《探索宇宙奥秘》课件

探索宇宙奥秘欢迎来到《探索宇宙奥秘》课程，我们将一同踏上一段穿越时空的奇妙旅程从浩瀚星空的基本构成到宇宙起源的深刻奥秘，从恒星生死轮回到人类太空探索的宏伟成就，这门课程将为您揭开宇宙的神秘面纱宇宙是人类永恒的探索对象，它不仅激发我们的好奇心，更挑战着我们对自然和生命本质的理解随着现代天文学和航天技术的飞速发展，人类对宇宙的认知正在不断深入，新的发现层出不穷在接下来的课程中，我们将探讨宇宙的基本结构、演化历程、天体物理现象以及人类太空探索的最新进展，共同感受科学探索的无限魅力何为宇宙宇宙的定义观测宇宙的范围宇宙一词在中文里包含了时间与空间的概念，宇指空间之广，人类能够观测到的宇宙范围受到光速和宇宙年龄的限制由于宇宙指时间之长在现代科学中，宇宙是指所有存在的时间、空宙有限的年龄（约138亿年），光线只能传播有限的距离，这就间以及其中的物质和能量的总称形成了我们的可观测宇宙边界从哲学角度看，宇宙是一个无限且持续演化的系统，包含了我们随着观测技术的进步，可观测宇宙的范围不断扩大从最早的肉所能观测到的一切，以及那些尚未被发现的未知领域宇宙的概眼观测，到现代的射电望远镜和空间望远镜，人类对宇宙的认知念随着人类认知的扩展而不断丰富边界正在不断拓展，但仍有无限未知等待我们去探索宇宙的起源假说大爆炸理论稳恒态理论大爆炸理论是目前最被广泛接受的稳恒态理论认为宇宙没有开始和结宇宙起源学说，认为宇宙起源于约束，宇宙始终保持相同的密度和状138亿年前的一次剧烈膨胀理论态随着宇宙膨胀，新的物质不断指出，宇宙最初集中在一个极小且在空间中产生，维持宇宙的整体稳极热的奇点，随后开始膨胀并冷定这一理论由弗雷德·霍伊尔等却，形成了我们今天所观测到的宇人在20世纪中期提出，但后来被宙该理论解释了宇宙微波背景辐大量观测证据所反驳射、星系红移现象以及宇宙中轻元素的丰度分布脉动宇宙理论脉动宇宙理论提出宇宙经历无限循环的膨胀和收缩周期每次膨胀结束后，宇宙在引力作用下重新收缩至高密度状态，然后再次爆发，开始新的膨胀周期这一理论试图解决宇宙起源的问题，但缺乏充分的观测支持宇宙年龄的测定微波背景辐射测量哈勃常数计算科学家通过分析宇宙微波背景辐通过测量哈勃常数（描述宇宙膨射的温度涨落图谱，可以推算出胀速率的参数），科学家可以倒宇宙的年龄2018年，欧洲普朗推计算出宇宙的年龄随着测量克卫星的最终数据分析将宇宙年技术的提高，哈勃常数的精确值龄精确到138亿年，误差范围约为不断被更新，从而使宇宙年龄的2000万年这种测量方法依赖于估计也越来越准确对宇宙早期声波振荡的精确观测最古老恒星年龄通过观测宇宙中最古老的球状星团中恒星的年龄，天文学家可以确定宇宙的最小年龄这些恒星的年龄通常通过分析其光谱和亮度来确定，为宇宙年龄提供了一个重要的下限值，约为134亿年宇宙的空间尺度可观测宇宙直径约930亿光年超星系团跨度数亿光年星系直径数万至数十万光年恒星系统数光年至数十光年行星系统数天文单位在天文学中，我们需要特殊的计量单位来描述宇宙的庞大尺度天文单位（AU）是地球到太阳的平均距离，约

1.5亿公里，主要用于描述太阳系内天体间的距离光年是光在真空中一年所传播的距离，约

9.46万亿公里，用于描述恒星间的距离秒差距（parsec）是另一个常用单位，等于

3.26光年，它基于近地恒星的视差测量随着观测技术的进步，科学家估计我们可观测宇宙的直径约为930亿光年，这是一个令人难以想象的巨大尺度宇宙的基本组成暗物质占宇宙总质能的

26.8%•不与电磁辐射相互作用普通物质暗能量•通过引力效应被探测占宇宙总质能的

4.9%占宇宙总质能的

68.3%•粒子性质尚未确定•恒星（约

0.5%）•导致宇宙加速膨胀•星际气体（约

4.4%）•性质完全未知•行星和星尘（微量）•可能与真空能有关宇宙三大支柱证据宇宙微波背景辐射1964年，彭齐亚斯和威尔逊意外发现了充满整个宇宙的微波背景辐射，温度约为

2.7K这一辐射被认为是宇宙大爆炸后约38万年的热辐射残余，是大爆炸理论最有力的证据之一后续的COBE、WMAP和普朗克卫星对这一辐射进行了精确测量星系红移1929年，哈勃发现遥远星系的光谱向红端移动，且红移程度与距离成正比这表明宇宙正在膨胀，所有星系都在相互远离向过去推演，所有物质必然起源于一个极小的点，这正是大爆炸理论预测的宇宙轻元素丰度宇宙中氢（约75%）和氦（约25%）的丰度比例与大爆炸理论预测的原初核合成结果高度一致这些轻元素在宇宙诞生后数分钟内形成，其观测丰度不能仅由恒星核合成解释，为大爆炸理论提供了重要支持宇宙大爆炸普朗克时期大爆炸后的10^-43秒，四种基本力（引力、电磁力、强核力、弱核力）尚未分离，宇宙处于极高能量状态，量子引力效应占主导大统一时期10^-43秒至10^-36秒，引力与其他三种力分离，宇宙温度约为10^32K，体积仍然极小暴胀时期约10^-36秒至10^-32秒，宇宙体积剧烈膨胀，扩大了至少10^26倍，解决了视界问题和平坦性问题夸克时期10^-12秒至10^-6秒，宇宙充满夸克-胶子等离子体，温度足够高，无法形成稳定的强子光子时期10秒至38万年，宇宙由光子主导，逐渐冷却，最终形成中性原子，释放出宇宙微波背景辐射宇宙的演变辐射主导时期宇宙早期由光子和中微子主导物质主导时期38万年后，物质开始聚集结构形成时期5亿年后，第一批恒星与星系形成暗能量主导时期50亿年后至今，宇宙加速膨胀宇宙从大爆炸后的均匀状态，逐渐发展出我们今天所看到的复杂结构这一过程始于原初密度涨落，在暗物质的主导下，这些微小的密度差异逐渐放大，形成了物质分布的大尺度结构在宇宙大爆炸后约5亿年，第一批恒星开始形成，它们通过核聚变反应产生重元素，并以超新星爆发的方式将这些元素散布到星际空间，为后续恒星和行星的形成提供了必要的物质基础现在，宇宙已进入暗能量主导时期，正经历加速膨胀星系如何形成气体聚集冷却暗物质晕形成普通物质在暗物质晕潜能阱中聚集并冷却宇宙早期，暗物质通过引力作用形成大尺度结构框架第一代恒星形成巨大气体云坍缩，触发第一批恒星的诞生星系合并与演化星系结构演化通过合并与吸积，星系增长并多样化恒星群逐渐组织成各种形态的星系结构恒星的诞生与演化分子云阶段星际空间中的巨大气体云在自身引力作用下开始收缩，形成更高密度的区域这些云主要由氢、氦和少量重元素组成，温度极低，约10-20K当云团达到临界质量（金斯质量）时，引力坍缩过程不可逆转地开始原恒星阶段随着气体继续坍缩，中心区域温度和压力上升，形成原恒星此时，恒星主要靠引力能转化为热能发光，尚未启动核聚变原恒星周围形成吸积盘，这将是未来行星系统的摇篮主序星阶段当中心温度达到约1000万K时，氢核聚变反应开始，恒星进入主序阶段在这个阶段，恒星核心的引力坍缩与辐射压力达到平衡对于太阳质量的恒星，这一阶段可持续约100亿年巨星阶段核心氢耗尽后，恒星外层膨胀，变成红巨星核心开始燃烧氦，产生碳和氧对于质量小于8倍太阳质量的恒星，演化终点是形成白矮星；更大质量的恒星将经历超新星爆发，形成中子星或黑洞超新星爆发爆发前的临界状态爆发过程超新星遗迹当大质量恒星（通常大于8个太阳质量）核心坍缩产生的冲击波反弹，将恒星外层爆炸后，抛射的物质形成美丽的超新星遗耗尽核心核聚变燃料后，无法支撑自身巨物质剧烈抛射到太空，释放出相当于太阳迹，如蟹状星云这些遗迹是宇宙中最壮大质量核心在数秒内坍缩，温度急剧上一生中所有能量的爆炸这一过程中，核观的天体之一，可以持续发光数千年更升到100亿度，外层开始崩溃这个阶段心要么形成中子星，要么直接塌缩成黑重要的是，超新星爆发是除大爆炸外宇宙产生的铁元素无法通过核聚变释放能量，洞爆炸亮度可达数十亿倍太阳亮度，在中唯一能产生铁及更重元素的过程，为行导致恒星核心能量平衡被打破远处星系中也清晰可见星形成和生命存在提供了必要元素黑洞的奥秘事件视界黑洞最显著的特征是事件视界，这是一个临界边界，一旦物质或光线越过这个边界，就永远无法逃脱黑洞的引力对于静止的施瓦西黑洞，事件视界半径为R=2GM/c²，其中G为引力常数，M为黑洞质量，c为光速黑洞类型黑洞根据质量可分为原初黑洞（小于太阳质量）、恒星级黑洞（约5-100倍太阳质量）、中等质量黑洞（约100-10⁵倍太阳质量）和超大质量黑洞（约10⁶-10¹⁰倍太阳质量）后者通常位于星系中心，如银河系中心的人马座A*观测方法虽然黑洞本身不发光，但科学家可以通过观测黑洞周围物质的行为来间接观测黑洞2019年，事件视界望远镜首次直接拍摄到了黑洞M87*的阴影其他观测方法包括X射线辐射测量、引力波探测以及观测恒星围绕黑洞的轨道运动中子星与脉冲星类型直径质量密度旋转周期典型中子星20-30公里

1.4-

2.2太阳约

3.7×10¹⁷数秒至数分钟质量kg/m³毫秒脉冲星20-30公里

1.4-

2.0太阳约

3.7×10¹⁷1-10毫秒质量kg/m³磁星20-30公里

1.4-

2.2太阳约

3.7×10¹⁷2-12秒质量kg/m³中子星是恒星演化的一种终极状态，由大质量恒星在超新星爆发后形成它们主要由中子组成，因为超新星爆发时的巨大压力迫使电子和质子结合形成中子中子星的密度极高，一茶匙中子星物质的质量约等于地球上所有山脉的总质量脉冲星是一种特殊的旋转中子星，它们具有极强的磁场，沿磁极方向发射出窄束的电磁辐射由于中子星自转，这些辐射束像灯塔一样扫过地球，我们观测到的就是规律的脉冲信号最快的脉冲星每秒可旋转数百次，旋转稳定性堪比原子钟，为研究引力理论提供了绝佳实验室银河系结构100000直径（光年）银河系是一个巨大的旋涡状星系，直径约10万光年，包含2000-4000亿颗恒星27000中心距离（光年）太阳系位于银河系猎户臂上，距离银河系中心约

2.7万光年240轨道周期（百万年）太阳系绕银河系中心一周需要约

2.4亿年，这被称为一个银河年4主要旋臂数量银河系有四条主要旋臂英仙臂、天鹅臂、人马臂和猎户臂太阳系的构成太阳系由中心恒星太阳和围绕它运行的天体组成，包括八大行星、矮行星、卫星、小行星、彗星等八大行星按照离太阳距离排列依次为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星太阳系的行星可分为内行星（类地行星水星、金星、地球、火星）和外行星（气态巨行星木星、土星、天王星、海王星）冥王星曾被视为第九大行星，但2006年被重新分类为矮行星，这一决定仍有争议太阳系的整体结构反映了原始星云的尘埃和气体分布，内部富含岩石和金属，外部富含气体和冰行星探测的新进展土星系统新发现木星系统探测卡西尼号探测器在结束使命前深入研金星重返探索美国朱诺号探测器自2016年进入木究了土星环系统和卫星，特别是发现火星探测里程碑在经历长期忽视后，金星探测迎来复星轨道，持续传回关于木星大气、内土卫六表面存在液态甲烷湖泊，土卫2021年，中国天问一号和美国毅力兴NASA的达芬奇+和维里塔斯任部结构和磁场的数据欧空局的木卫二拥有地下海洋并具有喷发羽流现号先后成功着陆火星，开展了多项表务、欧空局的EnVision任务预计在二快船计划于2022年发射，将探索木象这些发现极大拓展了我们对宜居面探测毅力号搭载了首个火星直升2030年前后发射，将通过大气探测器星的卫星木卫二，这颗卫星被认为拥环境的理解，启发了多个后续探测计机机智号，成功实现了人类在地球以和轨道器研究金星的大气成分、火山有液态水海洋，是太阳系内寻找地外划外星球的首次动力飞行这些探测器活动和地表演化，解密这颗与地球相生命的重要目标之一通过岩石采样、大气分析和地质勘似但环境极端不同的行星测，为研究火星的宜居性和古代生命可能性提供了关键数据小天体探秘彗星小行星彗星是由冰、尘埃和岩石碎片组成的太阳系小天体，当接近太阳小行星主要分布在火星和木星轨道之间的小行星带，是太阳系形时，表面物质升华形成壮观的彗发和彗尾著名的哈雷彗星每成早期的残余物日本隼鸟2号和美国奥西里斯-雷克斯探测76年回归一次，最近一次出现是1986年，下次将在2061年再器成功从小行星表面采集样本并返回地球，为研究太阳系早期物现质提供了宝贵材料2014年，欧洲航天局的罗塞塔探测器成功将菲莱着陆器送上小行星撞击地球的威胁一直备受关注NASA的双小行星重定67P/丘留莫夫-格拉西缅科彗星，这是人类首次在彗星表面软着向测试DART任务在2022年成功改变了小行星迪莫弗斯的轨陆研究发现彗星含有许多复杂有机分子，支持彗星可能将生命道，验证了人类防御小行星撞击的能力科学家正在建立更完善基础物质带到早期地球的假说的小行星监测网络，提前预警潜在威胁外太阳系边界太阳的演化之路原恒星阶段1太阳形成于约46亿年前的一团致密旋转气体云经过原恒星阶段的引力收缩，中心温度最终达到约1000万度，点燃了核聚变反应2主序星阶段（现在）太阳目前处于主序星阶段，通过核心氢聚变为氦释放能量这一稳定阶段已持续约45亿年，预计还将持续约50亿年膨胀早期（红巨星）350亿年后，太阳核心氢耗尽，外层将膨胀至今天的100倍，温度降低，表面呈红色，吞没水星和金星地球可能逃过被直接吞噬，但4氦闪与水平支将完全不适宜生命存在太阳内核的氦将在高温高压下突然点燃，产生氦闪随后进入较为稳定的氦燃烧阶段，持续约1亿年渐近巨星分支5核心氦耗尽后，太阳将再次膨胀，外层形成行星状星云并被抛射到太空，留下稠密的核心形成白矮星6白矮星阶段最终，太阳将成为一颗约地球大小但质量约为太阳一半的白矮星，逐渐冷却，发光数十亿年太阳与地球的关系能量来源太阳活动周期太阳是地球几乎所有能量的最终来太阳活动遵循约11年的周期变化，主源每秒到达地球的太阳能约为要表现为太阳黑子数量、太阳耀斑和173,000TW，远超人类目前能源使日冕物质抛射的频率变化活跃期的用总量（约18TW）这些能量维持太阳辐射增强约

0.1%，紫外线辐射可着地球的温度，驱动全球气候系统、增加数倍太阳活动影响地球高层大海洋洋流循环和水循环通过光合作气，可能与全球气候变化有微弱关用，太阳能转化为化学能，构成了地联，这一理论仍在研究中球生命能量金字塔的基础空间天气影响太阳风暴（日冕物质抛射）可触发地球磁暴，产生极光同时干扰无线电通信、卫星运行和电网系统1989年魁北克大停电就是由强磁暴引起的此外，太阳活动还增加了太空辐射，威胁宇航员健康和航天器安全科学家正在完善太阳活动预警系统，减轻这些影响地外生命探索系外行星的探测凌日法径向速度法引力微透镜法凌日法是目前发现系外行星径向速度法通过测量恒星光引力微透镜法利用行星-恒星最成功的方法，通过测量恒谱的多普勒位移来探测行系统引力场对背景恒星光线星亮度在行星经过恒星前方星行星绕恒星运行时会导的弯曲效应当前景恒星系时的微小下降（通常为

0.01%致恒星微小摆动，引起恒星统经过背景恒星时，背景恒到1%）开普勒和TESS太空靠近或远离地球时光谱线的星亮度会暂时增强，如果前望远镜主要使用这种方法，蓝移或红移这种方法特别景恒星有行星，会在光变曲已发现数千颗行星凌日法适合发现大质量行星，并能线上产生额外特征这种方不仅能确定行星大小，还能测量行星质量径向速度法法特别擅长发现远离恒星的通过分析穿过行星大气的恒与凌日法结合使用，可以确行星，是唯一能探测到游离星光谱来研究行星大气成定行星的密度，进而推断其行星（不围绕恒星运行的行分成分星）的方法直接成像法直接成像法试图捕捉行星反射或发射的光线，这要求极高的对比度和分辨率目前这种方法主要适用于年轻、热的巨行星，它们距离恒星较远下一代望远镜如詹姆斯·韦布太空望远镜和30米级地面望远镜有望直接成像更多类型的行星，甚至探测类地行星的大气特征宇宙中地球的独特性复杂生命多细胞高等生物、智能文明生物圈平衡稳定的大气成分、全球生态系统液态水大量表面水体、水循环保护机制磁场、臭氧层、适当大气稳定轨道合适距离、适度倾角、巨行星屏障地球在已知宇宙中具有显著的独特性，是唯一确认存在复杂生命的天体地球位于太阳系宜居带内，表面温度适宜液态水大量存在地球独特的板块构造系统不仅调节大气中二氧化碳含量，还促进了矿物质循环，为生命提供必要元素地球强大的磁场和大气层共同抵御有害宇宙辐射和太阳风，保护生命安全月球的存在稳定了地球自转轴倾角，确保气候长期稳定木星等巨行星的引力作用减少了小行星和彗星撞击地球的频率这些因素的罕见组合使地球成为生命的绝佳家园，但科学家仍在寻找可能存在类似条件的系外行星宇宙中的分子云和恒星摇篮分子云的结构恒星形成过程观测方法分子云是星际空间中最致密的区域，主要由分在分子云内部，引力不稳定性导致气体开始坍由于分子云主要由分子氢组成，而H₂难以直子氢（H₂）组成，还含有一氧化碳、氨、甲缩形成致密核心这些核心继续收缩，温度和接观测，天文学家通常使用一氧化碳（CO）作醇等复杂分子典型的分子云直径可达数十光压力升高，最终形成原恒星原恒星周围的物为示踪物，通过毫米波射电望远镜进行观测年，质量为太阳质量的数千至数百万倍这些质形成吸积盘，这是未来行星系统的起源当阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列（ALMA）是云团温度极低，约10-20K，使分子能够稳定存中心温度达到临界值时，核聚变开始，新恒星研究分子云的重要工具，能够以前所未有的分在分子云内部结构复杂，包含密度不均的纤诞生大质量恒星的强辐射和恒星风会吹散周辨率揭示恒星形成区的细节红外望远镜如斯维状和球状结构围气体，形成壮观的星际泡泡皮策和赫歇尔空间望远镜也能穿透尘埃，观测到隐藏的恒星形成活动星座的形成与文化古代起源希腊传统星座概念起源于人类观测夜空的需求，最早可追托勒密记录的48个星座奠定了西方星座体系基溯到美索不达米亚和古埃及文明础，多与希腊神话相关现代统一中国星官1922年，国际天文联合会正式确立88个星座，覆中国古代发展出独特的三垣二十八宿体系，反映盖全天农业和政治结构星座是人类对夜空中恒星图案的想象性解读，反映了人类文明与星空的深厚联系虽然星座中的恒星在三维空间中可能相距遥远，但它们在天球上的投影形成了独特的图案不同文化对相同星空区域有着截然不同的诠释例如，西方的北斗七星是大熊座的一部分，而在中国传统中则是北斗七星星座在导航、季节判断和农业活动中曾发挥关键作用现代天文学保留星座作为天区划分的基础，但已不再具有占星学意义今天，光污染使城市居民难以欣赏完整星空，天文科普活动和暗夜保护区的建立有助于保护这一人类共同的文化遗产，让更多人能够体验古人所见的璀璨星空天体观测的进步裸眼观测时代在望远镜发明前，古代天文学家如希巴恰和第谷·布拉赫仅凭肉眼和简单测量工具，就建立了详细的天体目录和运动模型他们记录恒星位置的精度达到角分，这在没有光学辅助的情况下是惊人的成就这些观测数据为开普勒发现行星运动定律奠定了基础光学望远镜革命1609年，伽利略率先将望远镜用于天文观测，发现了木星卫星、金星相位变化和月球表面细节，彻底改变了人类对宇宙的认知19世纪末到20世纪初，巨型反射望远镜如威尔逊山和帕洛马山望远镜使天文学家能够观测更遥远的天体，开创了现代天体物理学时代多波段观测时代20世纪中期，无线电天文学兴起，揭示了宇宙中的非可见波段辐射源随后，X射线、伽马射线、红外和紫外天文学相继发展，每个波段都展示了宇宙的不同方面目前，天文学家通过协调多波段观测，构建天体的完整物理图景这种多信使天文学还包括引力波和中微子探测太空天文学时代太空望远镜克服了地球大气的限制，提供无与伦比的观测能力哈勃太空望远镜深空观测揭示了数十亿年前的宇宙景象；钱德拉X射线望远镜探索高能天体物理现象；普朗克卫星精确测量了宇宙微波背景最新的詹姆斯·韦布望远镜将红外观测能力提升到新高度，有望直接观测最早的星系形成哈勃太空望远镜31服役年限自1990年发射以来持续运行，超过设计寿命

2.4主镜直径（米）配备多代观测仪器，覆盖紫外到近红外波段570轨道高度（公里）低地球轨道，每97分钟绕地球一周

1.4观测数据量（TB/周）累计产生超过170TB科学数据，贡献于16000多篇论文哈勃太空望远镜是人类天文史上的里程碑，作为第一个真正的空间天文台，它彻底改变了我们对宇宙的认知哈勃的成就包括测定宇宙膨胀速率（哈勃常数），确认宇宙加速膨胀；拍摄著名的深空视场图像，展示了数千个遥远星系；发现系外行星大气成分；详细研究星系演化和超新星爆发过程哈勃望远镜的独特之处在于它能够进行空间维修，宇航员曾五次访问进行升级和修复最初发射时存在主镜球差缺陷，1993年首次服务任务成功修复了这一问题尽管詹姆斯·韦布望远镜已接替部分科学任务，哈勃仍在继续进行独特观测，两者将共同工作数年，为天文学提供互补数据詹姆斯韦布望远镜·红外观测能力韦布望远镜主要在近红外和中红外波段（

0.6-28微米）工作，这使它能够看穿宇宙中的尘埃云，观察被遮蔽的恒星形成区域和早期宇宙其

6.5米主镜由18个六边形镜面组成，收集面积是哈勃望远镜的

6.25倍，灵敏度提高约100倍绕日轨道与哈勃位于地球轨道不同，韦布望远镜位于距地球150万公里的拉格朗日点L2，在这个位置，望远镜可以与地球同步绕太阳运行，同时保持与太阳、地球和月球的相对位置稳定这使其巨大的遮阳板能持续保护望远镜，维持约-233℃的超低工作温度时间机器韦布望远镜被誉为宇宙时间机器，因其能够观测宇宙大爆炸后仅1-2亿年形成的第一批星系这些光线已经旅行了超过135亿年才到达地球望远镜的初步观测已经发现了比预期更多的早期星系，这可能挑战我们对宇宙早期星系形成的理解系外行星研究韦布望远镜具有分析系外行星大气成分的能力，可以探测水、甲烷、二氧化碳等分子的光谱特征这一能力对寻找宜居行星和潜在生物标志物至关重要望远镜已经发现了多颗系外行星大气中的二氧化碳、水蒸气和甲烷，开创了系外行星研究的新时代宇宙中的引力波引力波是爱因斯坦广义相对论预测的时空涟漪，由加速运动的大质量天体产生这些波动以光速传播，但极其微弱，导致其直接探测历经百年才取得突破2015年9月14日，LIGO（激光干涉引力波天文台）首次直接探测到由两个合并黑洞产生的引力波信号，这一发现荣获2017年诺贝尔物理学奖引力波天文学已经开启了观测宇宙的新窗口截至目前，LIGO和Virgo合作组已探测到90多例引力波事件，大多数来自黑洞合并，少数来自中子星合并2017年观测到的中子星合并事件GW170817同时产生了电磁辐射，开创了多信使天文学新纪元未来的空间引力波探测器如LISA将能探测到更低频率的引力波，观测超大质量黑洞合并和银河系内的双星系统宇宙微波背景温度涨落图谱历史性发现偏振与原初引力波宇宙微波背景辐射（CMB）是宇宙大爆炸约38CMB于1964年被彭齐亚斯和威尔逊意外发现，除温度外，科学家还研究CMB的偏振特性E万年后释放的光子，因宇宙膨胀而波长拉长到他们因此获得1978年诺贝尔物理学奖1992模式偏振已被探测到，它由物质密度涨落产微波区域这些光子几乎完美地服从

2.725K的年，COBE（宇宙背景探测器）卫星首次测量生更具挑战性的B模式偏振可能源自宇宙诞黑体辐射谱CMB的温度极其均匀，涨落仅为到CMB的温度涨落，证实了大爆炸理论的预生后极早期的原初引力波，是验证宇宙暴胀理百万分之一量级这些微小温度差异反映了早测，项目负责人斯穆特和马瑟获得2006年诺贝论的关键目前多个地面实验如BICEP/Keck阵期宇宙物质分布的密度起伏，是后来形成星系尔物理学奖后续的WMAP和普朗克卫星进一列正在寻找这一信号，但尚未有确定性发现和大尺度结构的种子步提高了测量精度，为精确测定宇宙年龄和组这被视为当代宇宙学最前沿的研究领域之一成提供了关键数据暗物质的线索星系旋转曲线20世纪70年代，天文学家维拉·鲁宾发现星系外围恒星的旋转速度远高于根据可见物质预期的值按牛顿力学，星系边缘恒星的旋转速度应随距离增加而降低，但观测显示速度曲线近乎平坦这表明星系被一种看不见的物质晕包围，提供额外引力使恒星保持高速旋转而不飞离星系子弹星系团子弹星系团是两个碰撞星系团形成的结构，其中普通物质（主要是热气体）在碰撞中减速并分离，而暗物质则直接穿透继续前进X射线观测显示热气体的分布，而引力透镜效应揭示暗物质的位置这一观测难以用修改引力理论解释，被视为暗物质存在的有力证据宇宙大尺度结构计算机模拟表明，没有暗物质，宇宙大爆炸后很难形成今天观测到的大尺度结构暗物质在早期宇宙中形成引力骨架，为普通物质提供坍缩中心，从而形成星系和星系团宇宙微波背景辐射的精确测量也支持暗物质占宇宙物质-能量总量约27%的结论粒子探测尝试科学家建造了多种探测器寻找暗物质粒子，包括地下实验室的超低温探测装置和大型粒子加速器候选粒子包括WIMPs（弱相互作用大质量粒子）、轴子和立体中微子尽管数十年努力，尚未有确定性探测结果，使暗物质成为现代物理学最大谜团之一暗能量谜题宇宙大尺度结构宇宙空洞直径可达数亿光年的几乎空无一物的区域宇宙纤维连接星系团的巨大物质桥梁星系团由数百至数千星系组成的巨大引力束缚系统星系群几十个星系组成的较小集合体单个星系5包含数亿至数万亿恒星的基本天体单元宇宙大尺度结构是指超过1亿光年尺度上物质分布的宏观特征，形成了被称为宇宙网的壮观网状结构这种结构在数值模拟中完美重现，表明暗物质在结构形成中起决定性作用暗物质首先形成引力骨架，普通物质随后跟随这一框架聚集，形成可见的星系和星系团大规模星系红移巡天工程如斯隆数字巡天和暗能量巡天已绘制了数百万个星系的三维分布图，揭示出宇宙网的惊人细节这些观测发现了宇宙大墙等巨大结构，跨度达十亿光年研究宇宙大尺度结构有助于测量宇宙膨胀历史，确定暗能量特性，验证大爆炸后宇宙演化模型的准确性宇宙暴胀理论标准大爆炸理论问题20世纪70年代末，科学家发现标准大爆炸理论面临几个重要难题视界问题（宇宙不同区域温度过于均匀）、平坦性问题（宇宙几何接近平坦需要极度精细调节）和磁单极子问题（理论预测的磁单极子未被观测到）这些问题表明，标准大爆炸理论尚有缺陷暴胀假设1980年，物理学家艾伦·古斯提出宇宙暴胀理论，假设宇宙在大爆炸后10^-36秒至10^-32秒间经历了指数级膨胀，体积增加至少10^26倍这一极短时期的剧烈膨胀由一种假设的暴胀场驱动，使原本紧密相连的区域迅速分离到遥远距离，解释了为何今天看似无因果联系的宇宙区域具有相似特性观测证据暴胀理论预测宇宙微波背景辐射的温度涨落应呈特定分布，这与WMAP和普朗克卫星的精确测量高度一致理论还解释了宇宙大尺度结构的起源——暴胀期间量子涨落被放大，形成后来物质分布的种子科学家正寻找原初引力波——暴胀期间产生的时空涟漪，这将是证实暴胀的决定性证据宇宙的终极命运热寂假说大撕裂假说在标准ΛCDM宇宙学模型中，如果暗能如果暗能量不是常数而是随时间增强，量保持恒定特性，宇宙将永远膨胀随宇宙膨胀可能进入一个灾难性阶段在着时间推移，恒星燃料耗尽，新恒星停这种情况下，膨胀速度可能变得如此之止形成经过万亿年，即使最长寿的红快，以至于所有结构都被撕裂首先是矮星也将熄灭，宇宙进入恒星灭绝时代星系团被分离，然后是星系本身，最后黑洞通过霍金辐射蒸发需要10^100甚至原子和亚原子粒子都被撕裂这一年，最终宇宙将变成极度稀薄、温度接假说需要暗能量的特性与现在观测到的近绝对零度的光子和中微子汤，熵达有显著不同，但尚未被排除到最大——这就是所谓的热寂大收缩假说如果暗能量随时间减弱或转变为吸引力，宇宙的膨胀最终可能停止并开始收缩在这种大收缩场景中，宇宙将重新回到高密度高温状态，可能引发新的大爆炸，形成循环宇宙有些理论认为，在收缩的最终阶段，时间之箭可能反转，熵开始减少这一假设与当前观测不符，但在更复杂的理论框架中仍被考虑量子宇宙假说多宇宙理论人择原理与物理常数量子宇宙假说是对传统宇宙学的突破性拓展，基于量子力学和弦宇宙中的基本物理常数（如电子质量、光速、引力常数等）似乎理论的前沿发展多宇宙理论提出我们的宇宙可能只是无数宇宙被微调到恰好允许生命存在的值例如，强核力强度若改变构成的宇宙泡沫中的一个这些平行宇宙可能具有不同的物理2%，恒星无法产生碳，生命将无法形成；弱相互作用略强，超定律和基本常数，大多数不适合生命存在新星无法传播重元素；宇宙学常数稍大，星系无法形成多宇宙理论的几种变体包括宇宙暴胀理论导致的永恒暴胀多人择原理提供了一种解释在多宇宙中，只有物理常数适合生命宇宙；量子力学多世界诠释中的无限平行现实；弦理论预测的高存在的宇宙才会发展出智能观察者我们不应对自身所处宇宙的达10^500个可能宇宙构型；以及循环宇宙模型中的序列宇宙宜居性感到惊讶，因为在不适宜生命的宇宙中不会有观察者存目前，这些理论仍缺乏直接实验证据在这种解释具有争议，因为它引入了难以验证的假设，但在理论物理学中仍有重要地位人类深空探险历程太空竞赛初期（1957-1961）人类太空探索始于1957年苏联发射第一颗人造卫星斯普特尼克1号1961年，尤里·加加林成为首位进入太空的人类，乘坐东方1号飞船绕地球一周同年，艾伦·谢泼德成为首位进入太空的美国人这一时期的太空探索深受冷战竞争影响，两大超级大国竞相展示各自的技术实力阿波罗登月计划（1961-1972）1969年7月20日，尼尔·阿姆斯特朗成为第一个踏上月球的人类，宣告这是个人的一小步，却是人类的一大步阿波罗计划共进行了6次成功的载人登月任务，最后一次是1972年的阿波罗17号登月宇航员共带回382公斤月球岩石样本，为月球科学研究提供了宝贵材料阿波罗计划标志着人类首次离开地球，踏上另一个天体空间站时代（1971-至今）1971年，苏联发射第一个空间站礼炮1号1986年，苏联发射和平号空间站，运行15年1998年开始建造的国际空间站是人类历史上最大的国际科学合作项目，已持续有人驻守20多年中国于2021年开始建造天宫空间站，成为继美国和俄罗斯后第三个独立建造空间站的国家深空探测（1977-至今）旅行者探测器于1977年发射，经过40多年飞行，已离开太阳系进入星际空间，成为人类制造的最远物体它们携带的金唱片包含地球生命和文明信息，作为人类向宇宙发出的信息瓶其他重要深空任务包括卡西尼-惠更斯土星探测器、新视野号冥王星探测器等，大大拓展了人类对太阳系的认知边界火星计划与空间站火星探测新时代天宫空间站火星载人计划火星探测正经历前所未有的繁荣期美国中国天宫空间站是继国际空间站后人类在轨运NASA计划在2030年代实现载人登陆火星，这NASA的毅力号探测器于2021年成功着陆火行的第二个空间站核心舱天和于2021年发将是人类首次踏上另一颗行星阿尔忒弥斯星，携带了首个火星直升机机智号，实现了射，后续添加问天和梦天实验舱，形成T字登月计划被视为前往火星的重要里程碑，将测人类在地外星球的首次动力飞行中国的天问形结构天宫空间站设计寿命10年以上，支持试深空生命支持系统和辐射防护技术SpaceX一号同年成功登陆，开展了火星表面探测这3人长期驻留，6人短期驻留空间站配备了多的星舰火箭系统被设计用于火星任务，目标些任务不仅搜寻火星生命迹象，还为未来可能学科科学实验平台，开展了空间生物学、材料是建立可持续的火星殖民地中国和欧洲也制的载人登陆收集关键数据科学和空间天文等实验，并面向国际合作开定了各自的火星载人探索愿景，可能在未来形放成合作或竞争态势未来星际航行设想离子与等离子体推进离子推进器通过电场加速带电粒子产生推力，虽然初始推力小，但可长时间工作，最终达到极高速度NASA的黎明号和ESA的智能-1任务已成功验证这一技术更先进的VASIMR（可变比冲磁等离子体火箭）通过射频能量加热等离子体，有望实现39天抵达火星这些技术能将太阳系内探索时间从年缩短至月核裂变/核聚变推进核裂变火箭通过将液氢加热至极高温度产生高速排气，理论上可提供化学火箭10倍的效率NASA的NERVA计划曾成功测试原型更具未来性的核聚变推进可能实现10%光速的航行速度，缩短前往近邻恒星的旅程至数十年这些技术面临的主要挑战是核反应堆小型化和安全发射问题太阳帆和激光帆太阳帆利用太阳光压作为推进力，不需要携带推进剂，理论上可实现长时间加速日本IKAROS任务首次验证了这一技术突破摄星Breakthrough Starshot计划更为激进，提出使用地基强激光推动微型太空船，理论上可达20%光速飞往半人马座比邻星，旅行时间约20年这种方案可能是首个实现恒星际探索的技术路径曲速推进与虫洞爱因斯坦相对论不允许物体超光速运动，但理论上可通过弯曲时空实现有效超光速旅行阿尔库比耶曲速引擎设想通过在飞船前方压缩时空、后方扩张时空创造时空气泡，使飞船在不违反物理定律的情况下超光速移动虫洞则是时空中的假想捷径隧道这些概念目前仍属理论探索，需要尚未发现的负能量物质或操控暗能量技术全球主要天文台现代天文观测极度依赖于分布在全球最佳观测地点的大型天文台智利的阿塔卡马沙漠以极度干燥、高海拔和晴朗夜空著称，成为光学天文观测的全球中心，拥有欧洲南方天文台的超大望远镜VLT、阿塔卡马大型毫米/亚毫米波阵列ALMA等世界级设施夏威夷莫纳克亚峰上的凯克望远镜和双子望远镜利用4200米海拔的优势，是北半球最重要的观测设施在射电天文领域，中国的500米口径球面射电望远镜FAST是世界最大单口径射电望远镜，能探测极其微弱的宇宙射电信号南非的MeerKAT射电望远镜阵列和澳大利亚的平方公里阵列SKA展示了干扰仪技术的革命性应用此外，格陵兰的冰川天文台专注于极地天文现象研究这些分布在全球的天文设施形成互补网络，共同推动人类对宇宙的认知边界中国在宇宙探索中的角色量子探索天文卫星墨子号量子科学实验卫星实现千公里级量子纠缠分发悟空暗物质粒子探测卫星寻找宇宙中暗物质的线索1月球探索嫦娥系列完成环绕、着陆和采样返回三步走5地基设施火星任务FAST望远镜和丽江

2.4米望远镜引领天文观测天问一号实现一次任务完成环绕、着陆、巡视三大目标中国航天在21世纪迅速发展，成为全球航天强国嫦娥探月工程取得一系列突破嫦娥三号2013年实现44年来人类首次月面软着陆；嫦娥四号2019年首次登陆月球背面；嫦娥五号2020年成功实施月球采样返回天问一号2021年作为亚洲首个火星探测器成功着陆，完成了中国深空探测的重要里程碑在空间科学领域，悟空暗物质粒子探测卫星DAMPE、硬X射线调制望远镜卫星HXMT和墨子号量子科学实验卫星引领了前沿探索在地面设施建设方面，500米口径球面射电望远镜FAST是世界最大单口径射电望远镜，为脉冲星探测和SETI提供了无与伦比的灵敏度中国航天局计划在2030年代开展小行星采样返回任务，并在2030年代中期执行木星系统探测任务，继续推进深空探索计划太空中的人类生活生理适应与挑战微重力环境对人体产生全面影响，包括肌肉萎缩（每周约2%）、骨质流失（每月1-

1.5%）和心血管系统重塑宇航员面临的其他生理挑战包括前庭功能紊乱导致的空间运动病、体液上移导致的太空肿脸以及免疫系统功能下降NASA双胞胎研究发现，太空生活甚至影响基因表达，导致斯科特·凯利部分DNA与留在地球的兄弟产生差异心理健康考量长期太空任务的隔离和封闭环境对心理健康构成重大挑战宇航员可能经历睡眠障碍、孤独感和地球凝视症（对地球产生强烈眷恋和担忧）国际空间站的宇航员通过固定作息、定期团队活动和与家人视频通话来维持心理健康未来前往火星的任务将面临更大挑战，包括与地球通信延迟（最多44分钟）和完全失去地球视野的心理影响日常生活方式微重力环境改变了最基本的日常活动宇航员使用特制的太空食品，多为脱水或热稳定处理过的食物，最近增加了新鲜水果和即食沙拉选项个人卫生需要特殊解决方案洗澡采用湿毛巾擦拭；牙膏可吞咽型；如厕使用真空吸力马桶睡眠需要固定睡袋避免漂浮运动是每日必须，宇航员在专用跑步机和阻力装置上锻炼2-

2.5小时，抵抗肌肉和骨骼退化生命支持系统空间站的环境控制和生命支持系统ECLSS是维持宇航员生存的关键氧气部分通过水电解产生，二氧化碳通过化学筛吸附处理水循环系统回收约90%的水，包括尿液、湿气和洗漱水废物处理仍需改进，目前大部分通过货运飞船返回地球或焚烧未来深空探索任务计划发展更先进的生物再生生命支持系统，如空间种植作物和藻类，创建半封闭生态循环太空垃圾问题23000500000可追踪碎片数量中等碎片估计数量直径大于10厘米的太空物体直径1-10厘米的太空物体100M28000微小碎片估计数量相对速度（公里/小时）直径小于1厘米的太空物体轨道碎片典型撞击速度太空垃圾是指人造空间物体的非功能性残骸，包括废弃卫星、火箭上面级和碎片这些物体以极高速度围绕地球运行，即使最小的碎片也能对航天器造成严重伤害2009年，一颗废弃的俄罗斯卫星与功能性铱星通信卫星相撞，产生了数千块新碎片2007年，中国反卫星测试也产生了大量轨道碎片随着太空活动增加，尤其是大型星座部署（如SpaceX的星链计划部署超过12,000颗卫星），凯斯勒综合征的风险上升——这是指碎片碰撞产生更多碎片，触发连锁反应最终使整个轨道不可用应对措施包括改进卫星设计（如任务结束后自主离轨），开发主动清除技术（如网、鱼叉和激光系统），以及加强国际立法监管太空活动欧空局计划于2025年执行首个商业太空垃圾清除任务天文教育与科普望远镜进课堂民间天文网络中国近年大力推进天文教育进入基础教育体系，实施望远镜进中国拥有活跃的业余天文社群，定期组织星空观测、天象摄影和课堂工程该计划为中小学配备适合教学使用的天文望远镜，科普讲座活动中国天文爱好者、天文在线等平台连接了全培训科学教师使用天文设备，并开发配套的天文课程和活动许国各地的天文爱好者，形成信息共享网络民间天文台如上海天多学校建立了天文社团或观测站，为学生提供实践观测机会文博物馆、北京古观象台和紫金山天文台公众观测区提供专业观测设备和指导天文教学强调动手实践，通过制作星图、日晷和简易望远镜等活随着低光污染地区的开发，天文旅游逐渐兴起新疆喀纳斯、青动激发学生兴趣部分地区还将天文纳入地方课程，建立专门的海可可西里和西藏纳木错等地发展天文主题旅游项目，建立星空青少年天文科普基地天文教育不仅传授科学知识，更培养观察保护区这些活动既推广了天文知识，也提高了公众对光污染和力、探究精神和科学思维环境保护的认识，促进了可持续发展理念的传播公众参与宇宙探秘星系动物园SETI@home彗星猎人这一项目邀请普通公众参与分类超过百这是最早的大规模分布式计算项目之业余天文学家在彗星发现中扮演重要角万个星系图像自2007年启动以来，已一，利用全球志愿者的家用电脑闲置算色通过使用中等口径望远镜和CCD相有超过100万参与者贡献了数千万次分力分析射电望远镜数据，寻找可能的外机，世界各地的天文爱好者持续监测夜类项目不需要专业知识，通过直观界星文明信号虽然该项目于2020年暂空，寻找新彗星许多彗星以发现者命面引导用户识别星系形态参与者发现停，但在其20年运行期间，累计超过名，如2020年备受关注的新智彗星就了多个新型天体，如绿豆星系和汉尼500万用户参与，完成了等同于数百万由澳大利亚业余天文学家发现空间太拔星系，这些发现被发表在专业天文年的计算工作，为后续公民科学项目树阳和日球层观测站SOHO也向公众开期刊上立了榜样放数据，已有超过4000颗彗星由公民科学家通过分析其图像发现行星猎人NASA的行星猎人项目让公众分析开普勒和TESS太空望远镜数据，寻找系外行星的凌日信号该项目已发现数十颗新行星，如K2-288Bb和TOI1338b参与者不需要专业背景，通过简单培训即可识别恒星亮度变化图中的特征模式系统设计允许多人独立分析同一数据，提高结果可靠性天文美图与艺术天文图像不仅具有科学价值，也是视觉艺术的瑰宝哈勃太空望远镜的深空视场系列拍摄了宇宙最遥远区域，展示了数千个早期星系，是人类对宇宙最深邃的凝视这些图像经过精心处理，将不可见波段转换为肉眼可见的色彩，既保持科学准确性，又呈现出惊人的美感詹姆斯·韦布太空望远镜的首批红外图像更是揭示了前所未见的宇宙细节，引发全球惊叹天文与艺术的融合催生了多种跨学科创作天文摄影家捕捉银河和流星雨与地球景观的交织；数字艺术家将天文数据转化为沉浸式体验；声音艺术家将宇宙现象转换为听觉作品，如将脉冲星信号转为音乐现代天文馆利用全景投影、VR和AR技术创造身临其境的宇宙体验，使观众能以新方式感受宇宙之美这种科学与艺术的结合不仅激发了公众对宇宙的兴趣，也提供了理解复杂天文现象的新视角宇宙探索面临的挑战资金限制大型天文和航天项目成本高昂，与民生项目竞争资源技术瓶颈深空探测距离远、通信难、辐射强，面临极端工程挑战人类生理限制长期太空飞行对人体造成多系统损害，亟需突破国际合作与政策太空探索需要全球协作，但受地缘政治影响显著太空探索面临的技术挑战包括极端环境适应（温度可从+120°C到-170°C剧烈变化）、辐射防护（火星旅行将接受相当于多次CT扫描的辐射剂量）和推进系统局限（现有化学火箭需9个月才能抵达火星）通信延迟也是深空任务的重大障碍，例如与火星的信号传输需要4-24分钟，这要求航天器具备高度自主性国际合作与太空法律框架也存在争议《外层空间条约》禁止国家宣称对天体拥有主权，但对私人企业开发太空资源规定不明确太空军事化和太空垃圾治理仍缺乏有效国际规范同时，天文观测面临来自卫星星座的光污染威胁未来太空经济可能引发资源开发、太空交通管理和生态保护等新问题，需要全球共同治理框架宇宙奥秘未解之谜意识与宇宙观察者在量子世界中的角色？黑洞信息悖论2信息落入黑洞后是否永远消失？宇宙学难题暗物质、暗能量本质与早期宇宙结构生命起源地球生命如何开始？宇宙中有其他智慧生命吗？统一理论如何调和量子力学与广义相对论？尽管现代科学取得了巨大进展，宇宙中仍存在许多根本性未解之谜暗物质虽然占宇宙物质的约85%，但其本质仍未确定；科学家提出了从弱相互作用大质量粒子WIMPs到轴子等多种候选粒子，但尚未直接探测到暗能量导致宇宙加速膨胀的原理更加神秘，可能是爱因斯坦的宇宙学常数，也可能是全新的物理实体在理论层面，量子引力理论尚未建立，无法统一描述极小尺度和极大质量的物理规律弦理论试图通过将基本粒子视为一维振动弦来解决这一问题，但缺乏实验验证宇宙学领域的疑问包括宇宙暴胀机制、重子不对称性（为何物质多于反物质）和宇宙是否存在于更大的多重宇宙中这些谜题不仅挑战着我们的科学理解，也推动着技术和方法论的创新，驱动人类不断探索展望未来宇宙探索20352040预计载人登陆火星年份月球基地建成目标SpaceX和NASA双管齐下推进火星探索计划多国联合在月球南极建立永久科研站1002000未来十年发射太空望远镜数量下一代太空望远镜灵敏度提升倍数小型化卫星将大幅提升天文观测能力将实现对系外行星大气的详细光谱分析未来的太空探索正迈向多元化和商业化新时代近期焦点包括阿尔忒弥斯计划重返月球并建立可持续月球前哨基地；火星载人探索计划，可能在2030年代实现；小行星采矿技术发展，为太空资源利用铺路；以及行星防御系统的完善，保护地球免受小行星撞击威胁天文学技术发展方向包括地基30米级超大望远镜建设；太空巡天设施如罗曼太空望远镜寻找系外行星；引力波天文学进入多信使观测时代；以及量子通信技术应用于深空通信这些进步将帮助人类更好地理解宇宙起源与演化，探索宜居世界，并最终回答我们在宇宙中是否孤独的终极问题太空探索不仅具有科学意义，更将促进国际合作，培养全球视野，启发新一代探索者继续推进人类知识的边界。