宇宙中有哪些超出常人想象的现象？

不忘初心xrl

子问题：地球上有哪些超出常人想象的现象？ - 自然

宇宙实在太难想象了……对于我们一般人来说。但是很多人还是非常有好奇心的。
例如二维世界无法想象三维世界能把一张平面的纸卷起来，中间弄个洞，对二维世界来说就是虫洞啦~好像四维也能这么对三维世界弄虫洞……

忆清静丫

1. “企鹅护蛋” ——扭曲的星系NGC 2936


NASA在2013年6月20日公布了一张哈勃太空望远镜拍摄的照片，整张照片看上去就像是一只“企鹅”正在保护它的“蛋”。
“企鹅”形状的星系是一个正在形成恒星的螺旋星系，名为“NGC 2936”。这个星系呈扁平螺旋盘状，与我们的银河系相似。由于与下方“蛋”形状的星系NGC 2937发生引力潮汐相互作用 ，NGC 2936内恒星的轨道有些混乱。NGC 2937星系通过引力拖拽拉伸NGC 2936星系，导致后者的外形发生彻底改变。
（“企鹅护蛋”这个名字不是我起的，是从NASA照片注释直接翻译来的——This image shows the two galaxies interacting. NGC 2936, once a standard spiral galaxy, and NGC 2937, a smaller elliptical, bear a striking resemblance to a penguin guarding its egg.）

2. 天鹅圈星云的“蓝色烟雾”——超新星爆炸余波犹在


2012年3月，NASA利用星系演化探测器（Galaxy Evolution Explorer）拍摄了一幅天鹅圈星云的紫外图像， 图像中的“蓝色烟雾”其实是炽热的尘埃与气体所发出的光。天鹅圈距离地球约1500光年，它是5000至8000年前一次超新星爆炸的巨大残骸。那次爆炸的冲击波至今仍在向外发散，并不断地对气体尘埃云进行加热，从而显示出了这个紫外图像。

3. 黑洞喷射现象


NASA于2009年1月公布了一张照片，清晰地显示出半人马座A(Centaurus A)星系中心的一个超大质量黑洞正在不断向外喷射各种物质。这张图片的数据来自NASA的钱拉德X射线天文台和欧洲南方天文台。

4. 原恒星


2013年8月，哈勃太空望远镜观测到了一个非常奇特的天体，NASA的科学家形象地喻之为“宇宙毛虫 ”（Cosmic Caterpillar）。这个由气体和尘埃构成的庞然大物，正处在一个非常早期的原恒星（Protostar）演化阶段。它宛如一只巨大无比的毛毛虫，舒展飘游于旷宇深空之中，长度达一光年。该天体已经被正式命名为IRAS 20324+4057。
原恒星是在星际介质中的巨分子云收缩下出现的天体，是恒星形成过程中的早期阶段。对一个太阳质量的恒星而言，这个阶段至少持续大约100,000年。

5. 木星的极光现象


我们都知道地球存在极光现象，其实极光也会发生在其它行星上，并且同样发生在磁极附近。
2016年7月，哈勃太空望远镜拍摄到了木星的蓝色极光（如图所示）。由于木星磁场比地球磁场强很多（木星赤道地区磁场强度是4.3高斯，相较之下地球只有0.3高斯），所以木星的极光更胜一筹。

6. 土星的“正反面”
土星的正面（面向太阳的一侧）大家都比较熟悉了，颜色为土黄色。



但一直以来都没人知道土星的背面（背对太阳的一侧）是什么样的。2012年卡西尼-惠更斯号探测器拍摄了一张土星背面的照片，美丽的翠绿色震撼了NASA的科学家们。



7. 强射电源——仙后座A


2006年8月，NASA发布了一张仙后座A（Cassiopeia A，简称Cas A）的照片，该照片由哈勃太空望远镜拍摄。仙后座A是位于仙后座的强射电源，距离地球约11000光年。它是银河系内已知的最年轻超新星遗迹，也是我们天空中除太阳外最强的射电源，据哈勃望远镜测定其物质以每小时5000万千米的速度向外膨胀。

8. 强烈恒星风塑造红蜘蛛星云


红蜘蛛星云（Red Spider Nebula），即 NGC 6537，是一个位于人马座的行星状星云。红蜘蛛星云中心的白矮星会产生温度高达10000 K的强烈恒星风，速度达到每秒300公里，产生振幅1千亿公里的震波。这样的恒星风使星云的形状成为独特的蜘蛛形，并且使星云扩张。星云内白矮星表面温度预估高达50万K，超过太阳表面温度的50倍，是目前已知表面温度最高的恒星之一。该图片是哈勃太空望远镜于2016年10月拍摄的。

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最后，也让拍摄这些美丽图景的“大功臣”们露一下脸（由于“功臣”太多，就让知名度比较高的哈勃和卡西尼代表一下好了）。
哈勃太空望远镜（第二张图中有两个宇航员正在对哈勃进行修理维护工作）





卡西尼-惠更斯号土星探测器




当然，真正的功臣是致力于探索宇宙奥秘的众多科学家们。

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最奇妙的地方莫过于我们和宇宙之间的关系，我们所见到的一切包括我们自己身上的绝大多数元素都来自宇宙最具毁灭性的现象——超新星爆炸。


超新星爆炸来源于恒星爆炸，我们的太阳就是一个恒星，但因为质量太小不足以引起超新星爆炸。但所有的恒星都是一个元素合成装置，我们的太阳先把最小的原子氢合成成氦，当氢元素用完时，恒星会把氦合成成碳，碳再合成成氧。从相对原子质量表中可以看出元素越来越重，恒星正在“组装”元素。但我们的太阳因为质量不够大，把元素组装成碳就已经是极限了，如果我们的太阳开始合成碳，说明也寿命将至。


如果是我们的太阳大小的恒星耗尽所有核燃料。它最后会坍缩成只有地球般大小的白矮星，如果这是个双星系统（没有基础知识的话可以想象成两个太阳的系统），它就会开始吸引另一个恒星的物质，碳和氧会继续合成成铁，一旦吸积了足够多的物质并达到了约为1.38倍太阳质量，达到一个叫钱德拉塞卡极限的时候，这颗白矮星将会爆炸，我们称为Ia型超新星。



Ia型超新星爆炸后把大量铁元素抛向宇宙空间，最后变成了每一个在你体内为你运送氧气的铁元素和你家的锅。因为白矮星每次都在到达约1.38倍太阳质量爆炸（钱德拉塞卡极限），所以每次的亮度是一样的。这个特性也让Ia型超新星成为极佳的宇宙里程标，对比每颗Ia超新星的明亮程度我们就可以知道它离我们的距离，点亮宇宙的超新星也是天文学家测量宇宙的明灯。


那铁以上的元素怎么办，比如人人都想要的金。因为原来只能合成铁的原因是因为我们太阳的质量太“小”了，无法再合成更重的元素，那更重的恒星是不是可以合成更重的元素？答案是肯定的，更重的恒星会在死亡时坍缩，引发更大的压力，从而制造出更重的元素。
你体内的各种重元素、手中的金戒指也许有的就来自这个级别的恒星坍缩时的内核。这些恒星有多大呢？
我们的太阳这么大，左下的小点是我们的地球。


为了合成更重的元素，恒星需要非常重的质量，这样的恒星不需要双星系统就可以自己引发超新星爆炸，比如海山二，质量约在太阳的150倍左右，亮度则约是太阳的500万倍。越重的恒星合成的元素越多，合成速度也越快。


但越重的恒星并不意味着越大。参宿四，质量仅为太阳的18-19倍，但体积比海山二还要大约300倍，约为太阳的7.29亿倍，如果它是我们的太阳，它可以触碰到木星的轨道。光度为太阳的12万倍，是全天第10亮星。


但这不是宇宙中最大的恒星，比如这颗——大犬座VY星，质量只是太阳的20倍左右，但体积是太阳的30亿倍左右。人类所观测到的宇宙中最大的恒星——盾牌座UY，体积则达到了太阳的50亿倍左右。


这就是为什么金子值钱的终极原因，因为越重的恒星越稀有。
越重的恒星越狂暴，它们会很快耗完自己的燃料，但同时他们也会快速地制造大量元素。它们会进一步合成钒、铬、锰、铁等重元素。但一旦出现铁（对就是你家用来炒菜那个锅），这颗恒星就药丸，铁会吸收掉核聚变的力量，这颗恒星一下失去了核聚变向外推的力量会被自己强大的引力回吸，一下子坍缩成一个点，超大的压力会使恒星内核进一步合成更重的元素，比如金。探索越过临界值则会引发超新星爆炸。把合成的钒、铬、锰、铁、金等重元素抛向太空，这些元素再慢慢聚合形成下一个恒星或行星，如此反复.......
如果像上面海山二这种级别的恒星如果死亡，将会引发更猛烈的爆炸——超超新星（Hypernova）。爆炸除了抛射出极大量元素到宇宙空间，还会留下一个遗产——黑洞。很多人都会觉得黑洞是个毁灭性的东西，但就跟超新星一样，宇宙中毁灭和创生就跟太极一样都是循环往复的，这玩意儿在我们银河系中心就有一个，这个黑洞在银河系的演化中扮演着极其重要的角色，如果没有这个超级黑洞，你我也将不复存在。



而我们的银河系是如此之大，以至于像太阳这种恒星就达到了4000亿颗。图中每个小光点就是一个像我们太阳系一样的恒星系统。银河系直径约为120,000光年。


但比起我们的邻居仙女座，我们还是嫌小了。



但比起M87星云，邻居仙女座还是相形见绌。


但比起我们找到最大的星系IC-1101，我们的银河系小到几乎不存在。


我们来看看组装到一起，整个宇宙长什么样。


然而这个我们所认知的最大的物体，居然和我们所知道的最精巧细腻的物体——大脑，在结构和构成过程上有惊人的相似之处。


也许下次你仰望星空，你知道我们都来自那里，来自能照亮宇宙的最绚烂烟花超新星爆炸，我们身体的每一个部分，所用的每一个部件，都来自极为狂暴的恒星内核。
是的，我们都是星尘之子。《圣经》说：“你本是尘土,仍要归于尘土。”
天文学家说“你本是星尘，仍要归于星尘。”

------------------------------------------------2016.2.10号更新线--------------------------------------------------------
今天看到了个非常有意思的视频，天体物理学家 Neil DeGrasse Tyson 接受《时代周刊》的一个采访时被问到，“关于宇宙，你觉得最震撼的事实是什么？”，有人将他的回答做成短片。
The Most Astounding Fact (Neil DeGrasse Tyson)—在线播放—优酷网，视频高清在线观看Tyson给出的回答和这篇答案非常有趣地不谋而合，短片的音乐还配上了The Cinematic Orchestra的《To Build A Home》，歌词的最后几句贴在下面：
And I built a home
For you
For me
Until it disappeared
From me
From you
And now, it's time to leave and turn to dust.

123457751

果壳画的真实比例月食示意图
源：
Sina Visitor System【刷屏醒目】真实比例的月食示意图

伍六三

楼上的很多答案中都提到了宇宙的尺度、光速、星系这些宏观上的东西，那么答主在这里讲几个小现象吧。
这些小细节讲出来可能不如星系的尺寸和构成那么气势磅礴，但它们却是人类在探索太空的过程中需要去直接面对和克服的。
好，我们开始。
1）在宇宙真空环境中，两块裸露的同类金属在接触后会相互粘合，好像被焊接在一起一样。这个现象被称之为『冷焊』（Cold Welding）。
史上最具幽默感的物理学家费曼（Richard Feynman）曾经形象地解释道，这种现象的产生是因为『在真空中，处在接触面两边金属原子之间没有任何物质将它们隔开，所以这些金属原子「无法知道」它们其实是属于两块独立的金属的。』
而在大气环境中，由于空气的存在和金属表面氧化物的存在，两块金属即使相互接触后也不会粘合在一起。
在人类探索太空的过程中，对这个小细节的忽视曾经引发过巨大的麻烦。
1989年10月8日，NASA发射了一颗名为『伽利略号』的探测器，它的主要任务是对木星及其卫星进行观测。
其他很多答案中已经讲过，我们平时看到的太阳系示意图中，行星间的距离全都不是按照比例绘制的。木星与地球之间的距离比这些示意图上所显示出来的要大得多。如果我们按照真实比例绘制一张太阳系示意图并把地球画成一元硬币那么大的话，那么月球将在距离地球0.75米的地方，而木星大约在1.5公里外。即使以光速航行，从地球到达木星也需要43分钟。
为了到达如此遥远的一个地方，科学家们为伽利略号设计了一条非常复杂的航行路线：





图片中的粗实线就是伽利略号的航行路线。伽利略号于1989年10月18日从地球发射后，在1990年2月份经过金星附近并利用金星的引力进行了第一次加速，然后又分别在1990年和1992年两次经过地球并进行了两次加速。在这之后，它将经过三年的飞行到达木星轨道。
为了能在这样遥远的距离上与伽利略号之间进行数据传输，工程师们为它装备了一个巨大的主天线（High-gain Antenna）。下面的图片中，位于探测器上方雨伞一样的部件就是这个主天线。





由于伽利略号的航行路线中最初的一段距离太阳比较近，为了避免这个主天线在太阳照射下损坏，它在航程的前半段一直保持着收起的姿态，就好像一把合起来的雨伞。按照计划，当伽利略号运行到距离太阳较远的时候，也就是1991年4月时，地面控制中心才会通过远程指令将这个主天线打开。当主天线打开后，它在太空中看起来会是这个样子的（艺术家想象图）：





1991年4月11日，当控制中心向伽利略号发送打开主天线的指令后，却发现主天线并没有完全打开。此时的伽利略号离开地球已经一年半了，地面上的科学家们只知道天线没有按照计划打开，至于天线究竟出了什么故障，是无法直接观察得到的。
科学家们只能利用伽利略号传回来的飞行姿态等有限数据，在地球上使用一模一样的复制品进行分析和模拟。排除掉种种可能性后，科学家们最终发现了故障的原因：在伽利略号发射升空之前，它在地面上经历了数次运输和测试，在这些过程中，覆盖在几根骨架上的润滑物质和氧化层在摩擦的作用下被过早地磨损掉了。在进入太空后，有三根骨架和其他金属部件在『冷焊』的作用下被粘结到了一起，伽利略号上的天线开启装置已经不具备足够的动力将它们打开。
这颗耗资十几亿美元，从开始设计到预计任务结束耗时25年的探测器眼看就要变成一块太空垃圾。
在这个时候，已经不可能有人或者机器能够追得到这颗探测器对它进行维修了。地球上的工程师们只能想法设法利用探测器上已有的部件将天线打开。
首先，他们试着通过远程指令将探测器进行旋转，使天线依次面朝和背离太阳的方向，希望温度差所产生的应力可以让骨架弹开。但是在经过了7次循环后，主天线还是没能打开。
接下来，工程师们尝试了旋转伽利略号另一个较小的天线来撞击探测器，期望由此产生的振动可以让骨架弹开。经过6次撞击后，这种方法也失败了。
最后，工程师们将探测器上用来打开的主天线的驱动器以特定的频率反复开启，以此增大它所能提供的最大动力。但是这种方法也失败了。
所以，这个主天线直到最后也没能完全打开。
不幸中的万幸是，伽利略号上还有一个备用的低增益天线（Low-gain Antenna）。尽管它的传输带宽只有主天线的万分之一左右（8 to 16 bits per second），但人们这时也只能使用它进行数据传输了。不过，由于地面接收技术以及信息压缩技术的进步，最终这个带宽又被提高了到了主天线的百分之一左右（1,000 bits per second）。从1991年直到2003年伽利略号任务结束之时，人们都只能使用这个大打折扣的低增益天线进行数据传输，尽管NASA声称伽利略号最终依然完成了70%的科学任务。
引起这个大麻烦的，正是前面提到的『冷焊』这个小现象。
2）从地球发射一颗探测器到火星，最佳发射时间并不是当这两颗行星距离最近的时候。
地球和火星分别是太阳系内距离太阳第三和第四近的行星。这两颗行星都在围绕着太阳做公转运动，但它们的公转周期却有着很大的差别。火星的公转周期为687个地球日，也就是说地球绕太阳差不多每转两圈，火星才能绕太阳转一圈。这也意味着地球和火星之间的相对位置是每时每刻都在改变的。
当火星和地球分别移动到太阳的两边时，二者之间的距离最远，这个位置被称为『合』（Conjunction），如下图所示：





这个名称听上去有点奇怪，在这个位置上明明火星和地球分开在太阳的两端，为什么要把它叫做『合』位呢？这是因为在这个时候从地球上观察，火星和太阳处于观察者的同一侧，所以称之为『合』。
而当火星和地球转到太阳的同一侧时，二者之间的距离最近，这个位置被称为『冲』（Opposition）。如下图所示：





这个时候从地球上观察，太阳和火星分别位于地球的两侧，所以这个位置被称为『冲』（opposition有相反、相对的意思）。对于地球上的观察者来说，当太阳在西边落下时，火星刚好从东方的夜空升起。而当火星沿着天空运行至西边落下时，太阳又刚好从东边升起。
那么问题来了：从地球发射探测器到火星的最佳时机是什么时候？
很多人（答主曾经也是）凭借直觉都会认为发射这样一枚火箭的最佳时机是在地球和火星直线距离最短的时候，只要瞄准火星的方向发射一枚探测器，就可以在最短的时间内到达火星。这样一条路线如果画出来的话就是上图中那条白色的直线。
但是，沿着这样一条路线是到不了火星的。
我们的地球每时每刻都在围绕着太阳做公转运动。也就是说，地球以及地球上的一切物体都在宇宙空间中以30公里/秒的线速度运动。从地球发射出的探测器自然也会获得这一初始速度。这个速度又大大超过了人类推进技术所能达到的速度，所以这颗对准火星发射的探测器在离开地球之后还是会和地球一起绕着太阳做圆周运动。 请看下面的图片：（下面三张图片都来自于这个页面：http://www-spof.gsfc.nasa.gov/stargaze/Smars1.htm，这是一个很棒的网站，介绍了很多太空知识）





在上面这张图片中，内侧的圆圈代表地球公转轨道，外侧的圆圈代表火星公转轨道。当一颗探测器对准火星发射后，会获得与地球相同的30公里/秒的速度V0，继续围绕太阳旋转。
那么，什么才是到达火星的正确方式呢？既然离开地球的探测器反正都要围绕太阳公转，我们只要在速度V0的基础上再给它加上一个特定的速度分量，把它的轨道从圆形拉成椭圆形，然后让椭圆的一点与火星轨道相切就可以了，就像这样：





探测器从处于P点的地球上发射后，经过一个椭圆形的轨道之后在A点与火星轨道相切。虽然绕着太阳转了半圈，但这却是从地球到火星最省力的路线，这条路线叫做霍曼转移轨道（Hohmann Transfer Orbit）。确定了轨道之后，下一步我们需要计算的就是什么时候从地球上发射探测器，可以让火星刚好和探测器同时到达A点以实现回合。在茫茫的宇宙空间中做到这一点就好比要算准时机，丢出一颗网球去击中正在空中飞行的另外一颗网球。计算出探测器从P点到达A点所需的时间，再减去火星在这段时间内走过的路程，就可以得到在发射探测器时火星应该所处的位置：





计算过程在前面的那个页面上有，这里就不重复了。地球和火星这种特定的相对位置，每26个月会出现一次，这也就是人们所说的『发射窗口』。
最后再补充一下，虽然霍曼转移是所需能量最小的方案，但并不代表这是唯一的方案。人们可以以多消耗能量为代价以其他轨道进行行星间的转移。例如下面这张维基百科图片就显示了三种不同的转移轨道。图中的（A）、（B）、（C）轨道代表的分别是（A）霍曼转移轨道（Hohmann Transfer Orbit）、（B）合点航行（Conjunction Mission）、（C）冲点航行（Opposition Mission）。




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