《剖析的宇宙》课件

剖析的宇宙欢迎来到《剖析的宇宙》，这是一场关于宇宙奥秘的深度探索之旅我们将全面探索宇宙的起源、结构与奥秘，带您穿越时空，了解从原子到星系的宏观微观世界宇宙的基本概念时间物质宇宙事件发生的维度，从大爆炸开始组成宇宙的基本成分，包括各种元素空间能量宇宙中所有物质存在的维度，无限延伸2314宇宙是一个包含所有空间、时间、物质和能量的整体根据当前科学估算，可观测宇宙的直径超过930亿光年，这个数字令人难以想象宇宙不仅仅是星空中看到的点点星光，而是一个包含无数天体和结构的庞大系统宇宙的概念随着科学的发展不断扩展，从最初的天体运行规律，到现在对量子场、暗物质等深层次的理解，人类对宇宙的认识在不断深入宇宙的起源大爆炸138亿年前，极高温高密度的奇点爆发暴涨期宇宙极速膨胀，体积增长数十个数量级原子形成温度下降，氢氦等轻元素开始形成星系形成物质聚集，恒星与星系逐渐形成宇宙大爆炸理论是目前最被广泛接受的宇宙起源学说，认为宇宙起源于约138亿年前的一次剧烈爆炸在大爆炸之前，整个宇宙被压缩在一个极小的奇点中，温度和密度都达到了难以想象的极限状态宇宙诞生的证据宇宙微波背景辐射星系红移现象CMB宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸理论的重要证据，它是宇宙星系红移是指遥远星系光谱线向红端的偏移，表明这些星系早期高温状态冷却下来留下的残余辐射这种辐射以微波形正在远离我们哈勃在年发现，星系的红移与其距离成1929式均匀分布在整个宇宙中，温度约为开尔文正比，即著名的哈勃定律

2.7年，彭齐亚斯和威尔逊意外发现了这种辐射，为宇宙大1965爆炸理论提供了强有力的支持，使他们获得了诺贝尔物理学奖宇宙的层次结构宇宙整体所有存在的总和超星系团星系团的集合星系团多个星系的聚集体星系恒星、气体及尘埃系统恒星与行星系统如太阳系宇宙呈现出令人惊叹的多层次结构，从微观的基本粒子到宏观的超星系团，形成了一个复杂的网络在最微观层面，原子和分子构成了基本物质；这些物质聚集形成了恒星和行星；恒星群集形成星系；星系聚集成星系团；多个星系团再组成超星系团恒星的类型与演化星云主序星气体和尘埃云团，恒星的诞生地稳定燃烧氢的恒星，如太阳超新星白矮星红巨星/恒星死亡阶段，根据质量不同有不同结局耗尽氢后膨胀的恒星恒星的一生是宇宙中最壮观的演化过程之一根据质量大小，恒星可以分为多种类型，包括主序星、红巨星、白矮星、中子星和黑洞等主序星是最常见的恒星类型，它们通过核聚变稳定地燃烧氢元素，太阳就属于这一类型银河系概述亿万光年1000+102600恒星数量直径（光年）厚度银河系中的恒星总数惊人银河系的空间尺度银盘的平均厚度银河系是我们所在的星系，一个巨大的恒星、气体、尘埃和暗物质的集合体它拥有约1000亿颗恒星，呈现出优美的螺旋形状，直径约10万光年银河系的结构主要由中央核球、盘面和晕构成，其中盘面上分布着多条螺旋旋臂银河系的位置猎户旋臂银心距离当地星系群太阳位于银河系的猎户旋臂上，这是从太阳到银河系中心的距离约为万

2.6银河系四条主要螺旋旋臂之一，相对光年，位于银盘的中等位置，既不在较小，也被称为猎户支臂或本地支边缘也不在中心臂太阳系的结构太阳太阳系的中心天体内行星带四颗类地行星小行星带3火星与木星轨道间外行星带4四颗巨行星柯伊伯带与外围5矮行星和其他小天体太阳系是一个由太阳及其周围天体组成的行星系统，包含八大行星、至少160颗已知卫星以及数以亿计的小天体太阳位于系统中心，占据了太阳系

99.86%的总质量，通过引力控制着所有天体的运行太阳形成与演变星云坍缩原恒星形成核聚变开始主序星阶段46亿年前分子云开始坍缩中心区域温度升高温度达到临界点，开始燃烧氢稳定的恒星，已经持续45亿年太阳的诞生开始于约46亿年前，当时一团巨大的分子云在自身引力作用下开始坍缩这个坍缩过程使得云团中心区域的温度和密度急剧上升，形成了一个原恒星随着温度进一步升高，当中心温度达到约1500万开尔文时，氢核聚变反应开始，标志着太阳的正式诞生八大行星基本介绍类地行星巨行星类地行星包括水星、金星、地球和火星，它们体积相对较小，密度较大，主要由岩石和金属组成这些行星位于太阳系内侧，表面温度相对较高，拥有固体地表它们的大气层相对稀薄，卫星数量也较少类地行星特性行星直径地球=1质量地球=1密度g/cm³主要特征水星

0.

380.

0555.43表面多陨石坑，温差极大金星

0.

950.

8155.24浓厚二氧化碳大气，温室效应强烈地球

1.

001.

0005.52有液态水和氧气，适宜生命存在火星

0.

530.

1073.93表面有河道和极冠，曾有水存在证据类地行星因与地球特性相似而得名，它们是太阳系内部的四颗行星这些行星的体积相对较小，但密度较大，主要由坚固的岩石和金属构成它们都有固态的表面，表面特征包括山脉、峡谷、火山和陨石坑等巨行星特性远日行星天王星海王星天王星是第七颗行星，直径约万公里，是第一个通过望远海王星是太阳系第八颗行星，直径约万公里，通过数学计

5.

14.9镜发现的行星它的独特之处在于自转轴几乎与轨道平面平算而非直接观测被发现它的大气层呈现鲜艳的蓝色，同样行，像是侧躺着绕太阳公转天王星表面呈现淡蓝色，是是由于甲烷的光学特性海王星表面有强烈的风暴系统，包由其大气中的甲烷吸收红光后反射的结果括曾观测到的大黑斑天王星有颗已知卫星和一个精细的环系统由于距离太阳27很远，天王星表面温度约为℃，是太阳系中最冷的行星-224之一小天体与彗星小行星带位于火星和木星轨道之间，包含数以百万计的小行星，主要由剩余的行星形成物质组成，最大的是谷神星，直径约公里940柯伊伯带位于海王星轨道外围，包含无数冰质小天体，包括冥王星在内的许多矮行星这一区域被认为是短周期彗星的来源奥尔特云太阳系最外层的球形区域，距离太阳约光年，包含数万亿个冰质天

0.5-

1.5体，是长周期彗星的发源地彗星哈雷彗星名片历史记录轨道特性下次回归哈雷彗星是人类历史上记录最早、最著哈雷彗星的轨道周期约为年，是一条哈雷彗星最近一次接近地球是在761986名的周期性彗星之一早在公元前高度椭圆的轨道在远日点，它甚至超年，当时多个国家发射了探测器对其进240年，中国古代天文学家就已经记录了它过了海王星的轨道；而在近日点，它则行研究，获得了宝贵的科学数据根据的出现这颗彗星以英国天文学家埃德进入到金星轨道附近这样的大椭圆轨轨道计算，它的下一次回归将在2061蒙哈雷命名，他在年首次成功预测道使它既经历太阳系外围的寒冷，也经年，届时将再次成为全球瞩目的天文奇·1705了该彗星的回归历内太阳系的炙热观太阳系探测史年11609伽利略使用自制望远镜观测天体，发现了木星的四颗最大卫星，为太阳系研究开创了新时代2年1781威廉·赫歇尔发现天王星，这是自古以来第一个新发现的行星，大大扩展了太阳系的已知边界年31846勒威耶和亚当斯通过数学计算预测并发现了海王星，展示了科学理论的预测能力4年1930克莱德·汤博在亚利桑那州的洛厄尔天文台发现了冥王星，当时被认为是第九颗行星至今51957-太空时代开始，人类发射众多探测器探索太阳系，从最初的月球探测到木星、土星乃至冥王星的近距离观测宇宙中的遥远星系螺旋星系椭圆星系不规则星系如我们的银河系和仙女座星系，呈形状从近球形到高度扁平的椭圆体，没有明确结构的星系，形状不规则，现螺旋臂结构，富含恒星形成区域通常含有较老的恒星群体，恒星形通常是由于与其他星系相互作用或和年轻恒星，通常具有明显的盘状成活动较少，可能是多个星系合并近距离碰撞扰动而形成结构和中央核球的结果透镜状星系具有明显的盘和核球，但缺少螺旋臂结构，被认为是螺旋星系和椭圆星系之间的过渡类型人类目前已观测到的宇宙中存在上万亿个星系，其中最近的大星系是距离银河系约250万光年的仙女座星系M31通过先进的望远镜，我们能够观测到距离超过130亿光年的远古星系，它们的光已经旅行了宇宙年龄的大部分时间才到达地球这些遥远的星系让我们能够窥见宇宙早期的面貌，因为我们看到的是它们数十亿年前发出的光通过哈勃深场等观测项目，天文学家发现即使在宇宙最早期，星系就已经大量存在，揭示了宇宙结构形成的惊人速度星云与星际介质发射星云反射星云由高温电离气体构成，通常在年轻恒星附近，这些恒星的强烈辐射使气体发光由尘埃颗粒组成，这些尘埃反射附近恒星的光，呈现蓝色昴星团周围的星云猎户座大星云就是一个典型例子就属于此类暗星云行星状星云密集的尘埃云阻挡了背后恒星和星云的光，形成黑暗的轮廓著名的马头星云老年恒星抛射的外层物质形成的结构，如猫眼星云名称源于它们在望远镜中属于这一类型类似行星的圆盘状外观黑洞与中子星黑洞形成中子星特性黑洞主要由质量至少为太阳倍的恒星死亡时形成当这中子星是质量为太阳倍的恒星爆炸后留下的超密核心8-

101.4-3些大质量恒星耗尽核燃料后，内核在自身引力作用下坍缩，它们直径通常只有约公里，却含有比太阳还多的物质，密20密度和引力迅速增加，最终形成一个时空严重弯曲的区域，度极高，一茶匙中子星物质可重达数亿吨连光都无法逃脱中子星通常高速旋转，表面磁场极其强大当磁轴与旋转轴黑洞有一个称为事件视界的边界，一旦物体越过这个边不重合时，会产生规则的无线电脉冲，这种中子星被称为脉界，就永远无法返回黑洞的大小由其质量决定，质量越冲星中子星表面温度可达数百万度，主要辐射射线X大，事件视界半径越大宇宙中神秘结构宇宙微波背景全天分布温度波动探测技术宇宙微波背景辐射是来自宇宙各个虽然在整体上非常均匀，温度约为、和普朗克等卫星任务对CMB CMBCOBE WMAP方向的微弱辐射，是宇宙从炽热的早期开尔文，但通过精密测量可以发现极进行了越来越精确的测量，绘制出

2.7CMB阶段冷却下来的残余热量这种辐射在小的温度波动，仅为百万分之一量级宇宙早期的详细图景这些数据帮助科年被彭齐亚斯和威尔逊意外发现，这些温度起伏记录了宇宙早期的密度波学家确定宇宙的年龄、构成和几何形1965为宇宙大爆炸理论提供了决定性证据动，是后来形成星系和星系团的种子状，成为现代宇宙学的基础支柱之一星系的分布星系团包含数十至数千个星系的巨大结构，由引力束缚在一起我们的银河系属于本星系群，这是一个包含约个星系的小型星系团54超星系团由多个星系团组成的更大结构，如我们所在的室女座超星系团，包含约100个星系团，总计超过个星系10,000宇宙空洞星系极少或完全不存在的巨大区域，直径可达数亿光年这些空洞与星系密集区域交替出现，形成宇宙大尺度结构宇宙网络在最大尺度上，星系分布形成一个类似泡沫或蜂窝的网络结构，由细丝、墙壁和交叉点组成，这些交叉点通常是星系密集的区域宇宙的演化大爆炸与暴涨期宇宙从极小的奇点开始，经历了一个极短但极速膨胀的暴涨期在短短10^-35秒内，宇宙体积增大了至少10^78倍暴涨理论解释了宇宙为何如此均匀且平坦原子形成时期大爆炸后38万年，宇宙冷却到足够低的温度，允许电子与质子结合形成稳定的氢原子此时，宇宙变得对光线透明，产生了我们今天观测到的宇宙微波背景辐射第一代恒星诞生大爆炸后约1-2亿年，气体云开始在引力作用下坍缩，形成了第一代恒星，这些恒星质量巨大，寿命短暂，但它们产生的辐射重新电离了宇宙中的氢气星系形成与演化第一批恒星形成后，更多的物质聚集，星系开始形成最初的星系相对较小，随后通过合并和吸积物质逐渐长大，形成今天我们看到的复杂星系结构元素的产生大爆炸核合成恒星核合成宇宙大爆炸后的前几分钟，条件适合进行核聚变反应，主要恒星内部的高温高压环境使得核聚变反应可以持续进行，将产生了氢（约）和氦（约），以及极少量的锂这氢融合成氦，然后是碳、氧、硅等更重的元素这个过程被75%25%个过程称为大爆炸核合成，是我们今天观测到的宇宙中轻称为恒星核合成，是除氢和氦外所有自然元素的主要来元素丰度的关键解释源大爆炸核合成的持续时间很短，随着宇宙膨胀和冷却，条件大质量恒星在生命末期的超新星爆炸中，能够在极短时间内很快变得不适合进一步生成更重的元素因此，宇宙中更重生成从铁到铀的所有重元素这些元素被爆炸抛散到星际空元素的形成需要等待恒星的出现间，成为新一代恒星和行星的原材料我们体内的每一个原子，除了氢，都是在遥远的恒星中锻造的宇宙的未来热寂说宇宙最终归于极低温度、均匀分布状态收缩说宇宙膨胀最终逆转，回到高密度状态裂解说宇宙膨胀加速导致所有结构最终分离宇宙的未来走向是现代宇宙学中最引人入胜的问题之一目前科学家提出了多种可能的宇宙命运假说热寂说认为宇宙将继续膨胀，所有恒星最终耗尽燃料，黑洞也会通过霍金辐射蒸发，宇宙逐渐变得越来越冷，最终达到均匀的低能态收缩说（大挤压）假设宇宙的膨胀最终会停止并开始收缩，最终回到类似大爆炸初始状态的高密度点裂解说则预测宇宙的加速膨胀将持续增强，最终达到足以撕裂所有结构的程度，甚至撕裂原子当前的观测数据支持宇宙膨胀在持续加速，但最终命运仍取决于暗能量的本质，这仍是一个未解之谜生命的宇宙条件适宜的温度范围生命需要一个既不太热也不太冷的环境对于类地生命形式，这通常意味着行星表面温度应该允许水以液态形式存在，即在0°C至100°C之间（考虑大气压力可能有所变化）液态水的存在水是地球生命的溶剂，提供了生物化学反应发生的环境水的特殊化学和物理性质使其成为已知生命所必需的元素，因此液态水被视为寻找外星生命的主要指标适当的大气层大气层提供压力、温度调节、辐射屏蔽和化学反应的环境适当的大气成分对于维持适宜生命的条件至关重要，如地球大气中的氧气支持高级生物的呼吸能量来源所有生命形式都需要能量来维持其生物过程在地球上，大多数能量最终来自太阳，通过光合作用转化其他可能的能量来源包括化学能（如热液喷口）和潮汐能太阳系生命探索火星地球曾有液态水，发现有机分子，可能存在过简单生命唯一已知拥有丰富生命的行星，处于太阳宜居带中心木卫二（欧罗巴）冰壳下可能有液态海洋，为可能的生命栖息地5土卫二（恩克拉多斯）土卫六（泰坦）冰下海洋有喷泉活动，检测到有机物拥有厚实大气层和液态甲烷湖泊，有复杂有机4化学在太阳系中，地球是唯一已知存在生命的行星，它位于太阳的宜居带内——一个温度适宜液态水存在的区域然而，近年来的探测任务发现，太阳系中还有其他几个天体可能具备支持某种形式生命的条件火星上的古代河床、湖泊和间歇性液态水的证据表明，它曾经可能更适合生命存在木星的卫星欧罗巴和土星的卫星恩克拉多斯拥有冰壳下的液态海洋，可能为生命提供庇护土卫六泰坦则拥有丰富的有机化学和液态甲烷循环，展示了一种可能的非水基生命环境目前，多个太空任务正计划对这些天体进行更深入的探索火星生命探索新发现液态水痕迹古代宜居环境有机分子发现火星探测器发现了间歇性液态水的证据，多项探测任务的数据表明，火星在数十亿火星探测器在火星土壤和岩石中检测到了包括陡坡上的季节性暗色条纹（称为周年前曾拥有更温暖、更湿润的气候，地表各种有机分子，这些是碳基生命的基本构期性坡线）和地下盐水的存在虽然这有河流、湖泊甚至可能有海洋好奇号探建块毅力号探测器最近的发现表明，这些水源可能高度含盐且仅在特定条件下短测器在盖尔陨石坑的研究确认，火星曾经些有机物的多样性和复杂性超出了科学家暂存在，但它们为火星可能存在的微生物存在适合微生物生存的环境，包括中性的预期虽然有机分子可以通过非生物过生命提供了潜在栖息地值的水和生命所需的基本元素程形成，但它们的存在增加了火星可能曾pH支持生命的可能性太阳系外行星7000+已发现系外行星天文学家已证实的太阳系外行星数量3000+太阳系外行星系统已知包含至少一颗行星的恒星数量300+多行星系统包含多颗行星的恒星系统数量100+潜在宜居行星位于所属恒星宜居带内的行星估计数量太阳系外行星（系外行星）是围绕其他恒星运行的行星自1995年首次确认发现系外行星以来，天文学家已经确认了超过7,000颗这样的天体，它们的多样性远超科学家的想象从巨大的热木星（体积与木星相当但紧贴恒星运行）到小型的超级地球（体积介于地球和海王星之间），系外行星展示了行星形成的惊人多样性寻找系外行星主要通过三种方法凌日法（观测行星经过恒星前方导致的亮度下降）、视向速度法（测量恒星受行星引力影响的轻微摆动）和直接成像（直接观测行星反射的光）随着詹姆斯·韦伯太空望远镜等新一代仪器的投入使用，科学家开始能够分析部分系外行星的大气成分，寻找可能存在生命的迹象宇宙大尺度观测哈勃空间望远镜自1990年发射以来，哈勃空间望远镜彻底改变了我们对宇宙的认识它位于地球大气层之外，可以获得清晰的深空图像，观测波长从紫外线到近红外线哈勃深场图像揭示了宇宙中数千个遥远的星系，让我们得以窥见宇宙早期的样貌詹姆斯韦伯太空望远镜·作为哈勃的继任者，詹姆斯·韦伯太空望远镜于2021年发射，主要在红外波段观测它的主镜直径达

6.5米，比哈勃大得多，收集能力更强韦伯望远镜能够观测到距离地球130多亿光年的宇宙，看到宇宙诞生后仅几亿年形成的第一批星系地基大型望远镜地面上的大型光学望远镜阵列，如欧洲南方天文台的甚大望远镜VLT和即将建成的极大望远镜ELT，通过自适应光学技术克服大气扰动，提供极高分辨率的宇宙图像，填补了空间和地面观测的重要环节近期重大天文发现重力波探测2015年，激光干涉引力波天文台LIGO首次直接探测到引力波，验证了爱因斯坦一个世纪前的预测这些波纹来自于两个黑洞的合并，让科学家首次听到了宇宙中最剧烈的事件2017年探测到的中子星合并事件更是开创了多信使天文学时代黑洞成像2019年，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，展示了位于M87星系中心超大质量黑洞的阴影和环绕它的光环2022年，团队又公布了银河系中心黑洞人马座A*的图像，进一步证实了黑洞的普遍存在系外行星大气分析利用凌日光谱学技术，天文学家开始能够分析系外行星的大气成分詹姆斯·韦伯望远镜已经在多个系外行星大气中探测到水蒸气、二氧化碳等分子，为寻找适合生命存在的行星提供了重要工具快速射电暴解谜快速射电暴是持续仅几毫秒的强烈无线电爆发，其起源长期成谜近年来的观测将部分快速射电暴与磁星（一种具有极强磁场的中子星）联系起来，为解释这一现象提供了重要线索中国的航天成就东方红一号1970年发射的第一颗人造卫星嫦娥工程实现月球探测与采样返回天问一号2021年成功着陆火星天宫空间站建成运行的长期载人空间站中国的航天事业在近年来取得了一系列重大突破嫦娥工程已经实现了从绕月、落月、采样到返回的全过程探测，特别是嫦娥五号任务成功将月球样本带回地球，使中国成为继美国和苏联之后第三个实现此壮举的国家2021年，天问一号任务成功将祝融号火星车送上火星表面，中国一次性完成了火星环绕、着陆和巡视探测，成为全球第二个实现火星软着陆的国家与此同时，天宫空间站的建成标志着中国成为继俄罗斯和美国之后，第三个独立建造和运营空间站的国家未来，中国计划开展小行星采样返回、木星系统探测等深空探测任务，并推进载人登月计划世界主要天文台阿塔卡马大型毫米波亚毫米波阵列/ALMA位于智利阿塔卡马沙漠海拔5000米高原上的ALMA是世界最大的射电天文台之一，由66个高精度天线组成该设施专注于观测宇宙中的冷气体和尘埃，能够捕捉恒星和行星形成的过程，以及遥远星系中的详细结构莫纳克亚天文台群位于夏威夷大岛海拔4200米的莫纳克亚火山顶，是世界上最重要的天文观测基地之一这里聚集了包括凯克望远镜、双子星望远镜、昴星团望远镜等多个大型光学和红外望远镜，利用山顶清澈的天空条件进行深空观测上海天文台中国重要的天文研究机构之一，运营着多个观测设施，包括位于上海松江的65米口径天马射电望远镜天马望远镜是亚洲最大的全方位可动射电望远镜之一，主要用于脉冲星观测、VLBI观测和深空探测支持等工作多波段天文观测射电波段1观测冷气体、尘埃和剧烈天体事件红外波段2穿透尘埃，观测恒星形成区域可见光波段3传统天文观测，恒星和星系研究紫外波段4高温恒星和活跃星系核观测射线波段X黑洞、中子星等极端天体观测现代天文学不再局限于可见光观测，而是利用整个电磁波谱进行多波段观测，获取宇宙的全面图像每个波段都能揭示宇宙的不同方面射电波段能透视宇宙中的冷气体云和星系中心的活动；红外波段能穿透尘埃云，观察恒星形成区域；紫外和X射线波段则揭示高能现象如黑洞吸积和超新星爆炸多波段协同观测已成为现代天文学的标准方法例如，同一个星系在不同波段下呈现完全不同的面貌可见光中主要显示恒星光度分布，射电波段显示气体结构，而X射线则揭示高能活动通过综合这些信息，天文学家能够构建更完整的宇宙物理过程理解，从微观的恒星形成到宏观的星系演化宇宙成分分布暗物质暗能量可见物质暗物质占宇宙总能量物质含量的约，暗能量占宇宙的约，是一种假设的能可见物质（也称为重子物质）仅占宇宙总-27%68%虽然无法直接观测，但其引力效应明显影量形式，负责推动宇宙的加速膨胀自能量物质含量的约，包括所有我们熟-5%响着可见物质的分布和运动暗物质形成年通过观测型超新星发现宇宙加速悉的物质形式恒星、行星、星际气体、1998Ia了宇宙中的骨架结构，沿着这些结构，膨胀以来，暗能量成为现代宇宙学中最大尘埃以及人类自身尽管比例很小，但正普通物质聚集并形成星系和星系团的谜团之一它可能是真空中的能量密度，是这部分物质构成了我们能够直接观测到或者是广义相对论的修正形式的宇宙万物宇宙探索的前沿技术引力波探测器如激光干涉引力波天文台LIGO和欧洲室女座干涉仪Virgo，能够探测到时空的微小起伏，为研究黑洞和中子星等致密天体提供了全新窗口未来的空间引力波探测器如LISA将能够探测到更低频率的引力波空间射电望远镜地球大气层阻挡了许多射电频段，将射电望远镜送入太空可以克服这一限制空间-地面VLBI技术将太空中的射电望远镜与地面望远镜组网，创造出等效于地球直径甚至更大的超级望远镜自主智能探测器随着人工智能技术的发展，新一代太空探测器将具备更强的自主决策能力，能够根据科学目标自行规划观测任务，并应对复杂多变的环境这对于探索遥远的天体如土星卫星欧罗巴的地下海洋尤为重要宇宙中的极端现象伽马射线暴快速射电暴伽马射线暴是宇宙中最猛烈的爆炸现象之一，在短短快速射电暴是一种持续仅几毫秒的强烈无线电爆发现GRB FRB几秒到几分钟内释放的能量相当于太阳在其整个生命周期中象，具有极高的亮度和能量自年首次发现以来，天文2007释放能量的总和根据持续时间，可分为长暴和短暴两学家已探测到数百个事件，其中一些甚至会重复出现GRB FRB类长伽马射线暴（持续时间秒）通常来自大质量恒星的坍缩的能量极其惊人，单个事件可能释放的能量相当于太阳2FRB形成黑洞的过程；而短伽马射线暴（持续时间秒）则可能在一天内释放能量的数亿倍关于它们的起源一直是天文学2源于双中子星或中子星黑洞的合并事件这些剧烈的爆发会的重大谜团，近期研究将一些与磁星（极强磁场的中子-FRB产生高能伽马射线，后续还会有射线、光学和射电余辉星）联系起来，但可能存在多种不同的产生机制信号X FRB穿越星际介质的研究也帮助科学家测量宇宙中弥散的物质分布地外文明探索SETI搜寻策略信号突破倾听项目WOW地外智能文明搜寻SETI项目主要通过分析来1977年，俄亥俄州立大学的大耳射电望远镜由亿万富翁尤里·米尔纳资助的突破倾听是自太空的无线电信号寻找可能的人工来源信接收到一个强烈的窄带信号，持续72秒，来目前最大规模的SETI项目，使用全球多个最号科学家特别关注窄带信号，因为这类信自人马座方向分析人员在打印数据旁写下强大的射电望远镜，监听来自100万颗最近恒号在自然界中很少见，更可能是技术文明产Wow!，此信号从未重复出现，至今仍是星的信号，搜索技术文明的迹象生的SETI史上最著名的候选信号宇宙谜题宇宙加速膨胀之谜1998年，通过观测遥远超新星，科学家发现宇宙膨胀正在加速，而非预期中的减速这一惊人发现与当时的宇宙学理论不符，导致了暗能量概念的提出，但其本质至今仍是未解之谜暗物质本质尽管有充分证据表明暗物质存在，但它的基本性质仍不清楚主流理论认为它可能是一种尚未发现的亚原子粒子，如弱相互作用大质量粒子WIMP，但多年的直接探测实验尚未取得确定性突破物质反物质不对称-大爆炸理论预测最初应产生等量的物质和反物质，但我们观测到的宇宙几乎完全由物质组成这种不对称性的原因是现代物理学的根本问题之一量子引力理论广义相对论无法与量子力学融合，尤其在描述黑洞内部或宇宙大爆炸初始时刻等极端条件时寻找统一这两大物理学支柱的量子引力理论，是现代理论物理学的终极目标之一宇宙常数与精细调节常数名称符号数值对宇宙的影响万有引力常数G

6.67×10^-11m^3/kg·s^2决定引力强度，影响星系、恒星形成精细结构常数α约1/137控制电磁相互作用强度，影响原子结构宇宙微波背景温度T_CMB

2.725K反映宇宙膨胀程度和历史暗能量密度Ω_Λ约

0.68控制宇宙膨胀加速率宇宙中的基本物理常数，如万有引力常数、光速、普朗克常数等，以及宇宙学常数如暗能量密度，似乎被精确调节到允许复杂结构和生命存在的值如果这些常数稍有偏差，宇宙可能会迅速坍缩，或过快膨胀以至于星系无法形成，或者原子无法稳定存在这种现象被称为宇宙精细调节，引发了哲学和科学上的深刻思考一些科学家认为这暗示了多重宇宙的存在，即存在无数具有不同物理常数的宇宙，而我们恰好生活在一个适合生命存在的宇宙中另一些人则认为这可能指向更深层次的物理规律，使得这些常数之间存在内在联系，而非独立设定的值宇宙学中的数学弗里德曼方程哈勃定律宇宙膨胀模型弗里德曼方程描述了均匀同性宇宙的膨胀哈勃定律（）是天文学中的一个经现代宇宙学使用模型（冷暗v=HdΛCDM Lambda动力学，是现代宇宙学的基础方程这组验规律，表明宇宙中的星系正以与其距离物质模型）描述宇宙膨胀，这是一个包含方程源自爱因斯坦的广义相对论，将宇宙成正比的速度远离我们公式中，是星暗能量和冷暗物质的数学模型，vΛCDM中的物质和能量密度与宇宙的膨胀率联系系的退行速度，是星系的距离，是哈与观测数据高度一致该模型通过解弗里d H起来弗里德曼方程可以预测不同成分勃常数这一简单关系揭示了宇宙膨胀的德曼方程，结合观测确定的参数，可以预（如物质、辐射、暗能量）主导的宇宙将基本性质，也是测量宇宙年龄和体积的关测宇宙过去和未来的膨胀历史如何演化键人类认识宇宙的变革天心说时代1古代至16世纪，人类普遍接受地球中心论，认为地球是宇宙中心，天体围绕地球运行托勒密模型通过复杂的本轮和均轮系统解释行星运动2哥白尼革命1543年，哥白尼发表《天体运行论》，提出日心说，将太阳置于中心开普勒后来发现行星轨道是椭圆而非圆形，并总结出牛顿力学时代3行星运动三定律1687年，牛顿发表《自然哲学的数学原理》，提出万有引力定律和运动定律，建立了第一个统一的宇宙力学体系，能够精确预测天体运动4爱因斯坦相对论20世纪初，爱因斯坦的狭义和广义相对论彻底改变了人类对时间、空间和引力的认识广义相对论将引力描述为时空弯曲，大爆炸宇宙学5为现代宇宙学奠定了理论基础20世纪中后期，大爆炸理论得到广泛接受，宇宙微波背景辐射的发现、原初核合成理论与观测符合，以及星系红移等证据支持了膨胀宇宙模型科幻与现实宇宙星际旅行科幻作品中的曲速引擎、超空间跳跃等技术允许飞船以超光速穿越宇宙现实中，根据狭义相对论，物质无法超过光速然而，理论研究如阿尔库比埃引擎提出可能的曲速方案，通过扭曲飞船前后的时空，实现有效超光速虫洞理论科幻作品常描绘虫洞作为宇宙中遥远地点间的捷径在现代物理学中，爱因斯坦-罗森桥（理论虫洞）确实是广义相对论方程的解，但需要负能量才能保持稳定量子物理中的纠缠隧道研究为虫洞物理提供了新视角宇宙多重世界科幻作品中常有平行宇宙的概念，不同历史分支创造无数平行现实现代物理理论中，有几种多宇宙猜想量子多世界解释、泡沫宇宙理论、弦理论多宇宙等这些理论有着严格的数学基础，但目前几乎不可能通过实验验证人工引力技术科幻作品中的太空站和宇宙飞船常通过旋转产生人工引力这实际上是完全符合物理学原理的概念，通过旋转造成的离心力模拟引力效果，是未来长期太空栖息的可行方案宇宙的美学与艺术天文摄影文化中的天文现代宇宙艺术天文摄影将科学观测与艺术表达融为一自古以来，星空就是人类文化的重要灵当代艺术家创作了大量以宇宙为主题的体，通过特殊处理技术将人眼无法直接感来源中国古代的星象图将天文观测作品，从写实的天体绘画到抽象的宇宙看到的宇宙奇观呈现出来哈勃太空望与神话传说相结合；西方文明中的星座概念表达科幻电影和文学中的宇宙景远镜和业余天文爱好者拍摄的星系、星神话讲述了希腊罗马诸神的故事；土著观设计也极大丰富了人们对宇宙的想云照片，不仅具有科学价值，也因其震文化中的星空传说反映了不同民族对宇象宇宙艺术不仅传达科学知识，也表撼的美感而广受欢迎宙的独特理解达了人类面对浩瀚宇宙的敬畏与思考青年科学家的贡献历史上的青年天才当代新锐力量天文学历史上不乏年轻时就作出重大贡献的科学家约翰内当今天文学界，年轻科学家正利用人工智能、大数据等新技斯开普勒在岁前就提出了行星运动第一和第二定律；艾萨术推动天文学发展他们开发了自动化算法来分析海量天文·30克牛顿在岁时就开始发展引力理论和微积分；斯蒂芬霍数据，发现了无数新的天体和现象例如，运用机器学习发·23·金则在多岁时就开始了对黑洞辐射的开创性研究，提出了现新的系外行星、识别特殊类型的星系，以及模拟宇宙大尺20霍金辐射理论度结构的演化天文学的特性使得年轻人常能带来新视角爱因斯坦岁时公民科学项目也让年轻爱好者参与真正的天文研究星系26发表狭义相对论，岁的钱德拉塞卡计算出白矮星的质量上动物园等项目邀请公众帮助分类星系，已有多项重要发现26限这些例子表明，突破性的理论工作常来自于敢于挑战传来自于普通公民的贡献这种开放式科学模式正成为天文学统观念的年轻头脑未来发展的重要趋势，激发了更多年轻人对宇宙探索的热情宇宙科普与教育天文馆和科技馆现代天文馆通过数字穹幕和互动展览，为公众创造身临其境的宇宙探索体验公众观星活动各地天文协会组织的观星活动，让普通人有机会通过望远镜亲眼观测星空奇观网络科普内容高质量的天文科普视频、网络公开课和播客，使复杂的宇宙知识变得通俗易懂天文应用程序智能手机天文应用让用户只需抬起手机就能识别星座、行星和卫星宇宙带给人类的启示共同起源探索精神人类与宇宙万物都由星辰尘埃构成宇宙的浩瀚激发人类不断突破已知边界宇宙尺度认识自身在宇宙中的渺小与重要35珍视地球国际合作地球是已知宇宙中的珍贵绿洲跨越国界的科学合作推动人类进步宇宙研究不仅带来科学知识，也为人类提供了深刻的哲学思考当我们审视浩瀚宇宙中的地球，一个暗淡蓝点，我们意识到地球环境的珍贵与脆弱这种俯瞰效应激发了许多宇航员和科学家致力于环保事业宇宙学也使我们认识到，所有人类都共享相同的宇宙起源正如卡尔·萨根所说我们都是星尘——我们体内的重元素来自远古恒星的核心这种共同起源的认识超越了国界和文化差异，提醒人类在浩瀚宇宙中的共同命运宇宙探索启发我们思考生命的意义、智慧的本质以及人类在宇宙长河中的角色未来展望人类与宇宙年年20401001000+载人火星计划星际移民星际旅行预计实现首次人类登陆火星的时间人类可能开始太阳系内行星殖民的时间尺度人类可能开始探索邻近恒星系统的时间预估随着技术的发展，人类的宇宙探索野心也在不断扩大近期目标包括重返月球并建立永久基地，以及在2030-2040年代实现载人火星任务长期而言，人类可能尝试改造火星或其他天体环境（行星工程），使其更适合人类居住更遥远的未来，人类可能开发小行星采矿技术获取太空资源，建造轨道栖息地，甚至向邻近恒星系统发送探测器或载人飞船星际旅行的挑战巨大，但通过先进推进技术（如核聚变、反物质或光帆）可能会变得可行虽然这些愿景看似遥远，但回顾一个世纪前的技术水平与今天的对比，我们不应低估未来几个世纪人类可能取得的进步总结与思考微观起源从基本粒子到原子的宇宙基础恒星演化恒星生死循环创造元素与能量星系形成物质聚集形成复杂结构网络人类探索知识突破与技术创新的无尽旅程通过这次宇宙之旅，我们已经探索了从宇宙大爆炸到现代天文学的重大发现，从微观粒子到宏观星系的复杂结构，从理论预测到观测验证的科学方法宇宙的剖析帮助我们理解自然界的基本规律和万物的本源，揭示了我们与宇宙的深层联系人类对宇宙的探索永无止境每一个答案都会带来更多的问题，每一次发现都会开启新的领域正如爱因斯坦所说知识越多，越觉得无知面对浩瀚宇宙，我们需要保持谦卑、好奇和探索精神未来的道路充满挑战，但也充满无限可能让我们继续仰望星空，勇于探索，共同开辟人类认识宇宙的新篇章。