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銀河系是宇宙中唯一的星系嗎？至少在100年前，這個(gè)答案是肯定的。但到了1923年，哈勃（Edwin Hubble）使用胡克望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了M31（仙女座星系）中的一顆造父變星，一切都改變了?；诹硪幻煳膶W(xué)家勒維特（Henrietta Leavitt）的工作，哈勃得出了一個(gè)驚人的結(jié)論：M31距離我們90萬(wàn)光年，遠(yuǎn)在銀河系之外！自此之后，我們才意識(shí)到原來(lái)銀河系并非獨(dú)一無(wú)二，宇宙中包含了大量的星系，這是天文學(xué)突破和范式轉(zhuǎn)移的一個(gè)絕妙例子。今天的天文觀測(cè)告訴我們，宇宙中的星系數(shù)量并不是幾萬(wàn)、幾十億或幾千億，而是高達(dá)兩萬(wàn)億個(gè)！從一到萬(wàn)億，這是多么巨大的變化啊！

愛(ài)因斯坦曾一度認(rèn)為，宇宙是靜止的。但事實(shí)真的如此嗎？

1929年，哈勃運(yùn)用胡克望遠(yuǎn)鏡共測(cè)量了46個(gè)星系的距離和速度。他將這些數(shù)據(jù)繪制成圖像，結(jié)果顯示：星系的退行速度與距離成正比，且斜率為500km/s/Mpc（這個(gè)值被稱為哈勃常數(shù)）。換句話說(shuō)，哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙正在膨脹，而且距離地球越遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離我們的速度也就越快！這是多么驚人的發(fā)現(xiàn)啊，而且一個(gè)膨脹的宇宙也暗示著在遙遠(yuǎn)的過(guò)去，宇宙有一個(gè)開(kāi)端。

哈勃常數(shù)非常重要，它可以被用來(lái)計(jì)算宇宙的年齡。最初的估計(jì)偏離得有些離譜——宇宙的年齡比地球還要??！但隨著技術(shù)的進(jìn)步，宇宙學(xué)家得到了越來(lái)越精確的數(shù)值?，F(xiàn)在，哈勃常數(shù)被確定在70km/s/Mpc左右，宇宙的年齡為138億年。（事實(shí)上，在過(guò)去幾年中，宇宙學(xué)家發(fā)現(xiàn)不同的測(cè)量方法得到的哈勃常數(shù)并不一致！詳見(jiàn)：《宇宙學(xué)危機(jī)：無(wú)法統(tǒng)一的哈勃常數(shù)！》）

到了1998年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙不僅在膨脹，而且是在加速膨脹，導(dǎo)致加速膨脹的幕后推手被稱為”暗能量“，但沒(méi)有人知道暗能量的真面目。

上個(gè)世紀(jì)初，我們對(duì)恒星的認(rèn)識(shí)依然是非常匱乏的。當(dāng)時(shí)，天文學(xué)家意識(shí)到恒星都很老，它們的年齡甚至超過(guò)了10億年，在它們生命周期的大部分時(shí)間內(nèi)都是非常明亮的。但天文學(xué)家并不知道，恒星為何能夠產(chǎn)生如此巨大的能量。到了1905年，愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論和質(zhì)能等價(jià)理論（E = mc2）觸發(fā)了一場(chǎng)革命。

愛(ài)丁頓（Arthur Eddington）爵士是最早認(rèn)識(shí)到恒星是全部由氣體組成的人之一，他還意識(shí)到，恒星的穩(wěn)定性是向內(nèi)的引力與向外的氣體和輻射產(chǎn)生的壓力相抗衡的結(jié)果。愛(ài)丁頓據(jù)此推導(dǎo)出了恒星的質(zhì)量-光度關(guān)系，這對(duì)于理解恒星演化至關(guān)重要。    

1926年，愛(ài)丁頓指出，太陽(yáng)中心的氣體密度是水的密度的100多倍，這個(gè)區(qū)域的溫度超過(guò)10?開(kāi)爾文。恒星內(nèi)部的溫度是如此之高，核反應(yīng)的速率將達(dá)到不可忽略的程度。然而，到底是哪種形式的質(zhì)量被摧毀并轉(zhuǎn)化成能量呢？

在1920年，阿斯頓（Francis Aston）正在使用自己發(fā)明的質(zhì)譜儀測(cè)量一些原子和同位素的質(zhì)量。他發(fā)現(xiàn)，四個(gè)氫原子比一個(gè)氦原子要重。而其他科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)表明氫和氦是組成恒星的主要成分。

將這些因素結(jié)合起來(lái)解決了恒星的能量生成問(wèn)題，接下來(lái)必須有人確切地證明這個(gè)過(guò)程是如何進(jìn)行的。這個(gè)人就是貝特（Hans Bethe）。1939年，貝特提出了碳氮氧（CNO）循環(huán)，之后他又提出了質(zhì)子-質(zhì)子循環(huán)。這些過(guò)程都極其緩慢，因而恒星會(huì)在主序階段停留漫長(zhǎng)的時(shí)間，緩慢且溫和地將氫轉(zhuǎn)化為氦。在此期間，它們的光度變化非常微弱。

恒星能量來(lái)源的機(jī)制最終引導(dǎo)天文學(xué)家從總體上解決了恒星演化問(wèn)題，這個(gè)過(guò)程整整花了35年時(shí)間。

在恒星能量機(jī)制被搞清楚之前，天文學(xué)家意識(shí)到絕大多數(shù)恒星本質(zhì)上只有兩種類型，即所謂的”矮星“和”巨星“。

1911年，赫茨普龍（Ejnar Hertzsprung）繪制了恒星的視星等與光譜類型的關(guān)系，這些恒星來(lái)自昴星團(tuán)與畢宿星團(tuán)等疏散星團(tuán)。1914年，羅素（ Henry Norris Russell）充分利用最新的視差數(shù)據(jù)，繪制了恒星的絕對(duì)星等與光譜類型的關(guān)系。赫茨普龍和羅素繪制的圖表如今被稱為赫茨普龍-羅素圖，簡(jiǎn)稱赫羅圖。

赫茨普龍和羅素都發(fā)現(xiàn)存在兩種主要的恒星類型：一種是更為常見(jiàn)的矮星，這些太陽(yáng)大小的恒星占據(jù)了圖表中的“主序帶”，被稱為主序星，主序星的光度大約與溫度的6.7次方成正比；另一種是不那么常見(jiàn)的巨星，它們的絕對(duì)星等約為0。

隨著時(shí)間的推移，更多的恒星類被添加進(jìn)圖表當(dāng)中。一種是地球大小的黯淡的白矮星，它們的絕對(duì)星等在10到14之間，光譜類型大約是B型和A型。另一種是更為罕見(jiàn)的超巨星，它們是質(zhì)量最大且最明亮的恒星，絕對(duì)星等在-5到-8之間。

在1900年的時(shí)候，人們普遍認(rèn)為恒星與地球具有相同的組成。從1925年以來(lái)，天文學(xué)家開(kāi)始意識(shí)到恒星主要由氫和氦組成，這顯然是一個(gè)重大的范式轉(zhuǎn)移。

佩恩（Cecelia Payne）是這場(chǎng)科學(xué)變革的先鋒。1925年，在她那篇著名的博士論文《恒星大氣》中，佩恩運(yùn)用了物理學(xué)家薩哈（Meghnad Saha）在1920年推導(dǎo)出的方程，將光譜線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為原子數(shù)，并最終提出恒星主要由氫和氦這兩種元素組成。

這個(gè)領(lǐng)域的第二個(gè)重大突破是認(rèn)識(shí)到恒星主要有兩種組成類型：富金屬的第一星族和貧金屬的第二星族。這是巴德（Walter Baade）在1943年發(fā)現(xiàn)的。

第三個(gè)突破是解釋恒星為什么具有獨(dú)特的化學(xué)組成，以及這種化學(xué)組成如何隨時(shí)間變化。有兩項(xiàng)成果推動(dòng)了這個(gè)突破：第一項(xiàng)成果解釋了宇宙大爆炸后氫氦混合物的初始比例為75% : 25%；第二項(xiàng)成果來(lái)自于伯比奇夫婦（Margaret Burbidge 和Geoffrey Burbidge）、福勒（William Fowler）和霍伊爾（Fred Hoyle）四人的工作，他們解釋了將氫轉(zhuǎn)化為氦的核合成過(guò)程，并擴(kuò)展到了碳、氧、硅、硫、氬、鈣直到鐵等重元素的生成；隨后這四位科學(xué)家還證明，超新星爆發(fā)時(shí)的快中子捕獲過(guò)程創(chuàng)造了比鐵重的元素，從而將恒星的組成進(jìn)一步擴(kuò)展到金、鉑和鈾等元素。

宇宙中有什么？太陽(yáng)、行星、彗星、恒星、銀河系……在上個(gè)世紀(jì)初，我們所知道就只有這些很普通的天體。但有沒(méi)有可能存在一些更加極端的天體？有的。

當(dāng)恒星耗盡自身的燃料時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)奇異的天體。低質(zhì)量的恒星會(huì)演化為地球大小的白矮星，白矮星依靠?jī)?nèi)部的電子簡(jiǎn)并壓與引力相抗衡。1930年，錢德拉塞卡（Subrahmanyan Chandrasekhar）計(jì)算出了白矮星的質(zhì)量不會(huì)超過(guò)1.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。一旦恒星的質(zhì)量超過(guò)這個(gè)值，恒星就會(huì)進(jìn)一步坍縮成為中子星。1933年，巴德和茲威基（Fritz Zwicky）預(yù)言許多中子星是超新星爆發(fā)的產(chǎn)物。到了1967年，伯奈爾（Jocelyn Bell-Burnell）通過(guò)射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到了第一顆脈沖星的信號(hào)（脈沖星是快速旋轉(zhuǎn)的中子星）。最后，那些質(zhì)量超過(guò)3個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星將進(jìn)一步坍縮形成最極端的天體——黑洞。

還有一種奇異的存在是類星體。1963年，施密特（Maarten Schmidt）探測(cè)到了一個(gè)強(qiáng)烈的射電源——類星體3C 273，它的紅移高達(dá)0.158，看起來(lái)就像是一個(gè)視星等為13的明亮恒星以16.6%的光速遠(yuǎn)離地球。最后天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，類星體實(shí)際上是星系中央的活動(dòng)星系核，包含了一個(gè)超大質(zhì)量黑洞，在黑洞的周圍是一個(gè)吸積盤，并且會(huì)釋放出相對(duì)論性噴流。

除了類星體外，活動(dòng)星系核包含了大量的子類，包括低電離星系核、塞弗特星系核、耀變體、射電星系等。

1964年，彭齊亞斯（Arno Penzias）和威爾遜（Robert Wilson）試圖用喇叭型天線找到從通信衛(wèi)星上反射回的射電波時(shí)，他們接收到了無(wú)法解釋的一些噪音。當(dāng)他們排除了一切可能性后（包括清理了鳥(niǎo)糞和移走了鳥(niǎo)巢），最終發(fā)現(xiàn)這是一些理論學(xué)家苦苦尋找的宇宙微波背景（CMB）——這是大爆炸遺留下的熱輻射。

1949年，霍伊爾做客BBC的時(shí)候提到了”大爆炸“一詞，用來(lái)描述宇宙有一個(gè)開(kāi)端、且一直在膨脹的想法。當(dāng)然，霍伊爾本身?yè)碜o(hù)的是另一個(gè)理論——穩(wěn)恒態(tài)理論。穩(wěn)恒態(tài)理論曾是大爆炸理論的競(jìng)爭(zhēng)理論，但當(dāng)宇宙微波背景被發(fā)現(xiàn)后，它也因此失去了立場(chǎng)。

如今，隨著望遠(yuǎn)鏡的不斷升級(jí)，科學(xué)家能夠以更高的精確度測(cè)量宇宙微波背景，并可以從中計(jì)算出宇宙的年齡、組成、膨脹率等信息。

宇宙的大部分似乎都是由我們看不見(jiàn)的物質(zhì)組成的，那些“發(fā)光”的可見(jiàn)物質(zhì)只占總量的5%。早在1937年，茲威基就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：他研究了后發(fā)星系團(tuán)后發(fā)現(xiàn)，星系團(tuán)中所包含的物質(zhì)總質(zhì)量是可見(jiàn)物質(zhì)質(zhì)量總和的400倍。

到了上世紀(jì)70年代，魯賓（Vera Rubin）發(fā)現(xiàn)，在距離星系中心越遠(yuǎn)的地方，星系的旋轉(zhuǎn)速度曲線并不會(huì)降低。而此前人們都認(rèn)為，星系的大部分質(zhì)量都集中在核心區(qū)域，星系中物體的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該隨著距離的增加而減慢，就像太陽(yáng)系中那樣，邊緣物體的旋轉(zhuǎn)速度比中心天體的慢一些。這個(gè)矛盾揭示出，星系中存在缺失的質(zhì)量，這就是包裹著星系并延伸到星系邊緣以外的暗物質(zhì)暈。但直到今天，我們?nèi)匀徊恢腊滴镔|(zhì)究竟是什么。

100年前，我們只知道一個(gè)行星系統(tǒng)——我們居住的太陽(yáng)系。隨著時(shí)間推移，一些天文學(xué)家認(rèn)為，某些鄰近恒星的軌跡的輕微搖擺暗示著，在它們周圍應(yīng)該也有行星的存在。

但直到20世紀(jì)末（更精確的說(shuō)是9935天以前），天文學(xué)家才確認(rèn)了第一顆太陽(yáng)系以外的行星。自那之后，科學(xué)家通過(guò)不同的手段，確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)3700顆的系外行星。這些系外行星按照6種質(zhì)量（大?。?/span>和3種溫度被分類為18個(gè)類別。

除了研究這些系外行星的性質(zhì)之外，科學(xué)家希望他們能夠在這些不同的世界中找到生命可能存在的蛛絲馬跡。

我們無(wú)法“看到”恒星的內(nèi)部。我們對(duì)太陽(yáng)光球?qū)拥囊曇翱梢匝由斓酱蠹s500公里的深度，但相比于太陽(yáng)大約70萬(wàn)公里的半徑，我們?nèi)匀挥泻荛L(zhǎng)的路要走。因此，恒星內(nèi)部一直是理論天文物理學(xué)家才能涉足的領(lǐng)域。

但過(guò)去幾十年里出現(xiàn)了兩個(gè)突破。第一個(gè)來(lái)自對(duì)太陽(yáng)中微子的探測(cè)。1930年，泡利（Wolfgang Pauli ）首次預(yù)言了中微子的存在，但等待了25年的時(shí)間才被驗(yàn)證。這是因?yàn)橹形⒆訋缀醪慌c物質(zhì)作用，因此非常難以探測(cè)到。

在太陽(yáng)和其他恒星內(nèi)部的一系列核反應(yīng)將氫轉(zhuǎn)化為氦，同時(shí)產(chǎn)生中微子。每秒鐘，有數(shù)萬(wàn)億的中微子在穿過(guò)我們的身體，但我們卻毫無(wú)察覺(jué)，這是非常令人震驚的事實(shí)。戴維斯（Raymond Davis Jr）是第一個(gè)敢于嘗試證明太陽(yáng)中微子存在物理學(xué)家，他在霍姆斯特克金礦中建造了一個(gè)巨大的中微子探測(cè)器。在長(zhǎng)達(dá)30年的時(shí)間里，他成功的捕捉到了2000個(gè)太陽(yáng)中微子，并因此證明了太陽(yáng)的能量來(lái)源于聚變。

第二個(gè)突破來(lái)自于日震學(xué)，這是一門利用太陽(yáng)表面聲波和聲震蕩來(lái)研究太陽(yáng)內(nèi)部的物質(zhì)特性和運(yùn)動(dòng)特征的學(xué)科，類似于從地球內(nèi)部地震波的傳播行為來(lái)推測(cè)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。