探索宇宙奧秘宇宙是人類永恒的探索前沿，從古至今激發(fā)著我們的好奇心與想象力。在這浩瀚無垠的宇宙中，無數(shù)的星系、恒星、行星和奇特天體構(gòu)成了一幅壯麗的宇宙圖景。本次講座將帶您穿越時(shí)空，從微觀粒子到宏觀結(jié)構(gòu)，從宇宙起源到未來命運(yùn)，共同揭開宇宙的神秘面紗。目錄宇宙概述了解宇宙的定義、規(guī)模、組成以及基本物理定律我們的太陽系探索太陽及八大行星的奧秘，以及其他太陽系天體恒星與星系認(rèn)識(shí)恒星的生命周期、黑洞及銀河系和其他星系的結(jié)構(gòu)宇宙起源與演化深入了解大爆炸理論及宇宙的過去與未來現(xiàn)代宇宙觀測(cè)探索最新天文觀測(cè)技術(shù)和重大發(fā)現(xiàn)未解之謎與未來探索什么是宇宙？宇宙的定義宇宙是所有存在的時(shí)間、空間、物質(zhì)和能量的總和。它包含了我們所能觀測(cè)到的一切，以及那些尚未被觀測(cè)到的區(qū)域。宇宙是我們存在的全部舞臺(tái)?？捎^測(cè)宇宙由于光速有限和宇宙年齡的限制，我們只能觀測(cè)到宇宙的一部分。目前可觀測(cè)宇宙的半徑約為930億光年，隨著時(shí)間推移和技術(shù)進(jìn)步，這一范圍仍在擴(kuò)大。宇宙年齡宇宙的規(guī)模12,742公里地球直徑我們賴以生存的藍(lán)色星球，在宇宙尺度中如同一粒微塵139萬公里太陽直徑相當(dāng)于109個(gè)地球直徑并排，是太陽系中的主宰星體9萬億公里太陽系直徑從太陽到最外層行星軌道的距離跨度10萬光年銀河系直徑包含數(shù)千億顆恒星的螺旋星系，是我們的宇宙島宇宙的組成暗能量暗物質(zhì)普通物質(zhì)令人驚訝的是，我們熟知的所有物質(zhì)——從恒星、行星到人類自身，甚至是所有可見的星系——僅占宇宙總質(zhì)能的不到5%。這些被稱為"普通物質(zhì)"或"重子物質(zhì)"，是由原子構(gòu)成的。宇宙中的基本力引力作用于所有有質(zhì)量的物體，控制行星運(yùn)動(dòng)和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)電磁力作用于帶電粒子，維持原子結(jié)構(gòu)，主導(dǎo)日常物理現(xiàn)象強(qiáng)核力束縛原子核中的質(zhì)子和中子，是已知最強(qiáng)的基本力弱核力負(fù)責(zé)某些放射性衰變，對(duì)亞原子粒子轉(zhuǎn)變起關(guān)鍵作用這四種基本力統(tǒng)治著宇宙中的一切相互作用，從最小的亞原子尺度到最大的宇宙尺度。物理學(xué)家一直在尋找統(tǒng)一這四種力的理論，期望能建立一個(gè)描述宇宙所有物理現(xiàn)象的終極理論。宇宙的基本粒子費(fèi)米子（構(gòu)成物質(zhì)）夸克（上、下、奇、魅、底、頂）輕子（電子、μ子、τ子及其對(duì)應(yīng)的中微子）遵循泡利不相容原理構(gòu)成我們熟知的所有物質(zhì)玻色子（傳遞力）光子（傳遞電磁力）膠子（傳遞強(qiáng)核力）W和Z玻色子（傳遞弱核力）理論上的引力子（傳遞引力）可以多個(gè)占據(jù)同一量子態(tài)希格斯玻色子2012年在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中發(fā)現(xiàn)賦予其他粒子質(zhì)量的關(guān)鍵希格斯場(chǎng)的量子宇宙中的距離單位天文單位(AU)等于1.496億公里，是地球到太陽的平均距離。用于描述太陽系內(nèi)的距離，如火星距太陽約1.5個(gè)AU，木星約5.2個(gè)AU。光年等于9.461萬億公里，是光在真空中一年走過的距離。用于星際尺度，如比鄰星距太陽約4.2光年，獵戶座大星云距地球約1,344光年。秒差距等于3.086萬億公里，約3.26光年?；谔煳囊暡顪y(cè)量，是天文學(xué)家常用的專業(yè)單位，常用于銀河系內(nèi)的距離測(cè)量。這些特殊的距離單位反映了宇宙的巨大尺度。在宇宙學(xué)研究中，科學(xué)家還使用其他單位如兆秒差距（約326萬光年）來表示星系間距離，以及紅移參數(shù)z來表示遙遠(yuǎn)天體的宇宙學(xué)距離。太陽系概覽太陽一顆G型主序星，包含太陽系99.86%的質(zhì)量八大行星水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星矮行星冥王星、谷神星、妊神星、鬩神星、鳥神星等小天體小行星帶、柯伊伯帶、奧爾特云中的無數(shù)小天體太陽：我們的恒星1,392,700公里直徑相當(dāng)于109個(gè)地球并排5,500°C表面溫度足以熔化任何已知物質(zhì)1,500萬°C核心溫度維持核聚變反應(yīng)的極端環(huán)境46億年年齡已度過其生命周期的一半太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)核心太陽中心約占太陽半徑的25%，溫度高達(dá)1,500萬°C，是核聚變反應(yīng)發(fā)生的區(qū)域，氫原子在這里被壓縮和加熱，融合成氦原子，釋放出巨大能量。輻射層從核心延伸到太陽半徑的約70%處，能量以光子形式傳播，光子在這里通過不斷被吸收和再釋放，緩慢向外擴(kuò)散，一個(gè)光子從核心到達(dá)表面可能需要數(shù)十萬年。對(duì)流層太陽外層30%的區(qū)域，能量通過熱對(duì)流傳播，滾燙的氣體上升到表面釋放能量后冷卻下沉，形成對(duì)流環(huán)。表面可見的顆粒狀結(jié)構(gòu)就是這些對(duì)流細(xì)胞。大氣層包括光球?qū)樱梢姳砻妫?、色球?qū)雍腿彰幔ㄌ柾鈱哟髿猓?。光球?qū)訙囟燃s5,500°C，而日冕溫度卻高達(dá)百萬度，這一溫度反?，F(xiàn)象是太陽物理學(xué)的重要課題。太陽活動(dòng)太陽黑子太陽表面溫度較低的區(qū)域，看起來像黑色斑點(diǎn)。實(shí)際上是磁場(chǎng)強(qiáng)度大的區(qū)域，溫度比周圍低約1,500°C。黑子數(shù)量呈現(xiàn)約11年的周期性變化。太陽耀斑太陽表面突然釋放的大量能量，可產(chǎn)生X射線和紫外線爆發(fā)。這些是太陽上最猛烈的爆炸，能量相當(dāng)于數(shù)百萬個(gè)氫彈同時(shí)爆炸，會(huì)影響地球通信系統(tǒng)。日冕物質(zhì)拋射太陽大氣中大量等離子體和磁場(chǎng)的爆發(fā)性釋放，可向太空噴射數(shù)十億噸物質(zhì)。當(dāng)這些帶電粒子到達(dá)地球時(shí)，可能引起地磁暴和極光現(xiàn)象。太陽風(fēng)太陽持續(xù)釋放的帶電粒子流，主要由質(zhì)子和電子組成，以約400-750公里/秒的速度向外擴(kuò)散。太陽風(fēng)與行星磁場(chǎng)的相互作用形成磁氣層，保護(hù)行星免受有害輻射。類地行星水星最靠近太陽的行星，直徑僅4,879公里，是太陽系最小的行星。由于幾乎沒有大氣，晝夜溫差極大，白天可達(dá)430°C，夜間低至-180°C。表面布滿撞擊坑，與月球外觀相似。金星體積和質(zhì)量與地球相近，被稱為地球的"姊妹星"。厚重的大氣層主要由二氧化碳組成，造成極強(qiáng)的溫室效應(yīng)，表面溫度高達(dá)460°C，是太陽系最熱的行星。表面氣壓是地球的92倍。地球唯一已知有生命存在的行星。適宜的溫度、水循環(huán)和氧氣豐富的大氣為生命提供了理想環(huán)境。擁有活躍的板塊構(gòu)造和強(qiáng)大的磁場(chǎng)，保護(hù)生命免受太陽輻射傷害?；鹦羌t色行星，表面富含氧化鐵。有明顯的季節(jié)變化，極冠隨季節(jié)擴(kuò)大和縮小。表面有干涸的河道和湖泊痕跡，證明曾有液態(tài)水存在。是人類探索和可能殖民的首要目標(biāo)。地球：生命之家物理特性直徑：12,742公里質(zhì)量：5.97×10^24千克平均密度：5.51克/立方厘米表面重力：9.8米/秒^2地質(zhì)活動(dòng)活躍的板塊構(gòu)造火山活動(dòng)和地震侵蝕和風(fēng)化過程約46億年的地質(zhì)歷史大氣與水大氣成分：78%氮，21%氧，1%其他表面71%被水覆蓋完整的水循環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)溫度的溫室效應(yīng)生命保護(hù)磁場(chǎng)抵御太陽風(fēng)臭氧層阻擋紫外線適宜的溫度范圍穩(wěn)定的環(huán)境條件月球：地球的伴侶384,400公里月地距離平均距離，實(shí)際上月球軌道是橢圓形的3,474公里月球直徑約為地球直徑的四分之一27.3天自轉(zhuǎn)周期與公轉(zhuǎn)周期相同，因此總是同一面對(duì)著地球1969年首次載人登月阿波羅11號(hào)任務(wù)中，尼爾·阿姆斯特朗成為首位踏上月球的人類月球形成的主流理論是巨型撞擊假說：約45億年前，一個(gè)火星大小的天體與原始地球相撞，碰撞產(chǎn)生的碎片在地球周圍形成環(huán)，最終聚集成月球。月球?qū)Φ厍蛴绊懼卮?，它產(chǎn)生的潮汐力穩(wěn)定了地球自轉(zhuǎn)軸，為地球生命的演化創(chuàng)造了穩(wěn)定環(huán)境。火星：下一個(gè)人類目的地地理特征擁有太陽系最高的山脈奧林匹斯山（高21.9公里），以及巨大的峽谷系統(tǒng)水手峽谷（長(zhǎng)4,000公里）。南北兩極有季節(jié)性變化的冰蓋，主要由水冰和干冰組成。時(shí)間周期一個(gè)火星日（稱為"日"）長(zhǎng)24.6小時(shí)，接近地球日。一個(gè)火星年為687個(gè)地球日，約是地球年的兩倍。由于自轉(zhuǎn)軸傾斜25.2°，火星也有明顯的四季變化。衛(wèi)星系統(tǒng)擁有兩顆小型不規(guī)則衛(wèi)星：火衛(wèi)一（恐怖）和火衛(wèi)二（恐懼）。它們可能是被火星引力捕獲的小行星，直徑分別只有22公里和12公里，呈馬鈴薯形狀。探測(cè)任務(wù)是除地球外探測(cè)最多的行星，已有多國(guó)探測(cè)器成功著陸，包括美國(guó)的好奇號(hào)、毅力號(hào)和中國(guó)的天問一號(hào)。這些任務(wù)尋找過去生命跡象，并為未來人類登陸做準(zhǔn)備。巨行星質(zhì)量（地球質(zhì)量）直徑（地球直徑）衛(wèi)星數(shù)量太陽系外行星主要分為氣態(tài)巨行星（木星、土星）和冰巨行星（天王星、海王星）。與類地行星不同，巨行星沒有固體表面，而是由氣體逐漸過渡到液態(tài)和可能的固態(tài)核心。這些巨行星在太陽系形成過程中起到了"宇宙清道夫"的作用，吸引并捕獲了許多小天體，減少了撞擊內(nèi)行星的可能性。木星：氣態(tài)巨行星之王物理特性直徑139,820公里，是地球的11倍；質(zhì)量是地球的318倍，占太陽系所有行星總質(zhì)量的70%以上。主要由氫（約90%）和氦（約10%）組成，可能有一個(gè)巖石核心。大紅斑木星南半球的巨大風(fēng)暴系統(tǒng)，已持續(xù)至少300年，大小足以容納兩到三個(gè)地球。這個(gè)反氣旋風(fēng)暴是太陽系中最大的氣象現(xiàn)象，風(fēng)速可達(dá)每小時(shí)640公里。衛(wèi)星系統(tǒng)擁有79顆已知衛(wèi)星，其中伽利略衛(wèi)星（木衛(wèi)一至木衛(wèi)四）最為著名。木衛(wèi)二（歐羅巴）表面覆蓋冰層，下面可能有液態(tài)海洋；木衛(wèi)一（艾奧）是太陽系火山活動(dòng)最活躍的天體。磁場(chǎng)與輻射磁場(chǎng)強(qiáng)度是地球的14倍，磁層是太陽系最大的結(jié)構(gòu)之一，如果肉眼可見，從地球看起來比滿月還大。產(chǎn)生的輻射帶對(duì)探測(cè)器和未來人類探索構(gòu)成挑戰(zhàn)。土星：環(huán)之美基本數(shù)據(jù)直徑116,460公里，質(zhì)量是地球的95倍。雖然體積巨大，但平均密度只有0.69克/立方厘米，小于水的密度，是太陽系中唯一平均密度小于水的行星。理論上，如果有足夠大的水體，土星會(huì)漂浮。壯觀環(huán)系土星環(huán)是太陽系中最醒目的行星環(huán)。環(huán)系由數(shù)十億塊冰塊和巖石碎片組成，大小從微塵到數(shù)米不等。環(huán)系寬度達(dá)282,000公里，但厚度驚人地薄，僅約20米，類似于一張紙的比例。特殊衛(wèi)星土星擁有82顆已知衛(wèi)星。泰坦是最大的衛(wèi)星，直徑5,150公里，大于水星，是唯一擁有濃密大氣的衛(wèi)星。恩克拉多斯較小但引人注目，其南極有水汽噴發(fā)現(xiàn)象，暗示地下可能存在液態(tài)水。大氣活動(dòng)土星表面可見條紋狀云帶，盡管不如木星明顯。周期性出現(xiàn)的巨大風(fēng)暴被稱為"大白斑"。土星北極有一個(gè)獨(dú)特的六邊形云團(tuán)結(jié)構(gòu)，每邊長(zhǎng)約14,500公里，這種現(xiàn)象在太陽系中獨(dú)一無二。天王星與海王星天王星特點(diǎn)最獨(dú)特的特征是其自轉(zhuǎn)軸傾斜度高達(dá)98度，幾乎與軌道平面平行，像是"側(cè)躺"著圍繞太陽公轉(zhuǎn)。這可能是由于早期大型天體的撞擊造成的。表面呈現(xiàn)淡青色，由于大氣中的甲烷吸收紅光。盡管體積巨大，但在沒有望遠(yuǎn)鏡的情況下肉眼幾乎不可見，這也是為什么它直到1781年才被威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)。擁有系統(tǒng)的行星環(huán)，雖然沒有土星環(huán)顯眼，但在紅外線觀測(cè)下清晰可見。天王星的27顆衛(wèi)星都以莎士比亞和亞歷山大·蒲柏作品中的角色命名。海王星特點(diǎn)在數(shù)學(xué)計(jì)算指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)，而不是通過偶然觀測(cè)，是科學(xué)預(yù)測(cè)的偉大勝利。1846年，勒維耶和亞當(dāng)斯分別計(jì)算出天王星軌道異?？赡苁怯梢粋€(gè)未知行星引力造成的。表面呈深藍(lán)色，同樣是由于大氣中甲烷的吸收。擁有太陽系風(fēng)速最高的行星，"大黑斑"風(fēng)暴中的風(fēng)速可達(dá)每小時(shí)2,100公里，超過地球上最強(qiáng)颶風(fēng)的5倍。主要由"冰"構(gòu)成——水、氨和甲烷的混合物，但核心可能有巖石成分。最大的衛(wèi)星海衛(wèi)一（特里同）是唯一一個(gè)逆行運(yùn)動(dòng)的大型衛(wèi)星，表明它可能是被捕獲的柯伊伯帶天體。矮行星與小天體冥王星曾經(jīng)的第九大行星，2006年被重新歸類為矮行星。直徑約2,370公里，表面有心形區(qū)域（湯博區(qū)）和山脈、冰原。擁有5顆衛(wèi)星，最大的是冥衛(wèi)一（卡戎），直徑達(dá)冥王星的一半以上。谷神星最大的小行星，也是唯一被歸類為矮行星的小行星帶天體。直徑約940公里，占小行星帶總質(zhì)量的三分之一。表面有明亮區(qū)域，可能是鹽類礦物沉積，以及一座高達(dá)4公里的孤山阿胡納山。彗星由冰、塵埃和巖石組成的小天體，接近太陽時(shí)表面物質(zhì)升華形成彗發(fā)和彗尾。大多來自?shī)W爾特云和柯伊伯帶。最著名的是哈雷彗星，約76年回歸一次，下次回歸將在2061年。太陽系探索史11610年伽利略·伽利雷首次使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天空，發(fā)現(xiàn)木星的四顆最大衛(wèi)星（現(xiàn)稱為伽利略衛(wèi)星）和金星的相位變化，提供了日心說的有力證據(jù)。1781年威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)天王星，這是自古以來已知行星之外的首個(gè)發(fā)現(xiàn)，極大擴(kuò)展了太陽系的已知邊界。后續(xù)還發(fā)現(xiàn)了海王星（1846年）和冥王星（1930年）。1977年旅行者1號(hào)和2號(hào)探測(cè)器發(fā)射，完成了木星、土星、天王星和海王星的首次近距離觀測(cè)，被稱為"太陽系大巡游"。旅行者1號(hào)于2012年成為首個(gè)進(jìn)入星際空間的人造物體。2006-2021年新視野號(hào)探測(cè)冥王星，成為首個(gè)觀測(cè)這顆遙遠(yuǎn)天體的探測(cè)器。2021年，美國(guó)毅力號(hào)和中國(guó)天問一號(hào)先后在火星著陸，開啟新一輪深空探測(cè)熱潮。恒星：宇宙的明燈恒星的本質(zhì)恒星是自發(fā)光的氣態(tài)天體，通過核心的核聚變反應(yīng)產(chǎn)生能量。典型恒星由74%的氫、24%的氦和2%的其他重元素組成。恒星的能量主要通過輻射和對(duì)流從核心向外傳遞，最終以電磁輻射形式釋放到太空。恒星的數(shù)量?jī)H銀河系中就有驚人的1000-4000億顆恒星，而可觀測(cè)宇宙中的恒星總數(shù)估計(jì)在10^22至10^24顆之間。這個(gè)數(shù)字大得難以想象，比地球上所有沙灘的沙?？倲?shù)還要多。恒星的形成恒星誕生于分子云中，當(dāng)這些氣體和塵埃云因自身引力而塌縮時(shí)，形成原恒星。隨著引力繼續(xù)壓縮原恒星，中心溫度和壓力上升，最終達(dá)到啟動(dòng)氫聚變反應(yīng)的條件，一顆新恒星就此誕生。恒星的多樣性恒星有各種顏色、大小和溫度。最小的紅矮星直徑不到太陽的十分之一，而最大的超巨星直徑可達(dá)太陽的1000倍以上。恒星壽命從數(shù)百萬年到數(shù)萬億年不等，取決于其質(zhì)量和核聚變速率。恒星的分類恒星主要按照表面溫度和光譜特征分類，從高溫到低溫依次為O、B、A、F、G、K、M，天文學(xué)家用助記詞"OhBeAFineGirl/Guy,KissMe"來記憶這一順序。O型恒星溫度最高（30,000-60,000K），呈藍(lán)色；B型（10,000-30,000K）呈藍(lán)白色；A型（7,500-10,000K）呈白色；F型（6,000-7,500K）呈黃白色；G型（5,000-6,000K）如我們的太陽，呈黃色；K型（3,500-5,000K）呈橙色；M型（2,000-3,500K）呈紅色，溫度最低。恒星的生命周期恒星誕生起始于星際介質(zhì)中的氣體和塵埃云，稱為分子云。在自身引力作用下，云團(tuán)開始塌縮，中心區(qū)域形成致密核心，稱為原恒星。當(dāng)核心溫度達(dá)到約1000萬°C時(shí)，氫開始聚變?yōu)楹?，恒星正?點(diǎn)火"。主序星階段恒星生命的主要階段，占其壽命的90%左右。在這一階段，恒星核心的氫穩(wěn)定聚變?yōu)楹ぃ尫啪薮竽芰浚_(dá)到引力與熱壓力的平衡。太陽目前處于這一階段，預(yù)計(jì)還有約50億年的主序期。巨星階段當(dāng)核心氫燃料耗盡，氦核心周圍的氫殼層繼續(xù)聚變，恒星外層膨脹，成為紅巨星或超巨星。類太陽質(zhì)量的恒星將膨脹到目前直徑的數(shù)百倍。在這一階段，核心溫度足夠高時(shí)，開始氦聚變，產(chǎn)生碳和氧。恒星死亡低質(zhì)量恒星（<8倍太陽質(zhì)量）最終拋射外層形成行星狀星云，留下白矮星殘核。大質(zhì)量恒星經(jīng)歷超新星爆發(fā)，可能形成中子星（10-29倍太陽質(zhì)量）或黑洞（>30倍太陽質(zhì)量）。這些爆發(fā)將重元素散布到宇宙中，為新一代恒星和行星提供原料。恒星的多樣性變星亮度周期性變化的恒星。包括造父變星（用作測(cè)距標(biāo)準(zhǔn)燭光）、食變星（雙星互相掩食）和脈動(dòng)變星（體積周期性變化）。變星的研究幫助我們了解恒星結(jié)構(gòu)和演化，以及測(cè)量宇宙距離。雙星系統(tǒng)兩顆恒星圍繞共同質(zhì)心運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。實(shí)際上，宇宙中超過一半的恒星是雙星或多星系統(tǒng)的一部分。著名的雙星包括天狼星系統(tǒng)和半人馬座α。這些系統(tǒng)對(duì)研究恒星質(zhì)量和演化極為重要。超新星大質(zhì)量恒星的壯觀死亡，在幾天內(nèi)釋放的能量相當(dāng)于太陽整個(gè)壽命的總和。超新星1987A是近代觀測(cè)到的最近超新星，發(fā)生在大麥哲倫云中。這些爆發(fā)對(duì)宇宙化學(xué)演化至關(guān)重要，產(chǎn)生了大部分重元素。黑洞：時(shí)空的扭曲定義黑洞是時(shí)空中引力極其強(qiáng)大的區(qū)域，強(qiáng)到光都無法逃脫。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，黑洞是極端密集物質(zhì)導(dǎo)致時(shí)空嚴(yán)重彎曲的結(jié)果。任何越過特定邊界（事件視界）的物質(zhì)或輻射都將被永遠(yuǎn)困在其中。事件視界黑洞的"無回點(diǎn)"，一旦越過此邊界，即使光也無法逃脫。事件視界并非物理表面，而是時(shí)空中的一個(gè)邊界。對(duì)于非旋轉(zhuǎn)黑洞，事件視界半徑（史瓦西半徑）與黑洞質(zhì)量成正比。太陽質(zhì)量黑洞的事件視界半徑約為3公里。奇點(diǎn)黑洞中心理論上存在的無限密度點(diǎn)，在這里已知物理規(guī)律崩潰。根據(jù)量子引力理論，真正的奇點(diǎn)可能不存在，但需要統(tǒng)一量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的理論來描述這一區(qū)域。觀測(cè)證據(jù)2019年，事件視界望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)發(fā)布了人類首張黑洞照片，展示了M87星系中心超大質(zhì)量黑洞的陰影和光環(huán)。2022年，又發(fā)布了銀河系中心黑洞人馬座A*的照片。黑洞也通過X射線輻射、引力波探測(cè)和恒星軌道等間接方法被觀測(cè)到。銀河系：我們的宇宙島10萬光年直徑從一端到另一端的距離，相當(dāng)于光需要10萬年才能橫穿銀河系2.6萬光年太陽距中心位于獵戶臂上，距銀河系中心約2.6萬光年1000-4000億恒星數(shù)量銀河系中恒星的估計(jì)數(shù)量，還包含數(shù)十億的行星系統(tǒng)400億倍中央黑洞質(zhì)量人馬座A*的質(zhì)量約為太陽的400萬倍銀河系是一個(gè)巨大的棒旋星系，具有明顯的核球、盤面和漂亮的旋臂結(jié)構(gòu)。從上方看，可以觀察到四條主要旋臂：英仙臂、天鵝臂、人馬臂和獵戶臂（我們所在的支臂）。銀河系以約220公里/秒的速度繞中心旋轉(zhuǎn)，太陽系完成一圈公轉(zhuǎn)需要約2.3億年，稱為一個(gè)"銀河年"。銀河系的結(jié)構(gòu)暈包圍整個(gè)銀河系的球形區(qū)域，含有古老的球狀星團(tuán)和大量暗物質(zhì)旋臂恒星形成活躍區(qū)域，含年輕恒星、塵埃和氣體云盤面厚度約1000光年的扁平結(jié)構(gòu)，包含大部分恒星、氣體和塵埃核球中心密集區(qū)域，直徑約1萬光年，含老年恒星和中央超大質(zhì)量黑洞銀河系是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，不同組成部分以不同速度運(yùn)動(dòng)。盤面每天自轉(zhuǎn)一次，形成我們看到的日升日落。盤面中的恒星按照近似圓形軌道繞中心運(yùn)行，而暈中的恒星則沿高度橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，可能深入銀河系內(nèi)部然后再遠(yuǎn)離。銀河系的結(jié)構(gòu)受到暗物質(zhì)的強(qiáng)烈影響，這些看不見的物質(zhì)構(gòu)成了一個(gè)巨大的球形暈，它的引力對(duì)恒星的運(yùn)動(dòng)和銀河系整體穩(wěn)定性至關(guān)重要。銀河系的探索銀道面視角從地球上，我們是從內(nèi)部觀察銀河系，看到的是銀道面的邊緣——一條穿過夜空的明亮帶狀結(jié)構(gòu)。這就像是在森林中心向四周望去，看到的是四面八方的樹木形成的"墻"。因此，我們對(duì)銀河系整體形狀的認(rèn)識(shí)主要來自間接測(cè)量和推斷。塵埃遮擋銀河系中的塵埃遮擋了約70%的可見光，使我們無法直接觀察銀河系的許多區(qū)域，尤其是中心區(qū)域。為克服這一限制，天文學(xué)家使用射電波、紅外線和X射線等可以穿透塵埃的波長(zhǎng)進(jìn)行觀測(cè)，獲取更完整的銀河系圖像?，F(xiàn)代探測(cè)歐洲空間局的蓋亞衛(wèi)星正在繪制迄今為止最詳細(xì)的銀河系三維地圖，測(cè)量超過10億顆恒星的位置和運(yùn)動(dòng)。通過這些數(shù)據(jù)，科學(xué)家能更精確地了解銀河系的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和演化歷史，包括其與周圍衛(wèi)星星系的相互作用。未來碰撞約45億年后，銀河系將與鄰近的仙女座星系（M31）相撞，形成一個(gè)更大的橢圓星系。這一壯觀的天體碰撞過程將持續(xù)數(shù)億年，盡管星系合并，但恒星間距離巨大，恒星之間的直接碰撞概率極低。這將徹底改變我們的本地宇宙環(huán)境。星系的多樣性橢圓星系形狀從近球形到高度扁平的橢球體，缺乏明顯結(jié)構(gòu)，恒星運(yùn)動(dòng)方向混亂。主要由老年恒星組成，星際氣體和塵埃稀少，恒星形成活動(dòng)很少。包括宇宙中最大的星系，如巨橢星系M87，其直徑可達(dá)數(shù)百萬光年。旋渦星系盤狀結(jié)構(gòu)，有明顯的旋臂從中心向外延伸。旋臂中包含年輕恒星、恒星形成區(qū)和豐富的氣體與塵埃。根據(jù)有無中央棒狀結(jié)構(gòu)，分為普通旋渦星系(Sc)和棒旋星系(SBc)。銀河系和仙女座星系都屬于這一類型。不規(guī)則星系缺乏對(duì)稱性和規(guī)則形狀的星系，通常體積較小。許多不規(guī)則星系是星系碰撞或潮汐作用的結(jié)果。大小麥哲倫云是最近的兩個(gè)不規(guī)則星系，它們實(shí)際上是銀河系的衛(wèi)星星系。不規(guī)則星系通常含有豐富的氣體和活躍的恒星形成區(qū)。星系的形成與演化宇宙初期密度波動(dòng)宇宙大爆炸后約38萬年，宇宙微波背景輻射中的微小溫度波動(dòng)反映了物質(zhì)分布的細(xì)微不均勻性。這些初始密度波動(dòng)是星系形成的種子。暗物質(zhì)暈的形成在引力作用下，密度略高的區(qū)域吸引更多物質(zhì)，首先形成暗物質(zhì)暈。這些看不見的結(jié)構(gòu)提供了引力"骨架"，普通物質(zhì)隨后向這些區(qū)域聚集。氣體冷卻和恒星形成普通物質(zhì)（主要是氫和氦氣體）流入暗物質(zhì)暈，在引力壓縮下逐漸冷卻并形成致密云團(tuán)。當(dāng)這些云團(tuán)密度足夠高時(shí)，引發(fā)恒星形成，最早的星系開始發(fā)光。星系合并和演化早期的小星系通過引力相互吸引并合并，形成更大的結(jié)構(gòu)。星系也通過吸收周圍氣體和小星系而增長(zhǎng)。星系之間的相互作用可能改變它們的形態(tài)，如旋渦星系碰撞后可能演變?yōu)闄E圓星系。星系團(tuán)與超星系團(tuán)恒星星系星系團(tuán)超星系團(tuán)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)星系并非孤立存在，而是在引力作用下形成更大的結(jié)構(gòu)。星系團(tuán)是由數(shù)十到數(shù)千個(gè)星系通過引力束縛在一起的系統(tǒng)。例如，本星系群包括銀河系、仙女座星系在內(nèi)的50多個(gè)星系，而更大的室女座星系團(tuán)包含約1,500個(gè)星系，距離我們約5,300萬光年。超星系團(tuán)是多個(gè)星系團(tuán)的集合，形成宇宙中的巨型結(jié)構(gòu)。我們所在的拉尼亞凱亞超星系團(tuán)跨度約5.2億光年，包含約100,000個(gè)星系。這些龐大結(jié)構(gòu)組成了宇宙的"宇宙網(wǎng)"，沿著暗物質(zhì)分布形成的引力骨架排列。宇宙大尺度結(jié)構(gòu)宇宙網(wǎng)絡(luò)宇宙中的物質(zhì)并非均勻分布，而是形成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種被稱為"宇宙網(wǎng)"的結(jié)構(gòu)包括星系絲（星系集中的區(qū)域）、星系墻（星系形成的片狀結(jié)構(gòu)）和星系空隙（幾乎沒有星系的巨大區(qū)域）。這一結(jié)構(gòu)形成于宇宙早期的微小密度擾動(dòng)，在暗物質(zhì)的引力作用下逐漸放大。計(jì)算機(jī)模擬顯示，如果從足夠遠(yuǎn)的距離觀察，整個(gè)宇宙看起來像一個(gè)巨大的海綿或蜂窩結(jié)構(gòu)。宇宙中的巨型結(jié)構(gòu)天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多令人驚嘆的巨型結(jié)構(gòu)。CfA長(zhǎng)城是最早發(fā)現(xiàn)的大型星系墻之一，長(zhǎng)約5億光年。更大的史隆長(zhǎng)城延伸約14億光年，是目前已知最大的連續(xù)結(jié)構(gòu)之一。博埃特空洞是宇宙中最大的已知"空洞"之一，直徑約3.3億光年，幾乎不含星系。這些巨型結(jié)構(gòu)的存在對(duì)我們理解宇宙演化和物質(zhì)分布有重要意義，也挑戰(zhàn)了宇宙學(xué)的某些假設(shè)。研究這些結(jié)構(gòu)幫助我們了解宇宙中的暗物質(zhì)分布，因?yàn)榭梢娦窍抵饕奂诎滴镔|(zhì)形成的引力"網(wǎng)"上。未來的大型巡天項(xiàng)目將繪制更詳細(xì)的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)圖。宇宙起源：大爆炸理論宇宙膨脹1929年，埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)星系正以與距離成正比的速度遠(yuǎn)離我們，表明整個(gè)宇宙正在膨脹。將這一膨脹反推回去，意味著宇宙起源于約138億年前的一個(gè)極高溫高密度狀態(tài)。宇宙微波背景輻射1964年，彭齊亞斯和威爾遜意外發(fā)現(xiàn)了來自宇宙各個(gè)方向的微弱輻射。這被解釋為大爆炸約38萬年后宇宙變得透明時(shí)釋放的光子，提供了宇宙早期高溫狀態(tài)的直接證據(jù)。輕元素豐度觀測(cè)到的宇宙中氫、氦和鋰的相對(duì)豐度與大爆炸理論預(yù)測(cè)的原初核合成產(chǎn)物一致。大約75%的氫和25%的氦是在大爆炸后最初幾分鐘內(nèi)形成的，這些比例無法用恒星核合成解釋。大爆炸理論描述的不是空間中的一次爆炸，而是空間本身的開始和膨脹。宇宙沒有中心點(diǎn)，每個(gè)觀察者都會(huì)看到其他星系遠(yuǎn)離自己。這一理論已成為現(xiàn)代宇宙學(xué)的基石，雖然仍有未解答的問題，但它是目前最能解釋宇宙起源和演化的科學(xué)理論。宇宙早期歷史1普朗克時(shí)代從0到10^-43秒，是宇宙歷史最早的階段。溫度和密度極高，四種基本力可能統(tǒng)一為一種力。這一時(shí)期需要量子引力理論才能描述，目前的物理理論在此失效。大統(tǒng)一時(shí)代從10^-43秒到10^-36秒，引力首先分離出來，其余三種力仍統(tǒng)一。溫度約10^28開爾文，宇宙處于高度對(duì)稱狀態(tài)。暴脹時(shí)期從10^-36秒到10^-32秒，宇宙體積急劇膨脹，增長(zhǎng)至少10^26倍。這解釋了宇宙的平坦性和均勻性，并將量子漲落放大為今天觀察到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的種子?？淇藭r(shí)代從10^-12秒開始，宇宙冷卻到允許夸克形成的溫度。隨后夸克結(jié)合形成質(zhì)子和中子。到宇宙約3分鐘大時(shí)，開始形成最早的原子核，主要是氫和氦。從大爆炸到今天38萬年：原子形成宇宙冷卻到約3000開，電子與原子核結(jié)合形成中性原子。光子不再持續(xù)散射，宇宙變得透明，釋放出今天觀測(cè)到的宇宙微波背景輻射。1億年：第一批恒星重力引起氣體云塌縮，形成第一代恒星。這些早期恒星質(zhì)量巨大，壽命短暫，死亡時(shí)的超新星爆發(fā)產(chǎn)生了除氫和氦外的更重元素。10億年：星系形成原始星系通過合并和吸收氣體逐漸形成。最初的星系比現(xiàn)在的小得多，通過不斷并合和成長(zhǎng)形成今天觀測(cè)到的星系。90億年：太陽系形成在宇宙存在約90億年后，我們的太陽和太陽系形成。地球上的生命在隨后的10億年內(nèi)出現(xiàn)，并經(jīng)過漫長(zhǎng)的演化過程。宇宙微波背景輻射意外發(fā)現(xiàn)1964年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在為貝爾實(shí)驗(yàn)室測(cè)試微波接收器時(shí)，發(fā)現(xiàn)了來自宇宙各個(gè)方向的微弱輻射。他們最初以為這是設(shè)備故障或鳥糞干擾，但最終證實(shí)這是來自宇宙早期的輻射，并因此獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。輻射特性宇宙微波背景輻射溫度極其均勻，約為2.7開爾文（-270.3攝氏度）。它幾乎完全符合黑體輻射譜，高度統(tǒng)一地分布在整個(gè)天空。輻射中存在微小的溫度波動(dòng)，僅約百萬分之一的差異，反映了宇宙早期物質(zhì)分布的細(xì)微不均勻性。重要意義這一輻射被譽(yù)為"大爆炸的余輝"，提供了宇宙誕生于高溫高密度狀態(tài)的直接證據(jù)。通過精確測(cè)量背景輻射的特性，科學(xué)家能夠確定宇宙的年齡、組成和幾何形狀等基本參數(shù)，并檢驗(yàn)宇宙學(xué)模型的預(yù)測(cè)。COBE、WMAP和普朗克等空間探測(cè)器詳細(xì)測(cè)量了宇宙微波背景輻射的溫度漲落，這些漲落是今日宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的種子。微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)和研究是現(xiàn)代宇宙學(xué)最重要的成就之一，為我們理解宇宙的起源和演化提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。宇宙膨脹哈勃定律是宇宙學(xué)最基本的發(fā)現(xiàn)之一，表明星系退行速度與距離成正比。這種關(guān)系通過測(cè)量星系光譜的紅移來確定，紅移是由于光波被空間膨脹拉伸而波長(zhǎng)增加的現(xiàn)象。哈勃常數(shù)描述了這種膨脹的速率，目前的測(cè)量值約為每秒73公里/兆秒差距。1998年，通過觀測(cè)Ia型超新星，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹不僅沒有減慢，反而在加速。這一驚人發(fā)現(xiàn)表明存在一種神秘的"暗能量"，它產(chǎn)生一種排斥力，推動(dòng)空間加速膨脹。暗能量占宇宙總質(zhì)能的約68%，其本質(zhì)仍是現(xiàn)代物理學(xué)最大的謎團(tuán)之一。暗物質(zhì)之謎存在證據(jù)星系旋轉(zhuǎn)曲線、星系團(tuán)中熱氣體分布、引力透鏡效應(yīng)和宇宙微波背景輻射都顯示存在比可見物質(zhì)多得多的看不見質(zhì)量基本特性不吸收、發(fā)射或反射電磁輻射，僅通過引力作用被探測(cè)到；占宇宙質(zhì)能的約27%；形成宇宙中的"宇宙網(wǎng)"骨架2可能候選弱相互作用大質(zhì)量粒子(WIMP)、軸子、原初黑洞等多種理論候選，尚未被直接探測(cè)到3探測(cè)努力利用地下深處的超敏感探測(cè)器捕捉與普通物質(zhì)的罕見相互作用；粒子加速器尋找創(chuàng)造暗物質(zhì)粒子的證據(jù)暗能量之謎暗能量的發(fā)現(xiàn)1998年，兩個(gè)獨(dú)立研究小組通過觀測(cè)遠(yuǎn)方Ia型超新星，發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)星系的退行速度比哈勃定律預(yù)測(cè)的更快。這表明宇宙膨脹正在加速，而非預(yù)期的減速。這一發(fā)現(xiàn)震驚科學(xué)界，暗示存在一種神秘的能量形式推動(dòng)空間加速膨脹。2011年，超新星觀測(cè)的帶頭人索爾·珀?duì)栺R特、布萊恩·施密特和亞當(dāng)·里斯因這一發(fā)現(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。暗能量的存在現(xiàn)已通過多種獨(dú)立觀測(cè)得到證實(shí)，包括宇宙微波背景輻射、重子聲波振蕩和星系團(tuán)的演化。暗能量的性質(zhì)暗能量占宇宙總質(zhì)能的約68%，比暗物質(zhì)和普通物質(zhì)的總和還多。與物質(zhì)不同，暗能量密度在宇宙膨脹過程中似乎保持恒定，這使它在宇宙晚期占據(jù)主導(dǎo)地位。暗能量的本質(zhì)仍是現(xiàn)代物理學(xué)最大的謎團(tuán)之一。最簡(jiǎn)單的模型將暗能量視為真空能量或宇宙學(xué)常數(shù)，但其觀測(cè)值與量子場(chǎng)論預(yù)測(cè)相差120個(gè)數(shù)量級(jí)，這是物理學(xué)中最嚴(yán)重的理論與觀測(cè)不符。其他候選包括第五種基本力（稱為"精神力"）或修改引力理論。暗能量的性質(zhì)將決定宇宙的最終命運(yùn)?，F(xiàn)代天文觀測(cè)技術(shù)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡探測(cè)可見光波段（400-700納米），是最傳統(tǒng)也最常見的天文觀測(cè)工具?，F(xiàn)代大型光學(xué)望遠(yuǎn)鏡采用主鏡直徑超過8米的反射式設(shè)計(jì)，并配備自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)以消除大氣擾動(dòng)。著名的有夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡、智利的超大望遠(yuǎn)鏡等。射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)無線電波（毫米至米級(jí)波長(zhǎng)），能穿透星際塵埃和地球大氣，觀測(cè)宇宙中的中性氫、分子云和脈沖星等。單口徑最大的是中國(guó)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）。多臺(tái)小型望遠(yuǎn)鏡組成的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量（VLBI）網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)超高分辨率。高能天文臺(tái)探測(cè)X射線和伽馬射線等高能輻射，揭示宇宙中最極端和暴力的過程，如黑洞吸積、超新星爆發(fā)和伽馬射線暴。由于地球大氣阻擋這些輻射，高能望遠(yuǎn)鏡必須部署在太空中，如錢德拉X射線天文臺(tái)和費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡。地基天文臺(tái)選址考量現(xiàn)代地基天文臺(tái)通常建在高山頂部、干燥地區(qū)或偏遠(yuǎn)島嶼，以減少大氣擾動(dòng)和光污染影響。智利的阿塔卡馬沙漠和夏威夷的莫納克亞山因大氣穩(wěn)定性而成為最佳天文觀測(cè)地點(diǎn)，聚集了世界上最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡。大型光學(xué)設(shè)施現(xiàn)代光學(xué)望遠(yuǎn)鏡采用巨大的主鏡收集微弱星光。超大望遠(yuǎn)鏡（VLT）由四臺(tái)8.2米望遠(yuǎn)鏡組成，可聯(lián)合工作。為克服制造單塊大鏡面的技術(shù)限制，新一代望遠(yuǎn)鏡如凱克望遠(yuǎn)鏡使用馬賽克鏡面設(shè)計(jì)，由多個(gè)六邊形鏡片拼接而成。射電天文設(shè)施中國(guó)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）是世界最大單口徑望遠(yuǎn)鏡，靈敏度是前一紀(jì)錄保持者阿雷西博望遠(yuǎn)鏡的2.5倍。甚大陣列（VLA）由27臺(tái)25米天線組成，可形成不同配置以兼顧分辨率和靈敏度。未來巨型設(shè)施正在建設(shè)的三十米望遠(yuǎn)鏡（TMT）和極大望遠(yuǎn)鏡（ELT）主鏡直徑分別達(dá)30米和39米，將比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡收集到多達(dá)200倍的光線。平方公里陣列（SKA）建成后將是世界最大的射電望遠(yuǎn)鏡，其靈敏度和分辨率將實(shí)現(xiàn)前所未有的突破。太空望遠(yuǎn)鏡詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡2021年發(fā)射，6.5米主鏡，主要觀測(cè)紅外波段哈勃太空望遠(yuǎn)鏡1990年發(fā)射，2.4米主鏡，觀測(cè)紫外到近紅外波段3錢德拉X射線天文臺(tái)1999年發(fā)射，探測(cè)高能X射線源4斯皮策紅外太空望遠(yuǎn)鏡2003-2020年運(yùn)行，85厘米主鏡，專注于紅外觀測(cè)相比地基望遠(yuǎn)鏡，太空望遠(yuǎn)鏡的主要優(yōu)勢(shì)是避開了地球大氣干擾。大氣不僅吸收某些波長(zhǎng)的電磁輻射（如大部分紅外線、紫外線、X射線和伽馬射線），還會(huì)導(dǎo)致光學(xué)成像模糊。太空望遠(yuǎn)鏡能夠進(jìn)行24小時(shí)不間斷觀測(cè)，不受晝夜和天氣變化影響。哈勃太空望遠(yuǎn)鏡是有史以來最成功的天文任務(wù)之一，徹底改變了我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡作為哈勃的繼任者，其強(qiáng)大的紅外能力將能夠觀測(cè)宇宙第一批恒星和星系的光芒，并研究系外行星大氣。未來的羅曼太空望遠(yuǎn)鏡將研究暗能量和系外行星，進(jìn)一步拓展我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。行星探測(cè)任務(wù)探測(cè)器發(fā)射時(shí)間目標(biāo)主要成就旅行者1號(hào)和2號(hào)1977年木土天海及星際空間完成"太陽系大巡游"，首個(gè)進(jìn)入星際空間的人造物體好奇號(hào)2011年火星發(fā)現(xiàn)火星曾適合微生物生存的證據(jù)卡西尼號(hào)1997年土星系統(tǒng)詳細(xì)研究土星環(huán)和衛(wèi)星，發(fā)現(xiàn)恩克拉多斯有液態(tài)水新視野號(hào)2006年冥王星及柯伊伯帶首次近距離探測(cè)冥王星，揭示其復(fù)雜地形朱諾號(hào)2011年木星研究木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、大氣成分和磁場(chǎng)毅力號(hào)2020年火星尋找古代生命跡象，收集樣本待返回地球引力波天文學(xué)2015年首次探測(cè)LIGO探測(cè)到歷史性的GW150914信號(hào)，來自兩個(gè)黑洞合并1.3億光年GW170817距離首次探測(cè)到的中子星合并事件距離36個(gè)確認(rèn)事件截至2022年LIGO-Virgo-KAGRA合作組確認(rèn)的引力波事件數(shù)量2017年諾貝爾獎(jiǎng)基普·索恩、雷納·韋斯和巴里·巴里什因引力波探測(cè)獲獎(jiǎng)引力波是時(shí)空的漣漪，由加速質(zhì)量產(chǎn)生，以光速傳播。1916年愛因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)了引力波的存在，但直到一個(gè)世紀(jì)后才被直接探測(cè)到。LIGO（激光干涉引力波天文臺(tái)）利用精密激光干涉儀測(cè)量引力波導(dǎo)致的極微小空間變化，靈敏度可達(dá)原子核直徑的一小部分。引力波天文學(xué)開啟了"多信使天文學(xué)"新時(shí)代，允許科學(xué)家同時(shí)通過電磁波和引力波觀測(cè)宇宙事件。未來的太空引力波探測(cè)器LISA將能探測(cè)到頻率更低的引力波，探索更多類型的宇宙事件，如超大質(zhì)量黑洞合并。太空探索新時(shí)代重返月球NASA的阿爾忒彌斯計(jì)劃(ArtemisProgram)旨在2025年前重新將宇航員送上月球表面，并在月球南極建立可持續(xù)存在。這次不再只是"到此一游"，而是建立長(zhǎng)期月球基地，為深空探索積累經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，中國(guó)、俄羅斯、歐洲和印度等航天機(jī)構(gòu)也制定了雄心勃勃的月球計(jì)劃。國(guó)際探月站(Gateway)將是繞月軌道上的空間站，作為月球表面任務(wù)和更遠(yuǎn)探索的中轉(zhuǎn)站。私人公司如SpaceX也在積極參與，提供發(fā)射和著陸系統(tǒng)支持。火星與小行星載人火星探索是下一個(gè)大目標(biāo)，NASA計(jì)劃在2030年代實(shí)現(xiàn)，而SpaceX的目標(biāo)更為激進(jìn)。火星任務(wù)面臨的挑戰(zhàn)包括輻射防護(hù)、長(zhǎng)期微重力環(huán)境、心理健康和火星表面危險(xiǎn)等。就近的小行星也成為探索目標(biāo)，不僅有科學(xué)價(jià)值，還潛藏著豐富資源。小行星采礦可能成為太空經(jīng)濟(jì)的重要部分，一顆中等大小的富含稀有金屬的小行星價(jià)值可達(dá)數(shù)萬億美元。商業(yè)航天公司的興起正改變太空探索格局，降低進(jìn)入太空的成本，加速創(chuàng)新，并開拓新的商業(yè)模式，如太空旅游、衛(wèi)星服務(wù)和潛在的太空制造業(yè)。系外行星探索自1995年首顆系外行星被確認(rèn)以來，天文學(xué)家已發(fā)現(xiàn)超過5,000顆圍繞其他恒星運(yùn)行的行星。這些系外行星展現(xiàn)了令人驚訝的多樣性，包括"熱木星"（靠近恒星的巨型氣態(tài)行星）、"超級(jí)地球"（比地球大但比海王星小的巖石行星）和"迷你海王星"等類型。TRAPPIST-1系統(tǒng)特別引人注目，這是一個(gè)圍繞紅矮星運(yùn)行的七顆類地行星系統(tǒng)，其中多顆位于宜居帶——恒星周圍溫度適宜液態(tài)水存在的區(qū)域。開普勒太空望遠(yuǎn)鏡和凌日系外行星勘測(cè)衛(wèi)星(TESS)等任務(wù)已經(jīng)徹底改變了我們對(duì)行星系統(tǒng)普遍性的認(rèn)識(shí)，表明幾乎每顆恒星都有行星。未來的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡和地基超大望遠(yuǎn)鏡將能直接研究這些遙遠(yuǎn)世界的大氣成分。宇宙中的生命生命必要條件液態(tài)水作為通用溶劑碳基化學(xué)提供復(fù)雜分子適合的溫度范圍能量來源（陽光或化學(xué)能）穩(wěn)定環(huán)境足夠長(zhǎng)的時(shí)間太陽系潛在棲息地火星：曾有水，可能有地下生命歐羅巴：木衛(wèi)二，冰層下可能有液態(tài)海洋恩克拉多斯：土衛(wèi)二，有水汽噴發(fā)泰坦：土衛(wèi)六，有液態(tài)甲烷湖泊地球生命的極限極端嗜熱菌：生存在接近沸點(diǎn)溫度極地生物：適應(yīng)接近冰點(diǎn)環(huán)境深海生態(tài)系統(tǒng)：無陽光下生存輻射抗性生物：承受致命輻射搜尋外星智能生命SETI項(xiàng)目：搜尋人工無線電信號(hào)德雷克方程：估計(jì)可能文明數(shù)量系外行星大氣分析：尋找生命跡象費(fèi)米悖論：智能生命為何未被發(fā)現(xiàn)？宇宙的未來近期宇宙（現(xiàn)在-100億年）恒星和星系繼續(xù)形成和演化。太陽在約50億年后變?yōu)榧t巨星，膨脹到幾乎吞沒地球軌道。銀河系與仙女座星系在約45億年后開始碰撞，最終形成一個(gè)巨大的橢圓星系。簡(jiǎn)并時(shí)代（100億年-10^14年）恒星形成逐漸停止，銀河系中的恒星一顆接一顆死亡。宇宙將主要由白矮星、中子星和黑洞組成。行星系統(tǒng)解體，星系中的恒星要么被拋出，要么落入中心黑洞。黑洞時(shí)代（10^14年-10^40年）只有黑洞還活躍存在。通過霍金輻射，黑洞緩慢蒸發(fā)，質(zhì)量越小的黑洞蒸發(fā)越快。到這一時(shí)代結(jié)束，甚至最大的黑洞也會(huì)消失，宇宙中不再有大型天體。暗能量決定的最終命運(yùn)取決于暗能量的性質(zhì)，宇宙可能面臨三種命運(yùn)：大冷凍（永無止境地膨脹，溫度接近絕對(duì)零度）；大撕裂（加速膨脹最終撕裂所有結(jié)構(gòu)，甚至原子）；或大反彈（重新坍縮，可能引發(fā)新的大爆炸）。宇宙中的極端環(huán)境黑洞中心在黑洞奇點(diǎn)，密度理論上達(dá)到無限大，時(shí)空曲率極端扭曲。在這種情況下，我們已知的物理定律全部失效。事件視界附近，時(shí)間膨脹效應(yīng)變得極端，外部觀察者會(huì)看到接近事件視界的物體似乎"凍結(jié)"。中子星表面表面引力約為地球的100,000倍，密度極高，一茶匙物質(zhì)重達(dá)數(shù)億噸。磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)地球磁場(chǎng)的數(shù)萬億倍。表面溫度可達(dá)數(shù)百萬度，主要以X射線形式釋放能量。旋轉(zhuǎn)速度驚人，可達(dá)每秒數(shù)百轉(zhuǎn)。超新星爆發(fā)大質(zhì)量恒星生命終結(jié)時(shí)的劇烈爆炸，短時(shí)間內(nèi)釋放的能量可超過整個(gè)星系的亮度。核心溫度可達(dá)數(shù)十億度，足以合成鐵以上的重元素。沖擊波以數(shù)千公里每秒的速度擴(kuò)散，形成我們今天看到的超新星遺跡。類星體與活動(dòng)星系核由超大質(zhì)量黑洞吞噬物質(zhì)形成的宇宙最亮天體，亮度可達(dá)普通星系的數(shù)千倍。吸積盤溫度極高，輻射涵蓋從射電到伽馬射線的全波段。能量輸出巨大，足以影響整個(gè)宿主星系的演化。量子宇宙學(xué)量子力學(xué)與宇宙學(xué)的交叉量子宇宙學(xué)試圖將量子力學(xué)原理應(yīng)用于整個(gè)宇宙，特別是在極早期宇宙和黑洞等極端條件下。在普朗克尺度（約10^-35米）和普朗克時(shí)間（約10^-43秒）下，量子效應(yīng)變得與引力同等重要，需要超越經(jīng)典廣義相對(duì)論的理論。量子漲落根據(jù)海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理，真空中存在能量的微小隨機(jī)波動(dòng)，這些被稱為量子漲落。宇宙暴脹理論認(rèn)為，這些微小漲落被宇宙早期的快速膨脹放大，最終成為今天觀察到的宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的種子。宇宙微波背景輻射中的溫度波動(dòng)正是這些原始量子漲落的印記。霍金輻射史蒂芬·霍金預(yù)測(cè)黑洞不是完全黑的，而是會(huì)緩慢釋放輻射并最終蒸發(fā)。這一現(xiàn)象源于黑洞事件視界附近的量子效應(yīng)：虛粒子對(duì)不斷在真空中產(chǎn)生和湮滅，當(dāng)這種情況發(fā)生在事件視界附近時(shí)，一個(gè)粒子可能逃脫，而另一個(gè)落入黑洞，從外部觀察就像黑洞在發(fā)射輻射。量子多世界量子力學(xué)的哥本哈根解釋認(rèn)為，量子系統(tǒng)只有在被測(cè)量時(shí)才坍縮到特定狀態(tài)。而多世界解釋則認(rèn)為每次量子"選擇"都會(huì)分裂出平行宇宙，每個(gè)宇宙對(duì)應(yīng)一種可能的結(jié)果。這可能意味著存在無限多的平行宇宙，它們組成更大的"多重宇宙"。宇宙歷法宇宙時(shí)間尺度宇宙年齡約138億年，相當(dāng)于地球年齡的三倍。如果將宇宙歷史壓縮為一年，大爆炸發(fā)生在1月1日，太陽系形成在9月初，人類出現(xiàn)在12月31日晚上11:54，而記錄歷史僅占最后幾秒。2地質(zhì)年代表地球形成于46億年前，生命可能在35-40億年前出現(xiàn)。地質(zhì)年代按重大生物和地質(zhì)事件劃分，如寒武紀(jì)生命大爆發(fā)（5.4億年前）、恐龍滅絕（6600萬年前）和人類出現(xiàn)（約200萬年前）。3恒星演化時(shí)標(biāo)恒星壽命從數(shù)百萬年到數(shù)萬億年不等，與其質(zhì)量成反比。太陽質(zhì)量大約8倍以上的恒星壽命只有幾千萬年，而小質(zhì)量紅矮星可以穩(wěn)定燃燒數(shù)萬億年，遠(yuǎn)超宇宙當(dāng)前年齡。宇宙學(xué)時(shí)標(biāo)宇宙學(xué)研究不僅關(guān)注過去，還預(yù)測(cè)未來。從現(xiàn)在到宇宙熱寂的時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)10^100年或更久。這些時(shí)間尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人類直覺，讓我們對(duì)宇宙中的位置有了全新認(rèn)識(shí)?，F(xiàn)代宇宙模型：ΛCDM模型標(biāo)準(zhǔn)模型的要素ΛCDM模型（Lambda冷暗物質(zhì)模型）是當(dāng)前被廣泛接受的宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型。Lambda(Λ)代表愛因斯坦方程中的宇宙學(xué)常數(shù)，用于解釋宇宙加速膨脹，與暗能量概念相關(guān)。CDM指冷暗物質(zhì)，一種只通過引力相互作用的非重子物質(zhì)，運(yùn)動(dòng)速度較低。模型預(yù)測(cè)與觀測(cè)該模型成功解釋了宇宙微波背景輻射的精細(xì)結(jié)構(gòu)、大尺度宇宙結(jié)構(gòu)的形成、宇宙膨脹歷史以及輕元素豐度。根據(jù)該模型，宇宙由68.3%的暗能量、26.8%的暗物質(zhì)和4.9%的普通物質(zhì)組成。宇宙年齡約為138億年，哈勃常數(shù)約為每秒70公里/兆秒差距。遺留問題盡管ΛCDM模型取得了巨大成功，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。觀測(cè)到的哈勃常數(shù)存在張力，不同測(cè)量方法得出的結(jié)果有顯著差異。模型無法完全解釋星系旋轉(zhuǎn)曲線的細(xì)節(jié)和衛(wèi)星星系分布。最根本的問題是尚未直接探測(cè)到暗物質(zhì)粒子，暗能量的本質(zhì)也依然神秘。宇宙學(xué)未解之謎宇宙起源前大爆炸理論描述了宇宙從何時(shí)開始膨脹，但無法解釋大爆炸之前發(fā)生了什么。量子引力理論可能提供線索，但目前仍處于發(fā)展階段。地平線問題宇宙微波背景輻射在各個(gè)方向上溫度極其均勻，即使這些區(qū)域因光速限制從未有過因果聯(lián)系。暴脹理論提供了可能解釋，但尚未得到完全證實(shí)。物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱按理論，大爆炸應(yīng)產(chǎn)生等量物質(zhì)和反物質(zhì)，但宇宙主要由物質(zhì)組成。這種不對(duì)稱性的原因尚未完全理解，可能與CP對(duì)稱性破缺有關(guān)。暗物質(zhì)與暗能量它們共占宇宙總質(zhì)能的95%以上，但本質(zhì)仍然神秘。多種理論候選存在，但直接證據(jù)尚未找到，這是現(xiàn)代物理學(xué)最大的挑戰(zhàn)之一。多重宇宙理論量子多世界基于量子力學(xué)的多世界解釋，認(rèn)為每次量子測(cè)量都會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)實(shí)分裂成多個(gè)平行宇宙，每個(gè)宇宙對(duì)應(yīng)不同的測(cè)量結(jié)果。這意味著存在無數(shù)平行版本的你，在不同宇