提示：本文共有 26599 个字，阅读大概需要 54 分钟。
天文学的发现
从神话到科学
人类掌握科学知识经过了漫长的过程。人类探测星球、认识宇宙的科学叫做天文学。自古以来，人们对天的认识，对日月星球的认识，走过了从神话到科学的道路。
古人崇拜自然，继而又转变为崇拜主宰自然的神，如太阳神、月亮神、风神、雨神、雷神……古人把星星也编成许多神话故事，一直流传到了今天。
神话是古人对自然现象的一种解释，也是人类感情的寄托。但是光依靠神话是不能真正了解自然的，反而在很长的时期内，神话统治了人们的思想，蒙住了人们的眼睛。
并不是所有的人愿意永远生活在神话和迷信中，他们渴望了解自然现象，想要挣脱迷信的锁链。于是，人们开始去摸索自然规律，去探索宇宙奥秘。要想了解太阳、月亮、星星，只有从观察它们的运动规律和现象开始，因为它们在天空上，谁也够不着、摸不到。
太阳在天空中东升西落的出没方向、照射地面的高低角度，就是人们首先需要探求的规律。月亮的圆缺变化也是人们特别注意的天空现象。古代没有电灯，夜晚多数需靠月光才能活动，他们能不注意月亮的动态吗？
天上的星星，三个一群、五个一伙，组成了各式各样的形状，日久天长，人们就把它们看成了一个人、一只飞禽、一头野兽……给星星起上了名字，这就是后来的星座或星宿。什么星星出现的时候，该是什么季节了；什么星星能给人们指路、辨认方向……古人发现，天上的星星也有它们各自的位置，也有它们出没的规律。
人们对天上日月星球的了解，最初是从生活需要出发的，这些知识日积月累就脱离了神话，一步一步成长为科学。
天文学就是这样成长起来的。通过天文学的研究，才能告诉我们丰富而正确的天文知识，让我们真正认识宇宙，再也不会受迷信的愚弄了。
古代的天文学
天文学的形成和人的成长一样，是逐步形成的。最初的天文学很简单，但是它为后来的发展打下了基础。人们为了定方向、定时间、定季节，就要观察太阳在天空中运动的规律。
首先，太阳是从东方升起，到西方落下。但是仔细观察以后，发现太阳并不是每天都从一个方向升起，它总是有规律地改变着升起和落下的位置。
后来，人们把一年中太阳上升点的中心点定为“东”方，把一年中太阳下落点的中心点定为“西”方；把太阳在一天中最高的那一点的方向叫做“南”方，背后的那一点叫做“北”方。这四个方向的规定，对天文研究是十分重要的依据。
人们又发现，当太阳从正东升起到正西落下的一天，太阳出来的时间和落下去的时间长短（就是现在我们所说的昼夜）大致是一样的。人们还发现，太阳从东最偏南升起到西最偏南落下的一天，白天最短，夜晚最长。反过来，如果太阳从东最偏北升起到西最偏北落下时，白天最长，夜晚最短。而且白天最长时，中午太阳也是一年中在天空最高的时候。我们现在知道，这一天是夏至。这些规律的发现使后来制定历法有了依据。
月亮的形状和出没也是古人观察的重要内容。人们发现月亮从圆到缺、从缺到圆的变化规律是很有趣的，每个月里都能照样重复一次。古人还详细观察了月亮在星空中经过的路线，中国古代的天文学家把月亮经过的星空划分成二十八宿（28个星座）。
古时候，当夜晚来到的时候，人们很自然地会注意天空中星星的方向、位置、形状和移动。他们发现：星星也东升西落，每颗星星每天出没的时间也不一样，而且在一年中，各个季节的夜晚，星空都不相同。但是，星空的转动和星座的变换在一年当中也是有规律的。
有时，太阳忽然被一个黑影遮住，天昏地暗。这种日食现象，曾引起古人的极大恐慌。
满月照耀的夜晚，突然月亮被一个巨大的黑影所吞食，月食发生了。这又是怎么回事？
有时，天空中忽然出现了长尾巴的星——彗星；也常看到划过夜空的流星；还有那落到地上来的陨石……这些都需要议论和记录下来。在一些星宿或星座中偶然出现了一颗本来没有的亮星——客星（新星），这难道不值得注意吗？这些都是古人观察天象的重要内容。
中国古代天文学
中国古代天文学，对世界有过许多贡献。中国古代有丰富的天文现象记录，其中有许多记录是世界上最早的，或最多最完善的。这些记录对现代天文学的研究，仍有着重要的参考价值。
最早的太阳黑子记录 太阳表面并不全是光亮的，经常或多或少地出现一些黑点，就是太阳黑子。实际上这是太阳上的一些气体旋涡（就好比地球上的台风），温度比周围的部分低一些，所以看起来较黑。世界上最早的太阳黑子记录在我国汉朝的《汉书·五行志》中：“河平元年三月乙未，日出黄，有黑气，大如钱，居日中。”据考查，这是公元前28年5月10日的太阳黑子记录，也是现在已经知道的世界上最早的太阳黑子记录。
最早的日食记录 在阳光普照大地的白天，太阳忽然变得暗淡无光，天上也出现了几颗星星，大地昏暗了，飞鸟走兽都匆匆忙忙赶回自己窝里，这就是日全食现象。古时候，因为不了解日食发生的道理，所以当日食发生的时候总是惊慌害怕，以为太阳被天狗吞食了，或者被什么怪物抓走了。因此，日食现象是古人最重视的一种天象。现在世界公认的日食最早记录，是我国史书上所载的公元前2137年10月22日的日全食。在河南省殷墟出土的甲骨文中，也有5次日食记载。公元前776年的日食记录是非常可靠的，在《诗经·小雅》中记载着：“十月之交，朔月辛卯，日有食之。”这比巴比伦最早的日食记录早13年。最完整的古代日食记录在《春秋》一书中记载最多，在242年内记载有37次日食现象。
最早的月食记录 一轮明月的夜晚，圆圆的月亮忽然被一个庞大的黑影遮盖了，使它的光亮消失，这就是月食现象。它虽然不像日食那么惊人，但也十分引人注意。现在公认的世界最早的月全食记录，是指我国《逸周书》中记载的公元前1137年1月29日的月全食。而且，我国汉代的大天文家张衡指明了月食的道理。他指出：月亮本身不发光，是阳光照亮了它。当月亮进到地影中时，就发生了月食。
丰富的彗星记录 我国历史上有着世界最早、最完整、最丰富的彗星记录。彗星，就是过去人们常说的扫帚星。1985 1986年，哈雷彗星成为人们议论的热门话题，因为它在那时又回到太阳附近来了。它每76年绕太阳一周。《春秋》这本书里就记录了鲁文公十四年（即公元前613年）“秋七月，有星孛入于北斗”。说明有一颗彗星出现在北斗星那里，这是世界公认的哈雷彗星的最早记录。从公元前2316年至公元1911年，我国历史上共有彗星出现的记录554次。1973年在长沙马王堆出土的汉墓中，还发现了世界上少有的关于彗星形态的20多种生动图画。此外，在我国古书《晋书·天文志》上已经指出彗星不发光，是太阳光把它照亮的。
中国古代天文学的贡献还表现在其他许多方面，例如创建了多种历法，制作了许多天文仪器，建造了古老的天文台，以及许多有关的天象观察记录等等，这些都表明了中国古代天文学的发达。
哥白尼推动了地球
古代的许多人，包括一些天文学家在内，每天看到太阳和星球都是东升西落，便以为地球是宇宙的中心，认为太阳、月亮和肉眼能看见的金、木、水、火、土五大行星以及满天的星斗都是围绕着地球旋转的。这种思想在上千年的漫长年代中一直统治着人们的思维，阻碍了天文科学进一步的发展。
一直到450多年前，公元1543年，波兰伟大的天文学家哥白尼确认太阳才是世界的中心，发表了《天体运行论》这本有名的科学著作。他的太阳中心说宣布以后，才把人们对宇宙的看法从陈旧错误的观念中解放出来。太阳中心说认为世界的中心不是地球而是太阳，地球和别的行星一道绕着太阳运行。当然，对于太阳系这组天体来说，太阳是太阳系的中心，而后来天文学的发展，又使人们认识到，对整个宇宙来说，或者对银河系来说，太阳系也只是其中的一部分罢了。
（摘自 李元《到宇宙去旅行》）
近代天文学的发展
1．哥白尼和日心说
哥白尼，1473年诞生在波兰的托伦城。他年轻时就热爱天文学，但是他的舅父坚持让他从事宗教工作。1497年他到意大利学习教会法规期间，学习了数学和天文学，阅读了大量古希腊天文著作，对托勒密的地心说体系更是潜心研究。
1506年，哥白尼从意大利回到波兰以后就在教堂工作。他把大部分精力都用在天文学研究上。他在教堂的高楼顶上的平台建起了自己的天文台，经常整夜地在那里观测星星。哥白尼花费了近40年的心血，到了16世纪30年代后期，终于完成了他的科学巨著《天体运行论》。在书中，他描绘出了一幅宇宙总结构的示意图，中心为静止不动的太阳；最外层天球为恒星天，也安然不动；在恒星天之内的天球按土星、木星、火星、地球、金星、水星分为六层。这一宇宙结构明确地把地球看成一颗普通的行星，正确地描述了6个行星绕太阳的轨道运动。
哥白尼的日心体系是一个相当严谨的理论，简单而精彩。他运用数学工具对天体的视运动作了定量探讨，成功地解释了行星的逆行现象，可以预测这些天体在未来某时刻的视位置，可以与以后的天文观测数据进行比较。然而他的著作迟迟不能发表，直至1543年在他生命的最后弥留时刻，才看到自己花费了毕生精力写成的《天体运行论》出版了。
虽然他把太阳看作宇宙的中心也是不对的，他的模型对行星运动的预测也不太准，但在地心说根深蒂固的那个时代，哥白尼的日心说无疑是对传统的错误观念的一场伟大的革命。哥白尼的日心体系奠定了近代天文学的基石，使天文学首先跨入了近代科学的大门。
2．第谷、开普勒和伽利略
日心说的发展缓慢还有一个原因是当时的天文学观测精度还不够高，根据日心说理论预测天体视运动的准确性和地心说差不多。因此，在学术上并没有完全打败地心说。哥白尼日心说在学术上彻底打败地心说并得以确立和发展的过程历经艰辛曲折。在这一过程中，精于天文观测的天文学大师第谷、创立行星运动三定律的开普勒和发明天文望远镜的伽利略起了十分重要的作用。
第谷是第一位对日心说的确立作出重大贡献的学者，有趣的是他本人却并不赞成这一宇宙体系。第谷1546年生于丹麦的一个贵族家庭中。他对天象的观测特别有兴趣，进行日食、土星与木星相合等天象的观测，并均有所发现。第谷修建了属于自己的天文观测台，装备了自己设计的十多种天文仪器，还聘请了一批训练有素的助手。
第谷对恒星和行星进行了长期的观测，积累了大量资料。编制出版了一部列有777颗恒星坐标的星表。其观测精度在望远镜问世以前是首届一指的，几乎达到肉眼观测所能获得的精度极限。第谷把他积累了20年的有关行星的观测资料交给了他的助手开普勒，为开普勒建立行星运动三定律准备了条件。
开普勒1571年生于德国，是哥白尼学说的忠实维护者。1596年，他出版了《宇宙的神秘》一书，引起了当时著名天文学家第谷的注意，第谷因而邀请开普勒到布拉格天文台做他的助手。1601年，第谷逝世，开普勒接替了第谷的台长职务。从此以后，他一直致力于天文学研究，直至1630年逝世。
开普勒一生中最辉煌的成就是他发现了行星运动三定律。开普勒对第谷留下的极其丰富的行星视运动的观测资料进行了反复的研究。他先是按照传统的观念，认为行星是在围绕太阳作匀速圆周运动。但是，无论他用什么方法计算，都与第谷的观测结果不符。第谷的观测是完全值得信赖的，于是他想到，行星可能不是在作匀速圆周运动的。1609年，他终于发现了“火星是沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳处于椭圆的一个焦点上”这条重要的行星运动第一定律。不久开普勒又发现，尽管火星在近日点附近时运行得快一些，在远日点附近时运行得慢一些，但是不论从任何一点开始，在相同的时间内，向径扫过的面积都是相同的。这就是行星运动的第二条定律。在1619年他又发现了行星运动的第三条定律：“行星公转周期的平方等于轨道半长轴的立方。”有关行星运动的三条定律成为经典天文学的奠基石，从此天文学开始大踏步地前进了。
与开普勒同时代的还有一位伟大的天文学家伽利略，他于1564年生于意大利比萨城。他从青年时代起就对哥白尼的日心学说钦佩不已。1609年5月，伽利略45岁的时候，制造了世界上第一台光学天文望远镜。新的望远镜瞄准的第一个天体是月亮。当时的传统观念都认为月亮是一个完美的球体，像水晶一样的光滑，伽利略在望远镜中看到的月亮却有许多圆形的山峰和峡谷。1610年1月，伽利略用这架望远镜获得了他最卓越的发现，看到木星的4个卫星。后来人们将这4颗卫星叫做伽利略卫星。木星卫星的发现说明宇宙还有其它的“中心”。同年8月，伽利略看到金星不是金光灿灿的圆面，而是闪着金光的一钩“弯月”，说明金星有着与月亮类似的周期圆缺的变化。他指出，金星和地球一样自身不发光，都在围绕太阳转动。这是对哥白尼日心说的最有力的支持。年底，伽利略又发现太阳表面上有黑子，并且根据黑子在日面的移动情况，证明太阳本身也在自转。这一切观测发现都与地球中心论相违背，成为日心说的有力证据。
3．牛顿和万有引力定律
开普勒只是从观测数据中发现了行星运动三大定律，但他却不知道其物理原因。英国物理学家牛顿追本穷源，建立起一套能解释这些关系的物理理论。
牛顿1642年生于英格兰东部的一个小村庄，18岁时进入剑桥大学学教学。在1665年夏天，伦敦因遭遇一场可怕的瘟疫，剑桥大学决定全校停课，迅速疏散。牛顿在回到家乡的18个月中，发明了微积分，发现了白光的组成，并且开始研究引力问题。地球引力的现象是很多的，他细心观察各种现象，其中最为著名的是“苹果熟了为什么往地上掉？”的思考。他提出著名的万有引力定律，即任何物体之间都会互相吸引。
当物体质量很小时，它们之间的引力微不足道，我们看不到日常的物体会互相吸引，便是这个原因。天体的质量很大，引力就非常明显了，由牛顿的万有引力定律很容易推导出开普勒的行星运动三大定律，建立在牛顿力学基础上的天体力学迅速发展起来。
（摘自 吴鑫基《现代天文学十五讲》）
从经典天体物理学到现代天体物理学
从19世纪中叶以来，物理学的发展把天文学推到一个新的阶段，以测定天体亮度和光谱为起点的天体物理学开始蓬勃发展，并成为20世纪天文学的主流。以爱因斯坦为代表的新一代物理学家，创立了相对论和量子力学，也使天文学特别是天体物理学产生了巨大的飞跃，开始了现代天文学的进程。
1．天体物理学的兴起
19世纪中叶，物理学的发展促进了天体物理学新学科的产生。天体物理学就是用物理学的基本原理来解释天体的形态、结构、物理状态、化学组成，以及天体产生和演化的科学。最先发展起来的是以测量天体的亮度和光谱为起点的光学天文学。
到19世纪末20世纪初，以爱因斯坦为代表的新一代物理学家，进行了物理学的第三次革命。天体物理学也随着物理学的发展产生了巨大的飞跃，物理学的几乎所有分支学科，如原子物理学、量子力学、原子核物理学、狭义相对论、广义相对论等很快就成为天体物理学新的理论基础。
随着物理学的发展，物理学家必然要把宇宙及各种天体作为物理学的实验室，比如，中子星提供了超高密、超强磁场、超强压力和超强辐射的空间实验室，类似的例子很多。在宇宙中所发生的种种物理过程比地球上所能发生的多得多。在地球上做不到的物理实验，在宇宙中可以找到。物理学家涉足天文学领域的研究成为必然。天文学家也密切注视物理学的发展，期望用物理学的原理来解释我们的宇宙的过去、现在和将来。
天文学观测和理论研究也给物理学以巨大的刺激和挑战。如氦元素首先是在太阳光谱观测中发现的，然后再在地球的实验室中找到。对太阳及恒星内部结构和能量来源的研究获得了热核聚变反应的概念；从恒星演化理论发展出元素综合理论等。白矮星的发现曾使物理学家手足无措，因为那时还没有物理理论能解释白矮星的致密态；高能天体类星体、星系核、伽马射线暴等的能量来源还不能从现有的物理学规律中找到答案，等等。
2．爱因斯坦和广义相对论三大天文学问题的验证
美籍德国科学家爱因斯坦是公认的20世纪最伟大的科学家，出生于1879年。1900年8月爱因斯坦在苏黎世工业大学毕业以后约1年左右，才找到了一份瑞士专利局的工作。他没有受过名师的教诲，没有从事科学研究的条件，可是，他却对当时物理学中最困难的“以太之谜”的问题酝酿已久。1905年作为公务员的爱因斯坦在科学上取得了丰硕的成果，在物理学三个未知领域里，齐头并进，三篇论文同时打响。一篇论文是讨论布朗运动的，以最有力的证据证明了分子的存在；另一篇论文发展了普朗克的量子论，提出了光量子假设，他因此于1921年获得诺贝尔物理学奖；还有一篇论文是《论动体的电动力学》，宣告了狭义相对论的诞生，开创了物理学的新纪元。
狭义相对论只针对匀速运动的情况，爱因斯坦继而进行把相对论扩展到非匀速运动情况的研究。经过10年的努力于1915年完成了广义相对论。由于广义相对论主要是数学的推理结果，所以，刚问世时，许多物理学家都视之为拼凑出来的数学游戏，不屑一顾。为了验证广义相对论的理论，爱因斯坦提出了三个可以用天文学观测来验证的广义相对论“效应”。果然，经过天文学家的努力，一一验证了这三个效应。广义相对论也由此成为一门新兴的天文学学科。
第一个效应是水星近日点附加的进动。离太阳最近的水星，每绕太阳公转一周，它离太阳最近那一点的位置就有些改变，这就是所谓水星近日点的进动。这是法国天文学家勒维耶发现的一种现象。由牛顿力学解释这一现象，水星近日点进动仍余下43秒找不到原因，不够完满。爱因斯坦根据他的理论，精确算出了水星轨道的正确数值，并且与观测到的数值完全一致。
第二个效应是光线在太阳引力场中弯曲。当恒星发出的光线在太阳近旁掠过时稍有弯曲。这种效应在日全食时能够观测到。第一次世界大战结束后不久，英国天文学家爱丁顿领导的日全食观测队证实了爱因斯坦根据广义相对论计算出的理论值是正确的。
第三个效应是引力红移。恒星发出的光谱谱线由于强大引力的作用使得光的振动频率减少了，波长就相应地增大，也就是红移了。天文学家在天狼星伴星这颗致密的白矮星中，首先验证了引力红移。
广义相对论还有一个重要的推论就是引力波的存在，这一预言也由对1974年发现的射电脉冲星双星系统的长期观测得到了验证。
（摘自 吴鑫基《现代天文学十五讲》）
谁见过地球绕着太阳转
葛云保
谁见过地球绕着太阳旋转？没有，从来也没有。地球的绕日运行轨道直径有三亿千米左右，设想—下吧，如果我们想亲眼看见地球围绕太阳转动，那就必须站在与地球运动轨道平面相垂直的，离太阳中心数亿公里以远的地方，看上—整年时间。就像看—个巨大的钟，必须站在钟的正面，离得足够远，才能将这个巨大的钟尽收眼底。到目前为止，人类还远做不到这一点。
那么你还相信地球真的是在围绕太阳旋转吗？早在五百多年之前，哥白尼就指出，地球是太阳系的—颗行星，除了自转还在不停地围绕着太阳旋转，但是那个时候的科学技术还很不发达，人类还根本无法离开大地，甚至连望远镜都还没发明，他是怎么知道的呢？他有什么理由这么说呢？其他人为什么会相信昵？更令人吃惊的是，远在二干多年以前的古希腊，在人类的活动范围非常有限、技术非常简陋的年代，有人无须凭借任何仪器就能指出大地是圆球形的，而那之后不久就有人论证应该是地球在围绕太阳旋转，而不可能是太阳在围绕地球旋转。这是一群什么样的天才人物？他们有着怎样的眼光与智慧？
我们可以把人类早期认识宇宙的过程比喻成解—道初中的几何证明题，已知条件就是展现在我们眼前的浩瀚的天空，这个天空对古今中外所有的人都是开放的，那要证明的结果是什么呢？结果就是：宇宙的真实模样。如今这个结果早就家喻户晓了，但是这个精彩的论证过程很多人却不清楚。
寻找发现规律，做出基本推断
当人类第一次抬起头仰望星空的时候，就被那浩瀚而神秘的星空震慑了，从此便开始了无穷无尽的追问、探索。经过极其漫长的观测、记录，人们渐渐发现日月星辰的诸多运动规律。最为明显的莫过于太阳每天的东升西落，还有月亮的圆缺变化。人们发现，太阳每天的升起与降落点是在一定的范围内缓慢移动的，同样，月亮的升起与降落点也是在一定的范围内移动的，但它的移动速度相对于太阳来说快多了。满天的繁星总是保持着固定的相对关系，整个星空在围绕我们慢慢旋转，约一天转一圈。
进一步地仔细观测，人们发现，星星每天都会比前一天略早一点升起；星空中还有几颗神秘的星星，它们竟然也在星空的背景下缓慢移动，它们的行走路线与月亮大致相同，但有时候它们会停下脚步，往西走一小段，然后又停下来，再继续往东走。
月食与日食是天空中最奇异、最令人恐惧震撼的现象，尽管古代的绝大多数人都把这视为神的旨意，但天文学家们还是渐渐发现了其中的规律：月食总是发生在月亮最圆的时候，而日食总是发生在看不见月亮的日子里。
经过长期的思考和分析，一些基本的判断被推演出来了。
白天也有星星，星星布满整个天空，只是因为太阳的光芒过于强烈，所以人们白天无法看到它们。布满星星的天空，构成了一个完整的圆壳，这就是我们后面会经常提到的天球。天球作为一个整体在围绕着一根看不见的轴线旋转，这根轴线就是我们观察者与北极点的连线，轴线的一端就是我们晚上能够看到的北天极，而另一端就应该是轴线向另一个方向延长和天球相交的点，天文学家称之为南天极。
既然天空布满星星，那么太阳一定在星空的某个位置上。人们通过观测日落时接近西方地平线的星座，以及观测第二天早晨日出前东方地平线上的星座．大致判断出太阳的位置，并由此发现了太阳在恒星背景下，由西往东慢慢行走。当然，天文学家们还想出多种办法尽可能精确地推断出任何时刻太阳在星空中的位置。把太阳的各个时刻的位置用假想的线连接起来，在天球上构成了一个封闭的大圆，这就是天文学上常说的黄道，通俗地说，黄道就是太阳在天球上由西往东缓缓行走的道路。
月亮每天都在改变它的模样，根据月相的特点，人们发现，月亮自身不会发光，它柔和的光亮来自太阳的照射。尽管月亮在我们看来有圆缺变化，但它实际上是一个完整的圆球。
对大地的困惑
人类在仰望星空的时候，会有许许多多的疑问与好奇，其中有一个疑问最为简单，却又非常难以回答，那就是：太阳每天从西边落山以后，是怎么从地下跑到东边去的呢？这是一个农夫，一个牧羊人，甚至一个孩童，只要有点好奇心都会问的问题，也一定是古代人（不管是哪个民族，哪个国家的）十分困惑的问题。
人们对此做出种种猜想，编出了许许多多的神话故事。这是天文学的一道坎，一道很大的坎，越不过这道坎，天文学就不可能再有实质性的进步。必须承认，世界上大多数民族都没能越过这道坎，因为限于当时的科技水平，人们的活动范围还很有限，更无法离开大地，要论证大地究竟是什么样子，这太难了。
带领人类跨过这道坎的，是古希腊那些杰出的哲学家、天文学家，是他们论证了大地的形状，将天文学的研究推向了新的阶段。
为什么跨越这道坎的是古希腊人而不是中国人或者其他文明古国的人呢？是偶然吗？这个问题很值得深思。
古希腊的哲学家、科学家、艺术家带着质疑批评的精神和理性的态度对待别人的观点和理论，公开的、大胆地提出自己的观点和理论，包括并不成熟的猜想，同时也接受同行和公众的质疑、批评和判断。他们追求严密的逻辑，追求用完美的演绎推理体系组织知识，追求理论的和谐、简单和统一，而根本不在乎这些理论是否有实用价值。
毕达哥拉斯是古希腊的一位哲学家、数学家，他认为“数”乃万物之源。在自然诸原理中第一是“数”理，万物皆可以数来说明。他从美学观念出发，认为宇宙一定是和谐的，简单的，宇宙中所有天体的形状和它们的运动轨道都应该是完美的。他认为一切立体图形中最美的是球形，因为球面上的任何一点离球心的距离都相等，所以天体一定是球形的，太阳、月亮是球形的，恒星天球是球形的，大地也一定是球形的。毕达哥拉斯是第一个推断大地是一个球体的人。
雅典哲学家阿那克萨戈拉指出，月食时，月球表面的阴影的外轮廓总是圆弧形状，那应该就是地球的影子，由此可以推断：大地一定是球形的。
亚里士多德是一位百科全书式的学者，在几乎古希腊所有的学术领域都留下了自己的总结和开创性见解。除了以月食为例外，亚里士多德还举了另外的例子：我们在北方和南方所看到的星空是不相同的。有些星星在埃及附近能被看见，但在希腊或更北边的地区却看不见。所以，地球的形状一定是圆的。
古希腊人还为地球是球形提供了第三个论据：为什么往远处驶去的船总是先看不见船身，然后才是船帆？如果地球是平的，当一艘帆船离开海岸越行越远时，它就会越来越小。最后变成一个小点而消失。然而，实际情况并非如此，目送帆船出海的人总是看到，首先是船体渐渐消失，海水好象淹没了船体，剩下的只是船帆，再然后只剩帆顶，最后整个帆船都消失了。这也说明大地一定是球形的。
所以，大地是球形的，它孤悬在宇宙之中，日月星辰不是从“地下”钻过去的，而是在它们各自的圆形轨道上绕地球旋转。
这是天文史上第一个违背人类常识的重要推论。我们脚下的大地竟然是圆球形的，那么，在地球另一边的人不是头朝下吗？不会掉下去吗？再说地球怎么能孤悬宇宙之中呢？一个没有依托的东西不会往下掉吗？那时的人们一定非常疑惑，甚至感到不可思议。但总的来说，证明大地是球形的论据是合理的，球形的大地也是对“日月星辰是怎样从地下穿过去的？”这一问题的最合理解释，所以到了公元前三世纪左右，在古希腊以及它的文明所能影响到的地区，地圆之说已成定论。
几乎与此同时，古希腊人还认识到地球与天球相比非常之小。认识到这一点很不容易，但又很容易，因为只要稍微有一点几何常识就能理解下面的证明：我们任何时候任何地点所能够看到的都正好是半个天球，这种情况，只有当地球相比天球来说，几乎成为一个点，才会产生这种现象。
这是早期天文学上的重大突破，没有这个突破，不知道大地是什么样子，就永远无法解释日月星辰每天是怎么从“地下”钴过去的，就永远无法理解行星的诡异行踪，当然也更不可能了解整个宇宙的结构。这是天文学史上的一个重要的里程碑，只有在这个基础上，对于宇宙结构的探索才有可能真正开始。
假如没有古希腊那些哲学家天文学家的杰出证明，人类要等到什么时候才能真正知道大地是球形的呢？要等到麦哲伦环球航行结束那一天吗？但是如果没有先前对大地是球形的认识，哥伦布、麦哲伦敢贸然一直往西航行吗？他们会愿意“一去不复返”吗？
（摘自《天文爱好者》2015年11期）
星座的艺术
星座的设立和区分对天文学的发展有着历史的和现实的意义。星座虽然是伴随着神话传说而诞生的，但是它们的名称和区域一直保存到现在。星座和星座的艺术，早已跨出了天文学的疆界而成为人类文化艺术的一部分，广泛地渗透在文化艺术的活动中。对于天文爱好者，星座的艺术具有极大的魅力，它吸引你接近星空、认识星座，进而更广泛地去学习天文知识。因此，星座的艺术是值得探讨的课题。
现代国际上通用的星座共88个，它们的名称和图形大多是根据古代希腊和罗马的神话故事编织而成，使本来就灿烂美丽的星空更是锦上添花。假使没有星座的区分，把整个星空分成100个天区，整整齐齐地加以排列，把星的名字都按号码一一编号，这在学术研究上可能更加便利，但是对于富有诗意般的星空来说，那未免太单调乏味了。
幸而这座全球万民共享的星空殿堂经过上千年的经营建造，才成为今天的星座世界。能工巧匠们以明亮的恒星为背景，根据民间的传说，把它们绘制成了许多生动有趣的图形。每个星座都各有各的位置、故事和图形，互不侵犯，共享天堂之乐，并且给地球上的人们带来欣赏星座的无穷乐趣。
现在通用的这些星座所以能千年流传，并为全世界接受共用的原因，可能是因为它的趣味性、通俗性和艺术性。
希腊、罗马神话故事，早就是脍炙人口、广泛流传的文化遗产。其情节之动人，构思之巧妙，形象之优美早已是举世公认的。把它们和星空编织在一起，自然是趣味隽永，引人入胜的。至于它的通俗性，则表现在这些图形、故事都是和人们日常生活所接近和易于了解的。再加上有些星座相互关联，例如王族星座（仙王、仙后、仙女、英仙、飞马、鲸鱼等）、大熊和小熊、牧夫和猎犬、猎户和金牛、长蛇与乌鸦、巨蛇和蛇夫、天琴与天鹅、南船诸座、天蝎与人马等等，都是便于联想、容易记忆的。
星座的艺术性使星座的内容得到优美的艺术表现，提高了人们对星座欣赏的兴趣。星座艺术经过长期流传之后，经过几位大师之手，使其定形，为古典星座图形塑造了典型，成为后世依据的范本。著名的古典星图有下列几种：1603年出版的德国巴耶尔星图，共有图51幅；1690年出版的波兰赫维留星图，共有图54幅；1801年出版的德国波德星图等。
这些星图都依照各人测算的星表绘成，并绘出非常艺术的星座图形，成为这些星图的最大特色。这些星座图形大体上是相同的，但又各有技巧和风格，成为星空画廊中的一幅幅精美之作。
双子星座是一对友爱的兄弟，他们是英雄耶逊等乘阿哥船（以前的南船座）前往取金牛毛的成员，因为有生死与共的深厚感情，所以升天成为星座。星图中双子的形象用实线画出，附近的星座都用虚线陪衬。
猎户座是全天最美丽光辉的星座，他正在手举狮皮迎击向他冲来的金牛。金牛星座中有著名的一小团星，叫做昴星团，也叫七姊妹星团。有一种传说，金牛是天神朱比特变成的一头牛，他拐骗少女欧罗巴（欧洲名称的来源）骑在牛背渡过大海。说来很巧，1989年，木星（外文名称就是朱比特）正在金牛星座中，联想起有关的神话故事，便觉得增添了无穷的趣味。
这些星座在1月份、2月份的夜空里都很容易看到，它们都在正南或天顶附近的位置。
在我国南方地区还能在猎户座下面的正南地平附近看到船帆、船尾和船底几个星座，它们组成南船座，就是神话中前往取金牛毛的阿哥船，船头上还刻有一个都都那的雕像，他可以在航海中发出号令引导航线，避过灾难。
（摘自 李元《到宇宙去旅行》）
从地球上观测天体的理想地点
天体观测方法在很久远的古代就形成了，它利用的是我们能够看到的可见光。
设置在夏威夷岛上的“昴星团望远镜”，就是利用可见光进行观测的天文望远镜。简单地说，望远镜透镜（或者收集光线的反射镜）的直径越大，我们用来观测宇宙的“眼睛”的视力越好。“昴星团望远镜”的镜面直径达8.2米，是世界上最大的单镜望远镜，镜面精度为0.012微米。
天文台之所以设置在夏威夷岛上，主要是因力这里优越的地理位置。建造在地面上的天文望远镜的最大敌人，正是大气层。关于天体观测的最佳条件，共有如下三点：
·晴天的时候多
·大气层对光线的吸收少
·大气湍流的扰动频率小
第一个条件，只要将望远镜建造在比云层更高的地点即可，在云层之上，当然无论何时都是晴天。第二个条件，需要空气越稀薄越好，这就需要选择海拔较高的地区。至于对第三个条件产生影响的大气层，位于平流层和对流层的交界处，大约l万米左右的高度。在这里会产生影响整个地球范围的湍流（偏西风与偏东风），其中的一部分甚至会成为喷射气流。因此，最适合进行天体观测的区域，必须是不受喷射气流影响的地区。即便在广阔的地球上，适合进行天体观测的地区也十分有限。
满足以上三个条件，最适合进行观测的地区，在地球上有三处。它们分别是，位于北大西洋的加那利群岛西端的拉帕尔马岛（海拔2300米），位于太平洋上的夏威夷岛（海拔4200米），以及位于智利安第斯山脉与太平洋之间的阿塔卡马沙漠（海拔5000米）。夏威夷岛集中了各国最尖端的光学望远镜和红外线望远镜、亚毫米波望远镜、射电望远镜等共13台，堪称“天文台博物馆”。
（摘自 藤田贡崇《137亿光年的宇宙论》）
通过各种各样的“眼睛”看宇宙
用来进行天体观测的望远镜，分为红外线望远镜、光学望远镜、射电望远镜等许多种类，人们为了将更远处的天体更加清楚地表现出来，每天都在不断地进行研发。
光属于电磁波的一种，因此天体望远镜也是对电磁波进行观测。业余天文爱好者所使用的天文望远镜，能够对电磁波之中的可见光进行观测。
但是，以太阳为代表的恒星和星系，不只放射出可见光。除了可见光之外，太阳还发射出红外线、紫外线、X射线、伽马射线等。被我们普遍称为“光”的可见光和电台播放的无线电波，都属于电磁波。那么，这些不同种类的电磁波之间的区别何在呢？不同种类的电磁波的能量的不同。能量最强的是伽马射线，其后依次是X射线、紫外线、可见光、红外线、亚毫米波、毫米波、无线电波。放射出拥有最强能量的伽马射线的的天体，其自身的活动也十分激烈。另外，利用可见光进行观测时，有的天体看上去没有特殊变化，但利用X射线进行观测时可能会发现这些天体中的变化非常激烈。
在天体观测领域，有专门对应各个种类电磁波的观测装置。虽然人类只能够看到电磁波中的可见光，但通过这些特殊的观测装置，我们也获得了各种各样的“眼睛”。
在这里，就让我们一起去看一看“天文台博物馆”夏威夷岛上各国的天文台最引以为傲的、拥有最尖端科学技术的望远镜吧。
美国的凯克天文台拥有两台直径10米的光学／近红外线望远镜，这两台望远镜的主镜片是由36片口径1.8米的正六边形的低膨胀玻璃组合而成的。凯克天文台发布了许多优秀的观测结果，特别是在2011年6月16日发布的关于星体被黑洞吞噬瞬间的观测，成功地捕捉到了伽马射线剧烈爆炸的场面。
英国的红外线望远镜拥有3.8米的口径，是世界上最大的红外线观测专用望远镜，对发射红外线的早型星、褐矮星以及远方的星系进行观测。虽然我们还不清楚拥有超过太阳10倍以上质量的恒星是如何形成的，但通过这台望远镜所进行的观察，发现了大质量星形成时通过星体周围的圆盘吸收气体的情况。
英国、加拿大、荷兰共同使用的麦克斯韦天文台，拥有一台主镜口径15米，能够对亚毫米波进行观测的望远镜，是同类型望远镜中最大的。这台望远镜的主镜由276个轻型光板组成。宇宙中诞生星体的地方，存在着大量由氢气、硅元素以及碳元素构成的宇宙尘气体云。这些气体云是宇宙中最寒冷的物质，并且放射出亚毫米波。亚毫米波望远镜就是对这些寒冷的物质进行观测的，尝试搞清楚星体形成的过程。
尽管各国都以夏威夷岛为根据地，在符合条件的地方修建了大量大型天文望远镜的天文台，但这仍然不能算是完美的观测态势。只要在地球上，就无法避免大气层对电磁波的吸收所产生的影响，传达到地球的电磁波，绝大部分已被大气层反射或者吸收。
从宇宙空间传达到地球的电磁波，波长30米以上的都会被位于大气层上方的电离层直接反射回去。波长1微米到l毫米的近红外线到毫米波，则会被位于大气层对流层上层的水蒸气与二氧化碳分子吸收。波长300纳米到10纳米的紫外线，会被大气中的臭氧等成分吸收。X射线和伽马射线会分别被大气中的原子吸收。也就是说，在地球上对宇宙进行观测，能够有效观测到的只有300~1000纳米波长的可见光，以及1厘米到10米波长的电磁波。
大气层的这种特性，虽然保护了地球上的生物免受宇宙射线的危害，但也对天体观测造成了一定的影响，所以，从地球上对天体进行观测是有局限性的。
那么，应该怎么办呢？答案很简单，只要把望远镜送到不受大气层影响的宇宙空间就好了！
20世纪60年代，发达国家开始进行宇宙开发计划，70年代以后，各种各样的太空望远镜被成功发射升空，并且开始了观测活动。这些望远镜不仅能对地球上难以观测的伽马射线、X射线和远红外线等进行观测，还因为没有了大气层的扰动，能够得到更加清晰和准确的可见光图像。
在这些太空望远镜中，最著名的当属哈勃太空望远镜。
哈勃太空望远镜
哈勃太空望远镜是美国国家航空航天局NASA与欧洲航天局ESA共同计划和开发的能够对紫外线、可见光以及红外线进行观测的太空望远镜。
哈勃太空望远镜于1990年4月由“发现者号”航天飞机搭载升空，其内部拥有一台口径2.4米的主镜。但出乎预料的是，哈勃太空望远镜进入环绕地球的轨道之后，发送回来的影像却十分模糊，完全没有达到预期，而造成这一现象的原因是主镜发生了偏斜。
开发小组为了解决这一问题，首先制作了处理模糊画面的软件。除此之外，还不得不另外发射一架航天飞机对哈勃太空望远镜进行直接修理。
原本，哈勃太空望远镜就是需要定期接受航天飞机修理的。因为哈勃太空望远镜与极其稀薄的地球大气发生摩擦，受其影响会导致高度徐徐下降，如果置之不理，哈勃太空望远镜会坠落到地面上。
迄今为止，哈勃太空望远镜共接受过5次太空修理。修理内容除了重新调整高度之外，还有加装光学仪器以弥补主镜的偏斜，搭载性能更加优良的照相机等。通过这些修理，哈勃太空望远镜发挥出了远远超出开发当时预期的性能，取得了诸多成果。望远镜所得到的观测画面，在提出观测计划的研究者独占1年之后，就会向全世界公布。
到目前为止哈勃太空望远镜所取得的成果，在所有望远镜中可以说是首屈一指。下面，让我们看看它具体取得了哪些成果。
·探明了宇宙诞生于137亿年前。
·证明了超大质量黑洞并不稀有，几乎存在于所有大规模星系的中心部分。
·在太阳系外发现了拥有有机分子的行星，有机分子甲烷，是在生命活动诞生之前发挥最重要作用的物质。
·发现了目前为止距离最远的超新星，并且该天体还在以目前的理论无法解释的极快速度向远方前进。其速度只能用“暗能量加速”来解释，这也是证明暗能量真实存在的最好例证。
每一项成果在天文学领域都是非常重要的，可以说哈勃太空望远镜极大地丰富了人类关于宇宙的知识。
美国国家航空航天局已经在研制后续的太空望远镜——韦伯太空望远镜。这台望远镜的主要任务是探明宇宙初期的状态，对大爆炸残留的红外线进行观测，因此将搭载红外线望远镜。
摘自藤田贡崇《137亿光年的宇宙论》
我眼中的“观天巨眼”
郑永春
2016年7月3日上午10时50分，随着国家天文台台长严俊的一声令下，中国500米球面射电望远镜FAST的最后一块反射面单元缓缓起吊，在完成了二次空中转接并用缆索吊下滑到指定位置后被顺利安装在索网上。这是FAST项目的最后一项设备工程，其顺利完成标志着FAST望远镜主体工程顺利完工。
坐地观天的射电望远镜
我们对宇宙的研究，在某种程度上就像是盲人摸象，摸的地方多了，这头大象的形状也就渐渐清晰了。
从空间上，天文观测要对宇宙的各个天区进行观测，天文学上称之为巡天观测。
从观测波段上，现在的天文学已经发展到了全波段天文学。观测波段从高能的X射线、伽马射线，到紫外、可见光、近红外和红外观测，再到波长更长的微波和无线电波的观测（天文学上称之为射电观测）。只有获取的宇宙信息越全面，我们才能得到客观的宇宙认知。
为了探索宇宙，天文学家需要研制各种各样的望远镜来观测宇宙。所有的望远镜，其实都是对电磁波谱各波段的观测，这些望远镜的主要区别在于观测波段的不同。有些望远镜虽然工作在同一波段，但工作原理不同。
说到射电望远镜，大家一定会迷惑什么是射电。射电其实是天文学中的独有说法，其他学科里通常叫微波和无线电波。手机信号、家里用的微波炉，都是工作在射电波段，波长从厘米波到米波。收音机工作的无线电波，也是工作在射电波段。
射电天文的一大优势是不受云、雨和光照条件的影响，可以实现全天候观测。
天文望远镜的学术名称一般都很复杂，为了有利于传播，所以往往会取一个通俗好记的名字。FAST望远镜的学术名称是500米口径球面射电望远镜，英文缩写是FAST。国家天文台建设的另一个大科学工程是位于河北兴隆雾灵山顶的大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜，英文缩写为LAMOST，是一架视场为5度横卧于南北方向的中星仪式反射施密特望远镜，现在的正式名称为郭守敬望远镜。
FAST为何选址贵州？
FAST望远镜，从1994年开始选址论证，经过13年的预先研究，2007年立项，2011年开工建设。最终选址在贵州省黔南州平塘县克度镇金科村大窝凼地区，是一个典型的喀斯特岩溶洼地。大窝凼的地形就像一个完美的球面，使FAST望远镜建设可以减少大量土石方开挖工程，节约研制建设经费。2016年7月3日主体结构完工。FAST望远镜主体结构完工后，还需要进行软件安装、调试、试运行、数据处理和分析研究，要开展业务化常规观测还有相当长的路要走。这就像我们盖房子时，结构封顶一样，还需要进行内部装修和设备安装、调试，时间还非常长。
FAST的科研用途有哪些？
FAST望远镜通过50根梁柱托起巨大的反射面，望远镜的直径为500米。在圈梁上走一圈，需要半个多小时。
FAST望远镜共有4450块主动反射面板单元，是望远镜的重要组成部分，其中包括4273块基本型面板和177块特殊型面板。反射面板单元边长为10.4米～12.4米，每块单元重约半吨（427.0千克～482.5千克），厚约1.3厘米。
FAST反射面单元吊装工程自2015年8月2日开始施工。经过地面拼装、测量、报验等严格步骤形成合格单元后，一块块反射面单元通过塔吊、转运车、缆索吊等系列复杂高空工序，运至指定位置进行安装。反射面板吊装克服了大尺度、高精度拼装施工，大跨度高空吊装等困难，经过11个月建设，铺设完成了面积相当于近30个足球场的反射面。
FAST望远镜主要用于研究脉冲星、中性氢、黑洞吞噬小天体、星体演化、外星文明搜寻等。FAST望远镜在深空探测领域也有重要用途，当深空探测器飞行距离越来越远，地面接收和发送的信号强度越来越微弱，需要有强大的地面望远镜来接收这些微弱的信号。
FAST望远镜的每一块面板部是镂空的，雨水可以快速渗漏。集中到望远镜底部后就可以通过地下暗河排出，这也是FAST望远镜选址喀斯特地区的重要优势。喀斯特地区洞穴系统十分发达，地下河网密布，有利于快速排水。
作为国家投资12亿人民币建设的一个大科学工程，FAST望远镜的建设过程中，克服了大量的工程建设难题，包括结构、力学、建筑、土石方开挖、抗疲劳索网、轻型面板设计和制造。这些技术的研发并向国民经济其他领域的转移，将推动传统产业的转型升级。
同时，作为一个涉及科学、工程，技术、管理等众多领域的大科学工程，长期、稳定、可靠运营，确保获得科学产出，是FAST望远镜面临的下一个重要考验。
FAST会成为旅游胜地吗？
有的人会问，为什么要建这么大的望远镜，耗资那么大，到底有什么用？
数理化天地生，被称之为六大基础学科。但实际上，我们长期忽视天文学科的发展，绝大多数中小学至今没有开设天文课。如果缺少对整个宇宙的认知，我们很难树立起完整、正确的世界观和宇宙观。
好莱坞大片里，经常会看到大尺度的大科学装置作为科幻片的拍摄现场或背景。美国在波多黎各的“阿雷西博”望远镜，曾经作为《007黄金眼》、《超时空接触》、《异种》等大片的拍摄场地。所以，FAST望远镜除了履行其科研功能，获得新的科学发现外，也是科学普及、科幻创作、摄影、旅游的极佳场所，我相信未来有大量的科普作品、科幻片、天文摄影是以FAST望远镜为背景来展开的。
不管人类的想象力多么无边无际，宇宙之奇妙，仍然远远超乎我们的想象。
（摘自《太空探索》2016年第9期）
银河系的中心可能是黑洞
我们所在的星系被称为“银河系”。在银河系中大约存在有2000亿颗恒星，我们在夜空中所见到的“银河”，其实只是银河系的一小部分而已。
对银河系进行仔细的调查后，我们发现，银河系并非单纯的星体集合。
在银河系的中心有一个椭圆形的星体集合。曾经，人们以为我们所在的银河系是旋涡星系，但最近的研究表明，银河系是棒旋涡星系。从地球眺望银河系的中心，刚好与棒旋涡星系的棒状部分平行。
虽然我们现在知道在银河系的中心发生着非常剧烈的活动，但在之前却完全没有对其进行过调查。准确地说，不管用多么先进的可见光望远镜，从地球朝银河系中心方向进行观测，都看不到任何结果。由于存在于银河系中心与地球之间的大量宇宙尘，将银河系中心位置发出的可见光都吸收了。
为了改变这种状况，人类开始通过射电、红外线以及X射线对银河系中心进行观测，这些电磁波不会被宇宙尘所吸收。通过这些可见光以外的电磁波进行观测，人类逐渐发现了银河系中心的秘密。
1974年，人类通过射电观测到在800个天文单位的极小范围内竟然存在着1000万℃以上的高温。围绕其能量源，人类进行了许多的思考，其中最有说服力的观点就是黑洞，因为只有黑洞能够在这么小的范围内释放出如此庞大的能量。但是，当时此观点并没有决定性的证据。
2005年，通过设置在地面上的光学红外线望远镜，人类观测到了位于银河系中心的100多个恒星的运动状况。对观测结果进行研究发现，这些星体都被银河系中心的某一点牵引着进行轨道运动。距离中心最近的星体，其运动速度竟然能够达到光速的1.6%。
人们对银河系中心的质量进行了计算，得出1立方秒差距的质量为太阳质量的4.1×1015倍（1015就是10后面加15个0）。1立方秒差距就是边长为3.26光年的立方体，拥有如此大密度的天体只有黑洞。另外，在银河系的中心部分还释放出非常强的X射线。有一种推论认为，目前观测到的X射线是银河中心的黑洞放射出来经过反射后被我们观测到的。
（摘自藤田贡崇《137亿光年的宇宙论》）
太阳系的最初一瞥
对宇宙来说，太阳系是微不足道的，但是对于我们来说，却是生存的根本。太阳系是如何构成的呢？
首先我们要提到的是太阳。既然我们的小团体以它来命名，就足可以说明它的重要性了。这个在太阳系中央发光的巨大球体，不停地以惊人的速度把光和热辐射出去，并且用它强有力的引力来维持这个系统的运转。
其次则是那些行星。它们在有规则的轨道中环绕太阳——而我们的地球也是其中之一。行星这个词的本意是游移不定，古时给它们起这名字是因为它们不像恒星一样，在天空中守着相对固定的位置，却在恒星间游移不定。它们可以分为不同的两类，叫大行星与小行星。
大行星一共8颗，是全太阳系中除了太阳外最大的物体。它们到太阳之间的距离按照远近不同，大致按照一种有规律的方式排列，从最近的水星（5800万千米）到最远的海王星（约59亿千米）。水星绕太阳一周只要不到3个月，海王星在它遥远的路程却要花上近165年。
在太阳系的八大行星中，若按它们的质量大小和结构特征，又分为“类地行星”和“类木行星”两类——顾名思义，就是类似于地球或者是木星的两类行星。类地行星主要由石、铁等物质组成，体积小、密度大、自转慢、卫星少。水星、金星、火星都属于类地行星。而类木行星主要由氢、氦、冰、氨、甲烷等物质组成，体积大、密度低，自转相当快、卫星众多，还有由碎石、冰块或气尘组成的美丽光环。木星、土星、天王星、海王星都属于类木行星。大行星分为两群，其间有一道很宽的空隙。内层的4颗类地行星大体上比外层的类木行星要小得多，这4颗行星合起来居然还够不上外层天王星的1/4大。
在两群之间的空隙中旋转的是小行星。和大行星比起来，它们真是渺小得很。它们几乎都在一条很宽的带中，相对太阳来说，这条带从离地球远一点点开始，一直到几乎十倍的地日距离为止。其中大部分约比地球离太阳远四五倍。它们跟大行星还有一点不同，就是数目众多：我们已知有编号的小行星已在10000颗以上，而新的还在不断地被发现，使我们无从估计其总数。
太阳系中的第三类是“卫星”。大行星常常有这种小天体绕着旋转。最内层的水星和金星都没有卫星。别的行星，如地球只有一颗卫星（我们的月亮），土星的卫星却已经发现了47颗，木星更是发现了63颗。因此，除了水星跟金星以外，每一颗大行星都是一个近似太阳系的系统。这些系统就以其中央星体作为系名。因此我们就有了火星系——其中有火星与其两颗卫星；木星系——其中有木星、木星光环与其63颗卫星；土星系——其中有土星、土星光环与其47颗卫星。
太阳系中的第四类是“彗星”。它们绕太阳旋转的轨道是一命非常扁的椭圆。我们只在它们接近太阳时才看见，这在它们的大多数说来都要隔几百年甚至几千年一次的。就算是那时候，若不遇上有利的情形，也还是会失去机会的。
在上述诸天体之外还有无数微小的岩石块（称为流星体）也按有规则的轨道绕着太阳转，它们大概是跟小行星和彗星多少有点瓜葛的。它们都是完全看不见的，除非碰巧进入了我们的大气中来，那时我们就把它们叫做“流星”。
摘自 西蒙．纽康《通俗天文学》
恒星的视星等、绝对星等和距离
1．视星等
晴朗的夜晚，点点繁星，有明有暗。天文学家用“视星等”来区分它们的明亮程度。公元前2世纪古希腊天文学家伊巴谷首先定义了恒星的视星等。他把用肉眼观看到的明暗程度分成6个等级，眼睛看起来最为明亮的恒星定为1等星，比1等星稍暗一些的为2等星，再暗一些的为3等星，依此类推，最后把眼睛刚好能看到的恒星定为6等星。肉眼能看见的恒星全天共约有6000多颗。天上的恒星是越亮的越少，越暗的越多。全天1等以上的亮星共21颗，2等星45颗，3等星134颗，4等星458颗，5等星1476颗，6等星4840颗，总共6974颗。再暗的星只能应用光学望远镜才能观测。
古时关于星等的定义一直沿用至今。视星等是按照人的肉眼对亮度的感受划分的等级，它与实际亮度不是线性关系，而是服从对数规律，l等星比6等星大约亮100倍。
天文学上的视星等和物理学上的照度有确定的关系。照度即物体被照亮的程度，单位是勒[克斯]。1勒相当于视星等 13.98等。因此恒星的视星等不再局限于1 6等了，可以用仪器精确测量天体的照度而得到视星等。现在知道太阳的视星等是 26.7等，满月的视星等为 12.7等，天狼星为 1.45等，非常暗的星则可达27等。
2．绝对星等
恒星发出的光到达观测者的强度与距离平方成反比，恒星离我们越远，看起来越暗。因此，视星等不能代表恒星的真实亮度。为了比较恒星的真实亮度，需要把它们都放到同一个位置上来比较，为此天文学家引入绝对星等的概念。绝对星等是把恒星都移到10秒差距（32.6光年）处时的视星等。测量绝对星等需要知道恒星的距离。太阳的视亮度是冠军，但如果把太阳放到离地球10秒差距的地方，它只有4.8星等的亮度。它将是一颗肉眼看起来相当暗的星。
3．恒星的距离
我们生活在一个三维空间。我们肉眼所看到的星座则是恒星在天球上的投影，是二维空间的图像。如果我们不知道恒星的距离，那么就不能知道恒星在空间的真实分布、它们的运动速度和发射电磁波的真实强度，也不能得知恒星的绝对星等。
恒星之遥远，远到无法用公里来做单位。天文学家特别定义了几把不同的尺子来衡量它们的距离。我们知道，太阳和地球之间的距离是1.5×108千米，这成为第一把尺子，称为“天文单位”。更大一点的尺子叫“光年”。光是宇宙中速度最快的，1秒钟大约走30万千米，可以绕地球7圈多。光1年要走大约1013千米。还有一把更大一点的尺子叫“秒差距”。1秒差距等于3.26光年。除了太阳以外，离我们最近的恒星是半人马座的比邻星，距离是4光年多。人们比较熟悉北极星的距离则为680光年。在银河系中最远的恒星离我们大约6万光年。河外星系中的恒星，离我们则有几亿甚至一百多亿光年。
（摘自 吴鑫基《现代天文学十五讲》）
恒星的演化
恒星和生物一样拥有寿命，而且和生物成长一样，恒星从诞生到消亡的形态也稍微有些不同。当然，恒星的寿命和生物的寿命不同，十分漫长。比如说，太阳的寿命就有大约100亿年。太阳从诞生到现在虽然已经过了46亿年，但在未来的50多亿年里，太阳还将继续像现在这样释放出光和热。
因为星体的一生十分漫长，所以人类无法对一个星体进行跟踪调查。从理论上来说，我们只能通过对核聚变的过程进行分析，来判断其未来可能出现的变化，继而发现星体进化过程中比较具有特点的现象。幸运的是，宇宙中有无数的星体供我们进行观察。
动态的星体生命周期
星体是从气体诞生的。在看似什么都没有的宇宙空间之中，仍然存在着大量的气体。宇宙空间的气体虽然绝大部分都是由氢原子组成的，但是其密度很低，据说每立方厘米只有几个氢原子。
宇宙空间中的氢原子在引力的作用下相互结合，然后吸引到周围更多的氢原子，密度变得越来越高。质量越大，引力越大，氢原子的结合体逐渐就会成长为巨大的气块。在这个阶段，其中心部分的温度大约为10000℃，还会发出光芒。
在恒星的进化过程中，这一阶段被称为“原始星”。原始星每收缩一点儿，中心部分的温度就随之上升。原始星被引力吸引过来的气体包裹，所以无法对其直接进行观测。
不过，有的原始星会从上下两方向外吹出这些气体，使得我们能够对其进行观测，因为在气体被吹出之后，包裹原始星的气体就会减少。另外，在原始星的周围还有一圈圆盘状的气体，像地球这样的行星就诞生于这里，这个气体圆盘被称为“原始行星圆盘”。一般来说，这个圆盘的半径是太阳到地球之间距离的100倍。
原始星进一步收缩，就会进入被称为“金牛座T型变星”的阶段，距离成为一个恒星只有一步之遥了。T型变星的阶段大约要持续1亿年，在这一阶段，气体继续向中心收缩，中心部分的温度升高到1000万℃度后，就会开始发生核聚变。
核聚变是氢变成氦的反应，4个氢原子最终变成1个氦原子。由于1个氦原子的质量比4个氢原子的质量要轻，这部分减少的质量变成能量，从中心部分向外释放。
发生核聚变之后，星体就进入了被称为“主序星”的阶段，也就是我们普遍意义上称为“星星”的天体。在这一阶段的星体内部存在大量作为能量源的氢原子，并且稳定地发生反应。因此，星体的一生绝大多数时间都是作为主序星度过的。
我们所熟知的太阳，目前就正处于主序星阶段。太阳从诞生至今已经有46亿年之久，对人生来说正是中年的转折点。幸运的是，太阳的活动十分稳定，我们也得以安然无恙地继续平稳的生活。
这里所说的“稳定”，指的是氢原子的核聚变速度维持在一定的水平，核聚变产生的由中心部分向外侧释放的压力，与形成星体的气体在引力的作用下向中心部分收缩的力量持平。这样，就能够保证星体的体积不发生变化。在夜空中闪耀的恒星的半径、温度以及寿命，都是由星体的质量决定的。质量越大的星体寿命越短，因为作为燃料的氢原子的消耗量更大。
在我们仰望夜空的时候，就会发现星体的颜色也不尽相同，比如猎户座的参宿四是红色的，参宿七则是蓝白色的。恒星所发出的颜色，与其表面温度有关。
主序星在经过漫长的氢原子核聚变反应后，作为燃料的氢原子终将耗尽。这时，星体中心部分核聚变的产物氦原子会凝结成固体。氢原子比氦原子更轻，所以氢原子会向外侧移动。当中心部分的氢原子燃烧殆尽后，主序星虽然会继续利用外侧的氢原子发生核聚变，但是由于残留在中心部分的氦原子失去了发生核聚变时的高温，也同时失去了向外侧的压力，于是就会向中心部分收缩。
于是，星体外侧的氢原子层不断膨胀，整个星体开始寻求新的力学平衡。也就是说，星体的半径会变得更大，表面温度则持续下降。这一阶段被称为“红巨星”。
从白矮星到黑洞——各种各样的星体终结
主序星的终结是由其自身所拥有的质量决定的。关于这一状况，人们已经通过数据模拟进行了非常详细的分析。接下来，就让我们看一看不同质量的星体最终演化的模样吧，在这里，以我们最熟悉的太阳质量为单位进行分类。
首先是只由0.5个太阳质量的小型恒星，因为其达不到使氦原子产生核聚变的高温（大约l亿摄氏度），所以在氢原子燃尽之后，会成为以氦原子为主要成分的“氦星”。
接下来是0.5 8个太阳质量的星体，太阳就属于这个范围。当中心部分的氢原子消耗殆尽后，外侧的氢原子开始发生核聚变。在外侧的氢原子消耗殆尽之前，中心部分的温度会急剧升高，残余的氦原子开始发生核聚变反应。
氦原子发生核聚变产生碳原子和氢原子，但温度已经无法继续升高到使碳原子和氢原子发生核聚变的程度。剧烈膨胀的星体外层会持续不断地融入宇宙空间之中，平静地迎来最后的终结。这一时期释放出的气体就是我们观测到的“行星状星云”，中心部分残留的碳原子和氢原子最终形成“白矮星”。
质量为3 8个太阳质量的星体，氦核聚变产生的碳原子和氢原子在高温的情况下会作为燃料，发生更进一步的核聚变反应。但是，因为中心部分的密度太大，所以核聚变反应是一下子产生的，就好像是核反应的爆炸一样。碳原子和氢原子在短短0.1秒的时间内燃烧殆尽，同时产生的巨大能量将整个星体彻底撕裂，这就是我们所说的“超新星爆发”，这种质量的星体在最后什么也不会剩下。
8个太阳质量以上的巨大星体，中心部分的碳原子能够稳定地作为核聚变的燃料。核聚变进一步产生出镁和氖等原子，最终甚至产生铁，星体内部能够生成的元素也就到此为止了。
当铁成为核聚变燃料的时候，星体就会发生急剧的变化。在此之前的核聚变反应都是释放能量的反应，因此会从中心部分向外侧释放力量支撑星体。而铁作为燃料的核聚变反应，却是吸收能量的反应。也就是说，星体一下子失去了支撑的力量，整个星体都向中心部分收缩。在这种冲击下，会发生超新星爆发。超新星爆发产生巨大的能量，星体内部合成的铁在如此强大的能量下再次发生核聚变，最终产生出目前存在于宇宙中的各利各样的元素。
这种超新星爆发之后，会残留下一个由中子组成的密度极大的“中子星”。中子星是每立方厘米拥有1吨质量的天体。有时候，我们会观测到这种超新星释放出有规律的脉冲状电波和X射线，这种星体被我们称为“脉冲星”。
当超过40个太阳质量的巨大星体发生超新星爆发的时候，中子也无法支撑如此巨大的质量，于是就会成为“黑洞”。据说黑洞每立方厘米的质量为200亿吨，是质量庞大到完全超出我们想象的天体。
原本黑洞是只存在于理论之中的天体，但近年来的观测发现了许多只有用黑洞才能够解释的现象，因此黑洞的存在也已经得到了证实。
（摘自藤田贡崇《137亿光年的宇宙论》）
宇宙的诞生
宇宙大爆炸
要全面地看待天文学的历史，最好是从一个真正的开端着眼——空间与时间两者的双重起点。以埃德温·哈勃为代表的20世纪天文学家们，观测到我们所见的任何方向上的全部星系都正在彼此远离。诸如这样的大尺度结构，让天文学家们发现了宇宙正在膨胀。这意味着，越是追溯到过去的宇宙，尺度越小。可以想见，在遥远的过去的某一点，一切都发源于一个空间和时间的单个的点，我们称之为“奇点”。在哈勃空间望远镜和其他设备年复一年的仔细观测中，一个这样的事实被揭示出来：宇宙诞生于一场猛烈的爆炸，这一切发生在距今138亿年前的奇点。
天文学家们在20世纪30年代将这一学说命名为“大爆炸理论”。利用几十年间的天文观测、实验室试验和数学模型，致力于研究宇宙的起源与演化的宇宙学家和天文学家们，反复严格检验了大爆炸理论的细节。从这些研究中，我们已经了解到关于我们这个宇宙的早期历史。令人印象深刻的结果是：在宇宙存在的第一秒钟之内，温度从一千万亿度下降至“仅仅”一百亿度；并且由原初的等离子体中形成了宇宙今天储备的全部质子（氢原子）和中子。到宇宙只有3分钟大的时候，氦与其他轻元素都已经在核合成的过程中由氢元素形成了。同样的核合成过程，今天还在恒星的内部发生着。
空间和时间两者尽在138亿年前的一瞬间被创造出来，思考这一问题足够令人脑洞大开。是什么造成的这场大爆炸？大爆炸发生的时间之前存在着什么？宇宙学家告诉我们，这样的问题是没有意义的，因为时间本身就是大爆炸创造的。略显振奋的是，我们意识到我们每个人身体中存在的最丰富的元素——氢——全部产生于宇宙最早的一秒钟里。我们是如此古老的存在！
再复合时代
宇宙的早期是一个炙热、高压、充满辐射的时代。整个空间都沐浴在原初的光芒里。这光芒来自百万度环境中高度电离的原子和亚原子粒子的相互作用、碰撞、衰变和重组。宇宙历史上的这一时期通常被称之为辐射时代。此时的宇宙大约1万岁，空间的膨胀和许多高能粒子的衰变将宇宙冷却至“仅仅”约12000K。物质的质量在物理学家爱因斯坦的著名公式E=mc2中表示为所蕴含的能量。随着宇宙持续冷却，这时来自加热和电离辐射的总能量已经低于物质质量所代表的能量，这是宇宙历史的关键门槛。在数十万年间，宇宙本质上依然是一团不透明、致密、高能的混沌，内部满是碰撞着的和已经电离了的质子与电子。但是随着空间持续膨胀和冷却，辐射能量继续下降到与静止质量代表的能量可比的程度。
大约在大爆炸的40万年后，温度下降到只有几千K。这一温度已经低到稳定的氢原子可以捕获住电子，并允许宇宙形成最早的多原子的氢分子：氢气。宇宙早期历史中的这一时期被称之为再复合时代。
再复合时代最酷的事是使宇宙剩余的辐射（大部分是高能光子和其他亚原子粒子）从物质中分离，最终在空间中畅通无阻地旅行。在接下来的几亿年里，字宙越来越冷，也越来越暗。这一时期被宇宙学家命名为“黑暗时代”。宇宙早期释放的辐射能量残存的3K余晖，即我们所称的宇宙微波背景，今天依然能被探测到。
第一代恒星
每个黑暗时代的终结，都伴随着伟大的复兴，宇宙的早期历史也不例外。宇宙学家相信，所谓黑暗时代持续了大约l亿~2亿年。在这段时间之后，再复合时代形成的氢分子和其他分子开始在引力的作用下结成团，可能是湍流的效果，但没有人了解真正的原因。气体团扮演了种子的角色，随着引力的作用吸引更多的气体，使团块增长得越来越大。直到最后成为巨型氢分子云，由于围绕着的气体的压力持续增加，气体云内部开始变热。给这个分子云一个推力，比如来自另一个临近分子云的引力拉扯，它开始运动，并最终开始旋转。在某一刻，大约宇宙大爆炸的3亿~4亿年之后，这些巨大、缓慢旋转的气体云中心的温度增长到几百万度，达到大爆炸之后最初3分钟的温度水平。这些球形云内部的高温和高压足够点燃氢，使其变成氦，第一代恒星从此诞生，黑暗时代宣告终结。
第一代恒星，有时候被天文学家称之为星族Ⅲ恒星，它们的离奇古怪还远不止它们自身形成时的现象这么简单。它们是巨大的，质量可能是太阳的100～1000倍。它们对临近的周围空间产生巨大的影响，它们向外辐射出巨大的能量，照射到周围的氢分子云团上，使分子云加热。它们还会释放出早先在黑暗时代捕获住的电子。这一时期被称乏为再电离时代，因为宇宙再一次开始焕发光芒。这光芒不再来自宇宙创立之初的光和热，而是像今天一样，来自恒星的光和热。
（摘自吉姆.贝尔《天文之书》）
天文——探索神秘宇宙的奇妙科学
——第28届国际天文学联合会大会开幕式报告
乔丝琳·贝尔·伯内尔
一百年以前，我们对天文学的认识完全不能和今天相比。当时人们并不知道宇宙大爆炸、宇宙膨胀，也不知道宇宙的年龄、宇宙的尺度。正如宇宙微波背景辐射那样，当时人们对于宇宙膨胀和暗能量这些概念是完全想象不到的。我们对银河系外的星系知之甚少，对星系团和暗物质则完全不了解。而对于活动星系核、黑洞和喷流，我们也是一无所知。我们甚至都还没观测到中性氢或巨分子云。事实上，那个年代天文唯一能做的事情就在可见光波段观测，所以在我们看来，就算是利用其他波段进行观测的这种想法都非常陌生。当时宇宙射线刚刚被发现，那些通过宇宙射线或者其他粒子来研究宇宙的惊人想法，也是我们从未涉猎的。我们甚至不清楚恒星的基本组成、能量来源和演化过程。类似于系外行星、太空飞行和探索太阳系这些概念，还仅仅存在于科幻小说里。
在这短短的一百年时间里，我们真的走过了一段很长很长的路！各国政府、基金会、个人赞助的资金和对行业的扶持，让这一切梦想的实现成为可能。与此同时，众多天才的天体物理学家、工程师和信息通信专家在我们之中涌现，他们在技术创新上勇攀高峰，不断清除我们观测宇宙时的重重障碍。
天文瑰宝
曾有人让我谈谈心目中的“宇宙珍宝”或者是天文瑰宝的话题。其实，每个人的天文瑰宝名单各有不同，但我相信下面这些意义重大的发现绝对值得视为珍品：
lCOBE卫星的数据表明，宇宙微波背景辐射完全符合黑体谱（温度约为2.74K）；
2Gehz和Genzel多年来对恒星运动的红外观测结果表明，在距离银河系中心1个秒差距范围内恒星的运动表现为弯曲的轨迹。恒星这种运动轨迹偏离直线的表现，是受到人马座A＊处黑洞的引力效应作用。该黑洞大约为4x106倍的太阳质量，虽然它看起来很大，但实际上作为星系中心的黑洞来说已经非常小了；
3大量的系外行星已被发现，而且现在发现的速度正变得越来越快！截至我写这篇文章时（2012年8月），已经发现了786个系外行星，它们很多都存在于多星系统之中。现在当我们仰望星空时，我们需要提醒自己，天空中的系外行星其实和那些恒星一样数量众多；
4画面细腻的天文图片越来越高清，提供给我们的细节也越来越多。
文化中的天文学
天文学从不专属于天文专业人士，公众对它充满兴趣，大量非天文专业人士也参与着天文事业。以前，业余天文爱好者帮助我们发现彗星、观测变星，现在又有成千上万的人参与到公众科学计划中来，帮助我们处理海量的天文数据。人们帮助我们寻找脉冲星、分类星系、进行月面上小环形山的证认以及查看斯皮策空间望远镜发回的图像。除此之外，还涉及一些超出天文学范畴的事情，比如在老照片中识别人物或者地点、详细查看过去的航海日志，从而确认当时的天气等。
我们的祖先很早就开始认识星空了，在不同的文化背景下，他们给夜空中的明亮天体分别起了不同的名字。银河也被赋予了许多不同的称呼：天河（中国）、火河（古希伯来文）、夜空的脊梁（卡拉哈里）、冬日之路（瑞典）和白象之路（泰国）等等。此外，天文学还以其他不同的方式浸染着我们的文化，激发我们对音乐、绘画和诗歌的灵感。仔细探究这些对天文现象的描述还是很有趣的，它们能反映出天文学中到底哪些话题最受诗人、画家和音乐家的青睐。
下个一百年？
天文学的下个一百年会是什么样？按照目前所拥有的天文望远镜来看，我们忙碌的步伐还将继续！以ALMA（位于智利阿塔卡玛的毫米波大天线阵）和NuSTAR（X射线天文卫星）为例，这些新一代的天文望远镜将全面启动。同时还有我们非常期待的大型光学望远镜，如LSST（大口径全天巡视望远镜）和至少三十米的E ELT（欧洲极大望远镜）。在大型射电望远镜方面，SKA（平方千米天线阵）将出现在非洲南部和澳大利亚，中国的FAST（500米口径球面射电望远镜，位于贵州省）也正在兴建之中。虽然目前我们无法预测将来对天体物理学的研究会到达何种高度，但可以肯定的是，脉冲星这类瞬变天体将用它的瓦解（或者保持不变）来验证爱因斯坦的引力理论是否正确，我们也将发现系外行星上生命的迹象，这些必将进一步加深我们对这门学科的认识。对暗物质的了解将给物理学带来一场革命，而对于暗能量的了解则会使我们不得不用全新的方式来认识宇宙，甚至带来思维模式的转变。在一百多年后，人们回顾这段历史时，一定会很惊讶我们现在的幼稚！
（摘自《天文爱好者》2012年第10期）
看到此处说明本文对你还是有帮助的，关于“自建期刊详情”留言是大家的经验之谈相信也会对你有益，推荐继续阅读下面的相关内容，与本文相关度极高！
