《宇宙探索课件：天体物理概览》

宇宙探索课件天体物理概览欢迎开启探索浩瀚宇宙的奇妙旅程在接下来的课程中，我们将共同探索138亿年宇宙的壮丽历史，从微观粒子到宏观星系结构，全面了解宇宙运行的基本规律天体物理学融合了物理学、数学和天文学的精髓，帮助我们理解从行星运动到星系形成的各种宇宙现象通过这门课程，你将获得对宇宙工作原理的深入认识，以及对未来宇宙研究方向的前瞻性思考让我们一起揭开宇宙的神秘面纱，感受科学探索的无限魅力课程内容概述宇宙基本结构与组成探讨宇宙的基本组成部分，包括普通物质、暗物质和暗能量，以及宇宙的大尺度结构和物理定律恒星形成与演化研究恒星的诞生、生命周期和死亡过程，揭示不同质量恒星星系与黑洞的演化路径和最终命运分析星系的形成、分类和演化，以及黑洞的物理特性、探测方法和在宇宙中的重要作用宇宙学理论与宇宙起源讨论大爆炸理论、宇宙膨胀和宇宙微波背景辐射等关键证太空探索与技术据，理解宇宙的起源和可能的未来介绍现代天文观测技术、太空任务和未来航天计划，展示人类探索宇宙的最新进展何为天体物理学？物理学原理应用天体物理学将牛顿力学、相对论、量子力学等物理学理论应用于天体研究，解释宇宙现象背后的物理机制这使我们能够理解遥远天体的内部结构和演化过程观测与理论结合通过光学、射电、X射线等多波段天文观测获取数据，结合理论模型进行分析这种观测与理论相互验证的方法是天体物理学研究的核心方式跨学科研究天体物理学融合了物理学、数学、化学、地质学等多学科知识，涵盖从微观粒子物理到宏观宇宙学的广泛尺度，是一门典型的交叉学科天体物理学是人类认识宇宙的重要工具，它帮助我们理解从行星形成到宇宙演化的各种天文现象，揭示宇宙的基本规律和运行机制宇宙观测技术发展早期观测从古代的肉眼观测到伽利略在1609年首次使用望远镜观测天体，人类开始了对宇宙的系统性探索这一阶段主要依靠光学观测手段射电时代1932年阿罗基波夫开创射电天文学，扩展了人类观测宇宙的波段范围射电望远镜能够探测到光学不可见的宇宙信息，开启了多波段天文学太空望远镜哈勃太空望远镜（1990年）测量了13000多个天体，摆脱了地球大气干扰，获得了前所未有的清晰图像詹姆斯·韦伯太空望远镜（2021年）能够观测137亿光年外的天体引力波探测LIGO在2015年首次探测到引力波，开创了引力波天文学新纪元这代表人类观测宇宙的能力从电磁波拓展到了时空波动，开启了多信使天文学时代宇宙的基本组成暗物质约占宇宙总质能的

26.8%，尚未被直接观测到暗物质不发光也不吸收光，只通过引力与普通物质相可见物质暗能量互作用·影响星系旋转曲线仅占宇宙总质能的

4.9%，包括我们熟悉的恒星、占宇宙总质能的

68.3%，是驱动宇宙加速膨胀的神·参与结构形成行星、星际气体和尘埃等这部分物质是我们直接秘能量暗能量的本质是现代物理学最大的未解之观测和研究的对象·可能由未知粒子组成谜之一·普通物质中氢占73%·表现为空间本身的排斥力·氦占25%·可能与真空能量相关·其他元素仅占2%·影响宇宙未来演化宇宙尺度与距离天文单位（）AU地球到太阳平均距离，约

1.496亿公里，是测量太阳系内天体距离的基本单位光年光在真空中一年行进的距离，约

9.46万亿公里，常用于描述恒星间距离秒差距相当于

3.26光年，是基于恒星视差测量的距离单位，在天文学中广泛应用银河系与可观测宇宙银河系直径约10万光年，而可观测宇宙直径达930亿光年理解宇宙的尺度对我们认识宇宙的结构至关重要从太阳系的天文单位到描述整个可观测宇宙的亿光年，不同的距离单位帮助我们在不同尺度上研究宇宙天体宇宙中的基本力引力作用于所有具有质量的物质，强度与质量成正比，与距离平方成反比·作用范围无限·主导大尺度宇宙结构·相对强度最弱（10^-38）电磁力作用于带电粒子之间，强度远大于引力·作用范围无限·控制原子结构和化学反应·相对强度适中（10^-2）强核力作用于夸克之间，维持原子核稳定·作用范围约10^-15米·维持原子核内质子中子结合·相对强度最大

（1）弱核力负责放射性衰变过程·作用范围约10^-18米·控制某些粒子转变·相对强度较弱（10^-6）物理学家一直致力于寻找大统一理论，试图将这四种基本力统一起来目前只有电磁力和弱核力被统一为电弱相互作用，完整的统一理论尚未建立宇宙标准模型基本粒子希格斯玻色子标准模型的局限标准模型包含两大类基本粒子费米子2012年在大型强子对撞机中发现的希格尽管标准模型的预测精度达

0.1%，具有（物质粒子）和玻色子（力传递粒斯玻色子证实了希格斯场的存在，这一惊人的准确性，但它仍存在明显的局限子）场为基本粒子提供质量性·6种夸克上、下、奇、粲、底、顶希格斯玻色子的发现是粒子物理学中具·无法解释暗物质和暗能量有里程碑意义的事件，填补了标准模型·无法将引力纳入量子框架中最后一块拼图·6种轻子电子、μ子、τ子及其对应·无法解释中微子质量的中微子·无法解释宇宙物质-反物质不对称·4种规范玻色子光子、W和Z玻色子、胶子恒星宇宙的明灯宇宙的基本发光单元恒星是宇宙中最基本、最普遍的发光天体，通过核聚变释放能量它们是宇宙化学演化的核心，通过核合成产生重元素，丰富宇宙的物质组成数量惊人仅我们的银河系就包含1000-4000亿颗恒星，而可观测宇宙中有约2万亿个星系这意味着可观测宇宙中恒星的总数量可能达到10^24颗之多多样性极高恒星的质量从太阳质量的

0.08倍到150倍不等，表面温度从2500K到50000K，亮度差异可达百万倍不同恒星的寿命从数百万年到数万亿年不等极端物理环境恒星核心是宇宙中最极端的物理环境之一，温度可达数千万度，密度达数百吨/立方厘米最热恒星的表面温度可高达20万℃，远超任何地球实验室条件恒星的诞生年℃10^610^7形成时间核聚变启动温度恒星从分子云坍缩到核聚变点火，通常需当恒星核心达到约1000万℃时，开始氢聚要10-50万年变颗年7/银河系恒星形成率我们的银河系每年平均形成约7颗新恒星恒星的诞生始于巨大的分子云内部当星际云气体受到密度波、超新星爆炸或恒星风等扰动时，局部区域开始引力坍缩随着物质不断向中心聚集，温度和压力持续上升当核心温度达到临界点时，氢核聚变反应开始，形成初生恒星最终，恒星内部的引力与热压力达到平衡，进入稳定的主序阶段，成为真正的恒星恒星分类与赫罗图光谱分类温度范围恒星按照光谱特征分为O、B、A、F、恒星表面温度从冷红矮星的约3000K到G、K、M七个主要类型，记忆口诀Oh热O型星的50000K，决定了恒星的颜Be AFine Girl/Guy,Kiss Me色亮度差异演化阶段恒星亮度范围极广，从太阳亮度的赫罗图上的位置反映恒星演化阶段主

0.0001倍到100万倍，反映了恒星的能序星、红巨星、白矮星、超巨星等量输出赫罗图（Hertzsprung-Russell图）是天文学中最重要的图表之一，它将恒星的表面温度和绝对亮度关联起来，展现了恒星演化的路线图大多数恒星集中在主序带上，随着演化会在图上沿特定路径移动太阳我们的恒星亿年46太阳年龄太阳已经存在约46亿年，处于主序星阶段中期5778K表面温度太阳光球层温度约5778K，是一颗黄矮星万1500K核心温度太阳核心温度高达1500万K，足以维持核聚变万吨秒600/物质转换率每秒将600万吨氢转化为氦，释放巨大能量作为G2型主序星，太阳是我们研究恒星物理学最重要的实验室太阳直径约139万公里，质量为2×10^30千克，占太阳系总质量的

99.86%太阳的能量来源是核心区域的氢聚变反应，将氢原子核聚变成氦原子核太阳预计还有约50亿年的寿命在此之后，它将膨胀为红巨星，最终演化为白矮星太阳活动（如太阳黑子、耀斑和日冕物质抛射）对地球环境和技术系统有重要影响恒星内部结构核心核聚变发生区域，占恒星半径约25%，包含大部分质量辐射层能量以光子形式向外传递的区域，光子可能需要数万年穿过对流层热气体上升冷气体下沉形成对流环流的区域光球层恒星可见表面，大部分可见光从这里发出大气层包括色球层与日冕，温度反常地向外升高恒星内部结构是天体物理学重要研究内容，通过日震学等技术可以看到恒星内部不同质量的恒星内部结构有显著差异，影响其演化路径和寿命大质量恒星可能拥有更复杂的洋葱层结构，包含多种核聚变产物恒星的生命周期主序前阶段分子云坍缩形成原恒星，主要通过引力收缩释放能量这一阶段恒星尚未开始核聚变，但已经开始发光发热主序阶段恒星生命的主要阶段，核心进行氢聚变为氦的反应这一阶段占恒星总寿命的约90%，太阳目前处于此阶段红巨星阶段核心氢耗尽后，开始氦核聚变，恒星体积显著膨胀外层温度降低呈红色，但光度大幅增加最终命运根据质量不同，恒星可能演化为白矮星、中子星或黑洞小质量恒星产生行星状星云，大质量恒星通过超新星爆发结束生命小质量恒星的死亡红巨星阶段行星状星云形成白矮星当小于8倍太阳质量的恒星耗尽核心氢随着外层气体不断抛射，恒星核心逐渐恒星核心最终演化为白矮星，主要由碳燃料后，会膨胀成为红巨星在这一阶暴露这些被抛射的气体在紫外辐射照和氧组成，不再进行核聚变白矮星通段，恒星外层膨胀冷却，而核心收缩加射下发光，形成绚丽的行星状星云尽过电子简并压支撑自身，防止进一步引热，逐渐开始氦聚变管名为行星状，但实际与行星无关力坍缩红巨星阶段，恒星会经历多次脉冲，抛行星状星云的寿命相对短暂，约为几万白矮星极为致密，一立方厘米质量约1射外层物质，形成复杂的星周壳层太年，它们的形态多种多样，如蝴蝶状、吨，地球大小的白矮星质量可达太阳质阳在约50亿年后将膨胀到达地球轨道，环状或不规则形状银河系中已知约有量的60%白矮星将缓慢冷却数十亿成为红巨星3000个行星状星云年，最终成为暗淡的黑矮星大质量恒星的命运洋葱层结构核心形成铁、硅、氧、碳、氦、氢等同心壳层铁核形成核聚变至铁元素后无法产生能量，核心塌缩超新星爆发核心坍缩引发剧烈爆炸，亮度可达千亿颗太阳中子星形成48-25倍太阳质量恒星核心坍缩成超密度中子星黑洞诞生5超过25倍太阳质量恒星最终可能坍缩成黑洞大质量恒星演化速度远快于小质量恒星，8-150倍太阳质量的恒星寿命仅有数百万至数千万年这些恒星能够进行更多元素的核聚变，直到形成铁元素超新星爆发是宇宙中最剧烈的爆炸现象之一，可在几秒钟内释放恒星一生的能量超新星与元素合成宇宙元素工厂超新星类型能量释放所有铁以上重元素主要来自超新星爆发根据光谱和光变曲线特征，超新星可分超新星爆发是宇宙中最强大的爆炸现象过程超新星爆发产生的高能中子俘获为多种类型，主要有两大类之一反应（r过程）是合成铀、金、铂等重·II型超新星大质量恒星核心坍缩引·每秒释放能量相当于太阳整个寿命元素的关键途径这意味着我们体内和发，光谱中有氢线的总辐射周围的许多重要元素都来自古老恒星的·Ia型超新星白矮星吸积物质超过·可短暂超过整个星系的亮度爆发钱德拉塞卡极限爆发，无氢线·产生的激波以数千公里/秒速度扩散最近的研究表明，某些重元素如金、铂·Ib/c型超新星失去氢包层的大质量·形成持续发光数千年的超新星遗迹等也可能主要来自中子星合并事件，这恒星核坍缩在2017年通过引力波和电磁波观测得到1987A超新星是近代观测到的最近超新证实Ia型超新星因爆发亮度高度一致，成为星，位于大麦哲伦云，为研究超新星物测量宇宙距离的标准烛光，对宇宙学理提供了宝贵数据研究至关重要中子星与脉冲星极端密度天体中子星是已知宇宙中密度最大的可观测天体，由大质量恒星超新星爆发后核心坍缩形成其密度高达每立方厘米约10亿吨，相当于将太阳的质量压缩到直径仅20公里的球体中高速旋转由于角动量守恒，中子星可以达到极高的旋转速度，最快的脉冲星每秒自转可达716转这种高速旋转加上强磁场产生了强大的电磁辐射，形成脉冲星现象超强磁场中子星磁场强度可达地球磁场的10¹²倍，某些特殊的磁星甚至更强这种磁场强到可以扭曲原子结构，创造出地球上无法实现的极端物理环境宇宙钟表脉冲星发出的周期性信号极为精确，可用作宇宙中的原子钟科学家利用脉冲星计时可以检验引力理论、探测引力波和研究中子星物理1974年霍尔与泰勒通过双脉冲星系统首次间接证实了引力波存在黑洞时空的极端弯曲黑洞的定义事件视界与奇点黑洞观测黑洞是一种逃逸速度超过光速的天体，事件视界是黑洞的边界，一旦越过此黑洞本身不可见，但其存在可通过多种由于引力极强，连光都无法逃脱根据边界，任何物质或信息原则上都无法返方式探测爱因斯坦的广义相对论，黑洞是时空的回根据理论，黑洞中心存在密度无限·吸积盘辐射黑洞吸积周围物质形极端弯曲，可以看作是宇宙中的奇点大的奇点，但量子引力效应可能会改变成的高温盘这一描述·引力透镜效应黑洞弯曲背景光源黑洞由史瓦西半径（事件视界）定义，霍金辐射理论预测黑洞并非完全黑，的光线其大小与质量成正比R=2GM/c²这它们会缓慢蒸发，最终可能完全消失·伙伴恒星运动双星系统中可见恒意味着太阳质量的黑洞半径约为3公这一过程对恒星级黑洞需要10^67年，星轨道反映黑洞里，而10亿太阳质量的黑洞半径约为30远超宇宙当前年龄·直接成像事件视平线望远镜在亿公里2019年拍摄到M87星系中心黑洞的首张照片黑洞的类型恒星级黑洞5-100倍太阳质量，由大质量恒星死亡形成中等质量黑洞100-100,000倍太阳质量，形成机制尚未完全理解超大质量黑洞百万至百亿倍太阳质量，位于星系中心银河系中心的超大质量黑洞人马座A*质量约为430万倍太阳质量，距离地球约

2.6万光年科学家通过观测其周围恒星的轨道运动精确测量了这一质量目前已发现的最大黑洞是类星体TON618中心的黑洞，质量高达660亿倍太阳质量超大质量黑洞的形成机制仍是天体物理学的重要研究课题，可能涉及多个小黑洞合并或原始气体云直接坍缩等过程引力波探测为黑洞研究开辟了新途径，自2015年首次探测以来，已观测到数十次黑洞合并事件，提供了前所未有的黑洞质量和自旋数据星系恒星的聚集体恒星集合尺寸多样形态分类星系是由数百万至数万星系大小差异极大，从根据胡克分类法，星系亿颗恒星、星际气体、仅含数百万颗恒星的矮主要分为三种基本形尘埃和暗物质组成的巨星系，到包含数万亿颗态椭圆星系（E型）、大天体系统银河系包恒星的巨星系最大的螺旋星系（S型）和不规含约2000亿颗恒星，而星系IC1101直径达600则星系（Irr型）还有可观测宇宙中估计有约2万光年，是银河系的60介于椭圆和螺旋之间的万亿个星系每个星系倍星系通常由暗物质透镜状星系（S0型）都有其独特的形态、历晕包围，其质量可达可每种类型反映了不同的史和演化轨迹见物质的5-10倍形成历史和恒星形成活动星系是宇宙大尺度结构的基本单元，它们通过引力相互作用，形成星系群、星系团和更大的结构研究星系形成与演化是理解宇宙历史的关键最新观测表明，几乎每个大型星系中心都有超大质量黑洞，且黑洞质量与星系性质密切相关银河系结构核球猎户座旋臂英仙座旋臂人马座旋臂天鹅座旋臂星系形成与演化初始密度波动早期宇宙中的微小密度波动是星系形成的种子这些波动在宇宙微波背景辐射中能够观测到，约为10^-5量级的温度波动暗物质晕坍缩暗物质先坍缩形成基本结构骨架由于暗物质不与辐射相互作用，它可以更早开始坍缩，为普通物质提供引力势阱重子物质跟随普通物质（重子物质）随后坍缩，形成原始星系气体冷却过程关键，允许物质进一步坍缩形成恒星星系合并与互动小星系通过合并形成更大星系，塑造了今天观测到的星系多样性合并过程中伴随恒星形成爆发和形态演化关于星系形成，存在两种主要理论自上而下模型认为大星系先形成后分裂；而当前更受支持的自下而上模型认为小星系先形成后合并成大星系近期的观测表明，星系形成可能比以前认为的更早，詹姆斯·韦伯望远镜已发现宇宙早期大量形成的星系活动星系核与类星体类星体类星体是早期宇宙中最亮的天体，其光度可达整个银河系的上千倍这些天体距离极远，有些位于超过130亿光年的距离，让我们得以窥见宇宙早期的样貌类星体的巨大能量来自超大质量黑洞吸积盘的强烈辐射射电星系射电星系产生强大的射电辐射和可延伸数百万光年的巨型喷流这些喷流由黑洞附近加速到接近光速的带电粒子组成，它们在星系际介质中形成巨大的射电瓣著名的射电星系如人马座A和武仙座A成为研究宇宙射电源的关键目标耀变体耀变体是一类特殊的活动星系核，其喷流正对地球方向由于相对论性增强效应，这些天体呈现出剧烈的亮度变化和高能辐射耀变体是伽马射线天空中最明亮的持续源，也是高能中微子的潜在来源，代表了宇宙中最极端的粒子加速器活动星系核的统一模型认为，这些不同类型的天体本质上相同，只是从不同角度观测的结果中心的超大质量黑洞周围有吸积盘和尘埃环，观测角度不同会呈现不同特征这一模型成功解释了活动星系核的多样性星系团与超星系团星系团星系团等离子体由数十至数千个星系在引力作用下结合成星系团中弥漫着高温（数千万度）的等离的结构，是宇宙中最大的引力束缚系统子体，通过X射线观测可见超星系团暗物质主导43由多个星系团和星系群组成的更大结构，星系团总质量中约85%是暗物质，提供维可跨越数亿光年持结构稳定的主要引力处女座星系团是距离我们最近的大型星系团，位于约5400万光年外，包含约1500个星系这个星系团是室女座超星系团的一部分，而室女座超星系团又是拉尼亚基亚超星系团的组成部分拉尼亚基亚超星系团是已知最大的超星系团之一，直径超过10亿光年，包含约100,000个星系我们的本星系群（包括银河系、仙女座星系等约30个星系）是室女座超星系团的一小部分这些庞大结构展示了宇宙物质分布的复杂层次性宇宙大尺度结构宇宙网络宇宙大尺度结构呈现出复杂的宇宙网络形态，包括纤维、壁面和空洞这一结构源于宇宙早期的微小密度波动，经过暗物质引力放大形成·宇宙网络延伸超过数十亿光年·结构成因可追溯至宇宙微波背景辐射中的微小波动·数值模拟能成功再现这一结构纤维与壁面星系倾向于沿着纤维状或片状结构分布，在这些区域星系密度远高于平均值这些纤维状结构可长达数亿至10亿光年，成为星系和星系团移动的高速公路·纤维交汇处通常形成富集的星系团·纤维中蕴含大量未被星系捕获的气体·通过引力透镜和X射线观测可探测宇宙空洞宇宙空洞是几乎不含星系的巨大区域，直径可达数亿光年这些区域并非完全空无一物，但星系密度极低，仅为平均密度的约1/10·空洞边缘常有密集星系分布·最大空洞直径可超过3亿光年·空洞内部依然存在极少量矮星系巨型结构观测发现了超越星系团和超星系团尺度的巨型结构，挑战着我们对宇宙均匀性的理解·史隆长城由超过10000个星系组成的巨型结构·大型定向结构延伸超过40亿光年的巨型结构·夸克形状疑似Q形的星系分布，直径约20亿光年宇宙学原理均匀性原理各向同性原理宇宙学原理假设宇宙在大尺度上是均匀的，意味着宇宙各处的物质密度大宇宙在所有方向上看起来相似，没有特殊方向大规模星系巡天观测表致相同这一原理得到了宇宙微波背景辐射观测的有力支持，表明宇宙在明，当考察超过3亿光年尺度的宇宙时，物质分布确实表现出高度各向同38万年时确实高度均匀性的特征哥白尼原理人择原理我们不处于宇宙的特殊位置，这是科学谦逊性的体现这一原理否定了地我们观测到的宇宙性质受到观察者存在条件的限制这一原理解释了某些球中心论，表明我们的观测视角并非独特宇宙从任何星系观测都应呈现物理常数的巧合，因为只有在这些条件下才能出现适合生命的宇宙人相似的大尺度特性择原理有弱版本和强版本，在多重宇宙理论中有重要应用完美宇宙学原理（稳态理论的基础）曾认为宇宙在时间上也是均匀的，但这一观点已被大爆炸理论的证据所否定现代宇宙学基于宇宙学原理建立模型，并通过观测不断验证其适用范围宇宙的诞生大爆炸普朗克时代大爆炸后10^-43秒内，四种基本力统一，量子引力效应主导，时空概念可能无意义暴胀时期10^-36至10^-32秒，宇宙经历指数级膨胀，体积增大约10^78倍粒子形成前三分钟，基本粒子形成，夸克结合成质子和中子4核合成时期3-20分钟，宇宙冷却至约10亿度，形成氢氦原子核（氢75%，氦25%）原子形成38万年后，宇宙冷却至3000K，电子与原子核结合成原子，宇宙变透明大爆炸理论描述了约138亿年前宇宙的起源，这不是一次空间中的爆炸，而是时空本身的开始和膨胀这一理论由勒梅特提出，后经伽莫夫发展，获得了多方面观测证据的支持大爆炸后的宇宙经历了一系列关键阶段，从最初的极高能量态到逐渐冷却形成今天的宇宙暴胀理论解释了宇宙高度均匀性和平坦性等特征，是现代宇宙学的重要组成部分大爆炸证据宇宙微波背景辐射宇宙膨胀宇宙中氢氦丰度1964年彭齐亚斯和威尔逊意外哈勃在1929年发现的星系红移观测到的宇宙原初成分中氢占发现的宇宙微波背景辐射是大现象表明宇宙正在膨胀，这与约75%，氦占约25%，与大爆爆炸理论最强有力的证据这大爆炸理论预测一致远处星炸核合成理论预测高度吻合一均匀充满宇宙的

2.7K微波辐系的光谱线向红端移动，且红这些轻元素的丰度无法用恒星射正是大爆炸理论预测的早期移与距离成正比，说明宇宙各核合成解释，只有宇宙早期高热宇宙残余COBE、WMAP和处都在相互远离这一膨胀可温高密度环境才能产生如此大普朗克卫星的精确测量进一步以回溯到过去的高密度状态量的氦确认了这一辐射的宇宙学起源宇宙演化遥远星系的观测展示了宇宙的演化历史，与大爆炸模型预测一致随着观测更遥远（即更早期）的宇宙，我们看到更年轻、更不规则的星系，更高的恒星形成率，以及不同的元素丰度，这些都支持宇宙随时间演化的图景宇宙微波背景辐射万年

382.7K宇宙年龄温度宇宙微波背景辐射来自宇宙38万年时期的热辐射经过138亿年膨胀冷却后的平均温度10^-5温度波动微小温度波动是今日宇宙大尺度结构的种子宇宙微波背景辐射是宇宙学中最重要的观测之一，被誉为宇宙最古老的照片1964年，彭齐亚斯和威尔逊在调试贝尔实验室的霍恩天线时偶然发现了这一辐射，为此获得1978年诺贝尔物理学奖这一辐射的存在直接支持了大爆炸理论当时的宇宙经过38万年冷却，温度降至约3000K，电子与原子核结合成中性原子，使宇宙变得对光线透明那一时刻释放的辐射经过宇宙膨胀冷却，今天以微波形式被我们接收到普朗克卫星（2009-2013）对宇宙微波背景辐射进行了迄今最精确的测量，揭示了温度波动的精细结构这些微小波动是宇宙大尺度结构的种子，蕴含了大量宇宙学信息，包括宇宙年龄、几何形状、物质组成等关键参数宇宙膨胀与哈勃定律距离百万光年后退速度km/s暗能量与宇宙加速膨胀超新星观测1998年，两个独立研究团队通过观测Ia型超新星发现，遥远超新星比预期暗淡，表明宇宙膨胀不是减慢而是加速这一惊人发现导致普莱斯勒、施密特和里斯获得2011年诺贝尔物理学奖暗能量组成暗能量占宇宙能量密度的

68.3%，是主导宇宙大尺度动力学的神秘能量形式它表现为一种负压力，推动空间加速膨胀目前暗能量的本质仍然是物理学最大谜团之一宇宙学常数爱因斯坦在1917年引入宇宙学常数Λ作为引力方程的修正，后来称之为一生中最大的错误讽刺的是，暗能量的发现使宇宙学常数重新成为最简单的暗能量模型真空能量量子场论预测真空并非空无一物，而是充满量子涨落，产生能量密度然而，理论预测的真空能量密度与暗能量观测值相差高达10^120倍，构成物理学中最大的理论与观测差异暗物质暗物质是一种不发光、不吸收光，仅通过引力与普通物质相互作用的神秘物质形式，占宇宙物质-能量总量的

26.8%1970年代，维拉·鲁宾通过观测星系旋转曲线发现，星系外围恒星运动速度远高于根据可见物质计算的预期，暗示存在大量不可见的物质除星系旋转曲线外，暗物质存在的证据还包括星系团中热气体分布、引力透镜效应和宇宙微波背景辐射波动特别是子弹星系团观测，清晰展示了暗物质与普通物质分离的现象，强有力地支持了暗物质的存在暗物质的候选者包括弱相互作用大质量粒子WIMPs、轴子等假设粒子全球多个地下探测器正在寻找暗物质粒子的直接证据，但迄今尚无确切探测结果暗物质的本质是当代物理学和宇宙学最重要的未解之谜之一宇宙的未来当前状态宇宙处于加速膨胀阶段，暗能量主导宇宙动力学，大尺度结构已经基本形成银河系与仙女座星系正在接近，将在约45亿年后发生碰撞合并数万亿年后星系团之外的星系将因宇宙膨胀而消失在视界之外，宇宙中的恒星燃料逐渐耗尽，新恒星形成停止银河系中仅剩红矮星和致密天体黑洞时代在10^40年量级时间后，宇宙中只剩下黑洞黑洞通过霍金辐射缓慢蒸发，最大的超大质量黑洞可能需要10^100年才能完全蒸发热寂终局最终宇宙进入热寂状态，所有物质分解为基本粒子，能量均匀分布，熵值达到最大宇宙将变得极度稀薄、寒冷和均匀除热寂模型外，还有其他可能的宇宙命运假说大撕裂假说认为暗能量强度可能随时间增加，最终导致所有结构分解；大紧缩假说则设想宇宙膨胀最终会停止并开始收缩；大冻结假说预测宇宙将无限膨胀但永远不会完全达到热寂当前观测数据最支持热寂模型多重宇宙假说暴胀多重宇宙弦理论景观永恒暴胀理论预测，暴胀在不同区域以不同时间结束，创造了无限多的泡泡宇宙弦理论预测可能存在10^500种不同的真空态，对应不同的物理定律和常数·每个泡泡宇宙可能有不同的物理定律·每个真空态可能形成一个独立宇宙·我们的宇宙只是其中一个泡泡·解释为何我们宇宙的物理常数似乎微调·宇宙间通常无法相互通信·通过人择原理理解我们所处宇宙的特性量子多世界循环宇宙休·埃弗雷特在1957年提出的量子多世界解释，认为每次量子测量都导致宇宙分裂提出宇宙历史可能是周期性的，通过大爆炸和大坍缩循环·每个可能的量子结果都在某个平行宇宙中实现·每个循环可能有不同的物理参数·不同于其他多重宇宙模型，这些宇宙共享相同的物理定律·解决宇宙起源的问题，不需要第一次大爆炸·理论上存在无限多个几乎相同的平行宇宙·对立于宇宙热寂终局多重宇宙假说尚无直接观测证据，但在理论物理和宇宙学中受到广泛讨论这些理论试图解释宇宙中的微调问题为何物理常数恰好适合生命存在多重宇宙理论提供了一种自然解释，认为我们只能在物理常数适合生命的宇宙中观测时空的本质广义相对论爱因斯坦的广义相对论将时空描述为四维连续体，质量和能量导致时空弯曲这一理论成功解释了水星近日点进动、引力透镜效应等现象，并预测了黑洞和引力波的存在时空弯曲解释了引力，将其视为几何效应而非力引力波引力波是时空的涟漪，由加速质量产生，以光速传播LIGO在2015年首次探测到双黑洞合并产生的引力波，开创了引力波天文学新纪元引力波观测为强引力场和高速运动物体的研究提供了全新窗口，让我们聆听宇宙事件量子时空在极小尺度（普朗克长度10^-35米），量子效应可能导致时空不再是光滑连续的，而是呈现量子泡沫结构这一尺度下，时空的量子性质变得重要，可能需要全新物理理论描述量子引力尝试如弦理论、环量子引力等试图统一量子力学和引力时空的本质是现代物理学最深刻的问题之一广义相对论在大尺度上描述时空极为成功，但与描述微观世界的量子力学存在根本冲突研究时空的量子性质，可能最终导致物理学的新革命，彻底改变我们对宇宙最基本结构的理解太阳系探索木星探测火星探索金星研究朱诺号（2016至今）研究木星内部结水星探索毅力号（2020至今）是最先进的火星构、磁场和大气层木星是太阳系最金星快车（2005-2014）详细研究了车，在火星上寻找过去生命迹象，并大行星，质量是地球的318倍，拥有贝皮科伦坡号（2011-2015）是第二金星大气和表面金星被称为地球的收集样本以待未来返回地球火星上79颗已知卫星其大红斑是已知最大个环绕水星的探测器，绘制了水星完姐妹行星，但其条件极端恶劣，表发现了复杂的河谷网络和干涸湖床，的行星风暴，已持续至少400年伽整地图，发现水星极区有冰存在水面温度高达462°C，大气压力是地球表明远古火星曾有液态水目前火星利略号任务发现木星卫星欧罗巴可能星是太阳系最内层行星，表面遍布陨的92倍，主要由二氧化碳组成金星有多个国家的轨道器和着陆器在运有地下液态海洋石坑，几乎没有大气层，温差极大，表面有大量火山和熔岩平原行白天可达430°C，夜晚降至-180°C系外行星探索颗5000+2600+7已知系外行星开普勒发现系统TRAPPIST-1天文学家已确认超过5000颗环绕其他恒星运行的开普勒太空望远镜（2009-2018）单独发现超过围绕一颗红矮星运行的7颗类地行星系统，其中行星2600颗系外行星多颗位于宜居带系外行星探测主要采用几种方法凌日法检测行星经过恒星时造成的微小亮度下降；径向速度法测量恒星受行星引力影响的微小摆动；引力微透镜法利用前景恒星和行星引力透镜效应放大背景光源；直接成像技术直接捕捉行星反射或辐射的光线开普勒太空望远镜和凌日系外行星巡天卫星TESS等任务极大推进了系外行星科学詹姆斯·韦伯望远镜首次成功探测到系外行星大气成分，为寻找系外生命迹象铺平道路系外行星研究表明，行星系统在宇宙中极为普遍，且类型多样，包括超级地球、热木星、海王星大小行星等多种类型宜居带与生命可能性宜居行星特征宜居带定义除液态水外，宜居行星可能还需要其他条件适宜居带是行星表面温度适宜维持液态水存在的轨当的大气成分和压力、地质活动、磁场保护和稳道区域，也称为金发姑娘区宜居带的位置取定的气候这些因素共同决定行星的长期宜居决于恒星的温度和亮度，围绕热恒星的宜居带位性置较远，围绕冷恒星则较近·适宜质量（

0.5-2倍地球质量）·太阳宜居带范围约

0.95-

1.67AU·大气层保护表面免受辐射·地球位于太阳宜居带内侧边缘·板块构造有助于碳循环费米悖论宜居带系外行星费米悖论提出如果宇宙中存在众多先进文明，已发现数百颗位于宜居带的系外行星候选体，其为何我们尚未探测到它们的存在？这一问题启发中最引人注目的包括比邻星b和TRAPPIST-1系统了关于外星文明可能性的深入思考中的多颗行星詹姆斯·韦伯望远镜正在分析这些行星的大气成分·大过滤器假说文明进化过程中存在难以跨越的障碍·比邻星b距离最近的系外行星·技术文明可能寿命短暂·TRAPPIST-1e宜居性最高的候选者之一·先进文明可能采用我们无法识别的通信方式·开普勒-442b可能是超级地球空间望远镜革命哈勃太空望远镜詹姆斯韦伯太空望远镜未来空间望远镜·1990年发射的哈勃太空望远镜彻底改变2021年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜欧几里得太空望远镜（计划2025年发了我们对宇宙的认识哈勃拥有

2.4米是哈勃的继任者，拥有

6.5米折叠式主射）将进行广角巡天，研究暗能量和暗主镜，在地球轨道上运行，避开了大气镜，是哈勃收集面积的7倍韦伯主要物质它将拥有与哈勃相当的口径，但干扰，提供了空前清晰的宇宙图像在红外波段观测，能够看穿宇宙尘视场是哈勃的100倍埃，观测最遥远的天体哈勃的成就包括测量哈勃常数、拍摄深地基超大型望远镜也在建设中，包括30场图像、发现星系加速膨胀和研究系外韦伯位于日地L2点，距地球150万公米望远镜（TMT）和39米的欧洲极大望行星大气等著名的哈勃深场图像揭示里，使用巨大遮阳板保持极低温度它远镜（ELT）这些望远镜将使用自适了数千个以前未知的星系，展示了宇宙将能够观测宇宙早期形成的第一批星应光学技术克服大气干扰，分辨率将超的深度和复杂性系，研究行星形成过程，并分析系外行过现有空间望远镜星大气成分引力波天文学理论预测爱因斯坦在1916年基于广义相对论预测引力波存在首次探测LIGO/Virgo于2015年9月14日首次直接探测到双黑洞合并引力波中子星合并32017年探测到首例中子星合并事件，同时观测到电磁对应体未来发展太空引力波探测器LISA计划在2030年代发射引力波探测器利用精密激光干涉仪测量时空微小变化当引力波通过时，两个垂直臂的长度会产生极微小的差异（小于质子直径的千分之一）为检测如此微小的信号，LIGO采用了多项尖端技术，包括超高真空、隔振系统和量子压缩技术引力波天文学开创了观测宇宙的新窗口，能够探测电磁波无法观测的现象，如双黑洞合并多信使天文学将引力波、电磁波、中微子等多种观测手段结合，提供更全面的宇宙视角未来的太空引力波探测器将探测更低频率的引力波，观测更多类型的宇宙事件，包括超大质量黑洞合并中国的天文探索中国天眼嫦娥工程天问一号FAST位于贵州省的500米口径球面射电望远镜中国的嫦娥工程实现了月球探测的多项突破，2021年，天问一号成功实现了中国首次火星探（FAST）是世界最大的单口径射电望远镜，灵包括嫦娥三号首次实现中国月球软着陆，嫦娥测，包括环绕、着陆和巡视三个目标祝融号敏度是前任阿雷西博望远镜的

2.5倍自2016年四号首次实现人类探测器在月球背面软着陆，火星车在乌托邦平原工作超过一年，获取了大启用以来，FAST已发现超过600颗新脉冲星，以及嫦娥五号成功实现月球样本采集返回这量火星地质、地貌和大气数据，为火星科学研探测到大量快速射电暴，为射电天文学带来重些任务为月球科学研究提供了宝贵数据究做出重要贡献大突破中国还发射了墨子号量子科学实验卫星（2016年），验证了量子纠缠在太空中的传输，为未来量子通信奠定基础中国空间站（天宫）作为太空实验室和观测平台，搭载了多项天文与空间科学实验设备，为各国科学家提供研究机会未来，中国计划开展太阳系行星探测、空间天文台和引力波探测等前沿项目天文学前沿问题终极之谜暗物质与暗能量本质是当今物理学最大谜团宇宙学常数问题观测与量子场论预测值相差120个数量级黑洞信息悖论3量子力学与广义相对论在黑洞边界处的冲突宇宙暴胀机制暴胀场的本质与驱动早期宇宙指数膨胀的机制大统一理论5寻找量子引力与四种基本力的统一描述这些前沿问题体现了现代天体物理学与基础物理学的深度交融暗物质与暗能量占宇宙95%的组成，却仍未被直接探测或完全理解宇宙学常数问题被称为物理学最大尴尬，反映了我们对真空能量认识的严重不足黑洞信息悖论质疑信息是否在黑洞蒸发过程中丢失，挑战量子力学的基本原理解决这些问题可能需要全新的物理理论，如弦理论、环量子引力或其他创新框架这些挑战也促进了实验技术的进步，从大型对撞机到精密宇宙学观测，科学家们正从多角度探索宇宙的根本奥秘天体物理学实验技术中微子探测器大型强子对撞机多信使天文学中微子是难以捕捉的幽灵粒子，几乎不瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机多信使天文学结合了不同类型的宇宙与物质相互作用为探测这些粒子，科（LHC）是世界最大、能量最高的粒子信使——电磁波、引力波、中微子和宇学家建造了庞大的地下探测器，如日本加速器，周长27公里LHC通过加速质宙射线，提供宇宙事件的全方位视角的Super-Kamiokande和南极的子束至接近光速并使其对撞，重现宇宙2017年中子星合并事件GW170817是多IceCube早期的高能条件信使天文学的里程碑Super-K使用50000吨超纯水，当中微2012年，LHC实验确认了希格斯玻色子这一事件首次同时被引力波和电磁波子与水分子相互作用时产生的切伦科夫的存在，填补了标准模型最后一块拼（从伽马射线到射电波）探测到，验证辐射被探测到IceCube利用南极冰盖图LHC还在寻找超对称粒子、额外维了重元素如金和铂在中子星合并过程中作为探测介质，埋入数千个光电倍增管度和暗物质候选者，试图解答宇宙组成的形成未来，更先进的探测器网络将探测器这些设施已成功探测到太阳中的基本问题高能物理实验为理解宇宙实现更多类似突破，深化我们对宇宙最微子、超新星中微子和高能宇宙中微早期条件提供了关键线索极端事件的理解子航天技术的未来航天技术正经历革命性发展，为宇宙探索开辟新途径重复使用火箭技术大幅降低了进入太空的成本，从每公斤近2万美元降至约2千美元，使更多太空任务成为可能SpaceX猎鹰9号和重型猎鹰代表了这一技术的成功应用先进推进系统如核热推进可将火星旅行时间缩短一半以上离子推进器利用电场加速带电粒子，燃料效率是化学火箭的10-15倍，适用于长期深空任务太阳帆技术利用光压实现无燃料航行，理论上可达到传统火箭难以企及的速度小行星采矿计划瞄准太空资源开发，有望解决地球资源有限的问题这些技术进步正在将人类的活动范围逐渐拓展至整个太阳系人类太空探索前景载人火星任务多国航天机构和私人企业计划在2030年代实现载人火星登陆这些任务面临着辐射防护、资源利用、心理健康等多重挑战火星任务将可能采用太空核能、原位资源利用和闭环生命支持系统等先进技术月球基地建设NASA的阿尔忒弥斯计划旨在重返月球并建立持久存在月球南极地区的永久阴影区可能蕴含水冰资源，成为基地优选位置月球基地将作为深空探索的跳板，测试关键技术并积累载人探索经验太空旅游商业化随着发射成本降低，太空旅游正从亿万富翁的专属体验走向更广泛市场轨道酒店、商业太空站和亚轨道飞行服务正在开发中预计未来二十年，太空旅游市场规模将达到数千亿美元深空生命保障长期太空任务需要解决辐射防护、微重力健康影响、心理压力和生命支持系统等关键问题先进的生物再生系统、人工重力和辐射屏蔽技术是重点研究方向地球独立性成为深空探索的重要目标星际通信与导航也是太空探索的关键挑战随着任务距离增加，通信延迟日益显著（火星通信延迟4-24分钟），需要开发自主系统和新型通信技术如激光通信未来的太空探索将是国际合作与商业竞争并存的新时代，人类活动范围可能在本世纪内扩展到整个内太阳系天文技术的民用应用医学成像技术导航定位系统射电天文图像处理算法被应用于CT扫描和核磁共振成像GPS等卫星导航系统必须考虑相对论效应来保持精度图像传感器天文相机中的CCD和CMOS技术革新了消费电子成像设备大数据处理红外技术天文数据分析方法促进了医疗诊断、金融分析4等领域进步源自天文观测的红外技术应用于夜视、热成像和环境监测天文学研究推动的技术创新已广泛渗透到日常生活中GPS卫星导航系统必须考虑相对论效应，每天误差会累积至数公里，这一理论源自爱因斯坦的相对论研究如今，这项技术已成为物流、交通和手机定位的基础射电天文学发展的信号处理和图像重建算法被应用于医学CT扫描，大大提高了诊断能力天文观测开发的高灵敏度探测器技术应用于安检设备和医疗诊断太空材料科学研发的特种材料，如记忆合金、高性能隔热材料和防污涂层，已广泛用于日常生产生活天文大数据处理方法也促进了人工智能和机器学习在各行业的应用大众天文学参与业余天文观测业余天文爱好者在彗星发现、小行星跟踪和变星监测等领域做出重要贡献现代消费级望远镜和天文相机性能不断提升，使普通爱好者能够获取高质量的观测数据天文学是少数普通人仍能做出科学贡献的领域之一公民科学项目Galaxy Zoo等公民科学项目邀请普通人参与真实科学研究这些项目利用人类视觉系统的优势识别图像模式，帮助科学家分析海量数据公民科学家已协助发现新的行星、星系类型和宇宙暂现源天文教育资源学校天文教育通过天文台参观、天象仪课程和实用观测活动激发学生兴趣数字天象仪软件和虚拟天文台项目使天文教育更加互动和直观STEM教育中的天文项目展示了科学、技术、工程和数学的综合应用天文摄影与观星天文摄影和观星活动是最受欢迎的天文参与形式天文摄影技术的普及使普通人能够捕捉壮观的天象各地的天文爱好者组织定期举办观星活动，向公众展示宇宙奇观暗天公园的建立保护了宝贵的观星环境天体物理学研究机会本科生科研参与研究生项目研究机构实习跨学科研究许多大学提供本科生参与天天体物理学研究生项目通常国内外天文机构如中国国家天体物理学与计算机科学、体物理研究的机会，从数据分为观测天文学、理论天体天文台、欧洲南方天文台工程学、材料科学等领域的分析到望远镜观测项目暑物理学和计算天体物理学等ESO和美国宇航局NASA交叉研究日益重要人工智期科研项目如REU（美国）方向顶尖研究机构如中科等提供实习项目这些实习能在天文大数据分析中的应和SURF（中国）为学生提院国家天文台、北京大学和涵盖望远镜操作、数据处用、新型探测器材料开发和供与知名科学家合作的平清华大学等提供世界级的研理、仪器开发等多个方面，复杂系统模拟等都是活跃的台学生可以通过参与已有究条件跨国合作项目为研是了解专业天文研究环境的跨学科研究领域跨学科背项目或提出自己的研究问题究生提供国际交流机会宝贵机会景可以为天文研究带来创新来积累经验视角总结与展望古老与前沿并存天文学是人类最古老的科学之一，同时也是当今最前沿的研究领域从古代观星者到现代天体物理学家，人类对宇宙的好奇心从未停止天文学在历史长河中积累的知识与当代科技革命相结合，开创了认识宇宙的黄金时代跨尺度统一认识现代天体物理学成功地将微观粒子物理与宏观宇宙学联系起来，建立了从基本粒子到星系团的统一认识框架量子力学、相对论和宇宙学的结合，让我们能够理解从原子到星系的形成和演化过程跨学科合作天文学的进步越来越依赖多学科协作，物理学、数学、计算机科学、工程学等领域的专家共同推动研究边界国际合作项目如EHT（事件视界望远镜）展示了全球科学家协作的力量，汇集资源解决重大科学问题技术与未来新一代观测技术和计算方法正在革新天文研究量子计算、人工智能和新型探测器将为宇宙研究提供前所未有的能力随着人类逐步迈向多行星物种，天体物理学的知识将直接指导我们在太阳系和更远地区的探索活动宇宙探索不仅是科学研究，也是人类精神的体现通过了解宇宙，我们更深入地认识自己在自然中的位置天体物理学向我们展示了宇宙的壮丽和神秘，也提醒我们保护地球这个已知唯一适合人类生存的家园无论是专业研究者还是普通公众，每个人都可以参与和贡献于这一人类最伟大的知识探索。