《探索宇宙的奥秘》课件

探索宇宙的奥秘欢迎大家开始这场穿越浩瀚宇宙的奇妙之旅在这个课程中，我们将共同探索宇宙的起源与演变，了解从古至今人类对宇宙认知的重大突破，揭示现代天文学的惊人发现从宏大的宇宙结构到微小的量子世界，从遥远的星系到我们的太阳系，这些知识将帮助我们理解自己在宇宙中的位置宇宙的浩瀚与神秘一直激发着人类的想象力和探索欲望通过科学的方法和先进的技术，我们得以窥见这个壮观宇宙的一角，解开一个又一个宇宙之谜让我们怀着敬畏之心，踏上这段探索宇宙奥秘的旅程今日内容概述宇宙的起源与演化从宇宙大爆炸理论开始，探索宇宙形成的过程和演化规律，了解宇宙从最初的高密度高温状态如何发展成我们今天所见的样子宇宙中的天体与现象介绍太阳系、恒星、星系等天体的特性与生命周期，以及黑洞、引力波等奇特宇宙现象的科学解释人类的太空探索历程回顾人类探索太空的重要里程碑，从早期的火箭发射到现代的深空探测，展示科技进步如何拓展我们的宇宙视野未来宇宙探索展望预测未来天文学和航天技术的发展方向，思考人类在宇宙中的角色和命运，展望成为多行星物种的可能性第一部分宇宙的起源亿年前的宇宙大爆炸137宇宙起源于约亿年前的一次巨大爆炸，所有的时间、空间、137物质和能量都从一个无限密度的奇点开始这次爆炸并非发生在已有的空间中，而是空间本身开始膨胀的过程宇宙膨胀理论与观测证据哈勃在年发现遥远星系正在远离我们，速度与距离成正1929比，这是宇宙膨胀的第一个直接证据随后的观测不断确认宇宙正在加速膨胀，支持大爆炸理论宇宙微波背景辐射的发现年，彭齐亚斯和威尔逊意外发现了来自宇宙各个方向的微1964弱辐射，这被证实是大爆炸残留的回声，为大爆炸理论提供了最有力的证据之一宇宙大爆炸理论理论的提出年，比利时天文学家乔治勒梅特首次提出宇宙可能起源于一个原1927·始原子的爆炸这一大胆设想为后来的大爆炸理论奠定了基础，虽然当时并未得到广泛认可决定性证据年，美国天文学家阿诺彭齐亚斯和罗伯特威尔逊在测试微波接1964··收器时意外发现了来自宇宙各个方向的微波背景辐射，这成为支持大爆炸理论的关键证据理论精髓大爆炸理论认为宇宙始于一个极热极密的奇点，在瞬间爆发并开始膨胀这不是在已有的空间中发生的爆炸，而是空间本身的膨胀，带动所有物质逐渐分离并冷却的过程宇宙早期演化夸克时代大爆炸后的秒，宇宙温度高达数万亿度，能量极高导致基本粒子无法结合，自由的夸克和胶子充

0.00001满整个宇宙原始核合成宇宙年龄约分钟时，温度降至亿度，质子和中子开始结合形成氘和氦核这个核310合成过程决定了宇宙中最初的化学元素比例宇宙变透明在宇宙年龄达到约万年时，温度降至度，电子与原子383000核结合形成中性原子光子不再频繁散射，宇宙变得透明，释放出今天我们观测到的宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射均匀的宇宙背景温度精确测量与观测宇宙微波背景辐射在全天空的威尔金森微波各向异性探测器平均温度极为均匀，约为（）和随后的普朗克

2.7WMAP开尔文（）这卫星提供了对宇宙微波背景辐-

270.45°C种惊人的均匀性支持了大爆炸射前所未有的精确测量，绘制理论，表明整个宇宙有共同的出宇宙早期的温度涨落图，精起源度达到百万分之一结构形成的种子微波背景辐射中细微的温度涨落反映了宇宙早期物质分布的微小不均匀，这些微小的密度差异成为后来星系和星系团等大尺度结构形成的种子宇宙暗物质与暗能量宇宙加速膨胀的发现年，两个研究超新星的科学团队做1998出了震惊科学界的发现宇宙不仅在膨胀，而且膨胀速度正在加快这一发现宇宙组成比例导致了暗能量概念的提出，并使研究根据现代宇宙学的计算，宇宙的能量-者获得了年诺贝尔物理学奖2011物质组成中，普通物质仅占，其余5%由27%的暗物质和68%的暗能量构暗物质的宇宙作用成这意味着我们对宇宙大部分成分的尽管无法直接观测，但暗物质的引力效了解极为有限应对宇宙结构形成至关重要它形成了宇宙网络的骨架，引导普通物质聚集形成星系和星系团没有暗物质，今天的宇宙可能完全不同宇宙的未来命运热寂说大撕裂根据热力学第二定律，如果宇宙持如果暗能量的影响继续增强，宇宙续膨胀但速度减缓，最终宇宙中的加速膨胀可能最终导致大撕裂热量将均匀分布，温度趋于绝对零在这种情况下，膨胀力将超过度恒星将耗尽燃料，黑洞最终也所有其他力，包括将原子核结合在会通过霍金辐射蒸发，宇宙将进入一起的强核力，导致物质本身被撕热寂状态，所有可用能量耗裂时空将无限膨胀，所有结构都尽，不再有任何变化和生命将解体大收缩一个较不被看好但仍有可能的情景是大收缩，即如果宇宙中物质的引力足够大，膨胀最终将减缓并反转宇宙会停止膨胀并开始收缩，最终回到类似初始的高密度状态，可能引发新的大爆炸，形成循环宇宙第二部分太阳系概览亿468太阳系年龄行星数量太阳系形成于约亿年前，由一个旋转的太阳系有八大行星，按照离太阳距离依次46分子气体云在自身引力作用下坍缩而成是水星、金星、地球、火星、木星、土中心形成太阳，周围物质形成行星、卫星星、天王星和海王星冥王星于年被2006和其他天体重新归类为矮行星3主要区域太阳系包含三个主要区域小行星带位于火星和木星轨道之间；柯伊伯带位于海王星轨道之外；奥尔特云则是太阳系最外围的边界，延伸至半光年外太阳我们的恒星惊人的尺寸极端温度能量产生太阳直径约万公太阳表面温度约太阳每秒将万吨氢139600里，相当于地球直径的，足以使金属转化为万吨氦，差5500°C592倍如果将太阳想瞬间汽化而在太阳核额的万吨物质完全转1098象成一个足球大小，地心，温度高达惊人的化为能量这相当于每球则只有一粒芥菜籽那万，压力是地秒产生瓦特1500°C

3.8×10^26么大太阳占据了太阳球中心的约亿倍，的能量，是全人类一年

3.4系总质量的，为核聚变反应提供了必能源消耗的数万亿倍

99.86%是太阳系的绝对主宰要条件类地行星行星直径（地球=1）平均温度特点水星

0.38昼430°C，夜-最靠近太阳，表面遍布陨石坑170°C金星温室效应严重，大

0.95470°C气压强为地球的92倍地球唯一已知有生命的

1.0015°C行星，70%被水覆盖火星红色行星，有明显

0.53-65°C的季节变化，曾有液态水类地行星是太阳系内部的四颗行星，它们共同特点是体积较小、密度较大、主要由岩石和金属组成它们都有固体表面，自转周期接近，但大气组成和厚度各不相同地球是唯一一颗具有活跃水循环和生命的行星木星太阳系最大行星巨大质量质量为地球的倍，是太阳系中最重的行星318大红斑持续多年的巨型风暴系统，可容纳三个地球300众多卫星拥有颗已知卫星，包括伽利略发现的四大卫星79木星是太阳系中的巨行星之王，主要由氢和氦组成，类似一个失败的恒星虽然木星质量巨大，但仍不足以在核心引发核聚变反应木星强大的引力对整个太阳系具有重要影响，它既能捕获小天体，也能改变彗星轨道，某种程度上保护了内太阳系免受小行星撞击伽利略卫星（木卫一至木卫四）是木星最著名的卫星，它们体积接近类地行星，其中木卫二（欧罗巴）被认为拥有液态水海洋，是寻找地外生命的重要目标木星系统就像一个微型太阳系，展示了行星形成的缩影土星的光环系统光环成分尺寸对比土星光环主要由大小不一的冰颗土星光环的厚度极薄，仅约10粒和岩石碎片组成，粒径从微尘米，而宽度却达到万公里，28到几米大小不等这些粒子独立几乎与地球到月球距离相当这绕土星运行，在引力作用下形成种极端的宽高比例，相当于一张精细的环状结构光环内部含有纸的厚度横铺整个中国如A4多达数万个环带和环隙，呈果将土星和光环按比例缩小到足现出复杂的动态结构球大小，光环厚度将小于一根头发丝探测研究卡西尼惠更斯探测器从年至年对土星系统进行了深入观测，发-20042017现光环内部存在引力波、螺旋臂和辐条等动态结构通过穿越光环平面拍摄的照片，科学家能够研究光环的密度分布和演化历史天王星与海王星天王星倾斜的巨行星海王星风暴之王天王星是太阳系中最独特的行星之一，其自转轴倾斜度高达海王星是太阳系中风速最高的行星，表面风暴可达惊人的982100度，几乎与轨道平面垂直这意味着天王星侧躺着绕太阳公公里小时，接近超音速战斗机的速度其大气中最著名的特征/转，导致极端的季节变化一个极点可能连续接受年的阳是大黑斑，一个巨大的风暴系统，类似于木星的大红斑42光，接着是年的黑暗42海王星拥有比较活跃的大气，其蓝色比天王星更深邃，同样是由这一独特的轴倾斜被认为是早期太阳系形成过程中一次巨大碰撞于大气中的甲烷吸收红光海王星是第一个通过数学计算预测发的结果天王星表面呈现青蓝色，是大气中甲烷对阳光的红外部现的行星，而非直接观测发现分吸收所致矮行星与太阳系边缘年，国际天文学联合会重新定义了行星，导致冥王星被重新归类为矮行星矮行星是指围绕恒星运行的天体，质量足够大形2006成近似球形，但没有清空其轨道周围区域的天体除冥王星外，太阳系中还有谷神星、阋神星、妊神星和厄里斯等知名矮行星柯伊伯带位于海王星轨道之外，存在大量以冰为主的小天体，是很多短周期彗星的来源更远的奥尔特云则是一个假设存在的球形区域，包围整个太阳系，延伸至太阳的光年距离，被认为是长周期彗星的发源地这些区域的天体保存了太阳系早期形成的重要信1-2息第三部分恒星的生命周期分子云坍缩原恒星阶段恒星的生命从巨大的气体和尘埃云开中心物质温度和密度持续上升，形成原始，受引力作用逐渐坍缩恒星，但未开始核聚变不同命运主序星形成恒星死亡方式取决于质量小恒星成为当核心温度达到临界点时，氢开始聚变白矮星，大质量恒星经历超新星爆发成成氦，恒星步入稳定的主序阶段为中子星或黑洞恒星诞生分子云坍缩恒星形成始于星际空间中巨大的分子云这些分子云主要由氢气组成，直径可达数光年当受到附近超新星爆炸的冲击波或星系旋臂压缩时，云中某些区域的密度增加，自身引力开始超过内部气体压力，引发坍缩过程旋转与分化坍缩的气体云保持角动量，随着收缩而旋转加速，形成扁平的旋转盘中心区域密度增加最快，形成原恒星核心，而周围物质则形成围绕原恒星旋转的盘状结构，这将成为未来行星系统的摇篮原恒星阶段随着引力收缩，中心温度持续上升当温度达到约2000K时，分子氢分解为原子氢持续坍缩产生的能量使原恒星开始发光，但这时能量主要来自引力势能转化，而非核聚变核聚变点火当核心温度最终达到约1000万度时，质子开始克服电磁斥力融合成氦核的过程启动，释放出巨大能量核聚变开始后，产生的辐射压与引力达到平衡，恒星进入稳定的主序阶段，真正诞生主序星阶段红巨星阶段核心氢耗尽外层膨胀当恒星核心的氢燃料消耗殆尽，无壳层聚变释放的能量远超过之前核法继续维持核聚变，内部平衡被打心聚变的能量，使恒星外层吸收大破核心不再产生足够的辐射压力量热量而膨胀随着外层膨胀，表来抵抗引力，开始收缩核心收缩面积增大，但温度降低，恒星从黄释放的引力势能加热了外部氢层，色变为红色太阳在红巨星阶段将使其温度足够高，开始进行核聚膨胀至原来的倍以上，轨道将100变，形成一个氢燃烧壳层超过地球现在的位置氦闪与稳定燃烧核心继续收缩升温，当温度达到约亿度时，氦原子核开始聚变形成碳在类太1阳质量的恒星中，这个过程开始时非常剧烈，称为氦闪随后恒星进入相对稳定的氦燃烧阶段，成为水平支恒星，同时继续进行壳层氢聚变不同质量恒星的命运低质量恒星白矮星质量小于太阳倍的恒星（如太阳）无法达到足够高的核心温度来点燃碳聚8变它们在氦燃料耗尽后，外层物质脱离形成行星状星云，留下炽热但逐渐冷却的核心，成为白矮星白矮星没有核聚变能源，将在数十亿年内逐渐冷却变暗中等质量恒星中子星质量在太阳倍的恒星能够经历碳、氧、硅等更重元素的聚变过程，最8-20终形成铁核心铁元素聚变无法释放能量，核心坍缩引发超新星爆发爆发后，恒星核心中的质子和电子被压缩合并成中子，形成极度致密的中子星大质量恒星黑洞质量超过太阳倍的恒星在超新星爆发后，残余核心的引力如此强大，以20至于任何已知物理力量都无法阻止其坍缩物质被压缩到无限密度的奇点，周围形成事件视界，成为黑洞黑洞的引力强到连光都无法逃脱白矮星吨地球大小1每立方厘米体积比较白矮星是恒星死亡后的致密残骸，其物质典型的白矮星直径接近地球，但质量接近被压缩到极限一立方厘米的白矮星物质太阳这意味着一颗白矮星可以将太阳的质量约为吨，相当于一辆小汽车的重量被大部分物质压缩到地球大小的空间中，形1压缩到一颗糖果大小的空间中成一种极端致密的天体亿年100冷却时间白矮星没有内部核聚变提供能量，只是通过储存的热量缓慢辐射完全冷却需要数百亿年，远超宇宙当前年龄因此，宇宙中尚未存在完全冷却的白矮星超新星爆发宇宙中最猛烈爆炸元素工厂超新星爆发是宇宙中最壮观的天超新星爆发是宇宙中铁元素以上文现象之一，一颗恒星在几秒钟重元素的主要合成场所在爆发内释放的能量可相当于太阳在其过程中，极端温度和中子通量使整个亿年寿命中释放能量的原子核能够快速捕获中子，形成100总和爆发期间，单颗超新星的更重的元素，包括金、银、铂等亮度可超过整个星系的亮度，能贵金属我们体内的大部分重元在数十亿光年外被观测到素都来自于远古超新星的爆发SN1987A年月，天文学家观测到大麦哲伦云中的一颗蓝超巨星爆发成超新星，19872这是现代天文学时代观测到的最近超新星爆发提供了前所未有SN1987A的研究机会，首次探测到超新星中微子，证实了超新星理论的核心预测中子星与脉冲星极端密度一立方厘米中子星物质重达亿吨10强大磁场磁场强度是地球磁场的万亿倍急速旋转可在毫秒级周期完成一次自转中子星是质量介于太阳倍之间的恒星经历超新星爆发后留下的紧密核心它们直径仅约公里，却拥有个太阳质量这种天体的密8-

20201.4-2度极高，仅次于黑洞，主要由中子构成根据理论计算，中子星表面重力是地球的数十万倍，使得表面有山峰的高度不超过几毫米许多中子星快速旋转并伴有强大的磁场，形成脉冲星脉冲星磁极发出的辐射束像灯塔般扫过空间，当指向地球时，我们观测到规律性的无线电脉冲信号最快的毫秒脉冲星每秒可旋转数百次，精确度堪比原子钟，为研究广义相对论和引力波提供了理想的宇宙实验室黑洞的形成与特性事件视界奇点与霍金辐射事件视界是黑洞最引人注目的特征，它不是物理实体，而是空间根据广义相对论，黑洞中心存在一个数学奇点，那里的时空曲率中的一个临界点，一旦越过，即使光也无法逃脱黑洞的引力对和密度趋于无限但量子力学表明，这种情况可能被量子效应修于一个太阳质量的黑洞，事件视界半径仅约公里黑洞质量越正完整的量子引力理论将来或许能解决奇点问题，但目前尚未3大，其事件视界半径也越大，成正比关系建立黑洞事件视界周围的时空极度扭曲，导致时间膨胀效应从外部史蒂芬霍金在年提出，量子效应使黑洞可以辐射能量，最·1974观测者角度看，接近事件视界的物体似乎运动越来越慢，最终在终可能完全蒸发霍金辐射源于量子涨落，在黑洞附近产生虚粒视界处冻结，而掉入者自身却感觉正常通过子对，其中一个粒子可能逃逸，带走能量，使黑洞质量减少这个过程极其缓慢，太阳质量黑洞完全蒸发需要年10^67第四部分星系与宇宙大尺度结构银河系与我们的位置了解我们所在的星系结构和太阳系在其中的位置星系分类与演化研究不同类型星系的形成和演变过程宇宙大尺度结构网络探索星系在更大尺度上的分布形态和结构在宇宙的庞大层级结构中，恒星组成星系，星系构成星系团，星系团形成超星系团，而超星系团则连接成网络状的宇宙大尺度结构这种分层结构反映了宇宙物质分布的基本规律，也记录了宇宙从大爆炸至今的演化历史现代天文观测表明，宇宙大尺度结构呈现出巨大的宇宙网络，星系和星系团分布在这个网络的节点和丝线上，而在网络之间则是巨大的空洞这种独特分布格局是宇宙早期密度涨落经过漫长演化的结果，同时也受到暗物质分布的深刻影响银河系概览银河系的结构中央超大质量黑洞核球区域银河系中心存在一个被称为人马银河系中心有一个椭球形的核座的超大质量黑洞，质量约球，直径约万光年，主要由红A*1为万个太阳质量这个黑洞色年老恒星组成，这些恒星轨道400相对宁静，偶尔吞噬靠近的气体取向各异，缺乏有序的旋转模和恒星，释放出射线等高能辐式核球附近存在一个长约X射年，事件视界望远镜光年的棒状结构，将角动20227000合作组首次拍摄到了这个黑洞的量向外传输，并驱动星系内部的直接照片气体流动旋臂结构银河系拥有数条主要旋臂，包括英仙臂、人马臂、天鹅臂和猎户臂旋臂是恒星形成的活跃区域，内含大量年轻蓝色恒星、恒星形成区和气体分子云旋臂实际上是密度波，恒星穿过时暂时减速，类似交通拥堵区星系的多样性椭圆星系旋涡星系不规则星系椭圆星系呈现平滑的椭球形，几乎没有结旋涡星系如银河系和仙女座星系，具有明不规则星系没有明显的形状或结构，通常构特征它们主要由年老的红色恒星组显的盘面和螺旋臂结构这类星系包含大是较小的星系，如大小麦哲伦云它们可成，气体和尘埃含量极低，因此几乎没有量气体和尘埃，主要在旋臂中形成新恒能是原生形成的，也可能是大星系相互碰新恒星形成这类星系通常形成于星系碰星根据是否有中央棒状结构，可分为普撞或潮汐力破坏的结果不规则星系常有撞和合并过程中，可能包含多个超大质量通旋涡星系和棒旋星系两类活跃的恒星形成活动，含有丰富的气体和黑洞尘埃资源星系团与超星系团本星系群本星系群是我们银河系所在的星系团，直径约万光年，包含银河系、仙1000女座星系、三角座星系等约个成员星系这个星系群以三个大型星系为主54导，其余主要是卫星矮星系银河系和仙女座星系是本星系群中最大的两个星系，正在互相接近，预计将在约亿年后发生碰撞合并40室女座超星系团本星系群属于更大的室女座超星系团，这是我们所在区域最大的星系结构，直径约亿光年，包含约个星系室女座超星系团的中心是巨大

1.11500的室女座星系团，含有约个星系超星系团的引力将各个星系团束缚1300在一起，形成一个庞大的结构拉尼亚凯亚超星系团年，天文学家发现室女座超星系团实际上是一个更大结构的一部2014分，命名为拉尼亚凯亚超星系团这个巨大结构直径超过亿光年，包5含约万个星系这是目前已知与我们直接相关的最大宇宙结构，反映10了宇宙大尺度上的物质分布格局宇宙大尺度结构在上亿光年的尺度上观察宇宙时，星系分布形成了一个被称为宇宙网络的结构这个网络由无数星系组成的丝状结构围绕着巨大的近乎真空的空洞区域在丝状结构的交汇处，往往存在富集的星系团和超星系团，形成网络的节点宇宙空洞是宇宙中几乎不含任何星系的巨大区域，直径可达数亿光年最大的已知空洞是北方大空洞，直径超过亿光年这种特10殊的宇宙结构被认为是暗物质分布的直接反映，暗物质形成了宇宙大尺度结构的骨架，普通物质沿着这个骨架聚集形成可见的星系第五部分奇特的宇宙现象黑洞与时空扭曲引力波的发现探索极端引力如何扭曲时空，创造宇宙1了解时空涟漪的探测与对相对论的验证中最神秘的天体高能宇宙现象伽马射线暴观察活动星系核和其他极端能量释放过研究宇宙中最猛烈的爆炸现象及其起源程黑洞的观测证据20192022黑洞首张照片银河系黑洞事件视界望远镜团队公布了人类历史上第一张事件视界望远镜对银河系中心的超大质量黑洞黑洞照片，拍摄对象是M87星系中心的超大质人马座A*进行了成像这个位于我们星系中量黑洞该黑洞质量约为65亿个太阳质量，距心的黑洞虽然质量只有M87黑洞的千分之一，离地球约5500万光年照片显示了黑洞周围但由于距离更近，在天空中的角尺寸与M87黑的发光物质环和中央的暗影洞相当数十射线双星系统X天文学家已发现数十个恒星级黑洞的证据，主要通过观测双星系统中的X射线辐射当黑洞从伴星吸积物质时，物质在坠入黑洞前形成高温吸积盘，发出强烈X射线，这成为探测恒星级黑洞的重要方法引力波的探测理论预言1916年，爱因斯坦的广义相对论预测了引力波的存在，认为加速运动的质量会产生时空涟漪，以光速传播但由于引力波极其微弱，长期无法被直接探测，成为物理学的一大难题探测器LIGO美国激光干涉引力波天文台LIGO建造了两个巨大的L形激光干涉仪，分别位于华盛顿州和路易斯安那州每个干涉仪的臂长4公里，能探测到小于质子直径万分之一的长度变化首次探测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的合并这两个黑洞质量分别为36和29个太阳质量，合并释放的能量相当于3个太阳质量转化为引力波全球探测网络随后，意大利的Virgo、日本的KAGRA和印度的LIGO-India陆续加入全球引力波探测网络多探测器联合观测能更精确地确定引力波源的位置，开启多信使天文学新时代伽马射线暴宇宙最剧烈爆炸短时伽马射线暴伽马射线暴是宇宙中观测到的最猛烈持续时间不超过秒的被称为短时伽马2爆炸现象，持续时间从毫秒到数小时射线暴，一般认为是由两个中子星或不等在短短几秒内，一次伽马射线中子星与黑洞的合并引起年，2017暴可以释放出相当于太阳整个寿命中天文学家首次同时观测到引力波能量总和的辐射这些爆发产生的高和伽马射线暴GW170817GRB能光子主要集中在伽马射线波段，能，确认了这种合并事件确实170817A穿透星际和星系际空间，被地球轨道会产生短时伽马射线暴，同时这类事上的卫星探测器捕获件也是宇宙中金、铂等重元素的主要形成场所长时伽马射线暴持续时间超过秒的被称为长时伽马射线暴，通常与大质量恒星的坍缩相关，被称为2超新星失败或超新星当一颗旋转极快的大质量恒星核心坍缩为黑洞时，部分物质形成高速喷流，穿透恒星外层并产生强烈的伽马射线辐射这种喷流必须恰好指向地球方向才能被我们观测到活动星系核中央引擎超大质量黑洞位于星系中心，质量可达数百万至数十亿太阳质量吸积盘气体物质围绕黑洞形成高温旋转盘，温度可达数百万度双极喷流物质沿黑洞旋转轴以接近光速喷射，延伸数十万光年强烈辐射释放巨大能量，从射电到伽马射线全波段可见活动星系核（AGN）是位于某些星系中心的极亮区域，其能量输出可超过整个星系中所有恒星的总和最亮的活动星系核被称为类星体（Quasar），它们是宇宙中最亮的持续能源，即使在数十亿光年外也清晰可见早期宇宙中类星体比现在更为常见，表明宇宙演化过程中活动星系核的活跃度有明显变化活动星系核的能量来源是中心超大质量黑洞吞噬物质的过程当物质坠入黑洞前，被压缩和加热，释放出巨大能量一些活动星系核还会产生对称的高能射电喷流，物质以接近光速沿黑洞旋转轴方向喷射，形成可延伸数十万光年的巨大结构，能量可达10^45瓦特，相当于数万亿个太阳第六部分人类的太空探索历程太空时代的开启回顾第一颗人造卫星发射和早期太空竞赛，探索这些开创性成就如何改变了人类对太空的认知和探索方式这一阶段见证了人类首次离开地球，开始向宇宙迈进的重要一步载人航天里程碑从首位宇航员到国际空间站，人类载人航天技术经历了飞跃性发展我们将回顾阿波罗登月计划、航天飞机项目以及各国航天员在太空中的重要成就和科学发现行星探测的重大发现通过无人探测器，人类对太阳系的认识不断深入从火星上的生命迹象探测到土星环的详细研究，这些任务极大拓展了我们对邻近行星和卫星环境的理解太空探索的早期阶段年月日1957104苏联发射世界首颗人造卫星斯普特尼克1号，重

83.6公斤，在离地面约230公里的轨道上绕地球运行，发出标志性的哔哔信号这一成就震惊西方世界，标志着太空时代的正式开始，也引发了美苏之间的年月日1961412太空竞赛苏联宇航员尤里·加加林搭乘东方1号飞船实现人类首次太空飞行，绕地球一周，飞行时间108分钟加加林因此成为人类历史上第一位进入年月日1969720太空的人，他的名言地球是蓝色的成为太空探索的经典描述美国宇航员尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林乘坐阿波罗11号登月舱成功降落在月球表面阿姆斯特朗迈出人类在地球以外天体上的第一步，说出了著名的这是一个人的一小步，却是人类的一大步这次任务实现了人类首次登月，标志着阿波罗计划的高潮中国航天成就中国航天事业发展迅速，年月日，杨利伟乘坐神舟五号飞船成功进入太空，使中国成为世界上第三个独立掌握载人航天技20031015术的国家此后，中国航天员队伍不断壮大，太空行走、交会对接等技术日趋成熟，载人航天能力显著提升在深空探测领域，中国取得了一系列突破性成就年嫦娥三号实现了中国首次月面软着陆；年嫦娥四号首次在月球背面着20132019陆；年天问一号火星探测任务成功发射，年成功着陆火星；年中国空间站全面建成，标志着中国成为拥有长期载人航202020212022天能力的国家国际空间站多国合作项目轨道特性国际空间站是人类历史上最大的空间站运行在距地面约公里400国际科学合作项目之一，由美的近地轨道上，以约公28,000国、俄罗斯、欧洲航天局、日本里小时的速度运行，每分钟/90和加拿大等个国家共同参与建绕地球一周，每天经历次日出1616设和运营这种前所未有的国际和日落这个高度是平衡大气阻合作模式，使各国能够分担巨大力和辐射危险的最佳选择，同时的建设和维护成本，同时共享科便于货运飞船和载人飞船的补给研成果和访问长期居住自年月日首批宇航员进驻以来，国际空间站已持续有人居住超过2000112年，创下人类太空连续居住的最长纪录截至目前，已有来自个国家2019的多名宇航员在空间站工作和生活，进行了数千项科学实验和技术验240证深空探测任务旅行者计划哈勃太空望远镜卡西尼惠更斯-年，美国发射旅行年发射的哈勃太空年，卡西尼惠更197719902004-者号和号探测器，原望远镜彻底改变了我们斯探测器抵达土星系12计划探索木星和土星，对宇宙的认识它在地统，开始为期年的详13后来扩展任务探索更远球轨道上运行了多细研究这次任务揭示30行星这两艘探测器现年，提供了无数震撼人了土星环的复杂结构，已飞离太阳系，进入星心的深空图像，帮助科发现土卫六表面存在液际空间，是人类制造的学家测量宇宙年龄，研态甲烷湖泊，土卫二南飞得最远的物体它们究黑洞，观察遥远星极喷发水蒸气羽流，表携带的金唱片记录了系，并探测系外行星大明地下可能存在液态水地球文明的声音和图气成分海洋，成为寻找地外生像，作为人类向宇宙发命的热门目标出的信息火星探索进展重返月球计划阿尔忒弥斯计划国际月球研究站与月球资源美国的阿尔忒弥斯计划旨在年左右将宇航员送回月中国和俄罗斯提出建设国际月球研究站（）计划，旨在月NASA2025ILRS球，这次不仅是简短访问，而是建立持久存在该计划使用新一球南极建立长期科研基地该计划分阶段实施，从无人探测逐步代重型运载火箭太空发射系统（）和猎户座飞船，目标是发展到载人基地，最终形成自持续发展的月球科研和资源利用设SLS在月球南极建立基地，利用那里可能存在的水冰资源施阿尔忒弥斯计划强调国际合作和商业参与，已有加拿大、欧洲、月球资源开发是未来月球探索的重要方向月球南极的永久阴影日本等多国加入特别值得注意的是，这次将有首位女性和有色区可能蕴含大量水冰，这是建立长期月球基地的关键资源此人种宇航员登陆月球，体现了更加多元化的太空探索理念外，月壤中含有氦等稀有资源，有望用于未来的核聚变发-3电通过就地资源利用（）技术，人类可以从月球本地材ISRU料制造燃料、氧气、建筑材料等必需品，大幅降低从地球运输的成本第七部分现代天文观测技术地基望远镜的进化太空望远镜的优势多波段天文学的综合观测现代地基望远镜已发展到米级口径，配太空望远镜摆脱了地球大气的限制，能够现代天文学已不再局限于可见光观测，而30备自适应光学系统克服大气扰动代表性观测从伽马射线到红外线的全波段辐射是综合利用从射电到伽马射线的全电磁波设施包括智利的超大望远镜（）、夏哈勃太空望远镜运行余年提供了无数震谱不同波段的观测揭示天体物理过程的VLT30威夷的凯克望远镜以及在建的三十米望远撼图像，而更先进的韦伯太空望远镜则以不同方面射电波段观测中性氢分布，红镜（）和欧洲极大望远镜（）其米主镜专注于红外观测，能探测宇宙外波段穿透尘埃观测恒星形成，射线和伽TMT ELT

6.5X这些巨型设备能收集到遥远天体的微弱光早期形成的星系和系外行星大气马射线则反映高能过程如黑洞活动线，分辨率达到前所未有的水平射电天文学的突破事件视界望远镜射电望远镜射电干涉技术FAST事件视界望远镜（）通过将分布在全球各中国建造的米口径球面射电望远镜现代射电天文学广泛采用干涉技术，通过同时EHT500地的射电望远镜连接起来，形成了一个地球大（）是世界上最大的单口径射电望远使用多个天线接收信号并进行相关处理，实现FAST小的虚拟望远镜年，它拍摄了人类首镜，灵敏度超过之前最大射电望远镜的远超单个望远镜的分辨率代表性设施包括美

20192.5张黑洞照片星系中心黑洞，年倍已发现数百颗新脉冲星，探测到氢国的甚大阵列（）和国际合作建设的阿——M872022FAST VLA又成功拍摄了银河系中心黑洞人马座厘米谱线发射，为研究宇宙大尺度结构和塔卡马大型毫米波亚毫米波阵列A*21/这些成像证实了爱因斯坦广义相对论的预测检验基本物理定律提供了强大工具（），它们能以极高分辨率观测恒星形ALMA成区、星系中心等复杂区域空间天文台韦伯太空望远镜系外行星探测者钱德拉射线天文台X年发射的詹姆斯韦伯开普勒太空望远镜在年发射的钱德拉射2021·1999X太空望远镜是哈勃的继任年期间运行，线天文台是美国四大天文2009-2018者，配备米直径的黄金通过凝视一小块天区，监台之一，专注于高能宇宙

6.5镀层主镜，主要在红外波测恒星亮度微小变化，发现象观测它能够探测温段观测它位于距地球现了数千颗系外行星后度高达数千万度的炽热气150万公里的拉格朗日点，续的凌日系外行星巡天卫体，如星系团中的星系际L2工作温度保持在左星（）从年开介质、超新星遗迹和活动-233°C TESS2018右韦伯能够观测宇宙中始观测，目标是监测全天星系核周围的高温区域首批星系，研究恒星与行空中最亮的恒星，寻找地钱德拉提供的射线图像分X星系统的形成，并分析系球大小的岩质行星，特别辨率比之前设备提高了100外行星大气成分是位于宜居带的行星倍，对理解宇宙中剧烈物理过程贡献巨大中国天文观测设备中国天文观测设备近年快速发展，规模和技术水平显著提升郭守敬望远镜（）是世界上最大的光谱巡天望远镜，配备根LAMOST4000光纤，可同时获取数千个天体的光谱，已完成数百万恒星的光谱测量，建立了世界最大的恒星光谱数据库，为研究银河系结构和演化提供了宝贵资料米口径球面射电望远镜（）不仅是世界最大射电望远镜，其灵敏度和天区覆盖率也创造了新纪录，短期内已发现数百颗脉冲星500FAST墨子号量子科学实验卫星则开创了空间量子实验先河，实现了千公里级量子纠缠分发和量子密钥分发，为未来量子通信网络奠定基础这些大科学装置展示了中国在基础科学领域的创新能力第八部分未来宇宙探索展望系外行星探索寻找第二个地球是天文学重要目标地外生命搜寻开发新技术探测生命痕迹人类太空扩张向火星和更远天体拓展人类文明随着科技的飞速发展，人类探索宇宙的能力将迎来质的飞跃下一代空间和地面天文台将使我们能够直接成像遥远的系外行星，分析它们的大气成分，寻找生物活动的化学痕迹搜寻地外智能生命的项目也在不断升级，从传统的无线电信号监听扩展到寻找技术文明的光学信号和人工结构在太阳系探索方面，人类将建立月球永久基地，实现火星载人登陆，并向更远的天体如木星和土星的卫星发送更先进的探测器太空采矿、小行星防护和行星工程等领域将从科幻走向现实随着推进技术的革新，人类有望在本世纪末实现向临近恒星系统发送探测器的目标，开启星际探索的新纪元系外行星探索亿5000+300已确认系外行星银河系估计行星总数自1995年首颗系外行星发现以来，天文学家根据已有观测数据推算，仅在银河系中就可已确认超过5000颗围绕其他恒星运行的行能存在约300亿颗行星，其中数十亿颗可能星，数量仍在快速增长从巨大的热木星到位于宜居带这意味着宇宙中可能存在数不微小的超级地球，系外行星展现出令人惊叹清的潜在宜居世界的多样性~100宜居带行星候选目前已发现约100颗可能位于宜居带的岩质行星宜居带是指行星轨道距离恒星适当，使表面温度可能维持液态水存在的区域，这是生命产生的基本条件寻找地外生命项目生物标志物SETI搜寻地外智能文明发出的无线电和光学通过分析系外行星大气成分，寻找如氧信号，目前已监测数千个恒星系统气、甲烷等生命活动产生的气体组合技术信号探测太阳系内生命探索4寻找人造结构、污染物或能源使用等高火星和木卫二等天体可能存在简单生命级文明的技术特征形式，是重点探测目标人类的宇宙未来太阳系内的殖民计划星际旅行的理论与挑战宇宙学与人类命运人类正在规划首先在月球建立永久前哨目前星际旅行面临巨大技术挑战，包括推从宇宙学角度看，人类文明的长期生存面站，作为深空探索的跳板火星是下一个进系统、长期生命支持和辐射防护等突临诸多挑战太阳将在约亿年后演变为50殖民目标，预计在年代实现首破摄星计划提出使用激光推动的光帆微型红巨星，此前地球就会变得不适宜居住2030-2040次载人登陆，随后建立自给自足的殖民探测器，以光速飞向比邻星核聚更长远看，宇宙的加速膨胀、恒星的熄20%地更远的未来，人类可能在小行星、木变、反物质推进和曲率驱动等更先进推进灭、黑洞的蒸发都将改变宇宙面貌然星和土星的卫星上建立前哨，甚至考虑在系统仍处于理论阶段，但可能在未来几个而，展望未来，先进文明可能发展出操控金星大气层漂浮城市的可能性世纪内实现星系能源的能力，甚至探索多维宇宙。