探索宇宙奥秘：天文学课件介绍

探索宇宙奥秘天文学课件介绍欢迎步入浩瀚无垠的宇宙世界这门课程将带领大家探索宇宙的起源、结构、演化以及人类对宇宙认知的历史和现状我们将从宏观宇宙结构开始，逐步深入到恒星、行星、黑洞等天体的奥秘，同时了解天文观测技术的发展和突破无论你是天文爱好者还是初学者，这个旅程都将激发你对宇宙的无限好奇让我们一起仰望星空，探寻人类在宇宙中的位置，以及我们与星辰大海的深刻联系宇宙的定义与结构宇宙的尺度星系数量宇宙的直径约为亿光年，这个数930宇宙中包含约万亿个星系，每个星系2字远超过我们能直接观测的宇宙范中又有数千亿颗恒星我们的银河系围可观测宇宙的直径约为亿光930只是其中普通的一员，拥有约2000-年，而宇宙可能远大于此或甚至是无亿颗恒星4000限的基本组成宇宙年龄宇宙的物质能量组成中，普通物质仅根据当前的宇宙学模型，宇宙的年龄占，暗物质约占，暗能量约约为亿年这一结论来自对宇宙5%27%138占这意味着我们熟悉的物质只微波背景辐射的精确测量和理论计68%是宇宙的一小部分算天文学的发展历程古代天文学天文学起源于公元前3000年的古巴比伦，当时人们开始有系统地记录天象古埃及、中国、玛雅等文明也独立发展了天文学，主要用于农业、航海和宗教活动经典天文学古希腊人建立了第一套完整的天文学体系，托勒密的地心说主导欧洲天文学千余年16世纪，哥白尼的日心说开创了现代天文学的新纪元望远镜时代31610年，伽利略首次用望远镜观测木星卫星，开启了天文观测的新时代此后，开普勒、牛顿等人的工作使天文学与物理学紧密结合现代天文学20世纪，随着技术进步，天文学进入黄金时代射电天文学、空间天文学、高能天体物理学等新领域迅速发展，大大拓展了人类对宇宙的认知范围重要天文学家尼古拉哥白尼艾萨克牛顿··年，波兰天文学家哥白尼在其著作《天体运行论》中首次完英国科学家牛顿发现万有引力定律，解释了行星运动规律，建立1543整提出日心说，彻底改变了人类对宇宙的认知框架他的理论虽了经典力学体系他设计的反射式望远镜至今仍是现代天文望远然当时受到教会压制，但最终引发了科学革命镜的基本设计之一阿尔伯特爱因斯坦埃德温哈勃··相对论的创立者，他的广义相对论彻底改变了人类对空间、时间美国天文学家哈勃证明了银河系外还存在其他星系，并发现宇宙和引力的理解爱因斯坦的理论预言了引力波、黑洞等现象，为膨胀现象哈勃常数成为描述宇宙膨胀速率的重要参数，以他命现代宇宙学奠定了基础名的太空望远镜取得了无数突破性发现中国古代天文成就先秦观星台南宋石鼓山天文台天文仪器创新中国最早的天文观测设施可追溯到先秦建于南宋时期的石鼓山天文台是中国古中国古代发明了许多先进的天文仪器，时期，如河南登封的周公测景台这些代最重要的官方天文观测机构之一天如汉代张衡的浑天仪、北宋苏颂的水运遗址表明中国古代已经开展系统的天文文学家在此进行了长期精确的天象观仪象台等这些仪器在当时世界上处于观测活动，用于确定季节、指导农业和测，编制了精确的历法和天文表领先水平，体现了中国古代天文技术的制定历法高度成就现代天文学突破19902015哈勃望远镜发射引力波首次探测哈勃太空望远镜于1990年发射升空，成激光干涉引力波天文台（LIGO）在2015为人类的太空眼睛尽管初期曾出现年首次直接探测到引力波，证实了爱因光学问题，修复后的哈勃望远镜提供了斯坦一个世纪前的理论预言，开创了引前所未有的清晰太空图像，彻底改变了力波天文学新时代人类对宇宙的认知2019黑洞首张照片事件视界望远镜（EHT）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，为黑洞理论提供了直接证据天文观测的基本原理全波段观测现代天文学通过观测电磁波谱的各个波段获取宇宙信息多种观测手段光学、射电、红外、紫外、X射线和伽马射线观测多信使天文学结合电磁波、引力波、中微子和宇宙射线观测数据处理技术计算机处理海量数据，生成图像和模型天文观测已从单一的光学观测发展为全波段、多方式的综合观测系统不同波长的电磁波能够穿透不同的宇宙环境，揭示不同的天体物理过程例如，红外观测可以看穿宇宙尘埃，研究恒星形成区域；X射线观测则可以探测高温气体和黑洞活动随着多信使天文学的兴起，科学家们可以同时收集来自同一天文事件的不同物理信号，如双中子星并合产生的引力波和电磁辐射，从而对宇宙现象获得更全面的理解天文望远镜的种类地基光学望远镜地基射电望远镜利用镜片或反射镜收集和聚焦可捕捉来自宇宙的无线电波中国见光目前最大的地基光学望远贵州的米口径球面射电望远500镜为智利的甚大望远镜镜（）是目前全球最大的单FAST（），口径米未来的极口径射电望远镜，灵敏度远超其VLT

8.2大望远镜（）口径将达到他同类设备ELT39米，预计年建成2027空间望远镜在地球大气层外运行，避免大气干扰典型代表有哈勃太空望远镜、詹姆斯韦伯太空望远镜等空间望远镜虽然口径较小，但观测效果常优于地基·望远镜现代天文观测常采用多望远镜协同策略，不同类型的望远镜同时观测同一天体，获取更全面的数据望远镜技术的进步使人类的宇宙视野不断扩展，从可见光扩展到全电磁波谱光学望远镜发展史年伽利略望远镜1609伽利略自制的折射望远镜放大倍率约20倍，首次观测到木星的四颗大卫星、月球的环形山和银河系中的大量恒星，揭开了望远镜天文学的序幕年牛顿反射望远镜1668牛顿发明的反射式望远镜解决了色散问题，为大口径望远镜的发展奠定了基础这种设计直到今天仍广泛应用于各种现代天文望远镜中世纪大型天文台时代31919世纪出现了许多大型光学望远镜，如威廉·赫歇尔的40英尺望远镜、罗斯勋爵的利维坦望远镜等，人类的观测能力大幅提升现代自适应光学20世纪末发展的自适应光学技术能实时补偿大气扰动，大大提高了地基望远镜的分辨率凯克望远镜、甚大望远镜等设施引领现代光学天文观测射电天文学与FAST基本参数科学成就FAST中国的米口径球面射电望远镜（）位于贵州省平塘自年建成以来，已经发现了数百颗新脉冲星，这500FAST FAST2016县大窝凼，是世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜其些宇宙灯塔是研究极端物理条件下物质状态的重要工具反射面由块铝板组成，总面积约个足球场大小同时，还探测到了大量新的快速射电暴（），为解445030FAST FRB释这一神秘天文现象提供了重要数据的工作频率范围为，灵敏度比之前世界FAST70MHz-3GHz最大的阿雷西博望远镜提高了倍望远镜可以跟踪天体在搜寻地外文明（）领域，的高灵敏度使它成为

2.5-3SETI FAST度角范围内的运动，大大提高了观测效率最有可能探测到地外文明信号的设备之一此外，还在40FAST中性氢观测、星际分子探测等领域取得了一系列重要成果天文观测的未来趋势平方公里阵列（）SKASKA是一个国际合作的巨型射电望远镜项目，由上千个天线组成分布在南非和澳大利亚，总接收面积将达到一平方公里它的灵敏度将是现有射电望远镜的50倍，可探测更遥远宇宙中的微弱信号人工智能辅助观测AI技术正在彻底改变天文数据处理方式机器学习算法可以从海量天文数据中自动识别超新星、引力透镜等稀有现象，大大提高发现效率未来的智能观测系统还将自动调整观测策略，优化望远镜使用时间月球背面天文台中国嫦娥系列探测器已在月球背面开展了无线电观测未来，科学家计划在月球背面建立永久天文台，利用月球自转屏蔽地球无线电干扰，实现极低频射电观测，研究宇宙黑暗时代太空天文网络未来的空间天文观测将从单一望远镜向天文卫星网络发展多颗卫星组成的干涉阵列可以获得比单一望远镜高得多的分辨率，有望直接成像类地行星表面太阳的基本特征能量产生内部结构太阳通过氢转变为氦的核聚变反太阳从内到外分为核心、辐射应释放能量，每秒约

3.8×10^26区、对流区、光球层、色球层和瓦特，相当于地球上一亿座核电日冕核心占太阳半径的，站的总输出这些能量通过辐射25%物理参数演化时间尺度但集中了近一半的质量，是核聚和对流传到表面，再以电磁辐射太阳直径约139万公里，质量为变反应发生的场所形式散发到太阳系太阳年龄约46亿年，处于主序星千克，占太阳系总中年阶段按照恒星演化模型，

1.989×10^30质量的表面温度约太阳还将在主序星阶段稳定燃烧

99.86%，而核心温度高达万约亿年，然后膨胀为红巨星，5778K150050最终成为白矮星K日冕与太阳活动日冕之谜日冕温度高达200万K，远高于太阳表面温度太阳黑子表面温度较低的磁场集中区域，呈11年周期变化太阳耀斑磁场重联释放的巨大能量爆发，影响地球磁场日冕物质抛射大量带电粒子喷射入行星际空间，引发地磁暴太阳活动的影响远超我们的想象强烈的太阳耀斑和日冕物质抛射会对地球产生显著影响，包括扰乱无线电通信、损坏卫星设备、影响电网运行，甚至导致极光现象向低纬度地区扩展历史上的卡灵顿事件（1859年）就是一次特别强烈的太阳风暴，当时电报系统停止工作，有报道称电报操作员受到电击太阳活动监测已成为现代空间天气预报的重要组成部分中国的羲和号太阳探测卫星、美国的太阳动力学天文台（SDO）等设施每天都在密切监测太阳活动，为可能的太阳风暴提供预警八大行星简介行星类型直径地球=1轨道周期卫星数量水星岩质

0.3888天0金星岩质

0.95225天0地球岩质

1.00365天1火星岩质

0.53687天2木星气体巨行星

11.

211.9年79+土星气体巨行星

9.

429.5年82+天王星冰巨行星

4.084年27海王星冰巨行星

3.9165年14太阳系行星按距离太阳远近可分为内行星（水、金、地、火）和外行星（木、土、天、海）内行星主要由岩石和金属组成，体积较小；外行星体积巨大，木星和土星主要由氢和氦组成，天王星和海王星则含有大量冰态物质行星的物理特性和轨道参数展示了太阳系形成过程中的物质分异现象近年来，对太阳系行星的探测任务不断增加，我们对这些邻居的认识也在不断深入地球独特的宜居条件液态水覆盖地球表面70%被液态水覆盖，这是已知生命存在的必要条件地球位于太阳系的宜居带，温度适中，使水能够稳定以液态形式存在，这在太阳系八大行星中是独一无二的大气保护屏障地球大气层由78%氮气、21%氧气和少量其他气体组成，不仅提供了生物呼吸所需的氧气，还能过滤太阳有害辐射，调节全球温度，防止昼夜温差过大臭氧层阻挡了大部分紫外线，保护地表生命磁场与地质活动地球拥有强大的磁场，偏转了太阳风中的高能粒子，保护大气不被剥离活跃的板块构造和火山活动促进了碳循环，稳定气候地球核心释放的热量维持了长期的地质活动，这对长期宜居环境至关重要月球的稳定作用较大的月球稳定了地球自转轴倾角，减少了季节变化的极端程度如果没有月球，地球的自转轴可能会剧烈摆动，导致气候剧烈波动，不利于复杂生命的长期演化和发展火星探测进展早期火星探测火星探测始于20世纪60年代，前苏联的火星2号和火星3号首次到达火星美国海盗号探测器在1976年首次成功着陆，进行了首次实地探测这些早期任务证实火星表面极为干旽，但发现了水流可能存在的证据轨道与着陆探测90年代末至21世纪初，火星全球勘测者、火星奥德赛等轨道器提供了火星表面详细地图勇气号和机遇号探测车在2004年成功着陆，后者工作长达14年，创下记录好奇号于2012年着陆，配备先进实验室，首次确认火星古代环境适宜生命存在最新探测任务2021年，中国天问一号任务的祝融号巡视器成功着陆火星，标志着中国成为继美国之后第二个成功在火星软着陆并开展巡视探测的国家同年，美国毅力号探测车成功着陆，开始采集样品，为未来的样品返回任务做准备阿联酋的希望号和美国的洞察号也在进行火星观测未来火星计划未来的火星探测将更加关注生命迹象探测和载人任务准备美国航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）正合作开发火星样品返回任务，计划在2030年代将火星岩石样本带回地球中国也计划在2028年至2030年间开展火星采样返回任务木星与土星特征木星气态巨人土星光环之王木星是太阳系最大的行星，质量是地球的倍，直径约为地土星是太阳系第二大行星，最引人注目的特征是其壮观的环318球的倍它主要由氢和氦组成，与太阳成分类似，占有太系统土星环主要由冰块和岩石碎片组成，厚度不到公里，111阳系行星总质量的但直径超过万公里这些环被分为七个主要环带，由卡西71%27尼空隙等间隙分隔木星表面最显著的特征是大红斑，这是一个持续了至少400年的巨大风暴系统，大小足以容纳两到三个地球木星强大土星密度极低，是太阳系中唯一密度小于水的行星，理论上的引力使它拥有颗已知卫星，其中最大的四颗伽利略卫星放入足够大的水槽中会漂浮土星的大气层主要由氢和氦组79（木卫一至木卫四）大小堪比小行星成，顶层呈现出淡黄色的条纹状云带结构木星还拥有巨大的磁场，强度是地球磁场的倍，形成了太土星拥有颗已知卫星，数量超过了木星，成为卫星数量最1482阳系中最大的磁气圈这一磁场捕获并加速带电粒子，产生多的行星其中最大的卫星泰坦拥有厚厚的大气层和液态甲强烈的辐射带烷湖泊，是太阳系中除地球外唯一表面有稳定液体的天体太阳系外小天体小行星带彗星流星体与陨石位于火星和木星轨道之间的彗星是由冰、尘埃和岩石组流星体是进入地球大气层的小行星带含有数百万颗小行成的小天体，当它们接近太太空碎片，通常来自彗星或星，这些天体被认为是太阳阳时，表面冰体升华形成彗小行星碎片当它们在大气系形成早期未能聚合成行星发和彗尾大多数彗星来自中燃烧，就形成了流星（俗的残余物最大的小行星是太阳系外围的奥尔特云或柯称流星雨）少数较大的谷神星，直径约940公里，伊伯带著名的哈雷彗星每流星体能够穿过大气层到达被归类为矮行星小行星形76年回归一次，下次回归将地表，这些残余物称为陨状不规则，大多数由岩石和在2061年彗星被认为是太石陨石是研究太阳系早期金属组成，部分含有丰富的阳系早期水和有机物的重要历史和形成过程的宝贵资有机物和水来源料星际天体奥陌陌（1I/2017U1）是首个被发现的穿越太阳系的星际天体，于2017年被夏威夷天文台发现这个雪茄形天体长约400米，来自太阳系外，以极高速度穿越太阳系后继续前往星际空间2019年又发现了第二个星际天体2I/Borisov，这是一颗来自其他恒星系统的彗星行星际探测器成就旅行者1号和旅行者2号是人类探索太阳系最成功的任务之一1977年发射的这对探测器访问了所有四颗巨行星，拍摄了大量珍贵影像2012年，旅行者1号成为首个进入星际空间的人造物体，目前距离太阳约230亿公里2015年，新视野号飞掠冥王星，为我们揭示了这颗矮行星惊人的地质活跃性这些探测器不仅发回了改变我们对太阳系认知的数据，还携带着人类文明的信息前往星际深空，成为人类存在的永恒使者即使电力耗尽无法通信，它们仍将继续航行，旅行者号探测器预计在4万年后接近另一个恒星系统日全食与天象探秘部分日食环食全食恒星的诞生和演化分子云坍缩核聚变点火恒星诞生于巨大的冷气体和尘埃云当原恒星核心温度达到约万1000K团，当分子云在自身引力作用下坍时，氢核聚变反应开始，恒星真正点缩，中心区域密度和温度不断升高亮，进入主序星阶段这一过程从开坍缩区域最终形成原恒星，周围环绕始坍缩到核聚变点火通常需要10-100由气体和尘埃组成的吸积盘万年，取决于恒星质量晚期演化主序星阶段当核心氢耗尽，恒星开始燃烧外壳恒星约的一生都在主序星阶段度90%氢，向红巨星阶段演化大质量恒星过，氢核聚变提供稳定能量这一阶最终可能爆发为超新星，而小质量恒段持续时间从大质量恒星的几百万年星则会演化为白矮星恒星死亡释放到小质量恒星的上千亿年不等太阳的物质将成为新一代恒星和行星的原作为中等质量恒星，主序星寿命约材料亿年100恒星的类型与光谱分类光谱分类系统光谱特征哈佛光谱分类系统将恒星按表面温度从恒星光谱反映了恒星大气中原子和离子高到低分为O、B、A、F、G、K、M七的吸收线O型和B型恒星表面极热，种主要类型，对应温度从5万K到光谱中主要显示氦离子线；而K型和M2500K不等天文学家常用记忆口诀型恒星表面较冷，光谱中金属吸收线和Oh BeA FineGirl/Guy,Kiss Me来分子带明显通过分析这些吸收线，天记住这个顺序每个主要类型还细分为文学家可以确定恒星的温度、化学成0-9的子类，如太阳为G2型恒星分、表面重力等物理参数亮度分类除了光谱类型外，恒星还按亮度分为超巨星、亮巨星、巨星、亚巨星、主序星、亚矮星等这种分类使用罗马数字I-VII表示，如太阳是G2V型恒星，表示它是G2光谱类型的主序星（V）同一光谱类型的超巨星和矮星在光度上可能相差百万倍以上恒星的光谱分类是天文学最基础的工作之一，为我们理解恒星的基本物理特性提供了重要手段借助现代技术，天文学家已经对数百万颗恒星进行了详细分类，建立了庞大的恒星数据库，为研究银河系结构和演化提供了宝贵资料超新星爆发与元素合成铁核形成大质量恒星（8倍太阳质量）在核心形成铁核后，无法继续核聚变产生能量，核心开始坍缩核心坍缩铁核在自身引力作用下急剧坍缩，温度升至100亿K，原子核分解为质子和中子反弹冲击坍缩的核心形成中子星，产生的冲击波向外传播，引发剧烈的核反应爆发释能恒星外层被冲击波炸飞，瞬间亮度可达上百亿颗太阳，释放大量重元素超新星爆发是宇宙中最能量的爆炸现象之一，在几秒钟内释放的能量相当于太阳整个寿命的总输出1054年，中国宋朝天文学家记录了一颗客星，它比金星还亮，白天可见，持续近两年才逐渐暗淡这次爆发的残余就是今天的蟹状星云，其中心有一颗快速旋转的脉冲星超新星爆发对宇宙化学演化具有决定性意义宇宙大爆炸只产生氢、氦和微量锂，而铁以及更重的元素主要通过超新星爆发和中子星合并产生我们身体中的钙、铁等元素以及黄金、铂等贵金属都来自古老恒星的爆发，正如卡尔·萨根所说我们都是星尘黑洞的形成与观测恒星级黑洞质量为太阳倍，由大质量恒星坍缩形成3-100中等质量黑洞2质量为太阳万倍，形成机制尚不明确100-10超大质量黑洞3质量为太阳百万至百亿倍，位于星系中心黑洞是引力如此强大的天体，连光都无法逃脱其引力束缚尽管理论上黑洞不可直接观测，但天文学家可以通过研究黑洞周围物质的行为来间接探测它们当物质落入黑洞前会形成极热的吸积盘，发出强烈的射线和射电辐射X年月日，事件视界望远镜（）项目公布了人类历史上第一张黑洞照片，展示了星系中心超大质量黑洞的轮廓这张照2019410EHT M87片显示的不是黑洞本身，而是环绕黑洞的高温气体发出的辐射，以及黑洞在中心投下的阴影这一突破性成就验证了爱因斯坦广义相对论的预测，开创了黑洞直接成像的新时代脉冲星与中子星中子星物理特性脉冲星发现与特性中子星是超新星爆发后的致密残骸，质量通常为倍太阳年，英国天文学家乔瑟琳贝尔发现了第一颗脉冲星，它

1.4-21967·质量，但直径只有约公里它们主要由中子组成，密度极以极其规律的间隔发射无线电脉冲后来证实，脉冲星是快20高，一茶匙中子星物质质量可达亿吨速旋转的中子星，其强大的磁场产生集中的辐射束，像灯塔10一样扫过地球中子星表面温度可达上百万度，但由于体积很小，只有微弱的热辐射它们通常拥有极强的磁场，强度可达普通恒星的脉冲星自转周期从毫秒到几秒不等，且稳定性极高，有些脉万亿倍中子星物理状态代表了我们所知的最极端物质形式冲星计时精度比原子钟还精确科学家利用脉冲星测试广义之一，是研究强相互作用和超高密度物质的自然实验室相对论，研究星际介质，甚至探测引力波年，通过研1974究双脉冲星系统，科学家首次间接证实了引力PSR B1913+16波的存在，为此获得年诺贝尔物理学奖1993恒星距离与测量方法宇宙距离梯天文学家使用多种相互校准的方法测量宇宙距离三角视差法利用地球绕日公转测量近距离恒星的视差角标准烛光法利用已知亮度的天体（如造父变星）估算距离红移测距法利用宇宙膨胀导致的光谱红移测量遥远星系距离准确测量天体距离是天文学最基础也最具挑战性的工作之一最直接的方法是三角视差法，利用地球半年位置变化形成的基线测量恒星视位置的微小变化视差角越小，恒星距离越远欧洲盖亚卫星已测量了超过10亿颗恒星的精确视差，大大提高了我们对银河系结构的认识对于更远的天体，天文学家必须依赖标准烛光——已知绝对亮度的天体最重要的标准烛光是造父变星，它们的周期与亮度有严格关系通过观测造父变星在其他星系中的表观亮度，可以推算这些星系的距离这些方法互相校准，形成宇宙距离梯，最终延伸到可观测宇宙边缘银河系的结构万亿101000400光年直径光年厚度太阳质量黑洞银河系是一个巨大的盘状结构，直径约为10万光银河系盘面较薄，厚度约1000光年，但中央凸起银河系中心有一个超大质量黑洞——人马座A*，年，包含2000-4000亿颗恒星从宇宙尺度看，的核球区域厚度达到数千光年银河系周围还有质量约为太阳的400万倍对这个黑洞周围恒星运银河系是一个典型的棒旋涡星系，属于SC型，有一个球状的暗物质晕，直径可能达30万光年，包动的观测为我们提供了黑洞存在的直接证据，相关明显的中心棒状结构含了大部分银河系质量研究获得2020年诺贝尔物理学奖银河系的螺旋结构主要由四条主要旋臂组成英仙座臂、人马座臂、天鹅座-外臂和猎户座臂（也称本地臂，太阳位于其中）这些旋臂是恒星形成活跃的区域，含有大量年轻、明亮的恒星、开放星团和发光星云太阳在银河中的位置银河系的卫星星系大麦哲伦星云小麦哲伦星云其他卫星星系大麦哲伦星云（）是银河系最大的小麦哲伦星云（）是银河系的第二除了麦哲伦星云，银河系还有约个已LMC SMC50卫星星系，距离我们约万光年，直径大卫星星系，距离约万光年，直径约知的较小卫星星系，主要是矮椭圆星系1620约光年它是一个不规则矮星光年它含有约亿颗恒星，也是和矮球状星系这些星系大多质量很14000700015系，包含约亿颗恒星，相当于银河一个不规则矮星系与之间有小，有些甚至只含有几十万颗恒星近300SMC LMC系的内有著名的蜘蛛星云麦哲伦桥相连，这是一条由气体和恒年来，随着观测技术进步，天文学家不1/10LMC（），这是本地星系星组成的流，表明两者存在相互作用断发现新的银河系卫星星系，其实际数Tarantula Nebula群中最大的恒星形成区域量可能高达上百个哈勃定律与宇宙膨胀哈勃观测1929年，埃德温·哈勃通过研究星系光谱发现，遥远星系的光谱线都向红端偏移，且偏移量与距离成正比这一现象被解释为星系正在远离我们，且距离越远，远离速度越大哈勃定律哈勃定律表述为v=H₀×d，其中v是星系远离速度，d是距离，H₀是哈勃常数哈勃常数的最新测量值约为每百万秒差距

67.4公里/秒，这个值表示宇宙膨胀的速率宇宙膨胀哈勃定律反映的不是星系在空间中运动，而是空间本身在膨胀可以想象宇宙像一个膨胀的气球表面，气球表面的点（星系）随着气球膨胀而彼此远离，没有特定中心宇宙年龄根据哈勃常数倒数可以粗略估算宇宙年龄考虑宇宙膨胀速率的变化，目前对宇宙年龄的最佳估计为138亿年这与其他独立方法（如最古老恒星年龄、宇宙微波背景辐射）得到的结果一致其他螺旋、椭圆、不规则星系螺旋星系椭圆星系螺旋星系如我们的银河系，具有明显椭圆星系没有盘面和旋臂，呈椭球形的盘面和旋臂结构宇宙中约77%的或球形，从E0（近圆形）到E7（高度大质量星系为螺旋星系仙女座星系扁平）分类它们通常缺乏气体和尘（M31）是离银河最近的大型螺旋星埃，恒星形成不活跃，主要包含年老系，距离约250万光年，是肉眼可见的红色恒星M87是著名的巨椭圆星的最远天体之一螺旋星系富含气体系，位于室女座星系团中心，其中心和尘埃，恒星形成活跃，包含大量年超大质量黑洞是首个被直接成像的黑轻恒星洞不规则星系不规则星系没有明确的结构形态，常因星系碰撞或潮汐作用而形成大小麦哲伦星云是典型的不规则星系这类星系常有活跃的恒星形成区域，包含大量年轻恒星NGC4038/4039（触角星系）是两个相互碰撞的螺旋星系，正在形成壮观的不规则结构星系的形态与其形成和演化历史密切相关最新理论认为，星系可能通过多次合并逐渐成长椭圆星系可能是多个螺旋星系合并的结果，这解释了为什么它们通常缺乏冷气体和年轻恒星理解不同类型星系的特性和起源，有助于我们重建宇宙结构形成的历史宇宙网与大尺度结构星系宇宙结构的基本单元是星系，每个星系包含数十亿至数万亿颗恒星银河系是一个中等大小的星系，直径约10万光年单个星系内的恒星通过引力紧密联系在一起，形成相对独立的恒星岛屿星系群与星系团星系不是孤立存在的，而是聚集成更大的结构我们的银河系与仙女座星系等约50个星系组成本星系群更大的聚集体是星系团，如室女座星系团包含约1500个星系，质量约为太阳的10^15倍星系群和星系团通过引力相互束缚超星系团星系团进一步聚集形成超星系团，这些巨大结构横跨数亿光年本星系群所属的拉尼亚凯亚超星系团包含约100个星系团更大的结构是波江座超星系团，它是目前已知最大的超星系团之一，长度超过10亿光年宇宙网在宇宙最大尺度上，物质分布形成了网状结构星系和星系团沿着丝状结构（宇宙纤维）分布，这些丝状结构交汇处形成密集的节点；丝状结构之间是几乎没有星系的巨大空洞这种结构被称为宇宙网，延伸数十亿光年，反映了宇宙早期微小密度涨落的放大宇宙背景辐射发现历程物理特性与意义年，贝尔实验室的阿诺彭齐亚斯和罗伯特威尔逊在测的温度极其均匀，为（绝对零度以上1965··CMB

2.725K

2.725试通信天线时发现了一种无法消除的微波背景噪声，这种噪度），这对应于微波波段的辐射它的能谱几乎完美地符合声来自所有方向，强度几乎相同这一偶然发现后来被证实黑体辐射，这是宇宙曾处于热平衡状态的有力证据为宇宙微波背景辐射（），即宇宙大爆炸后残留的余CMB是宇宙大爆炸理论的关键证据根据大爆炸理论，宇宙CMB辉两位科学家因这一发现获得年诺贝尔物理学奖1978早期非常炽热致密，随着膨胀逐渐冷却当宇宙年龄约万38随后的、和普朗克卫星等任务对进行了更年时，温度降至左右，原子形成，光子能够自由传COBE WMAPCMB3000K精确的测量，揭示了它的细微温度涨落，这些涨落反映了宇播这些光子随着宇宙膨胀而波长拉长（红移），冷却到今宙早期物质分布的微小不均匀性，是后来星系和更大结构形天观测到的

2.725K成的种子通过精确测量，科学家得出了许多宇宙学基本参数，包CMB括宇宙年龄、膨胀率、物质能量组成等，为精确宇宙学时代的来临奠定了基础暗物质与暗能量暗物质普通物质约的宇宙组成是暗物质，它不发光27%宇宙中仅是我们熟悉的普通物质（重5%也不吸收光，只通过引力与普通物质相子物质），包括恒星、行星、气体、尘互作用暗物质的存在证据来自星系旋埃等一切可见物质这些物质由原子组转曲线、星系团质量测量、引力透镜效成，能与电磁辐射相互作用，因此可以应等观测目前主流假说认为暗物质可被我们直接观测到能是某种尚未发现的基本粒子未解之谜暗能量暗物质和暗能量的本质是当代物理学最宇宙中约的成分是更神秘的暗能68%大的未解之谜多个实验正在尝试直接量，它具有负压力特性，产生一种排斥探测暗物质粒子，而对暗能量的研究则力，推动宇宙加速膨胀年，通过1998主要依靠精确测量宇宙膨胀历史解决观测型超新星，科学家发现宇宙膨胀正Ia这些谜题可能需要超出标准模型的全新在加速，而不是如预期的减速，这一发物理理论现导致暗能量概念的提出银河系碰撞与宇宙演化现在银河系与仙女座星系（M31）距离约250万光年，以每秒110公里的速度相互接近两个星系都是本星系群中的主导星系，各包含数千亿颗恒星亿年后220两个星系开始相互作用，彼此的引力潮汐力会扭曲星系的形状，形成壮观的潮汐尾虽然星系间距离仍然很大，但星系整体结构已经开始变形亿年后340银河系与仙女座星系发生第一次近距离接触，两个星系的恒星、气体和尘埃开始混合由于星系内恒星间距离巨大，恒星之间的直接碰撞极为罕见，但星系形态将完全重组亿年后60经过多次接近和分离后，两个星系最终合并为一个巨大的椭圆星系，暂名为银女座星系星系的旋转结构消失，形成一个没有明显盘面的椭圆结构两个星系中心的超大质量黑洞也将合并，释放巨大能量黑洞和虫洞理论猜想黑洞信息悖论虫洞理论当物质落入黑洞，其信息是否永久丢失？这个问题涉及量子虫洞是爱因斯坦方程的一种理论解，描述了空间时间中连接力学和广义相对论的基本原则冲突根据量子力学，信息不两个遥远区域的隧道虫洞分为两类非遍历虫洞瞬间形能被销毁；但根据经典黑洞理论，一旦物质越过视界，其信成又消失；而遍历虫洞理论上可供物质通过，允许空间遥远息似乎永远无法取回区域间的捷径斯蒂芬霍金提出黑洞可能通过量子效应缓慢蒸发，但这一维持遍历虫洞开放需要负能量物质，这种物质具有负质量·过程是否能保留信息仍有争议近年来，全息原理和或负能量密度，可能违反能量条件虽然量子力学允许短暂猜想等理论尝试解决这一悖论，但尚无定论这一存在的负能量状态（如卡西米尔效应），但稳定的负能量物ER=EPR问题的解决可能需要量子引力的完整理论质是否存在仍不确定尽管虫洞在科幻作品中常作为时空旅行的手段，但目前没有虫洞存在的观测证据，它们仍是纯粹的理论推测如果虫洞确实存在，它们可能提供验证量子引力理论的机会太阳系外行星（系外行星）生命的宇宙可能性火星生命线索木卫二海洋探索火星曾有大量液态水，可能曾适宜生命木星卫星木卫二（欧罗巴）表面覆盖厚存在1996年，科学家在一块火星陨石厚冰层，下方可能存在液态水海洋这ALH84001中发现可能的微生物化石，个海洋可能比地球上所有海洋总和还引发持续争议现代探测器在火星发现大，被认为是太阳系内最有可能存在生了甲烷释放和季节性变化的有机分子，命的地方之一美国NASA的欧罗巴快可能与生物活动相关毅力号探测器帆任务计划于2024年发射，将进行近正在收集样本，有望在未来任务中送回距离多次飞掠，探测冰壳厚度和海洋特地球详细分析性系外行星生命探索随着系外行星探测技术发展，科学家开始寻找系外行星大气中氧气、甲烷等生物活动的潜在指标詹姆斯·韦布太空望远镜已经开始对临近系外行星大气成分进行分析未来的希格斯巡天计划将专门寻找宜居带系外行星，并分析其大气光谱，探测可能的生命信号寻找地外生命是当代科学最令人激动的前沿领域之一虽然目前没有确凿证据表明地球以外存在生命，但越来越多的发现表明宇宙中适宜生命存在的环境可能相当普遍从微生物到智能文明，不同形式的生命可能以我们尚未想象的方式存在于宇宙各处星际传染地球理论泛种论（）是一种假说，认为生命可能通过陨石、彗星等天体在星球间传播这一理论由瑞典化学家斯万特阿伦尼Panspermia·乌斯于世纪提出，受到越来越多科学证据的支持研究表明，一些简单生命形式（如微生物孢子）能在太空极端环境中存活，19理论上可以在天体间传播坎布里纪爆发（约亿年前）生物多样性的突然增加，一直是演化生物学的谜团一些科学家提出，这可能与外来生物分子或

5.4基因的引入有关分析陨石发现其中含有多种有机分子，包括氨基酸、核碸等生命基本构件虽然星际传染地球理论仍存争议，但它提供了解释地球生命起源和演化的另一视角与地外文明探索SETI超级文明搜索突破聆听计划除了寻找直接通信信号，天文学家也观测策略演进突破聆听是目前最大的SETI项目，在搜索超级文明可能的迹象，如戴森早期项目SETI早期SETI主要关注1420MHz（中性氢由俄罗斯亿万富翁尤里·米尔纳资助球（围绕恒星建造的巨型结构）造成搜寻地外智能计划（SETI）始于20世线）附近的窄带信号，这一频率被称该项目租用全球最大射电望远镜，包的恒星光度异常变化开普勒卫星观纪60年代，旨在通过检测来自太空的为宇宙水线，被认为是可能的星际括中国FAST和美国绿岸望远镜，监听测到的KIC8462852（塔比星）的人造无线电信号寻找地外文明证据通信频率现代SETI项目扩展了搜索最近的百万颗恒星和100个近邻星系不规则变暗现象曾引发关注，虽然最1974年，阿雷西博射电望远镜向球状范围，包括光学激光脉冲、异常红外数据由先进AI算法分析，每天处理约终更可能是自然现象，但促进了新的星团M13发送了人类历史上第一条有辐射（可能是外星技术的产物）和超160TB的数据观测方法发展意义的星际信息，包含数学、DNA结窄带无线电信号SETI目前每年监听构和太阳系信息等内容数百万个频道引力波天文学新纪元20152017首次引力波探测首次多信使观测2015年9月14日，美国LIGO首次直接探测到引力2017年8月17日，LIGO和Virgo同时探测到两个中子波，源自13亿光年外两个黑洞合并这一发现验证了星合并产生的引力波GW170817几乎同时，伽马射爱因斯坦一个世纪前的理论预测，开创了引力波天文线卫星、光学望远镜和射电望远镜观测到同一事件的学新时代，相关科学家因此获得2017年诺贝尔物理学电磁辐射，实现了首次多信使天文学观测，揭示了奖重元素如黄金、铂金形成的细节90已探测事件截至2023年，LIGO/Virgo已探测到约90个引力波事件，主要来自黑洞和中子星并合每个事件都提供了这些致密天体质量、自转和距离的珍贵信息，对理解宇宙中最极端天体至关重要引力波是时空的涟漪，由大质量天体剧烈加速运动产生，如双黑洞或双中子星并合与电磁波不同，引力波几乎不受物质阻挡，可以穿透宇宙最致密区域，让我们听到以前看不见的宇宙现象未来的空间引力波探测器如LISA（激光干涉空间天线）将探测频率更低的引力波，观测更多类型的天体，包括超大质量黑洞并合宇宙射线和高能天体物理宇宙射线特性高能粒子流从太空各方向轰击地球能量范围从MeV到超过10^20eV，超越人造加速器来源之谜超新星遗迹、活动星系核和伽马射线暴快速射电暴毫秒级强烈无线电爆发，起源仍是谜宇宙射线主要由高能质子和原子核组成，能量最高可达10^20电子伏特，比人类最强大的粒子加速器LHC能量高数百万倍当这些粒子撞击地球大气，产生大量次级粒子，形成延伸数公里的空气簇射地面天文台如皮埃尔·奥格天文台通过检测这些簇射研究宇宙射线快速射电暴（FRB）是近年发现的新天文现象，表现为毫秒级的强烈无线电脉冲大多数FRB来自遥远星系，释放的能量相当于太阳数亿年的输出FAST望远镜在FRB研究中发挥重要作用，发现了多个重复性FRB源目前，中子星的极端活动，如磁星星震，被认为是可能的产生机制，但尚无定论太空望远镜与空间站詹姆斯韦伯太空望远镜·JWST于2021年12月发射，是哈勃的后继者，主要在红外波段观测它的主镜直径

6.5米，由18块六边形镜面组成，比哈勃大6倍多JWST位于地球-太阳系统的第二拉格朗日点（L2），距地球约150万公里它能够观测宇宙最早期的星系形成，研究系外行星大气，揭示恒星和行星系统的诞生过程国际空间站自2000年以来持续有人驻守的ISS是人类在太空的前哨站它长约109米，重约420吨，绕地球每90分钟运行一周ISS上进行了超过3000项科学实验，包括多项天文学研究日本实验舱希望号搭载了全天X射线监测器，美国的中子星内部组成探测器（NICER）研究脉冲星物理中国空间站2021年建成的中国空间站天宫是继ISS后第二个长期有人驻守的空间站它配备了多个天文观测设备，包括多波段天文观测设施巡天望远镜舱计划于2024年与空间站对接，将形成我国首个长期在轨空间天文台，进行大视场巡天观测，研究暗能量、暗物质等宇宙学前沿问题中国天文学进展悟空暗物质粒子探测卫星羲和号太阳探测卫星引力波探测计划年发射的悟空号（）是中年发射的羲和号（）是中中国正在筹建多个引力波探测项目天2015DAMPE2022ASO-S国首颗暗物质粒子探测卫星，主要探测高国首颗综合性太阳探测卫星，搭载磁像琴计划旨在发射三颗卫星组成激光干涉能电子、伽马射线和宇宙射线，寻找暗物仪、硬射线成像仪和莱曼阿尔法太阳望仪，探测频率为毫赫兹的引力波地面激X质湮灭或衰变的间接证据它已完成全天远镜三台仪器，可同时观测太阳爆发的磁光干涉仪太极计划和阿里原初引力波区高能伽马射线和宇宙线勘测，首次在场、射线和日冕物质抛射，实现一星多探测计划也在积极筹备中这些项目将能区精确测量了宇宙射线能谱拐折现器协同观测它将帮助科学家理解太阳与国际同行合作，共同开拓引力波天文学TeV象，为理解宇宙高能粒子起源提供了重要爆发的产生机制，预测空间天气对地球的的新领域，探索宇宙极端天体的物理本数据影响质遥远未来的宇宙熵增原理宇宙总熵不断增加，趋向最大无序状态1恒星灭亡1-100万亿年后，新恒星形成停止，银河变暗黑洞时代310^40年后，只剩黑洞，开始通过霍金辐射蒸发热寂状态10^100年后，宇宙达到最大熵状态，一切归于寂静宇宙的遥远未来命运取决于暗能量性质和宇宙膨胀速率目前观测表明，宇宙可能将永远膨胀，最终走向热寂大约1-2万亿年后，除银河系及其最近邻居外的所有星系将因宇宙加速膨胀而离开我们的可观测范围，未来的天文学家将无法获知宇宙曾经的浩瀚恒星燃料耗尽后，宇宙将进入长达10^39年的黑洞时代，黑洞通过吞噬物质成为主导天体但最终，根据霍金辐射理论，黑洞也会缓慢蒸发当最后一个黑洞消失后，宇宙将进入永恒的热寂状态，成为一片稀薄、均匀、温度接近绝对零度的粒子汤，不再有组织结构和能量流动天文学与人类文明天文学可能是人类最古老的科学，几乎所有早期文明都密切关注天象古埃及人依据天狼星的周期预测尼罗河泛滥；中国古代天文学家精确记录了数千年的天象变化；玛雅人创造了精确的金星周期表；欧洲巨石阵等建筑精确对准日出日落方向这些天文知识对农业生产、宗教活动和航海导航至关重要各文明的星象神话也反映了人类试图理解宇宙的早期尝试中国的二十八宿、西方的十二星座、印度的二十七宿等星空划分系统既有天文意义也有文化象征现代社会中，天文学不仅是科学研究，也成为激发好奇心、促进科学思维的重要载体从阿波罗登月到哈勃深空照片，天文发现常常引发公众对宇宙和人类位置的深刻思考天文现象观测技巧裸眼观星基础双筒望远镜应用裸眼观星是入门天文爱好最简单的方式选高质量的双筒望远镜是天文观测的理想入门择远离城市光污染的晴朗夜晚，让眼睛适应设备，推荐7×50或10×50规格双筒望远黑暗（至少20分钟）利用星图或天文APP镜视场宽广，使用方便，可以观测月球环形识别亮星和星座注意观察时间和季节——山、木星卫星、银河星云等观测时，可将不同季节可见的星座不同新月前后几天是双筒固定在三脚架上减少抖动使用前应调观星的最佳时机，此时月光干扰最小整瞳距和目镜屈光度，确保两眼都能清晰对焦天文推荐APP智能手机天文APP极大简化了天体识别和观测计划推荐使用星图（Star Map）、星空（SkyView）、星际漫步（Stellarium）等APP，它们利用手机陀螺仪功能，只需将手机指向天空，即可识别星体许多APP还提供天象预报、ISS过境时间、流星雨高峰等信息，是观星活动的得力助手观测特殊天象需要提前规划流星雨观测应选择远离城市、视野开阔的地点，建议携带躺椅、保暖设备和红光手电筒（不影响夜视能力）月食和日食观测需查询精确时间和可见区域，日食观测必须使用专业滤镜保护眼睛行星观测则应查询冲日时间，此时行星与地球距离最近，观测条件最佳高校与科研机构介绍高校天文系北京大学、南京大学、中国科学技术大学等高校设有天文学或天体物理专业，培养专业天文人才这些院校通常拥有自己的教学望远镜和天文台，同时与国内外研究机构保持密切合作国家级天文台中国科学院国家天文台是中国最主要的天文研究机构，下设多个观测站，包括兴隆观测站、紫金山天文台、上海天文台等国家天文台负责运行FAST射电望远镜，并参与多个国际合作项目天文科普机构北京天文馆、上海天文博物馆等机构致力于天文科普教育，设有天象厅、展览区和观测设备这些场所定期举办公众观星活动、天文讲座和特别展览，是公众接触天文学的重要窗口国际合作平台中国天文学家积极参与国际大科学装置建设，如平方公里阵列（SKA）、30米望远镜（TMT）等项目这些合作为中国天文学发展提供了国际化平台，促进了学术交流和技术创新未来天文学研究方向人工智能与大数据星系形成与演化现代天文观测产生海量数据，仅FAST一年就可产生数PB数据人工智能和詹姆斯·韦伯太空望远镜能够观测宇宙早期形成的星系，填补我们对星系演化机器学习算法正成为处理这些数据的关键工具深度学习网络已能自动识别历史的认知空白科学家特别关注星系与中央超大质量黑洞的协同演化关星系形态、发现超新星和引力透镜现象，效率远超人工分析未来，AI将更系，以及暗物质晕对星系形成的影响欧几里得太空望远镜计划将进行迄多参与天文理论模型构建，甚至可能发现人类未曾想到的天体物理规律今最大规模的星系巡天，绘制精确的宇宙大尺度结构图宇宙学新发现多信使天文学革命哈勃常数测量存在的宇宙学张力暗示我们对宇宙膨胀的理解可能不完整结合电磁波、引力波、中微子和宇宙射线的多信使天文学将成为未来天文未来十年，科学家将通过多种独立方法精确测量哈勃常数，寻找这一矛盾的研究主流科学家计划建立全球联动的多波段观测网络，当探测到引力波或解释原初引力波探测将窥探宇宙诞生最初瞬间，验证或否定暴胀理论大高能中微子事件时，各类望远镜能迅速协同观测，捕捉稍纵即逝的天文现型中微子探测器将研究中微子质量与宇宙学的联系象这将革命性地改变我们研究中子星合并、黑洞形成等极端事件的方式课程总结与展望知识回顾科学思维培养本课程带领我们从太阳系出发，探索恒星演天文学不仅是关于天体的知识，更是科学思化、星系结构，直至宇宙大尺度和未来发维的训练通过天文学，我们学习如何从观展我们了解了从古代天文学到现代天体物测证据推导理论模型，如何处理不确定性，理学的发展历程，以及天文观测技术从简单以及如何在宏大尺度上应用物理定律，这些望远镜到多信使天文学的巨大进步思维方式对理解其他自然科学同样重要未来探索无限公民科学参与宇宙探索永无止境从下一代地面超大望远现代天文学越来越依赖公众参与通过银镜到太空引力波探测器，从火星载人登陆到河动物园、行星猎人等公民科学项目，系外行星直接成像，未来几十年将有无数激3普通爱好者可以帮助分类星系、发现系外行动人心的发现等待我们天文学将继续挑战星业余天文爱好者甚至可以用自家设备发人类认知的边界，解答我们在宇宙中的位置现新彗星、超新星和小行星，为天文学做出和起源实质贡献感谢大家参与这场穿越宇宙的旅程希望这门课程能点燃你对星空的热情，鼓励你用望远镜观测月球环形山，辨识夜空中的行星和星座，或者参与天文公民科学项目无论是否成为专业天文学家，仰望星空的好奇心和探索精神都是人类最宝贵的品质之一。