天文学入门科普知识

山东美家环保

我写好这篇文章发布在知乎的第二天，2020年诺贝尔物理学奖颁布。我惊讶地看到，2020年诺贝尔物理学奖颁发给了三位对黑洞的理论和观测起到决定性作用的科学家：

2020年诺贝尔物理学奖一半授予罗杰·彭罗斯：“因为发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测”；另外一半授予莱因哈德·根泽尔和安德里亚·格兹：“因为在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体”。

“把最重要的物理学奖项颁发给这三位科学家，说明黑洞理论正式得到了诺贝尔奖的承认”——当然了，没看到今年黑洞的真实照片都已经在网上流传了吗？诺贝尔奖再不承认黑洞就成了科学界的落后分子了。

“又是天体物理！”不少网友感叹，“当今是天体物理的天下！”

那好吧，就让我们走进这个天体物理的天下。
本文分【太阳系】【比邻星三合星系统】【银河系】【黑洞】【宇宙】五章；以下是本文的目录：

第一章 太阳系
一、提丢斯-波得定则
二、一些关于太阳的知识
三、太阳系八大行星
四、太阳系各大行星的卫星
五、太阳系各大行星的星环
六、太阳系中的生命探索
七、柯伊伯带
八、奥尔特云

第二章  比邻星三合星系统
一、「突破摄星」计划
二、比邻星三合星系统
三、比邻星的行星
四、太阳系附近的其他恒星系统

第三章  银河系
一、银河系
二、银心
三、旋臂
四、银河系到底有多大？
五、小伙伴们
六、隔壁的仙女星系（M31）
七、上级领导-本星系群
八、集团公司-本超星系团

第四章 黑洞
一、思想的起源
二、黑洞的分类
三、“黑洞无毛”定理
四、天体测距与类星体
五、黑洞的结局

第五章  宇宙
一、宇宙的由来
二、宇宙问你几个问题
三、宇宙的结局-三个结果之争

因为只想记录知识，所以用纯文字形式，所有内容都不放图片了。只在开头标题上面放一张著名的“卡尔萨根-暗淡蓝点”：
1990年旅行者1号飞过海王星轨道，距离地球64亿公里时，美国著名天文学家卡尔萨根说服了NASA，让旅行者1号把相机转向地球，于是我们有了海王星视角看地球的这样一张照片，这也是旅行者1号最后的照片。

看看那个光点，是的，那就是我们的家园，我们的一切。
你所爱的每一个人，你认识的每一个人，你听说过的每一个人，曾经有过的每一个人，都在它上面度过他们的一生。
这里聚集了一切的欢乐和痛苦，数以千计的自以为是的宗教、意识形态和经济学说，所有的猎人与强盗、英雄与懦夫、文明的缔造者与毁灭者、国王与农夫、年轻的情侣、母亲与父亲、满怀希望的孩子、发明家和探险家、德高望重的教师、腐败的政客、超级明星、最高领袖、人类历史上的每一个圣人与罪犯，都住在这里：
一粒悬浮在阳光中的微尘。

第一章 太阳系

天文单位：地球到太阳的距离大约是1.5亿km，即一天文单位（1AU）。1.5亿km是什么概念？光要走8分20秒，时速350km的高铁要开50年。
光年与宇宙速度：1光年即光在真空中1年内走过的路程（1．y．），将近10万亿km，差不多等于6万AU。
第一宇宙速度：环绕地球的速度：7.9km/s；
第二宇宙速度：脱离地球的速度：11.2km/s；
第三宇宙速度：脱离太阳系的速度：16.7km/s；
第四宇宙速度：脱离银河系的速度：110-120km/s。
一、提丢斯-波得定则：我上小学的时候，我舅舅给我买了一本关于太阳系的科普读物，里面介绍了提丢斯-波得定则，就是这个定则让我生起了对天文学的兴趣：太阳系的所有行星都是有排列规律的，这让我感受到了宇宙的神奇。
1766年，德国物理学家提丢斯提出了一条关于太阳系行星距离的定则。其内容是：以地球至太阳的平均距离1.5亿公里为1天文单位（1AU），取0、3、6、12、24、48......这样一组数，每个数字加上4再除以10，就是各个行星到太阳距离与AU比例的近似值。
下表是根据提丢斯-波得定则与实际测绘对照的八大行星及小行星带的AU比例数值表，其中红色部分的情况是当时的科学家所不知道的：



因为行星的公转轨道都是椭圆的，所以实测值均以距离的平均数值为基础计算。

当年已知的六大行星差不多算是完美符合这个定则吧。
奇怪的是在火星和木星之间少了一个天文单位为2.8的行星，于是这两个科学家预言那里将会发现一颗行星，但大家苦苦寻找了几年却无果。
1781年，定则迎来了第一个预言的成果：英国天文学家赫歇耳观测发现了太阳系的第七大行星：天王星。天王星与太阳的平均距离是19.2天文单位，用定则推算是19.6，算是相当接近。
这下当时的整个科学界都炸了，神奇的提丢斯-波得定则再一次得到了印证。全世界的天文学家开始拼命在2.8处找行星。直到1801年，意大利一处天文台的台长终于在2.8附近发现了谷神星，它的距离是2.77天文单位，与2.8极为近似。虽然谷神星有一个问题：它太小了，不能算是一颗大行星。
接下去因为逐步更换新装备的缘故，大家就开始在2.8附近你一颗我两颗地发现了更多更多的星。最终的结果大家现在都知道了：其实2.8附近有150多万颗小行星——结论是有一颗大行星不知什么原因破碎了，形成了一个小行星带（有其他资料说小行星带并不是某大行星破碎形成的，而是另有成因）。这是人类智力的一次辉煌展示。
接下去的辉煌成果是海王星的发现，因为这一次与以往都不同：海王星是被算出来的。
事情是这样的：发现了天王星以后，经过长久观测，天文学家发现天王星的运行速度很奇怪，以数十年为单位，天王星的运行时快时慢，竟然打破了开普勒定律，搞的天文学家困扰不已。
经过研究，唯一的解释是天王星附近还有一颗不为人所知的大行星，他的引力扰乱了天王星的行星轨迹和速度。谁能把这颗捣乱星找出来，谁就相当于天文学界的牛顿了。
于是全世界的天文学家和数学家纷纷组队搞科研，都希望能拿下这个世纪大爆炸一般的科研成果。小队里的数学家就玩命算行星轨道，天文学家就拿着他们的计算成果玩命观测。
经过了无数次失败，一位代表人类智慧巅峰的数学家终于站出来了：1846年8月31日，法国数学家乌尔班·勒维耶写了一封信，详细描述了这颗假想行星的位置。在这封信到达柏林天文台的当晚，海王星在信中指定的位置被发现了！
这些事迹是多么传奇，人类智慧的巅峰竟然可以达到这样炫目的高度。以上就是那本科普读物带给少年时的我的心灵震撼：它让我永远爱上了天文学。
关于提丢斯-波得定则，还有一个终极问题：它的成因是什么？目前尚无定论。有科学家认为，这可能与行星自身的自旋磁场和太阳分层的自旋磁场之间的物理关系有关。无论如何，那都要追溯到太阳系形成的时候了。
二、一些关于太阳的知识：
1、起源与现状：太阳是在大约45.7亿年前在一个坍缩的氢分子云内形成，它是一颗光谱为G2V的黄矮星。黄矮星的寿命大致为100亿年，目前太阳大约45.7亿岁。 在距离它17光年的距离内有50颗恒星系。
太阳是太阳系的中心天体，占有太阳系总质量的99.86%。它几乎是热等离子体与磁场交织着的一个理想球体。
太阳直径大约是139万km，相当于地球直径的109倍；体积大约是地球的130万倍，质量大约是2×10kg（2000亿亿亿吨，地球的33万倍）。太阳平均密度为1.409克/立方厘米，约为地球平均密度的0.26倍。从化学组成来看，现在太阳质量的大约四分之三是氢，剩下的几乎都是氦，采用核聚变的方式向太空释放光和热。
2、核能的发现：长久以来，太阳的神秘燃烧现象一直困扰着人类——如果太阳全是煤组成的，那它只能燃烧几千年，可是太阳已经稳定地燃烧了50亿年：它到底在烧什么？
地球距离太阳1.5亿公里，太阳光经过这么漫长的距离之后，到达地球的辐射只是太阳总输出的22亿分之一，然后地球生物圈现在利用的太阳能还不到太阳入射功率的千分之一，这其中2/3（约4E13瓦）是光合生物在利用，人类文明总功率只占1/3，也就是太阳光的1/22亿×1/1000×1/3就支撑人类发展出了整个文明。对此，20世纪之前我们只能用一句话来概括：太阳的燃烧，是我们无法想象的燃烧。
对太阳燃烧奥秘的破解，来自人类有史以来最伟大的科学家：1905年，爱因斯坦提出了著名的质能关系式E=mc，这个公式告诉我们物质的质量与能量之间的转化关系。由此我们才明白，太阳的燃烧不是物理燃烧而是核燃烧。人类终于发现了核能的奥秘。
1939年初，德国化学家O.哈恩和物理化学家F.斯特拉斯曼发表了铀原子核裂变现象的论文，核武器随后诞生了：1945年8月6日、9日，美国先后在日本的广岛和长崎投下了两颗原子弹，人类拥有了可以摧毁自身文明的能力。这是横亘在人类文明前方的一道大考题：只有理性战胜利益的争夺，人类才能免于被核武毁灭的命运。
这就是费米悖论-大过滤器理论的其中一个答案：所有星球文明在向星际文明进发的过程中，都将毁于核战。
无论如何，核能的发现都是原始人发现火的功用之后人类文明的又一次飞跃。
3、太阳的结局：【红巨星】-【白矮星】-【黑矮星】。
红巨星阶段：太阳由于引力所造成的塌缩，不仅引发核聚变，而且塌缩的压力还是约束核能聚变极好的容器。在太阳内部，每秒大约有五亿吨左右的氢原子在巨大的压力下进行着核聚变，其中约有四百万吨物质转化为能量。每秒消失四百万吨物质听上去很恐怖，但是相对于太阳质量来说连九牛一毛都算不上：太阳自存在以来，只损失了万分之一的物质，这些物质的质量只相当于100个地球。
在大约50至60亿年之后，太阳内部的氢元素几乎会全部消耗尽，它的核心将发生坍缩，导致温度上升，这一过程将一直持续到太阳开始把氦元素聚变成碳元素，那时它将成为一颗红巨星：它的氦核心为抵抗引力而收缩，同时变热；紧挨核心的氢包层因温度上升而加速聚变，结果产生的热量持续增加，传导到外层，使其向外膨胀。
白矮星阶段：当太阳的核心温度达到1亿K时，氦聚变将开始进行并燃烧生成碳。由于此时的氦核心已经相当于一个小型“白矮星”（电子简并态），热失控的氦聚变将导致氦闪，太阳将吹出余生最猛烈的太阳风，释放出巨大的能量，它的核心将变成一颗体积只有几千公里直径的致密球体，体积只相当于地球大小，温度极高，密度极大，这就是白矮星。
黑矮星阶段：太阳变成白矮星后，其能量还会不断地向空间散发，温度持续降低，刚开始还和其他亮星一样，可以用望远镜观测到，但最终，它将不再发出可见光，成为了一颗黑矮星，只能通过射电、X射线、伽马射线等探测到。虽然太阳最终只剩下了残骸，但是这颗残骸有可能将成为碳结晶：一颗如地球般大小的钻石。
三、太阳系八大行星：
八大行星的大小：地球在类地行星（岩石行星）中是最大的，金星只比地球小一点；火星直径约是地球的一半，体积为地球的15%，质量为地球的11%，表面积相当于地球陆地面积。最小的水星半径为2439公里，只有地球半径的38.2%，质量是地球的5.58%。
在类木行星（气态行星）中，木星最大，是太阳系中最大的行星。它的质量为是地球的318倍，而体积则是地球的1316倍；土星的质量是地球的95倍；天王星和海王星比土星小，但也比地球大得多。天王星半径相当于4个地球，体积相当于63个地球，而质量相当于地球的14.5倍；海王星比天王星稍小一些，半径相当于3.88个地球，体积相当于近60个地球，而质量相当于地球的17倍。
1、水星是太阳系的八大行星中最小的行星。因为水星很接近太阳，因此观测上很麻烦，在北半球只有在日出前或日落后短暂的暮曙光内可以看见它。据传说，大天文学家哥白尼临终前曾叹他一生没有见过水星。
水星凌日每100年平均发生13次。水星挡住太阳的面积太小了，不足以使太阳亮度减弱，所以，用肉眼是看不到水星凌日的，只能通过望远镜进行投影观测。
水星的轨道周期是87.9691天，公转速度远远超过太阳系的其它行星。水星是表面昼夜温差最大的行星，大气层极为稀薄无法有效保存热量，白天时赤道地区温度可达432°C，夜间可降至-172°C。
水星无四季变化，行星中仅有它与太阳轨道共振，每自转三圈的时间与绕太阳公转两圈的时间几乎相等，也就是说，水星的一天相当于两年。是的，你没看错，我也没写错——因为水星的自转速度非常慢，而公转速度又非常快，所以太阳连续两次出现在水星中天所需的时间会达到176个地球日，这个时间远长于恒星日。水星每公转一圈就会自转1.5圈，这相当于过了半个太阳日。因此，水星需要公转两圈才能过完一个太阳日。
水星表面遍布环形山，与月球和其他卫星相似，其地质在数十亿年来都处于非活动状态。
水星南北极的环形山是一个很有可能适合成为地球外人类殖民地的地方，因为那里的温度常年恒定（大约-200℃），科学家已经基本证实水星的极区存在冰。
2、金星在夜空中的亮度仅次于月球，因此中国古代把它早晨出现于东方时称作启明星，晚上出现于西方时称为长庚星，此外它还有一个统称名，叫太白。
金星是一颗类地行星，因为其质量与地球类似，有时也被人们叫做地球的“姐妹星”。它是太阳系中仅有的一颗没有磁场的行星。金星的轨道公转周期为224.7天，它的绕轴自转方向与太阳系内大多数行星是相反的。
金星凌日的出现规律通常是8年、121.5年，8年、105.5年，以此循环，因此天文学中往往把相隔时间最短的两次金星凌日现象分为一组。
八大行星中，地表温度最高的是金星而不是离太阳最近的水星，这是因为金星大气导致了强烈的温室效应，而水星几乎没有大气层。金星表面温度高达280℃～540℃。金星大气有97%是二氧化碳，还有少量的氮、氩及一氧化碳和水蒸气。主要由二氧化碳组成的金星大气，好似温室的保护罩一样，它只让太阳光的热量进来，不让其热量跑出去，因此形成金星表面的高温高压环境。
金星表面有时会发生大风暴。金星上降雨时，落下的是硫酸而不是水。金星上有极其频繁的闪电。
金星地形和地球相类似，也有山脉一样的地势和辽阔的平原；金星的表面70%左右是极为古老的玄武岩平原，20%是低洼地，高原大约占了金星表面的10%。金星上最高的山是麦克斯韦火山，高达12000米。金星表面有一个巨大的直径达120千米的凹坑，其四周陡峭，深达3千米。科学家猜测金星上40亿年前曾经存在海洋，但早已蒸发殆尽。
2020年9月14日，《自然天文学》杂志上的发表一项研究，夏威夷和智利的两台望远镜在金星厚厚的云层中发现了可能的生命迹象——磷化氢的化学特征，这是地球上的一种只与生命有关的有毒气体。在金星大气层的新发现表明，在这颗温室行星满载硫酸的云层中，可能正生活着微生物。该研究的作者和一些外部专家表示，这远不能作为第一个在其他星球上存在生命的铁证。相对的，他们称它为“一种对（生命存在的）可能性的暗示”——虽然他们都同意这一发现并不满足已故的卡尔·萨根所提出的“特殊结论需要显著证据支撑”的严格要求。
3、地球平均半径6371km，赤道周长40075km；质量约60万亿亿吨。
地月距离：38万公里。月球正以每年3.8厘米的速度离开地球。
恐龙灭绝：6600万年前的白垩纪，一颗直径至少10公里的巨大小行星，呼啸着冲破地球大气层，撞击在墨西哥的尤卡坦半岛上，整个地球为之震动，烈焰和冲击波摧毁了数千公里内的一切，冲入大气层的烟尘则让整个地球进入了核冬天，动植物纷纷死亡，统治地球达1.7亿年的恐龙也就此灭绝。
当一颗巨大的陨石撞击地球时，由于撞击的高压高温，会形成冲击石英、重力异常、玻璃陨石等地质证据，尤卡坦半岛的希克苏鲁伯陨石坑具备了所有这一切。
地球的结局：50亿年后太阳膨胀成红巨星的那场浩大演出将使得地球的命运归于何处，目前还无法确定。当太阳成为红巨星时，其半径大约会是现在的200倍，表面可能将膨胀至地球现在的轨道——1AU（1.5亿km）。然而，当太阳成为渐近巨星分支的恒星时，由于恒星风的作用，它大约已经流失30%的质量，所以地球的轨道会向外移动。
如果只是这样，地球或许可以幸免被膨胀的太阳吞噬的命运，但新的研究认为地球可能会因为潮汐的相互作用而被太阳吞噬掉。但即使地球能逃脱被太阳焚毁的命运，地球上的水仍然都会沸腾，大部分的气体都会逃逸入太空。
4、火星是太阳系中的类地行星之一，直径约为地球的一半，自转轴倾角、自转周期与地球相当，表面重力约为地球的38%，形成的大气95%是二氧化碳，还有很少的氧气和水汽。据科学家们的最新发现，火星上有一个直径20公里的冰下湖，存在大量液态水，在古老湖床的岩石里发现了有机物质，这代表着有过生命的痕迹。更重要的是，它距离地球最近，使人类移居的可能性大大提高。目前NASA计划在2037年之前将派人登陆火星。
爱好科幻的朋友应该都看过马特·达蒙主演的好莱坞科幻电影《火星救援》了，这里推荐一本硬科幻网文小说：天瑞说符的《死在火星上》。虽说这书情节比较简单，但总体而言还是写得挺不错的。
5、木星的主要成分是氢，它可能有岩石核心和重元素，但没有可以明确界定的固体表面。大气层依纬度成不同的区与带，在彼此的交界处有湍流和风暴作用着。最显著的例子就是大红斑，大红斑实际上是一个巨大的风暴，至少从17世纪起就一直存在于木星表面。一百年前，大红斑的观测数据大概是直径四万km，现在只有一万多km了，还能容纳下两到三个地球。它在木星标准云层上方大约8km的位置漂浮。土星的风速可达320km/h。
地球生命的保护神：木星是颗巨行星，质量是太阳的千分之一，但却是太阳系其他七大行星质量总和的2.5倍，因为木星的大质量挡住了很多陨星进入类地行星圈，因此可以说，木星是地球生命的保护神。比如发生在1994年7月、历时6天的彗木大碰撞：直径约5公里的苏梅克·列维九号彗星（SL9）被木星潮汐力撕成至少21块碎片，这些碎片撞击木星产生的能量是20亿颗广岛原子弹的总和。
6、土星的主要成分是氢，内部的核心包括岩石和冰，外围由数层金属氢和气体包覆着。观测到土星的最高风速可达1800km/h。土星密度很低，如果把土星放到一个足够盛下它的水池里，会发现它可以浮在水面上。土星上其他各处的温度是-185 °C，而极地漩涡处的温度则高达-122 °C。
7、天王星躺着自转。天王星大气的主要成分是氢、氦、甲烷和氘。据推测，其内部可能含有丰富的重元素。地幔由甲烷和氨的冰组成，可能含有水。内核由冰和岩石组成。天王星是太阳系内大气层最冷的行星，最低温度为49K（-224℃）。公转周期84年。
8、海王星公转周期164.8年。海王星大气层的化学组成以氢和氦为主。风暴巨大是类木行星和冰巨星的特征，太阳系外围四个大行星都有这种特征。其中风速最快的是海王星，观测到的最高风速是2100km/h。
9、第九行星：2015年左右，天文学家发现了柯伊伯带包括2015 BP519在内的六个小型天体形成的神秘集群，他们的轨道跟太阳系其它成员不大相同。这些天体的轨道平面都呈现出类似的倾斜，若没有外力作用，这几乎不可能实现。于是他们提出：在柯伊伯带的某个地方可能存在着某颗大型行星，它扭曲了附近天体的轨道。
按照提丢斯-波得定则计算，第九大行星应该在距离太阳77.2AU的位置，但是由于第八大行星海王星已经偏离提丢斯-波得定则的数值较多（38.8-30.01），行星的公转轨道都是椭圆，且因为类木行星彼此受到引力干扰幅度较大以至于运行速度忽快忽慢，因此提丢斯-波得定则给出的数据在寻找第九大行星这事上已基本丧失了实用性。
现在很多天文学家正在疯狂地寻找着第九行星，也许哪天就公布成果了。当然也有一堆科学家认为那柯伊伯带的六小天体是因为其他原因而轨道异变的，所以太阳系也可能没有第九行星。
四、太阳系各大行星的卫星：
1、水星和金星没有。地球一个。火星有两个迷你小卫星，分别是火卫一和火卫二，这两颗都是形状不规则（非球类）的天体。天文学家认为，火卫一的内部可能是个巨大的冰库。
2、木星是太阳系中拥有最多卫星的行星，现已知卫星的数量已经达到79颗之多（你看天空中有79个月亮……）。木星最大的四个卫星都是由伽利略发现的，所以统称为伽利略卫星。
木卫一：拥有400座活火山。
木卫三是太阳系中体积最大的卫星，其直径大于水星，质量约为水星的一半。同时，木卫三主要由硅酸盐岩石和冰体构成，星体分层明显，拥有一个富铁的、流动性的内核。人们推测在木卫三表面之下200公里处存在一个被夹在两层冰体之间的咸水海洋。木卫三是太阳系中已知的唯一一颗拥有磁圈的卫星，其磁圈可能是由富铁的流动内核的对流运动所产生的。
3、土星拥有62颗已确定轨道的天然卫星；其中土星的第三大卫星：土卫八的表面一半黑一半白，这些黑色物质是什么，怎么会形成这些黑色表面，目前还不得而知。
4、天王星拥有5颗主群卫星；海王星已发现14颗天然卫星。
5、冥王星有5颗卫星。其中有一颗超大的卫星，即卡戎，其直径超过冥王星直径的一半。两者互相绕转，因此共同质心在冥王星外面。科学家认为它们是一个双星系统。由于冥王星和卡戎的质量差距不大，而且距离较近，两者互相被潮汐之力锁定，相互永远面对同一面。另外它们绕转的方向几乎其他八大行星公转的方向垂直。
五、太阳系各大行星的星环：四大类木行星都有星环。
1、土星环是太阳系行星的行星环中最突出与明显的一个，环中有不计其数的小颗粒，其大小从微米到米都有，轨道成丛集的绕着土星运转。土星环里水和冰粒子占了99.9％，其范围是从7万km延伸到1600万km左右。
土星的环是由众多小环和环之间的巨大空隙构成的，环有几千道，比唱片还多的多，密密麻麻的，主要分为外侧的A环和内侧的B环，中间的卡西尼环缝有4800km宽，可以放下一个月球。
科学家认为土星环可能只有少于1000万年的历史，当时一颗多冰彗星被“吸入”土星轨道并被巨大的引力场撕成碎片，这些碎片最终形成了星环。
2、木星的行星光环仅为4环；
3、天王星有13个星环；
4、海王星有5个星环。
◎顺便向大家报告一下，地球的卫星和太空垃圾也快成环了。
六、太阳系中的生命探索：
1、木卫二（欧罗巴）：木卫二直径3138m，表面覆盖冰壳。目前已观测到冰层下有全球性海洋，这说明木卫二很大概率拥有海洋生命。
木卫一、木卫二和木卫三3颗卫星处于拉普拉斯共振状态，这也是太阳系中唯一的三体共振现象。木卫三每绕母星一圈（7.2个地球日），木卫二就绕行两圈（3.6个地球日），而木卫一则绕行四圈（1.8个地球日）。它们之间的引力相互拉扯，将公转轨道变成了具有较大偏心率的椭圆形。在每一次绕行木星的过程中，它们先是距离母星越来越近，然后又越来越远。结果就是每颗卫星都被时而拉伸、时而挤压，就像一个被不断搓圆按扁的面团一样，反复屈伸导致的摩擦产生了热量。
木卫一在这个过程中地面的起伏幅度高达100米，就像是在不停的颤抖。在地球上潮汐最强的地方，高低潮的落差只有18米，然而这还只是水并不是坚实的地壳。潮汐加热效应随着与母星距离的缩小而显著放大，最近的木卫一温度高到足以使其内部物质融化而存在一个液体核；较远的木卫二受热虽然没有那么强烈，但仍能够驱动海底火山活动。理论计算表明木卫二的内部温度使得接近岩石层的冰保持融化状态，从而拥有一个全球性的海洋。
通过伽利略号的观察测量结果和理论分析表明，木卫二的冰壳厚度约为15～25公里，液态海洋深度约为60～150公里。木卫二的羽流喷射高度达160千米，科学家在喷出的羽流物质中检测到了水蒸气。
2、土卫二 （恩克拉多斯）：一颗被冰包围的卫星。唯一能够促使土卫二散发热量的方式就是来自土星的潮汐力，土卫二散发热量就说明液态海洋的确存在。卡西尼飞船的最新发现告诉我们，太阳系中又出现了一个可能孕育生命的地方，这意味着利于生命形成的环境能够存活于围绕气态巨行星运行的被冰覆盖的卫星。
土卫二与木卫二都具备生命所需的所有元素。这两个卫星非常像：外面被厚厚的冰层包裹，冰层下隐藏着流动的海洋。这两个卫星的冰裂中都有喷射羽流的存在——这意味着科学家们不需要钻开冰层，只需分析喷射出的羽流成分，就能对冰下的神秘深海有所了解。
土星探测器卡西尼号飞船2015年10月飞经土卫二时对喷射羽流进行了采样，发现了氢气和二氧化碳，科学家们对此指出：这是冰下温暖海洋和海底岩层之间的水热反应所致，这种水热反应可以为深海微生物提供能源。
3、土卫六（泰坦）：是土星最大的卫星，也是太阳系第二大的卫星。与其他那些荒芜、死寂的卫星不同，土卫六有厚厚的大气层，它有风和雨，有高原，有山，甚至它还有海洋！根据惠更斯号探测器传回的数据，土卫六的大气层以氮气为主，目前除地球外还没有发现第二颗具备此特征的天体。土卫六也像地球一样绕轴自转而产生季节变化，但是它的季节循环大约要持续7年。它距离太阳14.5亿公里，比地球到太阳的距离远10倍，绕太阳公转需要29年，所以温度很低，就连像甲烷、乙烷这些在地球上的气体也变成了液态，汇聚成海洋。它的海洋结构很奇特，上层是油状的海洋，存在很多液态烃类有机物，下层是液态水的海洋。因此土卫六是一个拥有双重海洋的星球。原则上说，它上面可能存在我们熟知的生命，也可能有我们不知晓的生命。
对土卫六特别感兴趣的可以去看一下天瑞说符写的科幻网文《泰坦无人声》。
七、柯伊伯带：海王星距离太阳约30AU，他的外围直到距离太阳约55AU这个范畴是柯伊伯带。如今已有约1000个柯伊伯带天体被发现，直径从数千米到上千公里不等。
1、冥王星：1930年2月18日，克莱德·汤博根据美国天文学家洛韦尔的计算发现柯伊伯带中已知的最大天体：冥王星。冥王星主要由岩石和冰组成，质量相对较小，仅有月球质量的1/6、月球体积的1/3。冥王星的轨道离心率及倾角皆较高，近日点为29.7AU，远日点为49.3AU。冥王星以特殊的椭圆形轨道绕行太阳，公转周期长达248地球年，冥王星因此周期性进入海王星轨道内侧。海王星与冥王星因相互的轨道共振而不会碰撞。在冥王星距太阳的平均距离上光需要5.5小时到达冥王星，因此它的地表极冷，约在摄氏零下238度至218度之间。它有超过1600公里厚的大气层。
2、阋（xì）神星：2005年柯伊伯带中的阋神星被发现，它比冥王星质量多出27%，但体积略小。此发现直接导致了冥王星被开除出大行星序列，重新定义为矮行星。
八、奥尔特云是一个假设包围着太阳系的球体云团，距离太阳约1光年。天文学家估算奥尔特彗星云里可能有1000亿颗彗星，我们熟知的76年来一次的哈雷彗星应该就是来自于那里。天文学家普遍认为奥尔特云是50亿年前形成太阳及其行星的星云之残余物质。出了奥尔特云，才算是真正离开了太阳系。
第二章  比邻星三合星系统

现在，我们离开奥尔特云，去距离太阳最近的恒星：比邻星看看吧，那里可是三体的现实模板哦。
那我们怎么去呢？首先我们要搞清楚，4.2光年究竟有多远？换算成公里数的话，大约40万亿公里吧。你还别嫌远，在宇宙尺度里这么点距离就相当于你去对门的邻居家走过的那个过道而已。
好，现在让我们登上飞船去拜访住在对门的邻居。那目前人造飞行器的最快速度是多少呢？

目前为止，飞得最快的人造飞行器是美国NASA公司在2018年射的帕克太阳探测器，其最快速度已经达到393044公里/小时，大约相当于109公里/秒。
它的飞行速度打破太阳神2号在1976年创下的最接近太阳的飞行纪录，同时也打破了目前人类世界最快的飞行纪录，因为距离太阳越近，所受的太阳引力作用越强，轨道速度必然越快。
在去年2018年11月的时候，帕克太阳探测器第一次飞到近日点，当时距离太阳大约2480万公里，对应的轨道速度为95公里/秒，这个速度是什么概念呢？一千公里大概只需要10秒钟左右，更直观点说就是从上海到北京，大概只需要6秒钟的时间。

北京到上海，6秒，够快了吧？那么我们乘坐这样的航天飞行器飞到比邻星要多久呢？答案是超过1.3万年。因此在科技没有本质性突破之前，人类想要通过常规的载人飞行器飞过去，那是不太现实的。但是不要紧，我们没有光速级别的飞行器，但是我们有脑洞啊。
一、【突破摄星】计划：前进，不择手段地前进！只送大脑！
发射光帆的星际旅行在维德的口号加持下显得那么惊心动魄。
就地球文明已掌握的科技来说，如果谈到光年级别的星际旅行，那对航天器的动力只有一个选择——光帆。现实版的NASA「突破摄星」计划不知道有没有受到《三体》的启发，但是这创意确实与大刘的想法不谋而合，其实这只是因为目前阶段地球的科技实在太落后。

正如迎面吹来的风可以对帆施加压力从而推动船只，光束也可以驱动物体运动。把航天器制造得足够轻，上面绑一块帆，用强大的光源对着它照射，在几乎没有任何阻力的太空，就能将它加速到相当大的速度。
太阳帆就是为了利用太阳光而设计的，17 世纪德国天文学家开普勒在给伽利略的信中最先提到过这一想法。但是，要想将物体加速到接近光速，太阳光还是太弱了，我们需要用能量比它强数百万倍的激光。

突破摄星计划由美国硅谷亿万富翁尤里·米尔纳资助，2016 年 4 月宣布，具体为：

在围绕地球的轨道上部署数百艘小型宇宙飞船，每艘都配备有一个光帆以及记录、传输信息所需的最少硬件，在地面则布置一个巨大的激光阵列。激光束将聚焦于航天器的光帆上，将它们加速到光速的五分之一（6 万km/s）——这个速度是传统航天器的数千倍。20 年后，这些飞船将到达比邻星，届时向我们发回有关该恒星系统中可能适宜居住的行星的图像。

《三体》中，大刘提出了比激光更激进的驱动方式：在太空中按顺序引爆预先放置好的核弹来驱动光帆。
据悉，突破摄星计划已经无疾而终了——以人类目前的科技，是不可能脱离太阳系、去往比邻星的。
关注地球-比邻星旅程的朋友可以看一下彩虹之门的《地球纪元》里的第三个故事，长达九百年的孤寂旅程在作者的笔下被描写的回肠荡气。
二、比邻星三合星系统：比邻星和半人马座α（南门二）A星和B星共同组成了一个三合星系统，其中南门二A和B分别为太阳质量的1.57倍和1.1倍。比邻星距离我们最近，只有4.22光年。比邻星是一颗红矮星，它的质量只有太阳的1/8左右，直径约20万km，只有太阳的1/7左右，体积约为太阳的1/320。由于红矮星自身质量太小，以至于从分层上来看红矮星甚至都没有外壳部分，
比邻星质量较小所以引力也比较小，因此表面温度也不高，大概只有2750摄氏度左右，这也使得这个恒星光度比较低，看上去比较暗淡， 视星等只有11等，而人眼通常只能看到6等星，比邻星的光度远远低于这个幅度，所以是无法不用望远镜等天文器材而被人眼直接看到的。这意味着它内部核聚变能量的释放程度，要远超太阳这样的黄矮星。
天文学家分析认为这颗恒星形成的时间与太阳相似，年龄几乎与太阳相等（约49亿年），不过预估它的寿命将会比太阳长得多，因为多数红矮星的主序星阶段时间可以长达数千亿年，相对比太阳大约能稳定烧90亿年，目前已烧了45亿年，而目前宇宙的寿命也才137亿年。
科学家们认为比邻星原来并不属于南门二三合星系统。通过其轨道运行分析来看，它应该是刚运行到南门二双星附近并被捕获的，也就是说它是刚刚开始围绕双星进行第1周的运行，而且它距离南门二双星较远，不会给它的行星造成《三体》中描绘的乱纪元。
三、比邻星的行星：已知比邻星有两颗行星围绕运行，其中比邻星B位于比邻星的宜居带中。因为比邻星的温度太低，所以它的宜居带很小且必须离它很近。
1、比邻星B：由于比邻星B距离比邻星仅有0.05个天文单位，公转周期11.2天，所以它一定是被母星潮汐锁定的，也就是它永远只有一面向着自己的母星。
宇宙众多恒星当中，红矮星占了大多数，约75%。由于红矮星的普遍质量仅为太阳的0.075-0.6倍，以往人们认为红矮星总是处于超级黑子和巨型耀斑轮番爆发的不稳定状态，所以认为它们附近不大可能产生生命。然而最近科学家们通过观测发现，红矮星在经过头十几亿年的年轻爆发期后，会在一个长的不可思议的中年岁月里非常稳定地燃烧。所以，人们把寻找宜居行星的目光重新投向了红矮星系。
由于红矮星系数量最多、最有可能产生生命，因此研究这个问题具有较大的科学意义。
根据地球生命经验，生命需要合适的温度、水、大气，这是最基本的条件。因此我们就先假设红矮星系宜居带里的行星具备这些条件，在此基础上分析一下行星上的基本状况：
◎温度：被母星潮汐锁定的行星，背阳面永远是零下几百度的极寒黑夜，朝阳面永远是几百度高温的白天，但是在行星的寒热交界处，由于大气的流动，会出现一片面积较大的温度适宜带。
◎水：假定星球的朝阳面有一片海洋。以往科学家们认为潮汐锁定的行星，水会被带到背阳面以冰川的形式储存起来，可是最近建模研究表明大气活动会让明暗两面的温度都不会过于极端。丰沛的降雨和雷电覆盖了大部分海洋表面，而在海洋底部，潮汐热力使得海底布满了翻腾着烟柱的火山口。
海洋是宇宙中所有生物的摇篮，但海洋又是文明的障碍。海洋动物很难进化出文明。因为水里没有火，难以利用工具做功，因此生命进一步进化需要上岸。
◎大气：如果这种行星上有大气层，那么大气层由于太阳风，会一面薄一面厚。交界的宜居带常年处于大气锋面，强烈的对流形成永恒的风暴。大气循环使得表面每天都是超过17级的大风，会形成以正面背面为风眼的两个超级台风。交界处及其周围一切地形都会被快速的风蚀。剧烈的摩擦产生大量电荷，空气被电离，闪电划过几百公里。

红矮星对于支持生命存在还有其它不利因素。它们是一种情绪多变的恒星，常常会往太空喷射物质。这些喷射会提高宜居带行星的表面温度，也可能会吹走大气。地球历史上就发生过这种情况，地球形成之初的“原始大气”其实全部都被太阳风吹散了，现在的大气是从岩石中释放出来的气体慢慢形成的。在潮汐锁定的行星上，猛烈的太阳风可能会吹散第二代大气。

这样的环境相比地球来说，对生命还是过于严苛了。所以这种环境里的文明如果能够存活下来并且发展壮大，其坚韧程度将远超地球文明。最终永恒写的科幻小说《深空之流浪舰队》里描写过生存在红矮星系的文明。
2019年5月，天文学家在仅有数十个小时的观测记录中，就发现了比邻星一次长达7秒的耀斑爆发，强度达到了太阳的100倍左右，直接让比邻星这颗红矮星的亮度在短时间内暴增了14000多倍。比邻星b距离比邻星只有750万公里，只相当于地球到太阳距离的20分之一，所以当耀斑爆发产生的“毫米级辐射波”到达比邻星b后，强大的辐射会马上笼罩这颗位于宜居带内的星球。
因此，在如此剧烈的耀斑频繁爆发之下，比邻星b上面是不可能有任何生命存活的。
2、比邻星的第2颗行星是2020年4月份发现的。它与比邻星的距离较远，但是质量较大，大约相当于我们地球质量的6倍左右，围绕比邻星运行一周需要200多天。由于比邻星温度太低，所以这颗行星上一定非常寒冷。
关于太阳系的这个三体近邻，我们知道的真实情况还是太少了，所以只能写这么一点点内容。大刘的三体只是基于比邻星系三恒星缠绕这个概念而想象出的景象，与这个三合星系统的真实情况相差太远，连参考价值都没有。
四、太阳系附近的其他恒星系统：
除上述距离太阳最近的比邻星三合星系统外，距离太阳较近的恒星系统还有：
2、巴纳德星是距离太阳系第二近的恒星，他也是一颗红矮星，距离我们约5.86光年，这是一颗单一恒星系统，跟我们的太阳系差不多，但它的质量要小得多。
3、伍尔夫359星是距离我们第三近的恒星，距离我们约7.7光年。
4、勃兰得2147星排第四，距离我们约8.2光年。
5、鲸鱼座uv星是一颗耀星，它的光度会发生突然的改变，有一次在20秒之内就增强了75倍。它的旁边还有一颗红矮星环绕运行。这个恒星系统距离我们约8.4光年。
6、天狼星排第六位，距离我们约8.9光年。它的光度是太阳的23倍，又因为距离我们很近，所以它是全天恒星中最亮的一颗。已知天狼星是一个双星系统，还有一个白矮星在围绕着它运行。
7、罗斯154星：距离我们约9.5光年。
8、罗斯248星：距离我们约10.4光年。
9、波江座ε星：距离我们约10.8光年。
10、罗斯128星：距离我们约10.9光年。
由上面的排列可见，距离我们十光年以内的恒星系统大约有七个，但是恒星的数量则有十多个，因为有几个多星系统。而在距离我们100光年之内，恒星系统的数量则有数百上千个，比较有名的星体大角星、天仓五、天苑四、牛郎星、织女星、南河三、北落师门等等距离太阳系都不是很远，均在100光年之内。
第三章  银河系

不识庐山真面目，只缘身在此山中：我们已经可以拍摄两百多万光年外的仙女星系非常清晰的照片，但却无法看清银河系的全貌。
一、银河系是一个巨型棒旋星系（漩涡星系的一种），呈椭圆盘形，具有巨大的盘面结构。银河系的年龄大概在125亿岁左右。最新的结果认为银河系质量大约是太阳的2100亿倍，包含1200亿颗恒星。
二、银心在人马座方向。银心直径约为两万光年，厚1万光年，在中心区域存在着一个巨大的黑洞（人马座A*），质量相当于430万个太阳。那里的恒星密度高达每立方光年28.9万颗恒星，比我们太阳系附近的恒星密度高了7200万倍。银河系中央区域多数为老年恒星（以白矮星为主），外围区域多数为新生和年轻的恒星。在那里每天发生着整个银河系最狂暴的天文现象。
三、旋臂最新研究表明银河系拥有四条清晰明确且相当对称的旋臂，旋臂相距4500光年。太阳系目前不在四条主旋臂上，而非常接近于一条本地臂。这条本地臂位于英仙臂和人马-船底臂之间，长度约为2万光年，至银心的距离大约是2.64万光年。太阳带着他的小弟们以220km/s的速度绕着银心逆时针旋转，太阳绕银心运转一周约2.5亿年。太阳已经绕行银河20～25次了。恐龙灭绝于悬臂之外，人类诞生于悬臂之中。
四、银河系到底有多大？恒星盘直径约12万光年，恒星盘之外是气体盘，气体盘之外还有广大范围的暗物质光晕。因此银河系的最大范围是止于暗物质光晕边缘。

2020年03月25日，英国科学家，达勒姆大学天体物理学家艾丽丝·迪森及其同事利用银河系附近星系，找到了银河系的边界。他们的最新研究显示，银河系的精确直径为190万光年，误差不超过40万光年。

五、小伙伴们：银河系隶属于本星系群，最近的河外星系是距离银河系4.2万光年的大犬座矮星系。银河系有两个伴星系：大麦哲伦星系和小麦哲伦星系。周围几十万光年的区域分布着十几个卫星星系，银河系通过缓慢地吞噬周边的矮星系使自身不断壮大。
六、隔壁的仙女星系（M31）：直径22万光年，距离地球254万光年。当前的观测认为仙女星系正以300km/s的速度朝向银河系运动，在30亿～40亿年后可能会撞上银河系。但即使真的发生碰撞，太阳以及其他的恒星也不会互相碰撞，但是这两个星系可能会花上数十亿年的时间合并成椭圆星系。
七、上级领导-本星系群的成员有仙女星系、银河系、三角座星系，还有大约50个小星系，在太空中占据约1000万光年直径的区域。
八、集团公司-本超星系团是本星系群的上级单位，又叫室女座超星系团。我们本星系群才含有50余个星系，本超星系团就包含了至少100个星系。它像一块薄饼，占据了1.1亿光年一片天区，是在可观测宇宙中数以百万计的超星系团中的一个。
室女座超星系团是拉尼亚凯亚超星系团的一部分，它也是星系细丝双鱼-鲸鱼座超星系团复合体的一部分。该星系团的中心区域距离地球约有6000万光年，位于室女座。我们的本星系群就在这个本超星系团的稍边缘位置，围绕着本超星系团质心公转，转一圈约需要1000亿年。
第四章 黑洞

一、思想的起源：最早关于黑洞的想法是这样的：我们都知道任何有质量的物质都有引力，物质的质量越大、引力越大。当年牛顿看到苹果从树上掉下来，他就思考：为什么苹果是掉到地上，而不是往天上飞走了？如果是凡夫俗子的我们来想这个问题，那还不简单：因为地球有吸引力呗。或者还有人会认为想这种问题的人脑子肯定有病。所以说我们都成不了牛顿。人家牛大师顺着这个思路想下去，就推导出了著名的牛顿三定律。
可是牛大师这一出手，后面的科学家就没机会再一次“发明”这么牛的三定律了。这帮人不甘心：都已经站在牛大师的肩膀上了，我们也要出点学术成果啊。那就只能逼着自己再死命地往下想：因为地球的吸引力，苹果掉落到地面；往天上扔一块石头，如果达不到第一宇宙速度也会掉下来，那是否存在一个质量极端大的星球，以至于它的引力大到连速度最快的光都逃不出去呢？
科学家们沿着这个思路想下去，就想出了类似黑洞这样的可怕存在：宇宙中存在着一种引力大到连光都逃不出去的、超大、超重的大黑星。
18世纪末，英国物理学家约翰·米歇尔和法国数学家拉普拉斯从理论上预言了这种大黑星的存在。
两百年后，直至20世纪末，天鹅座X-1被确认为人类发现的第一个黑洞，他们的预言才真正实现。这个提前了两百年的辉煌预言真是人类智慧的巅峰展示。
当然他们那时只是从理论上对黑洞的存在进行了预言，估计他们也不认为人类终有一天能在宇宙中真的观测到黑洞，因为很显然，这种大黑星虽然非常大，但是它的引力大到连光都逃不出去，那人类怎么能看见它？
并且这种大黑星不但要超大，而且要超级重（不然引力仍然不够），普通密度的恒星怎么可能支持那么大的体积？那种质量之下肯定会发生坍缩。
而且恒星必须核聚变发光发热，可是大黑星燃烧着却发不出光来，这到底是什么情况？
理论上存在，可是现实中缺乏观测到黑洞的必要条件，感觉这两个黑洞的预言者好可怜，他们肯定每每想起这种超出观测甚至概念之外的大黑星就感到无比抓狂。
后来我们知道了，因为黑洞连光都只能进不能出，所以它本身确实是不可见的，而且人家也不核聚变，因为已经聚变完一次，该烧的都烧完了，剩下的基本粒子都被挤成最简并状态了。但是没关系，人家质量大、引力大，能吸啊。
黑洞附近的物质进入黑洞时被巨大的引力撕裂，形成极高温和巨量辐射，因此黑洞周边有极为明亮的吸积盘存在。那地方能亮到什么程度呢？非常非常可怕的程度，不管只看它一眼的是钛合金眼还是任何其他眼，绝对都会瞬间瞎掉。
所以黑洞即不黑，也不是一个洞，它是一个基本粒子以最紧密状态结合在一起形成的球体，它是一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小、热量无限大的奇点。在黑洞内部，我们正常世界中原子内的原子核（质子、中子）和电子全部被黑洞强大的引力压碎，形成的基本粒子紧紧挨在一起，那是毫无空隙的基本粒子最紧密状态。
二、黑洞的分类：按照质量，黑洞理论上可以分为三类：
1、宇宙大爆炸初期形成的微型黑洞：普遍意义上的微型黑洞指的是量子层级的微小黑洞，它们的质量不超过几公斤。这种级别的黑洞现今是否仍然存在，当前的科学家还无法确定，而民科们甚至担心大型粒子对撞机搞不好会撞出微型黑洞，把地球给吞噬了。
所以说如果地球附近真的飘过来一个微型黑洞，你猜会发生什么？
计算得知，如果地球坍缩成一个黑洞，它的史瓦西半径是8.86毫米，一般来说这样的尺寸会比微型黑洞大几个数量级。只要质量比你大就不用怕，谁吸谁还不一定呢。因为密度相差太大，所以我认为微型黑洞最好把地球当成空气一样穿过去，去继续它流浪宇宙的行程就好了。走好不送。
有科学家认为：“每年可能有数百万个由暗物质构成的几公斤重的微型黑洞穿过地球”。好吧，我承认这个观点很有想象力。
还记得可能比《三体》更加经典的科幻大作《海波利安》中的“天之大误”吗？
2、恒星级黑洞：比太阳质量大8倍以上的恒星死亡后必将形成黑洞。其他质量不够的恒星死亡则会成为中子星、白矮星。
网上有一个非常著名的视频，只要一问宇宙有多大，或者宇宙中有什么让人恐慌的星体之类的问题，就有人贴那个链接，什么大角星、北河三，一个比一个大，最大的那个太阳系都快装不下了。其实那些都是恒星燃烧末期形成的红巨星，它的外围膨胀的厉害，所以看上去很大，其实那些星密度超低的，而且维持不了多久就坍缩成黑洞了。太阳的结局也是这样，50亿年以后膨胀吞噬掉地球，最终坍缩成一颗白矮星（因为质量太小变不成黑洞，所以只能变成一个白胡子的矮老头了）。
3、一般位于星系核心的巨型黑洞：比如银河系中心的那个大家伙-人马座A*，它的质量相当于430万个太阳，直径4400万km（太阳的直径为150万km，是地球直径的109倍），史瓦希半径1270万km。
这种超大型黑洞就是宇宙中最恐怖的天体，我们平时害怕的核弹之类的东西在它面前连一根毛线都算不上。我不知道该怎样形容这种恐怖，总之它们非常非常恐怖。还好霍金告诉我们黑洞有朝一日也是会被蒸发掉的，这个好消息让我大大滴喘了一口气。
三、“黑洞无毛”定理：1972年，美国普林斯顿大学青年研究生贝肯斯坦提出：星体坍缩成黑洞后，只剩下质量、角动量、电荷三个基本守恒量继续起作用，其他一切因素("毛发")都在进入黑洞后消失了。这一定理后来由霍金等四人严格证明。
从该定理的角度出发，我们可以认为黑洞是这个宇宙中最简单的事物，仅仅需要三个指标就可以完全描述。
四、天体测距与类星体：
之所以把这两个概念放在一起讲，是因为人类观测到类星体之后最大的疑惑：类星体的亮度与所在区域的大小完全超出了人类最极限的认知，天文学家们仅仅尝试着想象一下，马上就会觉得脑浆沸腾。要想了解这个知识点，我们有必要先知道天体测距的基础知识，这样我们才能明白天文学家判断出类星体所在的区域非常狭小是有科学依据的。
（一）天体测距：长久以来，人类面对满天星光，一个重大的问题就是想要知道它们离我们究竟有多远。为了尽量准确地取得每个天体的“距离”这一基本数据，天文学家想出了很多种巧妙的办法。这些方法利用的原理各不相同，因此具有不同的适用条件。有些更适合较近距离天体的测量，有些则适合中等距离和遥远距离天体的测算。下面介绍几种最常见的天体距离测量方式。
1、无线光波测量法：适用于近到可以反射无线电波的天体。通过我们发送出的无线电波，碰到目标后会反射回来，被我们再次接收到。计算电波从发射到被目标反射回来所用的时间，将其除以2（往返时间变成单程时间），再乘以光速，就能知道目标天体的距离了。
2、三角测量法：适用于最远不超过100光年的天体。把被测的那个天体置于一个特大三角形的顶点，地球绕太阳公转的轨道直径的两端是这个三角形的另外二个顶点，通过测量地球到那个天体的视角，再用到已知的地球绕太阳公转轨道的直径，依靠三角公式就能推算出那个天体到我们的距离了。
3、移动星团法：适用于银河系内的天体。用运动学的方法来测量距离，运动学的方法在天文学中也叫移动星团法，根据它们的运动速度来确定距离。不过在用运动学方法时还必须假定移动星团中所有的恒星是以相等和平行的速度在银河系中移动的。在银河系之外的天体，运动学的方法也不能测定它们与地球之间的距离。
4、造父视差法（标准烛光法）：适用于银河系外的星系中有颗造父变星的星系。光度和亮度的含义是不一样的，亮度是指我们所看到的发光体有多亮，这是我们在地球上可直接测量的。光度是指发光物体本身的发光亮度，设法知道它就能得到距离。科学家以天文学中已经知道光度的天体为标准，通过将该已知亮度与天体的观测亮度进行比较，可以使用反平方律计算到物体的距离，这些已知亮度的天体就是标准烛光。物理学中有一个关于光度、亮度和距离关系的公式：S∝L0/r2。测量出天体的光度L0和亮度S，然后利用这个公式就知道天体的距离r。在天体对应标准烛光的甄选中，造父变星是最重要的指标。天文学家勒维特发现“造父变星”，它们的光变周期与光度之间存在着确定的关系，于是可以通过测量它的光变周期来定出广度，再求出距离。
5、哈勃定律方法：适用于尺度达100亿光年数量级的星系。1929年哈勃(Edwin Hubble)对河外星系的视向速度与距离的关系进行了研究。当时只有46个河外星系的视向速度可以利用，而其中仅有24个有推算出的距离，哈勃得出了视向速度与距离之间大致的线性正比关系。现代精确观测已证实这种线性正比关系：V = H0×d。其中v为退行速度，d为星系距离，H0=100h0km．s-1Mpc（h0的值为0<h0<1）为比例常数，称为哈勃常数。这就是著名的哈勃定律。利用哈勃定律，可以先测得红移Δν/ν，通过多普勒效应Δν/ν=V/C求出V，再求出d。
（二）类星体：上世纪60年代，天文学家观测到非常遥远的天体，距离地球可达到100亿光年以上，但却非常明亮，被命名为类星体。根据上述天体测距方法，科学家发现类星体比普通的星系小很多，但是释放的能量却是星系的千倍以上。最让人震惊的是能够放射出比正常星系亮几千倍甚至几百万上亿倍亮度的类星体，其大小却比普通星系动辄几十万光年的区域小得太多，甚至不超过一光年。当时的科学家对此非常迷惑，这完全颠覆了天文学的常识。
让我们也想象一下类星体，也脑浆沸腾一把吧：想想看，大小不超过1光年的一个狭小区域里的星星放射出的光的亮度，达到了几十万光年区域的正常星系光亮的上亿倍！无论怎样形容这样的极端情况也无法让我们的心情平息下来，这是堪比宇宙大爆炸的神迹。
经过天文学家们为解开这个绝大疑惑而付出的不懈努力，现在我们终于明白了——类星体之所以那么小又那么亮，是因为它的中心都是超巨型黑洞。

2015年03月03日，中国天文学家为主的科研团队发现的一颗距离地球128亿光年、430万亿倍太阳光度、中心黑洞质量约为120亿个太阳质量的超亮类星体。这是人类目前已观测到的遥远宇宙中发光最亮、中心黑洞质量最大的类星体。

2020年诺贝尔物理学奖颁奖时，瑞典皇家科学院的秘书长宣布获奖时说了一句点评：这次的诺贝尔奖颁发给宇宙最暗处的秘密。
秘书长没说错，黑洞的确是宇宙最暗处，但这只是黑洞的其中一个情况；另一个情况是：黑洞周围是全宇宙最亮的区域——类星体，毫无疑问，你就是全宇宙最亮的崽。
五、黑洞的结局：根据霍金辐射理论，黑洞通过霍金辐射慢慢失去质量，最终将在遥远的时间后爆炸。但霍金的这一重要理论并未被广大科学家认定为一定会成立。
第五章  宇宙

一、宇宙的由来：1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论，认为宇宙由大约140亿年前发生的一次大爆炸形成。这一理论目前已成为科学界的共识。当然各种宗教都会提出反对意见，他们都号称宇宙是他们家的创世神创造出来的。对此科学家纷纷表示：发表意见的这些宗教人士连宇宙在膨胀都不承认，所以说不是我们科学家狂妄：在座的各位都是点点点。
宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射。所谓各向同性，就是指这个辐射在宇宙的各个方向上性质完全一致，因此它的温度其实就是宇宙大爆炸经过138亿年以后的余温。

二十世纪六十年代初，美国科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度。为了降低噪音，他们甚至清除了天线上的鸟粪，但依然有消除不掉的背景噪声。他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K。1965年，他们又订正为3K，并将这一发现公诸于世，为此获1978年诺贝尔物理学奖。
宇宙微波背景很好地解释了宇宙早期发展所遗留下来的辐射，它的发现被认为是一个检测大爆炸宇宙模型的里程碑。

在大爆炸发生后非常短的时间内，宇宙经历了暴胀阶段，该阶段宇宙空间的形成速度远远大于光速，随后宇宙放缓空间拓展速度并一直膨胀至今。该结论由哈勃观测到的普遍红移现象和以他名字命名的定律支持。简单地说，就是哈勃发现距离地球越远的星系，其远离地球的速度越快。这个现象有力地证明了宇宙的膨胀。
如果承认了宇宙在膨胀，那反推一下就会知道最早宇宙必然源于一个奇点。所以说宗教界人士如果承认了宇宙在膨胀就无法推翻大爆炸理论，那他们只能解释说宇宙大爆炸是他们的创世神干的了。
二、宇宙问你几个问题：
1、宇宙的年龄及物质构成：2003年，美国发射的威尔金森微波各向异性探测器对宇宙微波背景在不同方向上涨落的测量表明，宇宙的年龄是137±1亿年；在宇宙的组成成分中，4%是一般物质，23%是暗物质，73%是暗能量。
2、为什么宇宙的年龄只有137亿年，而可视宇宙的直径却有930亿光年？首先是因为宇宙大爆炸后经历过一个暴涨阶段，那个阶段空间退行的速度远远大于光速；其次是因为现在宇宙膨胀的速度仍然大于光速。
3、为什么天空看上去是黑的？仔细研究这个问题就会得出一个结论：只有当宇宙膨胀的速度大于光速，也就是比较远的地方的光速比空间膨胀的速度慢，才能造成这种现象。那里的星光永远不可能到达我们的视界，否则宇宙就应该是亮的。在宇宙中，任何物质的运动速度都不能超过光速，但这不包括空间本身。也许，超光速旅行的办法就蕴藏在其中，等着未来的人类去发现。
4、宇宙中有多少恒星：这只能在半径465亿光年的可视宇宙范畴内简单估算一下。因为在此范围之外，由于宇宙空间的退行速度超过了光速，因此那里发出的一切信息永远无法被我们接收到，因此可视宇宙之外是什么情况我们并不清楚。
可视宇宙之内大约包含了1000亿个大大小小的星系，银河系属于最普通的一类，它估计有1200亿颗恒星，因此简单估算可视宇宙内的恒星数量为1200亿颗/星系×1000亿个星系=120万亿亿颗恒星，这个数量与地球上沙子的数量预估属于一个数量级。
5、可视宇宙与宇宙的实际大小：最新的一个科研成果是，如果把直径930亿光年的可视宇宙比做一个足球，那整个宇宙可能相当于一个地球。
6、宇宙之外是什么：基本上一提到宇宙相关概念，所有的小白都最关心这个问题。
关于这个问题的答案，其中一种回答用最简单的说法就一个字——无。就是宇宙之外什么都没有，既没有时间，也没有空间。这样的概念我们这些三维虫子的头脑里构想不出来，那是因为我们所有的想象力都基于这个宇宙之内的事物，我们无法想象超出这个宇宙范畴之外的概念。
关于无法想象，也许我写的这个回答会对你有点启发——宇宙中是否存在超过一亿年的超级文明？
还有另一种比较容易理解的说法：宇宙没有外面，因为它是有限无界的。有限无界是什么意思？比如你沿着地球一直走，虽然它不是无穷大的，却可以让你永远走不到尽头，这就是二维层面的有限无界概念。只要把这个概念从二维的地球平面转化为三维的宇宙空间，你就能理解“虽然宇宙不是无穷大的，但它却没有外面”了。
还有些科学家提出了平行宇宙、超膜宇宙等等理论，当然现阶段这些概念都还太简略，不能构成系统体系的科学理论，目前只能称之为猜想：既无法证实，也无法证伪。
总之，关于宇宙的很多问题，因为人类的科技还非常落后，所以猜想占多数。这有点类似于古代人认识地球、认识太阳系的过程：太多未知等待着我们去发现。让我们对天文学的未来发展充满期待。
三、宇宙的结局-三个结果之争：
如果说宇宙是由一个奇点于137亿年前发生大爆炸后膨胀形成的，那么按照事物发展的逻辑推导下去，宇宙只有三种可能的结局：
1、开放宇宙：宇宙的膨胀将永远持续下去，最终膨胀成无限大，所有恒星都将失去能量直至死亡，所有物质都将被拆解成最小单位并互相远离，随机分布在宇宙中，热寂发生，宇宙温度降低到绝对零度，宇宙大冻结。
2、扁平宇宙：宇宙的膨胀将停止，成为一个空间曲率完全平坦的稳定态，最终所有物质全部解体成为分布完全均匀的一片荒漠。
3、闭合宇宙：在无限遥远的未来某一天，迫使宇宙收缩的力大过了宇宙膨胀的动力——也许是宇宙所有基本粒子之间的引力大于了宇宙大爆炸产生的斥力，也许是宇宙平均质能密度（即宇宙所有物质的质量和能量的平均密度）超过了某个阙值，总之在那个时刻，宇宙的膨胀动力被反转，空间由膨胀转为塌缩，也许会发生大撕裂，也许最终会重新收缩成为一个新的奇点。
由目前人类观测的数据，科学家们倾向于认为这个阙值是精确完美的，所以宇宙的结局很可能是扁平宇宙，最终万物归于热寂。
要在以上三个结局中选出正确答案，我们先要解答这个问题：宇宙究竟是在加速膨胀、匀速膨胀、还是减速膨胀？
要搞清楚这个问题，我们需要观测数据。而观测数据的取得需要天量的资金投入——没有回报、无法产生经济效益的天量资金投入。因此，关于这个问题我们目前只有猜想，没有答案。
当然，上述三个结局的前提都是本时空宇宙的惟一性。如果加入平行宇宙、超膜宇宙等其他猜想，那可能还会出现“被其他宇宙融合吞噬；被负宇宙擒获，正负宇宙同时归零”等另外的狗血结局。这些引进其他宇宙的猜想都过于玄幻，在此不做探讨。
无论如何，科学家们并未否定宇宙的闭合结局这一可能性。我认为由于闭合宇宙模型可以从逻辑上完美解释类似问题——都说宇宙是从大爆炸开始的，那大爆炸之前的宇宙是从哪里来的，不是说物质不可能从无到有吗？ 因此这种理论有它值得被我们仔细研究的重大意义。
闭合宇宙的演化进程：宇宙经过极其漫长的膨胀阶段，终于来到了反转时刻。在那一刻，膨胀终于停止，空间开始塌缩，所有已经远远分离的物质和能量相互靠近、融合、吞噬，并且随着空间塌缩的加速，所有物质和能量必将汇集形成宇宙中惟一的黑洞。
与大爆炸后的暴胀阶段对应，在最后的时刻，爆缩阶段开始了，内部已经以基本粒子最简并状态紧紧挤压在一起的宇宙惟一黑洞遭受到空间爆缩引起的大挤压，从宇宙惟一黑洞转化为奇点，并在下一刻开始大爆炸——新宇宙诞生了。
以上就是闭合宇宙的结局：所有空间内的一切物质和能量最终全部归于唯一的一个黑洞，而这个包含了宇宙中一切物质与能量的黑洞受到空间爆缩的大挤压后会爆发一次创世大爆炸。因此在下一个宇宙，我们管这个黑洞叫奇点，因为它就是下一个宇宙大爆炸的那个原点。
令人无比惊喜的是——由于时间与空间一样都是宇宙时空的独有属性，因此闭合宇宙的演化进程中，空间由膨胀转为塌缩可能会伴随着时间由顺行转为逆行。刘慈欣在1999年发表的短篇科幻小说《宇宙坍缩》中描述了这个猜想。
在闭合宇宙模型中，我们最终将与这个宇宙内的一切物质、能量一道，以基本粒子最简并的形态紧紧地挤在一起，在等待亿万亿亿年之后宇宙重启，我们一起去新宇宙。
关于宇宙闭合的可能性，关于时间退行现象，关于宇宙中一切物质与能量的归宿，这些猜想到底有多少实现的可能性，目前还无法预估，因为关联知识我们知晓的还是太少。也许这是一件好事——难以想象一个已经通晓了宇宙所有奥秘的文明是多么寂寞，而我们将永远抱有对新知识的期待。

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爰无悔2017

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楠木2017

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