《宇宙奥秘探索》课件

宇宙奥秘探索欢迎进入宇宙奥秘探索之旅本次讲座将带领大家穿越时空，探索浩瀚无垠的宇宙空间，揭开那些令人惊叹的星空奥秘从微小的亚原子粒子到庞大的星系团，从宇宙的诞生到未来的命运，我们将一同领略宇宙间最引人入胜的奇观与谜团宇宙不仅是我们生存的地方，也是人类永恒探索的前沿通过现代天文学的眼睛，我们得以窥见宇宙深处的壮丽景观，理解那些控制宇宙运行的基本规律在这段旅程中，让我们放下地球上的日常琐事，抬头仰望星空，思考我们在这浩瀚宇宙中的位置与意义什么是宇宙？宇宙的定义可观测宇宙宇宙是指存在的一切事物的总和，包可观测宇宙是指人类通过各种观测手括所有的时间、空间、物质、能量以段能够探测到的宇宙区域，其半径约及支配它们的物理定律它囊括了从为亿光年这个数值远大于宇宙930最微小的量子粒子到最庞大的星系团年龄（亿年）所对应的距离，这138结构的所有存在是因为宇宙在不断膨胀宇宙的规模在这个可观测区域内，科学家们已经确认存在约万亿个星系，每个星系中又包含2数十亿至数万亿颗恒星这一数字仍在随着观测技术的提升而不断更新宇宙的真实规模可能远超我们的想象即使以光速行进，穿越整个可观测宇宙也需要近千亿年时间，这远远超出了人类文明的存在时间，甚至超过了宇宙本身的年龄人类对宇宙的想象1中国古代宇宙观天圆地方的宇宙模型，以天为穹顶，地为平面盘古开天辟地的神话反映了原始宇宙观认为星辰环绕中央天帝之所运行2古希腊宇宙模型从地心说模型开始，认为地球是宇宙中心，天体围绕地球运转后发展出复杂的本轮均轮系统解释行星运动-3玛雅文明的宇宙观玛雅人发展出精确的天文历法，将宇宙视为多层结构，包含天界、地界和冥界他们的宇宙观与精确的天文观测紧密结合人类对宇宙的想象反映了不同时代的科学水平和文化背景在缺乏现代观测工具的年代，各文明依靠肉眼观测和哲学思考，构建了丰富多彩的宇宙模型这些古代宇宙观虽然在科学上已被证实不准确，但它们体现了人类理解自然的不懈努力，是科学思想发展的重要阶段宇宙的起源大爆炸理论大爆炸发生约亿年前，宇宙从一个无限密度、无限温度的奇点开始急剧膨胀，时间和空间在这一刻诞生138基本粒子形成宇宙冷却后，基本粒子如夸克和电子开始形成，随后结合成质子和中子等更复杂的粒子原子核合成在大爆炸后的几分钟内，原子核开始形成，主要是氢和氦，以及少量的锂星系形成在随后的数亿年中，物质在引力作用下聚集，形成了最早的恒星和星系大爆炸理论由比利时神父兼物理学家乔治勒梅特于年首次提出，后经爱德温哈勃的红移观测得到支持该理论的最有力证据是年偶然发现的宇宙微波背景辐射，这是大爆炸遗留的·1927·1965回声虽然大爆炸理论得到广泛接受，但关于大爆炸前发生了什么，科学家们仍在探索中宇宙膨胀与红移现象宇宙的演化历程极早期宇宙（秒）0-10^-43宇宙处于普朗克时期，四种基本力尚未分离，温度和密度极高，现有物理定律无法描述粒子形成期（秒）10^-6-10^-5宇宙冷却到足够温度形成质子和中子，物质与反物质湮灭，少量物质幸存恒星形成期（亿年）1-5引力使氢气云开始塌缩，形成第一代恒星，核聚变开始，重元素在恒星内部产生星系形成期（亿年）5-10恒星在引力作用下聚集形成星系，宇宙大尺度结构开始显现，宇宙逐渐从一片混沌变得有序宇宙的演化是一个持续不断的过程，从最初的无限密度状态，历经多个阶段发展到今天的复杂结构在宇宙诞生后的前三分钟内，基本粒子组合成原子核；大约万年后，电子与原38子核结合形成中性原子，此时宇宙变得透明，微波背景辐射得以释放宇宙的基本结构超星系群星系团的集合，宇宙最大结构星系团数十至数千个星系的引力束缚集合星系由数十亿至数万亿颗恒星组成的系统恒星系统恒星及其行星、小行星等天体行星与卫星宇宙中较小的天体单元宇宙的结构呈现出明显的层次性，从微观到宏观构成了一个复杂的网络最新观测表明，星系并非均匀分布在宇宙中，而是形成了被称为宇宙网的结构，星系沿着巨大的丝状结构分布，这些结构之间是巨大的空洞我们所在的银河系位于本星系群中，而本星系群则属于室女座超星系团银河系概览万10光年银河系直径，相当于×千米

9.510^17亿2000恒星银河系中估计的恒星数量万

2.5光年太阳距银河系中心的距离亿

2.5年太阳绕银河系中心一周的时间银河系是一个典型的棒旋星系，由中央核球、旋臂和晕构成我们的太阳位于银河系的猎户臂上，距离银河系中心约万光年太阳系以每秒

2.5公里的速度绕银河系中心旋转，完成一圈需要约亿年

2302.5银河系中心存在一个超大质量黑洞人马座，质量约为太阳的万倍银河系不是静止的，它正与邻近的仙女座星系相互靠近，预计在约——A*400亿年后，两个星系将开始碰撞并最终合并成一个更大的椭圆星系40太阳系结构类地行星区小行星带内太阳系，包括水星、金星、地球和火星，位于火星和木星轨道之间，包含数百万颗主要由岩石构成小行星柯伊伯带巨行星区海王星轨道外的区域，包含冥王星等矮行包括木星、土星、天王星和海王星，主要星和众多冰质天体由气体构成太阳系形成于约亿年前，由一个巨大的气体和尘埃云塌缩而成中心形成太阳，周围的物质凝聚成行星、小行星和彗星46太阳系整体呈扁平状，八大行星几乎在同一平面上绕太阳运行太阳系的边界可以定义为太阳风与星际介质平衡的区域，称为日球层顶，约在天文单位（即太阳到地球距离的倍）100100处在太阳系更远处，理论上存在奥尔特云，是彗星的发源地，但尚未被直接观测到太阳我们的恒星万

99.86%1500太阳系质量摄氏度太阳质量约为×千克太阳核心温度，表面约度210^306000万500吨秒/太阳每秒通过核聚变转化的物质量太阳是一颗普通的型主序星，处于生命周期的中年阶段它通过核聚变将氢转化G为氦，释放出巨大的能量这种能量从核心向外传播，需要约万年才能到达太10阳表面，然后以光和热的形式辐射到太阳系空间太阳表面存在多种活动现象，如太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射等这些活动与太阳的磁场变化有关，遵循约年的周期变化规律太阳活动增强时会影响地球，11导致极光增强，严重时可能干扰无线电通信和电力系统地球的独特性适宜的温度保护性磁场地球位于太阳系的宜居带内，表地球的液态外核产生强大的磁场，面温度适合水以液态形式存在，这这一磁场保护大气层免受太阳风和是已知生命形式的必要条件地球宇宙射线的直接侵袭没有磁场保的温室效应维持了相对恒定的气温，护，地球的大气将会像火星一样被避免了像金星那样的极端温室效应太阳风逐渐剥离，使表面暴露在有或火星的低温环境害辐射中活跃的板块构造地球是太阳系中唯一拥有活跃板块构造的行星板块运动促进了碳循环，调节大气中二氧化碳含量，稳定地球长期气候这种机制在地质时间尺度上为生命演化提供了相对稳定的环境地球是目前已知唯一孕育出复杂生命形式的天体这种独特性源于多种因素的完美组合相比太阳系其他行星，地球拥有丰富的液态水和氧气丰富的大气层地球的大小恰到好处，引力足以留住大气，但又不至于像木星那样吸引过多气体形成过厚的大气层地球的邻居行星总览太阳系的八大行星按距离太阳由近及远排列为水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星这些行星可分为两大类内侧的四颗岩石行星（类地行星）和外侧的四颗气态巨行星（类木行星）水星是最小的行星，表面满布陨石坑；金星被称为地球的姐妹星，但极端温室效应使其表面温度高达℃；火星拥有太阳系最高的火山和最深的峡460谷；木星是太阳系最大的行星，质量是其他七颗行星总和的倍；土星以其壮观的环系著称；天王星和海王星则是体积较小的冰巨星，主要由冰态的水、

2.5氨和甲烷组成月球与地球系统月球基本数据直径公里（地球的）34761/4质量地球的1/81平均密度（地球的约）

3.34g/cm³60%表面重力地球的1/6平均距离公里384,400自转周期天（与公转周期相同）

27.3月球的起源现今最被接受的月球起源理论是大碰撞说约亿年前，一个火星大45小的天体（被命名为忒伊亚）与原始地球相撞，碰撞产生的大量碎片进入地球轨道，在引力作用下逐渐聚集形成月球这一理论可以解释月球岩石与地球岩石成分相似但又有差异的现象月球是地球唯一的天然卫星，也是太阳系中相对于主行星体积最大的卫星之一月球对地球的影响深远，它产生的潮汐力不仅造成了海洋潮汐，还导致地球自转减缓月球的存在还稳定了地球自转轴的倾角，减少了气候的剧烈变化，可能为生命演化提供了更稳定的环境行星环与卫星奇观土星环系木卫二（欧罗巴）土卫六（泰坦）土星环是太阳系中最壮观的环系，主要由冰木星的卫星欧罗巴表面覆盖着光滑的冰层，土星最大的卫星泰坦拥有太阳系中唯一一个粒、岩石碎片和尘埃组成，直径可达科学家认为其冰壳下可能存在液态水海洋，除地球外具有稳定液体循环的天体不过，公里，却仅有数十米至数公里厚厚度可达公里这一发现使欧罗巴成为泰坦表面的湖泊并非水，而是由液态甲烷和282,000100卡西尼探测器研究显示，环系至少有七个主太阳系内寻找外星生命的热门目标之一乙烷组成浓厚的大气层和独特的环境使其要环带，由数千个小环组成，结构极为复杂成为研究类地球条件的重要天体巨行星系统宛如微型太阳系，展现出令人惊叹的多样性木星拥有颗已知卫星，其中最大的四颗被称为伽利略卫星，由伽利略在791610年发现；土星除了壮观的环系外，还拥有超过颗卫星；天王星的环系和卫星都呈现出近乎垂直于轨道平面的奇特倾角；海王星的最大80卫星海卫一（特里同）则以逆行轨道著称，暗示其可能是被海王星引力捕获的天体小行星与太阳系边疆小行星带位于火星和木星轨道之间，包含数百万颗小天体柯伊伯带海王星轨道外的扁平环状区域，冥王星位于此处奥尔特云位于太阳系最外围的球形区域，远至光年外，长周期彗星的1发源地太阳系的边缘区域充满了各种小型天体，是研究太阳系形成的重要线索小行星带中最大的天体是谷神星，直径约公里，被归类940为矮行星特洛伊小行星群则与木星共享轨道，位于木星引力的拉格朗日点处冥王星曾被视为第九大行星，但在年被重新归类为矮行星，因为科学家发现柯伊伯带还存在其他类似天体天文学家推测，还2006存在一个名为第九行星的未被发现的大型行星，可能位于太阳系外围，轨道极为遥远，这一假说仍需进一步验证彗星和流星现象彗星结构彗星主要由三部分组成彗核由冰、尘埃和岩石混合物组成，直径通常为几公里至数十公里•彗发当彗核接近太阳时，表面物质受热蒸发形成的气体和尘埃云•彗尾在太阳辐射压和太阳风作用下，彗发物质向背离太阳方向延伸形成的长尾•著名彗星哈雷彗星是最著名的周期彗星，每年回归一次，最早的记录可追溯至公元前年其他76240著名彗星包括西科梅克列维号（年撞击木星）和海尔波普彗星（年明亮可-91994-1997见）彗星研究的重要突破是欧洲航天局的罗塞塔任务，它于年成功将着陆器送到丘留莫夫2014-格拉西缅科彗星表面，获取了前所未有的彗星详细数据流星，俗称流星雨，是当地球穿过彗星轨道上的碎片云时，这些微小颗粒进入大气层燃烧产生的现象著名的周期性流星雨包括英仙座流星雨（每年月中旬）、狮子座流星雨（月中旬）和811双子座流星雨（月中旬）这些流星雨与特定彗星轨道相关，例如英仙座流星雨源自斯威夫特塔特尔彗星12-黑洞宇宙极限天体——黑洞的定义黑洞的类型黑洞是时空中的一个区域，其引力根据质量可分为三类恒星级黑洞如此强大，以至于一旦越过其边界（数倍至数十倍太阳质量，由大质（事件视界），任何物质或辐射量恒星死亡形成）；中等质量黑洞（包括光）都无法逃逸黑洞内部（数百至数万倍太阳质量，形成机的物质被压缩到无限小的点，称为制尚不明确）；超大质量黑洞（数奇点，那里的密度理论上为无限大百万至数十亿倍太阳质量，位于星系中心）黑洞的观测年月，事件视界望远镜（）团队公布了人类首张黑洞照片，拍摄对象20194EHT是星系中心的超大质量黑洞该照片显示了黑洞周围的光环（吸积盘）和中M87心的阴影（事件视界）年，团队又公布了银河系中心超大质量黑洞人马2022座的照片A*虽然黑洞本身不发光，但科学家可以通过其对周围物质和辐射的影响来间接观测黑洞当物质落入黑洞前，会形成高温吸积盘，发出强烈的射线辐射；黑洞也会通过引力透镜效X应弯曲背景星光；双黑洞系统合并时会产生引力波，已被等探测器探测到LIGO中子星与脉冲星大质量恒星死亡核心塌缩质量约为太阳倍的恒星耗尽核燃料引力压力迫使电子与质子结合形成中子，8-20后发生超新星爆发克服简并压力脉冲信号产生中子星形成高速旋转的磁化中子星产生窄束辐射，如核心塌缩为极其致密的中子星，直径仅约3灯塔般周期性扫过地球公里20中子星是宇宙中密度最大的可直接观测天体，一茶匙中子星物质的质量约为亿吨它们通常具有极强的磁场，可达普通恒星的万亿倍10脉冲星是一种特殊类型的中子星，由于高速自转（每秒可达数百至上千转）和强磁场，它们如宇宙灯塔一般发出规律的无线电脉冲脉冲星的脉冲周期极其稳定，精确度可达原子钟水平，使其成为研究引力波和广义相对论的理想实验室双脉冲星系统PSR的观测证实了引力波存在，为该发现，科学家赫尔斯和泰勒获得了年诺贝尔物理学奖B1913+161993白矮星和恒星演化时间（十亿年）表面温度（千度）亮度（太阳亮度百分比）星系的类型与分布星系是由恒星、气体、尘埃和暗物质组成的巨大天体系统根据形态，星系主要分为三大类旋涡星系（如银河系和仙女座星系）、椭圆星系（如室女座）和不规则星系（如大麦哲伦云）旋涡星系又可细分为普通旋涡星系和棒旋星系，后者中心A有一个棒状结构星系在宇宙中的分布不是均匀的，而是形成了复杂的网络结构它们聚集成星系群和星系团，进而组成超星系团我们所在的银河系属于本星系群，包含约个星系，其中最大的是仙女座星系（）本星系群又是室女座超星系团的一部分星50M31系之间经常发生相互作用和碰撞，这种过程可以触发恒星形成，改变星系形态，是宇宙演化的重要机制宇宙暗物质谜团27%5%宇宙成分可见物质暗物质占宇宙总能量物质含量的比例普通物质（重子物质）仅占宇宙总量的-5%1933发现年份弗里茨兹威基首次提出暗物质概念的年份·暗物质是一种假设存在的物质形式，不与电磁辐射相互作用，因此不发光也不吸收光，无法直接观测科学家是通过其引力效应推断其存在的最有力的证据来自星系旋转曲线星系边缘恒星的运行速度远高于根据可见物质计算的预期，表明存在大量不可见的物质提供额外引力此外，引力透镜效应（质量弯曲光线的现象）和星系团碰撞（如子弹星系团）的观测也支持暗物质存在目前最流行的暗物质候选者是弱相互作用大质量粒子（），但尚未被实验直接探WIMPs测到其他可能性包括轴子和原初黑洞解开暗物质之谜是现代物理学和宇宙学的核心挑战之一宇宙暗能量红移值宇宙膨胀速率理论预期（无暗能量）万有引力与四种基本力引力作用于所有具有质量的物体之间的吸引力，强度最弱但作用距离无限，由爱因斯坦的广义相对论描述为时空弯曲引力是恒星、行星形成和宇宙大尺度结构演化的主导力电磁力作用于带电粒子之间，强度比引力强得多，可以是吸引力也可以是排斥力电磁力支配着原子、分子的结构和化学反应，是日常物质性质的主要决定因素强相互作用作用于夸克之间，是四种力中最强的，负责将质子和中子束缚在原子核中强相互作用的范围很短，仅限于原子核尺度（约米）10^-15弱相互作用负责某些粒子衰变和核反应，作用范围极短弱相互作用使太阳能够通过核聚变产生能量，也是理解中微子行为的关键物理学家长期以来一直试图将这四种基本力统一为一个理论框架电磁力与弱相互作用已被统一为电弱理论；加入强相互作用可形成大统一理论（）；而将引力纳入其中，建立GUT所谓的万物理论则是物理学的终极目标之一，但尚未实现宇宙常数与物理极限宇宙常数的历史爱因斯坦在年将宇宙常数引入广义相对论方程，目的是创造一个静态宇宙模型当哈勃发现宇宙膨胀后，爱因斯坦称这是他一生中最大的错误然而，随着暗能量的1917发现，宇宙常数又重新回到物理学家的视野中宇宙常数的意义宇宙常数可以被理解为真空能量密度，它决定着宇宙膨胀的加速度观测表明其值极小但不为零，这给理论物理学带来了严重困难，因为量子场论预测的真空能量比观测值大约倍，这是物理学中最大的理论与观测差异10^120微调问题宇宙常数的值似乎被精确微调以允许复杂结构（如星系和生命）的形成如果稍大一些，宇宙会膨胀得太快，无法形成星系；如果为负值，宇宙会很快坍缩这种微调被一些物理学家视为多重宇宙理论的支持证据宇宙常数问题与其他物理极限问题密切相关，如普朗克尺度（米，理论上的最小可能长度）和光速（宇宙中信息传递的速度上限）这些极限定义了我们宇宙的基本性质，也设定了科学探索的边界随着理论物理学和观测技术10^-35的发展，科学家们希望能更好地理解这些基本常数的本质，揭示它们背后可能隐藏的更深层次物理规律观测宇宙的窗口电磁波谱无线电波红外线揭示低温气体云、脉冲星和星系核心活动穿透尘埃云观测恒星形成区和较冷天体可见光伽马射线传统天文学的观测窗口，显示恒星和星系观测最剧烈的宇宙爆发事件如伽马暴的表面射线紫外线X揭示黑洞吸积盘、高温气体和中子星观测高温恒星和活跃星系核观测宇宙就像通过不同的窗口看同一个房间，每个波段都能揭示不同的天体现象不同波长的辐射需要不同的探测器和技术，地球大气层也对不同波段有不同的透明度例如，无线电波和可见光可以穿透大气层到达地面，而大部分紫外线、射线和伽马射线则被高层大气吸收，需要X通过太空望远镜观测多波段观测已成为现代天文学的标准方法例如，哈勃太空望远镜能在近紫外到近红外波段观测；詹姆斯韦伯太空望远镜专注于红外观测；钱·德拉射线天文台则探测高能射线源将这些不同波段的数据结合起来，科学家能构建更完整的宇宙图景X X传统地基望远镜反射式望远镜使用凹面主镜收集和聚焦光线，是现代大型望远镜的主要设计类型，可以制造非常大的主镜分割镜设计由多个六边形镜面拼接而成，克服了制造单一大型镜面的技术限制，格兰特望远镜采用此设计自适应光学通过可变形镜面实时补偿大气扰动，显著提高图像清晰度，接近理论分辨率极限数字图像处理使用和大型数字传感器代替传统胶片，提高灵敏度和数据处理能力CCD地基光学望远镜依然是天文学研究的基础设施世界上最大的光学望远镜包括位于加那利群岛的格兰特望远镜（，主镜直径米）、位于夏威夷的双子望远镜（各米）和智利的超大望远镜（，GTC

10.410VLT四台米望远镜）这些设施位于高海拔、晴朗干燥的地区，以最大限度减少大气干扰

8.2现代地基望远镜面临的主要挑战是大气扰动（导致星光闪烁）和光污染自适应光学系统通过监测参考星的变形，以数百赫兹的频率调整次级镜或专用校正器镜的形状，极大地改善了地基望远镜的性能此外，干涉测量技术可以将多个望远镜结合起来，实现相当于单个超大望远镜的分辨率空间望远镜的革命哈勃太空望远镜钱德拉射线天文台詹姆斯韦伯太空望远镜X·年发射，主镜直径米，在紫外、可年发射，专门进行射线观测，可以探年发射，主镜直径米，是迄今为止

19902.41999X

20216.5见光和近红外波段工作哈勃彻底改变了我测包括黑洞、超新星遗迹和热气体星系团在最大、最复杂的空间望远镜它主要在红外们对宇宙的认识，拍摄了无数标志性图像，内的高能天体钱德拉的高分辨率成像能力波段工作，能够穿透宇宙尘埃云，观测宇宙如深空视场和创世之柱它测量了宇宙膨使科学家能详细研究宇宙中的剧烈事件，如早期形成的首批星系，以及系外行星大气成胀速率，捕捉到遥远星系的图像，为黑暗能星系碰撞和黑洞喷流分韦伯望远镜位于地球太阳系统的拉-L2量的发现做出了贡献格朗日点，距地球约万公里150空间望远镜的最大优势在于它们位于大气层之上，不受大气扰动和吸收的影响，可以观测地面望远镜无法探测的波段它们还可以全天候观测，不受日夜交替和天气条件的限制空间望远镜的发射和维护成本很高，但其科学回报同样巨大未来计划中的空间望远镜包括研究暗能量的南希格雷斯罗曼太空望远镜和寻找系外行星的系外行星大气表征卫星（）··ARIEL射电天文学的发展5001963米直径年份中国天眼望远镜的口径脉冲星首次被发现的年份FAST10000平方公里射电望远镜阵列的预计集光面积SKA射电天文学是研究来自天体的无线电波辐射的学科，它让我们能够探测宇宙中不发光但会发射无线电波的冷气体和尘埃阿雷西博射电望远镜曾是世界上最大的单口径射电望远镜，直径米，遗憾的是它在年因结构失败而坍塌目前，中国的五百米口径球面射电望3052020远镜（，俗称天眼）成为世界最大的单口径射电望远镜FAST射电天文学的重大发现包括宇宙微波背景辐射（大爆炸理论的关键证据）、脉冲星（旋转中子星）和快速射电暴（，一种持续仅几毫秒的强烈无线电爆发）射电干涉测量技术允FRB许多个较小的天线组合成一个巨大的虚拟望远镜，如超长基线干涉测量（）网络可实VLBI现与地球直径相当的分辨率，这项技术对拍摄首张黑洞照片至关重要引力波探测首次直接探测间接证据年月日，激光干涉引力波天文台（）理论预言2015914LIGO年，霍尔斯和泰勒通过观测双星系统首次直接探测到引力波信号，这来自于1974PSR GW150914爱因斯坦于年基于广义相对论预测引力波存在，的轨道衰减，首次间接证明了引力波的存两个合并黑洞产生的时空涟漪这一突破为物理学家莱1916B1913+16这是时空扰动的波动，由加速质量产生几十年来，引在，这一发现为他们赢得了年诺贝尔物理学奖纳韦斯、基普索恩和巴里巴里什赢得了年诺贝1993···2017力波仅存在于理论中，直接探测极其困难尔物理学奖引力波探测为人类提供了一种全新的观测宇宙的方式，被称为引力波天文学与电磁波不同，引力波几乎不受物质阻挡，可以携带来自宇宙最早期和最极端环境的信息使用的激光干涉仪能探测到比质子直径还小的距离变化，这相当于测量一个原子与最近恒星之间距离的变化LIGO年，和欧洲的探测器共同观测到了双中子星合并产生的引力波，同时捕捉到伽马射线暴和其他电磁信号，开启了多信使天文学时代未来2017LIGO VirgoGW170817的探测器包括欧空局计划中的空间激光干涉引力波天文台（），它将能探测更低频率的引力波，观测超大质量黑洞的合并LISA太空探测器壮举无人太空探测器是人类的机械使者，前往太阳系的最遥远角落，获取前所未有的数据和图像旅行者号和旅行者号是人类制造的距离地球最远的物体，12它们于年发射，已经飞行了多年，现在位于星际空间，继续向人类发回数据旅行者号于年首先越过日球层顶（太阳风与星际介质平19774012012衡的边界），成为第一个进入星际空间的人造物体其他著名的探测任务包括新视野号于年飞掠冥王星，提供了这个遥远矮行星的第一批特写照片；朱诺号目前正在木星轨道上运行，研究这颗2015巨行星的大气结构和磁场；卡西尼惠更斯号在年间对土星系统进行了详细研究，包括着陆器在土卫六表面着陆；好奇号火星车自-2004-2017年以来一直在探索火星表面，寻找生命迹象2012登月与载人飞行载人航天黎明（）1961尤里加加林搭乘东方号飞船完成人类首次太空飞行，绕地球一周同年，美·1国宇航员艾伦谢泼德完成美国首次载人太空飞行·人类登月（）1969阿波罗号任务中，尼尔阿姆斯特朗和巴兹奥尔德林成为首批踏上月球表面的11··人类，实现了人类探索太空的里程碑总共有次阿波罗任务成功将名宇航员612送上月球空间站时代（至今）1971-从早期的苏联礼炮号空间站到当今的国际空间站，人类实现了长期太空居住国际空间站自年月起持续有人驻守，是人类合作的典范200011中国载人航天（至今）2003-杨利伟搭乘神舟五号成为首位进入太空的中国航天员此后，中国完成了神舟系列飞行和天宫空间站建设，成为第三个独立掌握载人航天技术的国家载人航天探索代表了人类直接参与宇宙探索的决心尽管机器人探测器在很多方面更经济高效，但宇航员的现场判断和灵活性在某些任务中仍不可替代载人登月不仅是技术上的巨大成就，也是人类精神的象征，展示了人类走出地球摇篮的能力火星探索热潮毅力号（美国）天问一号（中国）年着陆在火星耶泽罗陨石年成功将祝融号火星车送20212021坑，这一区域曾是湖泊，可能保至火星乌托邦平原，标志着中国存有古代生命痕迹毅力号配备首次火星探测任务的成功祝融了先进的科学仪器，能够分析岩号配备了六种科学仪器，包括地石成分，并收集样本供未来任务形相机、多光谱相机和雷达探测带回地球它还携带了机智号器，用于研究火星地质结构、土小型直升机，实现了人类在另一壤特性和水冰分布等个星球的首次动力飞行火星载人计划多个航天机构和私人企业都提出了火星载人飞行的远景计划技术挑战包括辐射防护、长期微重力健康影响、心理健康维护以及资源利用等当前预测最早可能在年代实现火星载人登陆2030火星作为地球的邻居，一直是探索的重点目标火星上观测到的古代河床、湖泊和矿物质表明，这颗行星曾有温暖湿润的气候，可能适合生命存在然而，由于某种未知原因，火星逐渐失去了大部分大气和液态水通过研究火星，科学家希望更好地理解行星气候演变的规律，这对理解地球的未来也有重要意义金星与木星探测计划金星地球的姐妹木星气态巨行星创新探测技术金星是太阳系中与地球体积最接近的行星，但其环木星是太阳系中最大的行星，质量相当于太阳的千针对极端环境的探测，科学家正在开发新型探测技境与地球截然不同欧洲航天局的恩维萨特金星分之一目前，欧洲航天局的木星冰月探测器术例如，专为高温环境设计的电子设备可在金星任务计划于年发射，将研究金星大气、表面（）和美国的欧罗巴快帆者任务正在进行表面工作更长时间；用于冰卫星探测的穿冰机器人2031JUICE和内部结构另一项创新概念是使用特殊气球探测中，它们将探索木星及其卫星系统将重点可以钻透冰层探索地下海洋；新型核电源可为深空JUICE器在金星上层大气中飘浮，因为金星表面温度过高研究木星三大冰卫星（木卫

二、木卫三和木卫四），任务提供长期可靠的能源供应，不依赖太阳能（约℃），但特定高度的大气温度和压力更适而欧罗巴快帆者则专注于调查木卫二表面冰层下460宜探测活动可能存在的海洋行星探测任务通常需要多年甚至数十年的规划和执行探测器从地球发射到达目标行星后，会进行长期的数据收集和传输工作例如，美国航空航天局的朱诺号探测器于年发射，年才到达木星轨道，预计将工作至年这些长期任务为我们提供了宝贵的太阳系知识，帮助我们理解行星形成和演化过程，以及寻找可能的生201120162025命迹象寻找系外行星系外行星是指围绕太阳以外恒星运行的行星年，天文学家首次确认了围绕主序星飞马座运行的热木星，此后系外行星的发现数量呈爆炸式增长截至目前，人类已确认超过颗系外行星，这些行星1995515000展现出惊人的多样性，从超级地球到热木星，从岩石行星到气态巨行星，甚至包括围绕中子星和脉冲星运行的行星系外行星大气分析光谱分析法生物标志物先进观测设备当行星凌经其恒星时，恒某些大气成分被视为潜在詹姆斯韦伯太空望远镜能·星光穿过行星大气，特定生命存在的标志，如地球够进行前所未有的系外行波长的光被大气中的分子大气中的氧气和甲烷这星大气观测，其灵敏度足吸收通过分析这种透射些分子在没有生物活动的以探测到宜居带行星大气光谱，科学家可以确定行情况下难以长期共存，因中的水、氧气和甲烷等关星大气中存在的分子种类此它们的同时存在可能暗键分子和含量示生命活动系外行星大气分析是寻找宜居世界和可能生命迹象的关键步骤通过分析行星大气组成，科学家可以推断行星的温度、压力和化学环境，评估其宜居性迄今为止，科学家已经在多颗系外行星大气中探测到水蒸气、甲烷、一氧化碳等分子，以及钠、钾等元素最近的研究重点包括寻找具有类地球大气的小型岩石行星，尤其是位于恒星宜居带内的行星这些行星表面温度适合液态水存在，是寻找地外生命的优先目标虽然当前技术尚不足以详细分析这类行星的大气，但詹姆斯韦伯太空望远镜和未来计划中的·系外行星大气表征卫星（）有望取得突破性进展ARIEL太阳系外可能的生命家园太阳系内潜在宜居环境火星古代湖泊和河流痕迹表明曾有液态水；地下可能存在现代冰下水库•欧罗巴（木卫二）冰壳下可能存在深达公里的液态水海洋•100恩克拉多斯（土卫二）南极区域喷发的羽状物中检测到有机分子•泰坦（土卫六）拥有甲烷乙烷循环，类似地球的水循环•-系外行星候选目标比邻星距离太阳最近的系外行星，围绕比邻星运行，质量与地球相当b系统位于光年外，包含颗地球大小的行星，其中多颗位于宜居带内TRAPPIST-1447开普勒被认为是已发现的最类似地球的系外行星之一，其恒星辐射量与地球接收的太阳辐射相当-442b外星文明探索与费米悖论寻找智能生命搜寻可能的人工信号和技术特征计划SETI使用射电望远镜寻找人工电磁信号费米悖论银河系中应存在大量文明，为何未见踪迹？大过滤器理论文明发展中可能存在难以跨越的障碍费米悖论是由物理学家恩里科费米提出的著名问题如果宇宙中存在许多先进的外星文明，它们在哪里？考虑到银河系中恒星和行星的庞大数量，以·及宇宙的悠久年龄，即使星际旅行速度很慢，先进文明也有足够时间殖民整个银河系然而，我们尚未观测到任何确凿的外星文明证据解释费米悖论的理论包括技术文明可能非常罕见；先进文明可能很快自我毁灭；星际旅行可能比我们想象的更加困难；先进文明可能选择保持隐秘；或者我们正处于大过滤器之前一个阻止大多数文明达到星际扩张阶段的障碍（搜寻地外智能）项目使用射电望远镜扫描天空，寻找可能的人——SETI工信号，至今未有确认的发现，但随着技术进步，搜索范围和深度不断扩大星舰、光帆与深空旅行化学推进传统火箭技术，速度限制在每秒数十公里核推进利用核裂变或核聚变能量，理论速度可达每秒数百公里光帆技术利用激光或太阳光压力推动超轻薄帆，可达光速的显著分数理论性突破曲速驱动、虫洞等概念，目前仍属于理论探索阶段星际旅行面临的最大障碍是速度限制即使以光速（宇宙速度极限）旅行，到达最近的恒星比邻星也需要年时间目前，最有希望的近期星际旅行技术是微型光帆探测器，如突破摄星

4.2计划提出的概念使用地球上强大的激光阵列加速克级质量的微型探测器，理论上可以达到光速的左右，使比邻星之旅缩短至约年20%20更远期的概念包括核脉冲推进（奥尔森计划）、反物质推进和融合推进系统这些技术可能允许更大规模的探测器或甚至载人飞船进行星际旅行，但都面临巨大的工程挑战即使在理论上，超光速旅行（如科幻小说中的曲速驱动）也需要尚未被发现的物理机制，如负能量密度物质，这些概念目前仍处于最前沿的理论物理研究阶段现实中的引力弹弓技术轨道设计引力弹弓原理1精确计算航天器和行星相遇轨道以获最大动量利用行星相对于太阳的运动增加航天器速度2燃料节省速度增益无需消耗额外燃料即可改变轨道和增加速度可获得相当于行星轨道速度两倍的速度增加引力弹弓技术（又称为摆动辅助）是太空探索中的关键技术，利用行星引力场改变航天器轨道和增加速度，而无需额外燃料当航天器从行星后方接近时，会被行星引力拉向行星，加速通过，然后被甩出去，速度相对于太阳比进入前增加这一技术使得燃料有限的探测器能够访问太阳系外围天体旅行者任务是引力弹弓技术的经典应用旅行者号和号利用木星、土星（旅行者号还使用了天王星和海王星）的引力弹弓，不仅改变了航行方向，122还大幅增加了速度没有这一技术，旅行者探测器不可能在一次任务中访问多颗外行星，也无法获得足够的速度离开太阳系新视野号前往冥王星的任务同样使用了木星引力弹弓，缩短了飞行时间并节省了大量燃料多宇宙理论与维度假说泡沫宇宙理论根据膨胀宇宙学的某些版本，在永恒膨胀过程中，量子涨落会导致不同区域膨胀速率不同，形成相互隔离的泡泡宇宙每个泡泡宇宙可能有不同的物理定律和基本常数，我们的宇宙只是其中之一量子多世界解释由休埃弗雷特三世提出的量子力学解释，认为量子系统的每一次坍缩都会产生多个平行现实，其中每种可能的测量结果都在不同的分支中实现这意味着存在无数平行宇·宙，它们共享一个过去但有不同的现在和未来弦理论与额外维度弦理论试图统一所有基本力，包括引力，它预测宇宙实际上可能有个维度，而不是我们感知的个（个空间维度加个时间维度）额外的维度可能被卷曲到极小的尺度，11431或者延伸到膜世界，我们的维宇宙可能只是更高维空间中的一个膜3+1多宇宙理论和额外维度假说是现代理论物理学的前沿领域，它们试图解决物理学中一些最深刻的问题，如量子力学与广义相对论的不相容性、基本常数的微调问题等然而，这些理论面临的主要挑战是实验验证的困难如何测试可能永远无法直接观测的其他宇宙或额外维度的存在？人类宇宙观的演变现代宇宙观日心说革命世纪初，哈勃发现河外星云实际上是遥远的星系，古代地心宇宙观20哥白尼于年提出日心说，认为太阳是宇宙中心，证实了宇宙远比想象的宏大随后他发现宇宙正在膨1543以亚里士多德和托勒密为代表，认为地球是宇宙中心，地球和行星围绕太阳运行开普勒通过观测数据发现胀，为大爆炸理论奠定基础现代宇宙学已经认识到，天体围绕地球运行这一模型需要复杂的本轮均轮行星轨道是椭圆而非完美圆形，制定了行星运动三大太阳系位于银河系的边缘地带，银河系只是可观测宇-系统来解释行星的逆行运动，统治西方天文学近定律伽利略用望远镜观测证实了日心说的许多预测，宙中约万亿个星系之一2年在中国，张衡提出浑天说，认为天如鸡如金星的盈亏现象2000蛋壳包裹大地人类宇宙观的每一次大规模转变都伴随着思想和社会的深刻变革从地心说到日心说的转变不仅是天文学的革命，也是人类思想方法的革命，标志着科学观测和数学推理开始取代传统权威同样，世纪的天文发现极大地拓展了人类对宇宙规模的认识，从一个以银河系为主体的宇宙观扩展到包含数万亿星系的庞大宇宙20宇宙中的神秘现象宇宙中存在许多尚未完全理解的神秘现象快速射电暴（）是一种持续仅几毫秒的强烈无线电信号，自年首次被发现以来，FRB2007已探测到数百个案例部分表现出重复性，一些已被定位到遥远星系，但其确切起源机制仍有争议，主要假说包括中子星合并、FRB磁星活动或外星文明信号等伽马射线暴（）是宇宙中观测到的最剧烈爆发事件，在几秒到几分钟内释放的能量相当于太阳整个寿命能量的数百倍长伽马暴GRB与大质量恒星死亡有关，短伽马暴则可能源自中子星或黑洞合并磁星是一种磁场极其强大的中子星，有时会爆发出强烈的伽马射线和射线蓝巨星是宇宙中最亮的恒星之一，质量是太阳的几十倍，寿命极短，死亡时会产生壮观的超新星爆发X宇宙微波背景辐射

19652.7发现年份开尔文彭齐亚斯和威尔逊意外发现微波背景噪声宇宙微波背景辐射的平均温度万38年大爆炸后宇宙变透明时的年龄宇宙微波背景辐射（）是大爆炸理论的最强有力证据，它是早期宇宙中密集、高温等CMB离子体冷却和膨胀后留下的余辉在宇宙诞生约万年后，宇宙冷却到足够温度让电子38与原子核结合形成中性原子，此时宇宙变得透明，光子首次能够自由传播，形成了我们今天观测到的微波背景辐射几乎完全均匀，但存在约十万分之一的微小温度波动这些原初波动揭示了宇宙早期CMB的密度涨落，这些涨落在引力作用下逐渐放大，最终形成今天的星系和大尺度结构、COBE和普朗克卫星等任务详细测量了的特性，不仅进一步证实了大爆炸理论，还精WMAP CMB确测定了宇宙的年龄、成分和几何形状，为研究宇宙早期历史提供了宝贵窗口宇宙的命运探索宇宙几何与命运宇宙的几何形状与其最终命运紧密相关根据广义相对论，宇宙可能有三种基本几何形状闭合型（正曲率）类似球面，空间有限但无边界，引力最终会使宇宙停止膨胀并开始收缩，导致大挤压•开放型（负曲率）类似马鞍面，空间无限，宇宙将永远膨胀•平坦型（零曲率）遵循欧几里得几何，宇宙膨胀速度逐渐减慢但永不停止•暗能量与宇宙加速膨胀年的观测表明宇宙正在加速膨胀，改变了科学界对宇宙命运的认知暗能量的发现导致了新的宇宙末日场景1998热寂（）宇宙继续膨胀，星系逐渐远离，恒星耗尽燃料，黑洞蒸发，最终达到热力学平衡状态•Heat Death大冻结（）类似热寂，但强调温度趋近绝对零度的过程•Big Freeze大撕裂（）如果暗能量持续增强，最终强大到足以撕裂星系、恒星、行星，甚至原子•Big Rip未来望远镜与观测计划欧几里得太空望远镜欧洲航天局计划于年发射的太空望远镜，主镜直径米，配备可见光和近红外仪器其主要科学目标是研究暗能量和暗物质，通过观测数十亿个星系的精确形状和分布，

20271.2探索宇宙加速膨胀的本质平方公里阵列（）SKA正在南非和澳大利亚建设的全球最大射电望远镜阵列，将由数千个天线组成，集光面积相当于一平方公里将实现前所未有的灵敏度和分辨率，有望探测宇宙黎明时期的第SKA一代星系，研究脉冲星并测试爱因斯坦的广义相对论巨型麦哲伦望远镜（）GMT在智利安第斯山脉建设中的下一代地基光学望远镜，由七面米主镜组成，等效口径为米将拥有比哈勃望远镜高倍的分辨率，能够直接成像系外行星并研究其

8.

424.5GMT10大气成分，探测宇宙中最早的恒星和星系未来天文设施将极大扩展人类观测宇宙的能力例如，美国宇航局计划发射的南希格雷斯罗曼太空望远镜将拥有与哈勃相当的分辨率但视场更大，专注于研究暗能量；系外行星大气表征卫星（）将首次对大量系外行星进行系··ARIEL统的大气调查；米望远镜（）和欧洲极大望远镜（）等超大地基设施将使用自适应光学技术实现前所未有的高分辨率观测30TMT ELT中国的宇宙探索战略登月探索从嫦娥一号到嫦娥六号的月球轨道器和着陆器系列任务采样返回嫦娥五号成功采集月球样本返回地球，开创亚洲首例火星探索天问一号实现一次任务绕、落、巡三大目标空间站建设天宫空间站成为中国载人航天新平台中国航天事业近年来取得了长足进步，形成了完善的宇宙探索战略月球探索是重点方向之一，嫦娥四号实现了人类首次月球背面软着陆；嫦娥五号完成了月球样本采集返回；计划中的嫦娥七号将于年前后登陆月球南极，探测水冰资源并进行天文观测在行星探索方面，天问一号成功将2030祝融号火星车送至火星表面；后续计划包括火星采样返回和小行星探测任务载人航天领域，中国已建成天宫空间站，并进行了多次载人飞行和问天实验舱对接，具备了长期载人航天能力在天文观测方面，中国建成了（天眼）射电望远镜和羊八井高海拔宇宙线观测FAST站等世界级设施，并参与国际前沿项目如未来，中国计划发射空间站望远镜和更多专业天文SKA卫星，增强太空观测能力太空资源与未来经济小行星采矿月球资源一些小行星富含贵金属如铂、钯和稀土月球表面富含氦，这是一种潜在的-3元素，价值可达数万亿美元采矿技术核聚变燃料，地球上极为稀少月球极概念包括机器人采矿设备、原位资源利区的永久阴影坑中存在水冰，可提取氧用和太空制造尽管技术挑战巨大，但气和氢气用作火箭燃料月球尘土（月随着发射成本下降和机器人技术进步，壤）中的硅、钛、铝等元素可用于在月这一领域有望在未来几十年内发展起来球表面打印建筑结构，支持长期月3D球基地建设太空服务经济低地球轨道已成为经济活动区域，包括卫星互联网、地球观测、太空旅游等国际空间站开始允许私人公司使用其设施进行商业研究和制造随着太空垃圾问题日益突出，太空清理和在轨服务正成为新兴市场，如使用特殊航天器捕获和移除废弃卫星太空经济正从传统的政府主导模式向更多元化的商业参与模式转变私营企业如和蓝色SpaceX起源大幅降低了进入太空的成本门槛，促进了新兴太空产业的发展预计到年，全球太空2040经济规模可能从目前的约亿美元增长到万亿美元以上然而，太空资源开发面临着重大40001的法律和监管挑战，年的《外层空间条约》规定外太空是全人类的共同遗产，但对私人1967开发活动的条款解释仍存在争议科幻与科学的对话科幻作品的科学影响科幻作品常常先于科学发展预见未来技术儒勒凡尔纳在《从地球到月球》中描述的太空发射与实际阿波罗计划有惊人相似之处•·阿瑟克拉克在年首次提出地球同步轨道通信卫星概念，如今已成为现实•·1945刘慈欣的《三体》探讨了费米悖论和暗森林理论，刺激了天文学界对外星文明探索的思考•电影《星际穿越》中的黑洞视觉效果由物理学家基普索恩指导，被认为是科学上最准确的黑洞视•·觉再现科学家与科幻的互动许多著名科学家也是科幻爱好者或作者卡尔萨根不仅是杰出的天文学家，也是小说《接触》的作者，后被改编为电影•·霍金相信科幻激发了他对宇宙的兴趣，并参与了多部科普节目的制作•中国天文学家、首席科学家南仁东曾表示《三体》帮助公众理解天文学的重要性•FAST美国航空航天局设立了创新高级概念计划，专门研究曾被认为是科幻的前沿技术•科幻与科学之间存在复杂的互动关系科幻作品不仅仅是娱乐，它们也是思想实验的场所，探索技术和科学发展可能带来的社会、伦理和哲学影响许多科学家最初正是受到科幻作品的启发而投身科学研究正如著名物理学家弗里曼戴森所言科学离不开想象力在某种程度上，科学就是有组织的梦想在当代中国，刘慈欣的硬科幻作品特别是《三体》系列激发了全社会对宇宙学、物理学和外星文明的广泛兴趣，被认·为是一种新的科幻传播科学现象宇宙奥秘未解之处生命起源与分布暗物质与暗能量本质生命在地球上如何起源仍是科学前沿问尽管有强有力的间接证据表明暗物质和题一种理论认为生命起源于原始汤暗能量存在，但它们的本质仍是当代物中的化学反应；另一种观点支持世理学最大谜团关于暗物质，候选者包RNA界假说；还有学者提出生命可能源自彗括弱相互作用大质量粒子、轴子和原初星或陨石携带的有机物外星生命是否黑洞；暗能量可能是宇宙学常数、第五存在，如何探测可能的生物标志，以及种基本力，或需要修改广义相对论解如何避免地球中心主义的局限，仍是开这些谜团可能需要全新的物理理论框艰巨挑战架宇宙的边界宇宙是否有边界？如果有，边界之外是什么？最新宇宙学模型认为宇宙可能在空间上是无限的，但有有限的历史（从大爆炸开始）一种可能性是宇宙没有边界但自包含，类似于球面没有边界但面积有限这些概念挑战了我们对开始和边界的直觉理解除了上述三大谜团，宇宙还存在许多令人着迷的未解之谜量子力学和广义相对论的不相容性；黑洞内部信息丢失的悖论；宇宙中存在性质正好适合产生生命的精细调节似乎太过巧合；在宇宙早期，物质战胜了反物质，但机制尚不清楚；还有最基本的问题为什么宇宙会存在而不是虚无？总结与人类的宇宙未来认知转变持续探索从宇宙中心到宇宙中普通一员的身份转变宇宙探索是人类好奇心与智慧的集中体现地球珍视潜在扩张宇宙探索让我们更加珍视地球家园人类可能在未来世纪拓展至太阳系外通过宇宙探索的旅程，我们认识到地球在浩瀚宇宙中的渺小与独特从一个被认为是宇宙中心的位置，我们现在知道自己位于一个普通螺旋星系的外围区域，而这个星系只是可观测宇宙中数万亿个星系之一这种认知转变既令人谦卑，也激发了我们对宇宙更深层次奥秘的探索渴望展望未来，人类将继续向太阳系深处探索，可能在月球和火星建立永久基地，开发小行星和气态巨行星卫星的资源更远的未来，星际旅行可能成为现实，人类文明可能扩展到其他恒星系统然而，无论技术如何进步，宇宙探索的本质仍将是对未知的持续探询，对我们在宇宙中位置的理解，以及对人类在这广阔宇宙中命运的思考正如卡尔萨根所说在浩瀚宇宙的广阔背景下，拯救或失去一颗行星或一种文明，似乎没那么重要但对我们来说，地球是唯一有据可查·的家园。