有机分子4生命的基本构建块，在宇宙中广泛分布德雷克方程试图估计银河系中可能存在的具有通讯能力的文明数量，考虑了恒星形成率、适宜行星比例、生命出现概率等因素根据不同估计，结果从几乎只有地球到数百万个文明不等随着系外行星探测的进展，我们正在完善这些参数生命在宇宙中可能非常罕见，也可能相当普遍，这取决于从无生命到生命的过渡有多困难如果生命起源是一个高概率事件，那么宇宙中可能充满了各种形式的生命；如果是低概率事件，那么即使存在适宜条件，生命也可能极为稀少只有继续探索才能解答这个古老的问题航天员的太空生活日常生活心理挑战太空中的团队合作在国际空间站上，宇航员每天工作约长期太空任务面临许多心理挑战宇航国际空间站是多国合作的典范，来自不小时，主要进行科学实验、维护工员需要应对与家人朋友的分离、有限的同国家的宇航员必须克服语言和文化差

8.5作和锻炼他们每天必须锻炼小时以个人空间、工作压力以及舱内人员之间异紧密合作每位宇航员通常会学习多2对抗肌肉萎缩和骨质流失虽然生活在可能的冲突为缓解这些问题，宇航员种语言，特别是英语和俄语团队建设密闭空间，但宇航员可以通过特制设备可以通过视频通话与地球联系，获得心和冲突解决技能在太空中尤为重要，因享用各种食物，使用特制的睡袋在无理支持，并有私人时间从事娱乐活动如为在与地球隔离的环境中，合作是生存上下的环境中睡觉，并使用特殊设计阅读、听音乐和欣赏窗外壮观的地球景和任务成功的关键的卫生设施色失重环境的挑战骨质流失在微重力环境中，宇航员每月可能失去1%至2%的骨密度，特别是在承重骨骼如脊椎、骨盆和腿部这种骨质流失与地球上老年人的骨质疏松症相似，但速度快得多为对抗这一问题，宇航员必须每天使用特殊的抗阻力运动设备进行锻炼肌肉萎缩没有重力使肌肉工作，宇航员的肌肉会迅速萎缩特别是腿部和背部等抗重力肌肉受影响最严重返回地球后，宇航员可能需要几周到几个月才能恢复正常肌肉功能太空站上的跑步机和ARED（高级抗阻装置）帮助减轻这一影响心血管影响在地球上，重力将血液拉向腿部，但在太空中，血液更均匀地分布在身体中这导致宇航员脸部浮肿，腿部变细心脏不需要那么努力工作，可能变弱返回地球后，宇航员常常面临体位性低血压问题，站立时可能感到头晕视力变化许多宇航员报告视力问题，被称为太空飞行相关神经眼症候群SANS这与眼球内压力变化和脑脊液分布改变有关一些宇航员在任务后视力问题持续存在，这是长期太空飞行的主要健康担忧之一太空食品特殊加工技术太空菜单的变化太空食品必须经过特殊处理以确保早期的太空任务中，宇航员只能享安全和耐存储常用的方法包括冻用管装或块状食品如今，国际空干（移除食物中的水分但保留营养间站上的菜单包含多种食品，从300和味道）、热稳定化（类似罐头加美国、俄罗斯、日本和欧洲等地区工）和辐照（使用辐射杀死细菌）的传统菜肴宇航员可以选择个人这些方法确保食物在不需要冷藏的化的菜单，并可以使用调味料调整情况下可以保存长达数年口味特殊节日有庆祝餐，增加团队凝聚力太空中的饮食挑战没有重力，吃饭需要特殊技巧液体必须装在密封容器中，否则会形成漂浮的液滴食物需要固定在餐桌上，防止飘走宇航员必须特别小心碎屑，因为它们可能漂入敏感设备或被吸入肺部盐和胡椒以液体形式提供，因为粉末会漂浮并成为危险太空服宇航员的保护衣生命支持系统维持宇航员生命的核心系统组件防护层抵御微陨石、极端温度和辐射压力舱提供适宜气压和氧气供应内衣层温度调节和舒适贴身穿着太空服是一个小型宇宙飞船，为宇航员提供在太空中生存所必需的一切现代太空服重约140公斤（地球上），价值超过1200万美元它们必须承受温度从-157°C到+121°C的巨大变化，同时防护微陨石和高能辐射太空行走用的舱外活动服装备了多层材料，包括防撕裂的内层、气密层、保暖层和防陨石碎片的外层头盔配有特殊涂层可防紫外线和红外线辐射，手套设计精细以允许精确操作宇航员可在太空服中独立活动6-8小时，通过内置的冷却系统、二氧化碳去除装置和通信系统保持舒适和安全未来的太空旅行太空旅游深空探索太空资源利用随着私营航天公司如、蓝色起源未来的深空探索将使用更先进的推进系小行星和月球采矿可能成为未来太空经SpaceX和维珍银河的崛起，太空旅游正从科幻统，如核动力和离子推进，大幅缩短行济的重要部分小行星富含稀有金属和变为现实短期亚轨道飞行让游客体验星间旅行时间人类可能在本世纪内回水，而月球有氦等地球稀缺资源太-3几分钟失重和观看地球曲率，轨道酒店到月球并首次踏上火星太阳系外的探空制造可利用微重力环境生产特殊材料可能提供更长时间的太空体验，提供独索将依赖更先进的自动化探测器，可能和药物，并使用当地资源建造更大结构，特视角观赏地球和太空使用突破性推进技术如激光帆减少从地球发射物资的需求月球基地计划阿尔忒弥斯计划月球基地设计科学价值与经济效益的阿尔忒弥斯计划旨在年左月球基地面临多种挑战，包括辐射防护、月球基地将成为重要的科学前哨，允许NASA2025右将宇航员送回月球，并建立长期存在极端温度变化和陨石威胁设计方案包天文学家在无大气干扰的环境中建立望与年代的阿波罗计划不同，阿尔忒括利用月球土壤（月壤）建造防护层，远镜，地质学家研究月球和地球早期历1960弥斯强调可持续发展，计划在月球南极或在月球熔岩管中建立地下栖息地史，以及开展低重力生物学实验从经建立永久基地这一区域可能存在水冰，打印技术可能使用月壤作为建筑材济角度看，月球可能成为资源开采中心，3D可以分解为氧气和氢气，用于呼吸和火料，减少从地球运输的需求闭环生命特别是稀有元素和氦（一种潜在的核-3箭燃料支持系统将回收水和氧气，种植作物提聚变燃料）月球基地还将作为前往火供食物星和更远目的地的跳板火星殖民计划抵达与着陆建立栖息地使用重型运载火箭和先进着陆系统将人员和物建造防辐射、温度控制的生活空间，可能利用资送至火星表面火星土壤制造建筑材料社区发展资源利用随着人口增长，建立自给自足的社会和经济系开发利用火星现有资源，如大气中的二氧化碳统和土壤中的水冰火星殖民是人类太空探索最具挑战性的目标之一火星是太阳系中最适合人类定居的行星，拥有

24.5小时的日周期，重力约为地球的38%，大气虽然稀薄但存在，并有丰富的资源可供利用多个组织，包括NASA和SpaceX，都提出了火星殖民计划早期殖民者将面临诸多挑战，包括高辐射水平、尘暴、低温和心理压力解决方案包括地下栖息地、人工磁场和辐射屏蔽最终目标是通过改造环境（地球化）使火星更适合人类生存，可能包括增加大气密度、释放温室气体升高温度和引入植物产生氧气这一过程可能需要几百年甚至几千年时间行星际旅行的挑战推进系统限制传统化学火箭燃料效率低，难以提供长距离行星际旅行所需的速度即使使用最先进的火箭技术，前往火星的单程旅行也需要6-9个月，木星则需要数年未来的推进系统如核动力、离子推进或核聚变可能大幅缩短旅行时间辐射防护太空中的辐射包括银河宇宙射线和太阳粒子事件，对人体健康构成严重威胁地球的磁场和大气层为我们提供了自然屏障，但太空旅行者必须依靠人工屏蔽潜在解决方案包括增加飞船外壁厚度、使用水或氢作为屏蔽物，或创造人工磁场人体生理问题长期微重力环境导致肌肉萎缩、骨质流失、免疫系统削弱和心血管问题创造人工重力（如旋转飞船部分）可能是解决方案，但工程挑战巨大长期太空任务也需要考虑心理健康，包括克服隔离、单调和团队冲突生命支持系统长期太空任务需要高效的闭环生命支持系统，能够回收水、氧气和废物生物再生系统结合植物和微生物可以生产食物、净化水和生成氧气这些系统必须高度可靠，因为救援几乎不可能，任何故障都可能致命太阳帆未来的太空推进技术太阳帆原理太阳帆利用太阳光子对反射表面的辐射压力产生推力虽然每个光子产生的压力极小，但在太空真空中持续不断的压力积累可以使航天器达到很高的速度这种推进方式不需要燃料，理论上可以使飞行器持续加速，最终达到传统火箭无法实现的高速技术挑战太阳帆必须既轻又大，通常由厚度只有几微米的反光材料制成部署如此大型且脆弱的结构在太空中是一项工程挑战材料必须能够承受紫外线辐射、微陨石撞击和极端温度变化，同时保持高反射率控制和导航也很复杂，因为帆的方向调整决定了推力方向现实进展日本的IKAROS任务于2010年成功验证了太阳帆技术，部署了一个14米对角线的正方形帆，并利用阳光压力改变了轨道美国的LightSail2在2019年发射，展示了在地球轨道上使用太阳帆机动的能力NASA的近地小行星侦察任务（NEA Scout）计划使用太阳帆探测近地小行星未来应用太阳帆特别适合不需要快速到达的长距离任务潜在应用包括监测太阳极区的太空天气站、捕获小行星的采矿任务，以及探索外太阳系更先进的概念包括激光帆，使用地球或太空中的强大激光而非太阳光提供更集中的推力，理论上可以达到接近光速的速度宇宙学的未解之谜暗物质的本质尽管有大量间接证据表明暗物质存在，但其确切性质仍然未知科学家提出了多种可能的候选者，包括弱相互作用大质量粒子（WIMPs）、轴子和原初黑洞大型粒子探测器和天文观测正在寻找这种神秘物质的直接证据暗能量之谜暗能量是推动宇宙加速膨胀的神秘力量，占宇宙能量密度的约68%它可能是空间本身的一种属性，类似于爱因斯坦的宇宙学常数，或者是一种全新的能量场了解暗能量的本质是现代物理学最大的挑战之一宇宙的命运宇宙最终命运取决于其总质量、能量分布和暗能量性质如果暗能量密度保持不变，宇宙将永远膨胀，最终变得极为稀薄和寒冷（热寂）如果暗能量特性改变，宇宙可能最终停止膨胀并开始收缩，导致大挤压大爆炸之前我们的物理学模型只能追溯到大爆炸后极短时间，对于大爆炸前发生了什么几乎一无所知一些理论提出了可能的解释，如循环宇宙模型（宇宙经历无限次的膨胀和收缩）、多重宇宙或量子涨落自发产生我们的宇宙人类在宇宙中的地位地球的特殊性哥白尼原理的挑战地球是一个极其特殊的星球，其独特哥白尼原理认为人类在宇宙中并不占条件使复杂生命得以蓬勃发展液态据特殊位置这一观点挑战了地球中水的存在、适宜的温度范围、稳定的心论，并启发了现代宇宙学然而，恒星、保护性磁场和多样化的生态系随着我们对宇宙的理解加深，一些科统共同创造了生命的避风港虽然系学家提出了罕见地球假说，认为像外行星的发现表明类似地球的行星可地球这样适合高等生命的行星可能非能很常见，但与地球完全相同的环境常罕见，使我们的位置又变得某种程组合可能极为罕见度上特殊人类的责任无论我们在宇宙中是否特殊，人类都背负着保护地球生物圈的责任我们是已知唯一能够理解宇宙的生物，也是唯一能够有意识地改变行星环境的物种这种能力赋予我们特殊的责任，要求我们保护地球上的生命，同时审慎地探索太空，避免将地球的问题带到其他天体探索宇宙的意义技术创新知识与启发全球合作太空探索催生了众多技术创新，从医疗设太空探索拓展了人类知识的边界，帮助我太空探索历来是国际合作的榜样从国际备到通信技术，从太阳能电池到水净化系们理解宇宙的起源和我们在其中的位置空间站到联合任务探索火星和木星，太空统这些衍生技术改善了地球上数十亿人天文学和太空科学激发了无数年轻人对科项目展示了不同国家如何克服政治分歧，的生活解决太空探索中的独特挑战往往学的兴趣，培养了批判性思维和解决问题共同追求科学目标这种合作精神为解决需要创造性思维，产生的解决方案通常有的能力太空图像和发现激发了人类的想全球性挑战如气候变化提供了模式广泛的地球应用象力，展示了超越日常经验的壮丽景象。