《宇宙的奧秘：課件中的恒星演化》

宇宙的奧秘：課件中的恒星演化宇宙是一個(gè)充滿神秘和壯麗的存在，它蘊(yùn)含著無(wú)數(shù)奇妙的天體和現(xiàn)象。自古以來(lái)，人類就對(duì)頭頂?shù)男强粘錆M了好奇和向往，不斷探索著宇宙的奧秘。在這個(gè)浩瀚無(wú)垠的宇宙中，恒星是最基本也是最重要的天體之一。它們的誕生、演化和死亡構(gòu)成了宇宙中最壯觀的過(guò)程，也決定了宇宙中元素的分布和行星系統(tǒng)的形成。本課件將帶您踏上一段探索恒星演化的奇妙旅程，了解這些宇宙明珠的生命歷程，以及它們?nèi)绾嗡茉炝宋覀兯诘挠钪妗Ｒ裕禾剿骱棋钪婧闷嬷淖匀祟愇拿髌鹪?，我們就?duì)頭頂?shù)男强粘錆M好奇，試圖理解宇宙的本質(zhì)和我們?cè)谄渲械奈恢贸醪教剿鲝娜庋塾^測(cè)到伽利略首次使用望遠(yuǎn)鏡，人類開(kāi)始系統(tǒng)性地研究天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律技術(shù)突破現(xiàn)代天文學(xué)利用先進(jìn)望遠(yuǎn)鏡和空間技術(shù)，突破了傳統(tǒng)觀測(cè)限制，揭示了更深層的宇宙奧秘理論革新從牛頓萬(wàn)有引力到愛(ài)因斯坦相對(duì)論，物理學(xué)理論的革新不斷改變我們對(duì)宇宙的認(rèn)知框架宇宙概述宇宙的定義宇宙是指所有存在的時(shí)間、空間以及其中的物質(zhì)和能量的總和。它包含了從最微小的基本粒子到最龐大的星系團(tuán)和超星系團(tuán)的所有結(jié)構(gòu)層次。宇宙的規(guī)模可觀測(cè)宇宙的半徑約為930億光年，包含約2萬(wàn)億個(gè)星系。這些數(shù)字超出了人類的日常經(jīng)驗(yàn)，展示了宇宙的浩瀚無(wú)垠。宇宙的年齡根據(jù)最新的天文觀測(cè)和宇宙學(xué)模型，宇宙的年齡約為137億年。這個(gè)數(shù)字通過(guò)研究宇宙微波背景輻射和遙遠(yuǎn)星系的紅移得出。宇宙的起源大爆炸約137億年前，宇宙從一個(gè)無(wú)限密度、無(wú)限高溫的奇點(diǎn)開(kāi)始急劇膨脹，這一瞬間被稱為"大爆炸"暴漲時(shí)期大爆炸后的極短時(shí)間內(nèi)，宇宙經(jīng)歷了指數(shù)級(jí)膨脹，體積增大了至少10^26倍原始核合成宇宙冷卻至約10億度時(shí)，質(zhì)子和中子開(kāi)始結(jié)合形成最初的氫、氦和鋰元素結(jié)構(gòu)形成宇宙繼續(xù)膨脹冷卻，物質(zhì)在引力作用下逐漸聚集，形成最早的恒星和星系宇宙膨脹哈勃定律1929年，埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)星系的后退速度與其距離成正比，這一發(fā)現(xiàn)被稱為哈勃定律，是宇宙膨脹的首個(gè)直接證據(jù)。哈勃定律可以表示為：v=H?×d，其中v是星系的后退速度，d是星系的距離，H?是哈勃常數(shù)，目前測(cè)量值約為70km/s/Mpc。加速膨脹1998年，天文學(xué)家通過(guò)觀測(cè)Ia型超新星驚人地發(fā)現(xiàn)，宇宙不僅在膨脹，而且膨脹速度正在加快。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了暗能量概念的提出，并使研究團(tuán)隊(duì)的SaulPerlmutter、BrianSchmidt和AdamRiess獲得了2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。加速膨脹挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的宇宙學(xué)模型，成為現(xiàn)代宇宙學(xué)最重要的謎題之一。宇宙中的基本力電磁力控制著原子內(nèi)帶電粒子之間的相互作用，是化學(xué)反應(yīng)、光和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)傳播無(wú)限遠(yuǎn)，強(qiáng)度隨距離平方反比減弱，由光子傳遞引力作用于所有具有質(zhì)量的物體之間，是恒星、行星形成和宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)力最弱但作用范圍最廣，由引力子（尚未探測(cè)到）傳遞強(qiáng)核力將質(zhì)子和中子結(jié)合在原子核中，是核能的來(lái)源最強(qiáng)但作用范圍極短（約10^-15米），由膠子傳遞弱核力負(fù)責(zé)某些放射性衰變和太陽(yáng)內(nèi)部的核反應(yīng)作用范圍短（約10^-18米），由W和Z玻色子傳遞宇宙的組成4.9%普通物質(zhì)構(gòu)成我們熟悉的恒星、行星和生命的物質(zhì)，主要由質(zhì)子、中子和電子組成26.8%暗物質(zhì)不發(fā)光、不與電磁力相互作用但具有引力效應(yīng)的神秘物質(zhì)，其本質(zhì)仍未解明68.3%暗能量填充整個(gè)空間、具有負(fù)壓力特性的能量形式，被認(rèn)為是宇宙加速膨脹的驅(qū)動(dòng)力這些比例是基于普朗克衛(wèi)星對(duì)宇宙微波背景輻射的觀測(cè)以及其他宇宙學(xué)研究得出的。令人驚訝的是，我們可以直接觀測(cè)到的普通物質(zhì)僅占宇宙總質(zhì)能的不到5%，而絕大部分宇宙由我們尚未完全理解的暗物質(zhì)和暗能量組成。恒星：宇宙的明珠恒星的定義恒星是宇宙中能夠通過(guò)核聚變產(chǎn)生能量的巨大氣體球體，主要由氫和氦組成，表面溫度通常高達(dá)數(shù)千至數(shù)萬(wàn)開(kāi)爾文恒星的工廠恒星是宇宙中重元素的主要生產(chǎn)場(chǎng)所，通過(guò)核聚變將輕元素轉(zhuǎn)化為更重的元素，為宇宙物質(zhì)循環(huán)做出貢獻(xiàn)宇宙的燈塔恒星發(fā)出的光芒使星系可見(jiàn)，為行星系統(tǒng)提供能量，并作為天文觀測(cè)的關(guān)鍵參考點(diǎn)宇宙演化的關(guān)鍵恒星的生死循環(huán)推動(dòng)著宇宙物質(zhì)的循環(huán)和演化，塑造了星系的結(jié)構(gòu)和演化歷程恒星的誕生分子云恒星誕生于巨大的星際分子云中，這些云主要由氫分子組成，溫度低至約10開(kāi)爾文，密度每立方厘米約有10^2至10^6個(gè)分子局部塌縮分子云中的某些區(qū)域可能由于超新星沖擊波、星系碰撞或其他擾動(dòng)而開(kāi)始局部塌縮，密度增加原恒星形成當(dāng)一個(gè)區(qū)域積累的物質(zhì)達(dá)到臨界質(zhì)量（賈斯極限）時(shí)，引力勝過(guò)云中的氣體壓力，導(dǎo)致不可逆轉(zhuǎn)的塌縮，形成原恒星吸積盤與噴流塌縮的氣體由于角動(dòng)量守恒而形成旋轉(zhuǎn)吸積盤，同時(shí)產(chǎn)生雙極噴流，將一部分物質(zhì)噴射回太空原恒星階段物理特征溫度逐漸升高，從初始的幾十開(kāi)爾文上升到數(shù)千開(kāi)爾文密度急劇增加，中心壓力和溫度持續(xù)上升體積比最終的恒星大得多，輻射主要在紅外波段能量來(lái)源初期主要依靠引力勢(shì)能釋放產(chǎn)生熱量表面溫度上升到約2000K時(shí)，氫分子電離開(kāi)始核心溫度尚未達(dá)到核聚變所需的臨界值結(jié)構(gòu)變化逐漸形成從內(nèi)到外的分層結(jié)構(gòu)核心區(qū)域密度和溫度顯著高于外層對(duì)流成為主要的能量傳輸機(jī)制主序星誕生核心溫度升高原恒星持續(xù)收縮，核心溫度升至約1500萬(wàn)開(kāi)爾文，達(dá)到氫聚變的臨界條件核聚變點(diǎn)火氫核通過(guò)質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)或CNO循環(huán)開(kāi)始融合為氦，釋放巨大能量平衡達(dá)成核聚變產(chǎn)生的輻射壓力與引力達(dá)到平衡，恒星停止收縮，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定主序星形成恒星性質(zhì)穩(wěn)定，光度、溫度保持恒定，正式進(jìn)入主序階段恒星一旦進(jìn)入主序階段，其核心將持續(xù)進(jìn)行氫轉(zhuǎn)化為氦的核聚變反應(yīng)，這一過(guò)程為恒星提供長(zhǎng)期穩(wěn)定的能量來(lái)源。主序階段是恒星生命周期中最長(zhǎng)的階段，對(duì)于類太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，這一階段可持續(xù)約100億年。主序星的特征恒星質(zhì)量（太陽(yáng)質(zhì)量）相對(duì)光度（太陽(yáng)光度）表面溫度（千開(kāi)爾文）壽命（百萬(wàn)年）主序星的質(zhì)量與其光度、表面溫度和壽命有著密切的關(guān)系。質(zhì)量越大的恒星，核心溫度越高，核聚變率越快，光度越大，但壽命也越短。這種關(guān)系在赫羅圖（H-R圖）上表現(xiàn)為一條從左上角（高溫高光度）到右下角（低溫低光度）的主序帶。太陽(yáng)：我們的母恒星基本參數(shù)直徑：1,392,700公里（地球的109倍）質(zhì)量：1.989×10^30千克（地球的33萬(wàn)倍）表面溫度：5,778開(kāi)爾文能量輸出光度：3.828×10^26瓦特每秒將600萬(wàn)噸氫轉(zhuǎn)化為氦太陽(yáng)中心核心溫度：約1500萬(wàn)開(kāi)爾文演化階段年齡：約46億年主序壽命：約100億年目前處于主序星穩(wěn)定階段的中期太陽(yáng)是G2型主序星，屬于黃矮星類別，在銀河系的獵戶臂上。它是太陽(yáng)系中唯一的恒星，占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99.86%。太陽(yáng)的核能源預(yù)計(jì)還能持續(xù)約50億年，之后將進(jìn)入紅巨星階段。太陽(yáng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)核心區(qū)太陽(yáng)中心約占太陽(yáng)半徑的25%，溫度約1500萬(wàn)開(kāi)爾文，密度約150g/cm3，是核聚變發(fā)生的區(qū)域輻射區(qū)從核心延伸到太陽(yáng)半徑約70%處，能量主要通過(guò)光子的輻射傳遞，溫度從800萬(wàn)降至200萬(wàn)開(kāi)爾文對(duì)流區(qū)從輻射區(qū)外緣延伸到表面，由于溫度梯度較大，能量主要通過(guò)熱對(duì)流方式傳遞光球?qū)涌梢?jiàn)的"太陽(yáng)表面"，厚度約500公里，溫度約5800開(kāi)爾文，是太陽(yáng)可見(jiàn)光的主要發(fā)射源太陽(yáng)活動(dòng)太陽(yáng)黑子太陽(yáng)黑子是光球?qū)由陷^暗的區(qū)域，溫度約4000開(kāi)爾文，低于周圍區(qū)域的5800開(kāi)爾文。黑子看起來(lái)是黑色的，實(shí)際上只是相對(duì)于周圍更明亮區(qū)域而言。黑子是強(qiáng)烈磁場(chǎng)活動(dòng)的表現(xiàn)，通常成對(duì)出現(xiàn)，代表磁力線從太陽(yáng)內(nèi)部穿出和回到太陽(yáng)內(nèi)部的區(qū)域。黑子數(shù)量具有約11年的周期性變化，反映了太陽(yáng)磁場(chǎng)的翻轉(zhuǎn)周期。太陽(yáng)耀斑與日冕物質(zhì)拋射太陽(yáng)耀斑是太陽(yáng)大氣中的巨大爆發(fā)，在幾分鐘內(nèi)釋放相當(dāng)于數(shù)十億顆氫彈的能量。耀斑發(fā)生在黑子周圍的活動(dòng)區(qū)域，是磁場(chǎng)重聯(lián)過(guò)程中能量快速釋放的結(jié)果。日冕物質(zhì)拋射（CME）是更大規(guī)模的爆發(fā)現(xiàn)象，涉及大量帶電粒子（主要是質(zhì)子和電子）被拋射到太空中，速度可達(dá)數(shù)百至數(shù)千公里每秒。CME可引起地球磁暴、極光和通訊干擾。太陽(yáng)風(fēng)與地球太陽(yáng)風(fēng)的形成太陽(yáng)風(fēng)是從太陽(yáng)大氣層外向太空流動(dòng)的帶電粒子流，主要由質(zhì)子、電子和少量較重離子組成。這些粒子以約400-750公里/秒的速度向外輻射，形成了延伸到太陽(yáng)系邊緣的螺旋狀等離子體結(jié)構(gòu)。地球磁場(chǎng)防護(hù)地球的磁場(chǎng)形成了一個(gè)保護(hù)罩，稱為磁層，它抵擋了大部分太陽(yáng)風(fēng)粒子。太陽(yáng)風(fēng)使得磁層在向陽(yáng)面被壓縮，在背陽(yáng)面則拉伸形成長(zhǎng)長(zhǎng)的磁尾。地球磁場(chǎng)將高能帶電粒子引導(dǎo)到極區(qū)，形成了極光現(xiàn)象。極光與太空天氣當(dāng)太陽(yáng)風(fēng)增強(qiáng)時(shí)，特別是在強(qiáng)烈的太陽(yáng)耀斑或日冕物質(zhì)拋射后，可能導(dǎo)致地磁暴。這些擾動(dòng)不僅使極光更加壯觀，還可能干擾無(wú)線電通信、導(dǎo)航系統(tǒng)，甚至損壞電網(wǎng)和衛(wèi)星。太空天氣預(yù)報(bào)因此成為現(xiàn)代文明的重要保障。恒星演化概述恒星誕生分子云塌縮形成原恒星，核心逐漸加熱，最終點(diǎn)燃核聚變主序階段恒星核心氫轉(zhuǎn)化為氦，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這是恒星壽命最長(zhǎng)的階段后主序演化核心氫耗盡后，恒星開(kāi)始膨脹，根據(jù)質(zhì)量不同走向不同演化路徑恒星死亡小質(zhì)量恒星形成白矮星，大質(zhì)量恒星經(jīng)歷超新星爆發(fā)形成中子星或黑洞恒星的質(zhì)量是決定其演化路徑的最關(guān)鍵因素。太陽(yáng)質(zhì)量8倍以下的恒星最終會(huì)形成白矮星；8-25倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星會(huì)形成中子星；而超過(guò)25倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星很可能形成黑洞。不同質(zhì)量恒星的演化速度也有天壤之別，最大質(zhì)量的恒星可能在幾百萬(wàn)年內(nèi)就完成整個(gè)生命周期，而小質(zhì)量恒星可以存在數(shù)萬(wàn)億年。小質(zhì)量恒星的演化核心氫耗盡經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的穩(wěn)定燃燒，核心氫轉(zhuǎn)化為氦，核聚變暫時(shí)停止氫殼燃燒核心收縮，溫度升高，引發(fā)核心周圍氫殼層的核聚變紅巨星膨脹外層因能量增加而膨脹，表面溫度下降，恒星變?yōu)榧t巨星核心氦閃當(dāng)核心溫度達(dá)到約1億開(kāi)爾文時(shí)，氦開(kāi)始劇烈聚變成碳，產(chǎn)生氦閃現(xiàn)象小質(zhì)量恒星（0.5-8倍太陽(yáng)質(zhì)量）的演化較為溫和。紅巨星階段，恒星的直徑可能膨脹到原來(lái)的數(shù)百倍，亮度增加數(shù)千倍。太陽(yáng)在約50億年后將進(jìn)入紅巨星階段，其外層可能會(huì)延伸到現(xiàn)在地球軌道的位置，使地球表面條件發(fā)生劇變。行星狀星云形成外層拋射在紅巨星后期，恒星外層不穩(wěn)定性增加，通過(guò)強(qiáng)烈的恒星風(fēng)將大量物質(zhì)拋射到太空中。這個(gè)過(guò)程可能持續(xù)數(shù)萬(wàn)年，使恒星失去高達(dá)50-70%的質(zhì)量。這些物質(zhì)形成圍繞恒星的氣體塵埃殼層，擴(kuò)散速度可達(dá)數(shù)十公里每秒。中心暴露隨著外層物質(zhì)的逐漸拋射，恒星內(nèi)部高溫核心（溫度超過(guò)10萬(wàn)開(kāi)爾文）開(kāi)始暴露。這個(gè)熾熱的核心發(fā)出強(qiáng)烈的紫外輻射，電離周圍的氣體，使其發(fā)光。這個(gè)階段恒星的有效溫度迅速上升，而光度開(kāi)始下降。行星狀星云電離的氣體形成絢麗多彩的行星狀星云，盡管名為"行星狀"，但實(shí)際上與行星無(wú)關(guān)，只是早期觀測(cè)者誤認(rèn)為其外觀像行星。行星狀星云有各種形狀，從環(huán)狀到蝴蝶狀，反映了物質(zhì)拋射過(guò)程的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。白矮星形成過(guò)程白矮星是小質(zhì)量恒星（小于8-10倍太陽(yáng)質(zhì)量）演化的最終產(chǎn)物，當(dāng)恒星核心的核聚變停止后，在引力作用下收縮形成的極其致密的天體物理特性盡管質(zhì)量接近太陽(yáng)，但體積僅有地球大小，密度極高（約1噸/立方厘米）；表面溫度可達(dá)數(shù)萬(wàn)開(kāi)爾文，但由于表面積小，總體光度較低內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由碳和氧組成，被簡(jiǎn)并電子氣支撐，沒(méi)有核聚變發(fā)生；受到錢德拉塞卡極限（約1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量）的限制，超過(guò)此質(zhì)量將坍縮為中子星冷卻過(guò)程白矮星沒(méi)有內(nèi)部能源，只能通過(guò)輻射逐漸冷卻；冷卻時(shí)間極長(zhǎng)，宇宙年齡尚不足以讓任何白矮星完全冷卻為"黑矮星"中等質(zhì)量恒星的演化1多階段核聚變核心依次燃燒氫、氦、碳、氖、氧、硅洋蔥層結(jié)構(gòu)形成由內(nèi)向外不同元素組成的殼層結(jié)構(gòu)紅超巨星外層膨脹，直徑可達(dá)數(shù)億公里核心坍縮鐵核形成后無(wú)法繼續(xù)聚變，引力導(dǎo)致核心坍縮中等質(zhì)量恒星（8-25倍太陽(yáng)質(zhì)量）的演化比小質(zhì)量恒星更為劇烈和迅速。這類恒星的核心溫度足夠高，能夠點(diǎn)燃一系列更重元素的核聚變反應(yīng)。隨著越來(lái)越重的元素被合成，恒星核心像洋蔥一樣形成層狀結(jié)構(gòu)，最內(nèi)層最終形成鐵核。由于鐵元素的核聚變需要吸收而非釋放能量，核心的核聚變鏈最終在鐵核形成時(shí)中斷。超新星爆發(fā)核心坍縮當(dāng)鐵核形成后，核聚變停止，核心在自身引力作用下快速坍縮，速度接近光速中子化極高的壓力使電子被擠入質(zhì)子，形成中子和中微子，中微子攜帶大量能量逃逸2反彈沖擊波核心達(dá)到核密度時(shí)突然停止坍縮，產(chǎn)生向外傳播的沖擊波爆發(fā)沖擊波增強(qiáng)后引發(fā)巨大爆炸，將恒星外層拋向太空，瞬間釋放的能量相當(dāng)于太陽(yáng)一生的總輸出II型超新星是大質(zhì)量恒星生命的壯觀終結(jié)，在短短幾秒鐘內(nèi)釋放出難以想象的能量。這種爆發(fā)能在幾周內(nèi)使恒星亮度增加數(shù)十億倍，甚至可以在白天看到。超新星爆發(fā)是宇宙中除鐵以外所有重元素的主要來(lái)源，如金、銀、鉑等，這些元素最終成為新恒星和行星系統(tǒng)的組成部分。中子星極端物態(tài)中子星由幾乎純中子的物質(zhì)組成，這是宇宙中已知最致密的物態(tài)之一。其核心密度高達(dá)每立方厘米數(shù)億噸，相當(dāng)于將整個(gè)人類總質(zhì)量壓縮到一顆糖的體積。超強(qiáng)磁場(chǎng)中子星擁有極其強(qiáng)大的磁場(chǎng)，可達(dá)1千萬(wàn)億高斯，比地球磁場(chǎng)強(qiáng)數(shù)萬(wàn)億倍。這種磁場(chǎng)強(qiáng)度足以扭曲附近空間的原子結(jié)構(gòu)，甚至可以在數(shù)千公里外將鐵原子撕裂。極速旋轉(zhuǎn)由于角動(dòng)量守恒，中子星可以極高速度旋轉(zhuǎn)，從數(shù)秒到數(shù)毫秒一轉(zhuǎn)。最快的脈沖星每秒可旋轉(zhuǎn)上千次，其赤道線速度可達(dá)光速的10-20%。脈沖星是一類特殊的中子星，它們的磁軸與旋轉(zhuǎn)軸不重合，產(chǎn)生類似燈塔的輻射束。當(dāng)這些輻射束掃過(guò)地球時(shí)，我們觀測(cè)到規(guī)律性的脈沖信號(hào)，這些信號(hào)的穩(wěn)定性堪比原子鐘，使脈沖星成為研究廣義相對(duì)論的理想天體實(shí)驗(yàn)室。大質(zhì)量恒星的演化25+太陽(yáng)質(zhì)量大質(zhì)量恒星的典型質(zhì)量范圍，遠(yuǎn)超太陽(yáng)10^6太陽(yáng)光度可達(dá)到太陽(yáng)光度的數(shù)百萬(wàn)倍，極其明亮<10百萬(wàn)年主序壽命極短，比太陽(yáng)短千倍以上10^4開(kāi)爾文表面溫度極高，呈現(xiàn)藍(lán)白色外觀大質(zhì)量恒星的演化極其迅速而劇烈。它們消耗核燃料的速度遠(yuǎn)快于小質(zhì)量恒星，主序階段可能僅持續(xù)幾百萬(wàn)年。在后期演化中，這些恒星可能經(jīng)歷劇烈的質(zhì)量損失階段，如沃爾夫-拉葉特階段，每年可以失去相當(dāng)于地球質(zhì)量的物質(zhì)。大質(zhì)量恒星由于核心溫度極高，可以合成直至鐵的所有元素，最終以壯觀的超新星爆發(fā)結(jié)束生命。黑洞的形成超大質(zhì)量恒星死亡質(zhì)量超過(guò)25-40倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，在核心坍縮后形成的中子核心質(zhì)量可能超過(guò)托爾曼-奧本海默-沃爾科夫限制（約3倍太陽(yáng)質(zhì)量）無(wú)限坍縮當(dāng)中子簡(jiǎn)并壓力無(wú)法抵抗引力時(shí)，坍縮持續(xù)進(jìn)行，物質(zhì)密度趨向無(wú)限大，時(shí)空曲率急劇增加奇點(diǎn)形成理論上，坍縮最終形成一個(gè)密度無(wú)限大、體積趨近于零的奇點(diǎn)，但量子引力效應(yīng)可能會(huì)改變這一結(jié)局事件視界出現(xiàn)當(dāng)物質(zhì)被壓縮到史瓦西半徑內(nèi)時(shí)，形成事件視界，任何物質(zhì)或輻射都無(wú)法從此邊界內(nèi)逃脫黑洞的特性時(shí)空扭曲黑洞是時(shí)空中的一個(gè)區(qū)域，在這里引力如此強(qiáng)大，以至于任何物體，甚至包括光在內(nèi)，一旦越過(guò)某個(gè)邊界（事件視界），就永遠(yuǎn)無(wú)法逃脫。這不是因?yàn)樘右菟俣瘸^(guò)了光速，而是因?yàn)闀r(shí)空本身被扭曲到了極端程度。在黑洞周圍，時(shí)間會(huì)明顯變慢（時(shí)間膨脹效應(yīng)）。從遠(yuǎn)處觀察者的角度看，接近黑洞事件視界的物體會(huì)逐漸"凍結(jié)"，同時(shí)光譜會(huì)向紅端移動(dòng)。而對(duì)于掉入黑洞的觀察者，外部宇宙會(huì)似乎加速演化?；艚疠椛?974年，理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金預(yù)測(cè)，黑洞并非完全"黑"的，而是會(huì)緩慢地發(fā)射輻射，這種現(xiàn)象后來(lái)被稱為"霍金輻射"。這一輻射源于量子效應(yīng)，具體來(lái)說(shuō)是虛粒子對(duì)在事件視界附近的行為。通過(guò)霍金輻射，黑洞會(huì)逐漸損失質(zhì)量并"蒸發(fā)"。然而，對(duì)于典型質(zhì)量的黑洞，這個(gè)過(guò)程極其緩慢——一個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的黑洞需要約10^67年才能完全蒸發(fā)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)宇宙當(dāng)前的年齡。而質(zhì)量越小的黑洞，蒸發(fā)速度越快。雙星系統(tǒng)雙星類型視覺(jué)雙星：兩顆恒星可通過(guò)望遠(yuǎn)鏡分開(kāi)觀測(cè)光譜雙星：通過(guò)光譜多普勒效應(yīng)觀測(cè)到的雙星食雙星：兩顆恒星周期性地相互掩食密近雙星：兩顆恒星非常接近，物質(zhì)可能互相轉(zhuǎn)移演化特殊性質(zhì)量轉(zhuǎn)移：一顆恒星膨脹后，物質(zhì)可能流向伴星共同包層：兩顆恒星可能共享外層大氣潮汐鎖定：恒星自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)同步引力波輻射：軌道能量通過(guò)引力波緩慢損失特殊天體現(xiàn)象Ia型超新星：白矮星吸積伴星物質(zhì)后爆發(fā)X射線雙星：中子星或黑洞吸積伴星物質(zhì)雙星脈沖星：兩顆中子星互相環(huán)繞引力波源：雙中子星或雙黑洞并合超新星遺跡蟹狀星云蟹狀星云（M1）是1054年中國(guó)天文學(xué)家記錄的"客星"爆發(fā)后形成的超新星遺跡。位于金牛座，距離地球約6,500光年，直徑約10光年。其中心有一顆每秒旋轉(zhuǎn)30次的脈沖星，持續(xù)為星云供能。蟹狀星云是研究超新星爆發(fā)后恒星殘骸演化的重要實(shí)驗(yàn)室。船底座超新星遺跡船底座超新星是人類歷史上觀測(cè)到的最接近的超新星之一，爆發(fā)于1987年，距離地球約16.8萬(wàn)光年，位于大麥哲倫云中。這是首個(gè)可以用現(xiàn)代儀器全面研究的超新星，為我們提供了許多關(guān)于大質(zhì)量恒星死亡過(guò)程的寶貴數(shù)據(jù)，包括首次探測(cè)到中微子爆發(fā)。超新星遺跡的科學(xué)價(jià)值超新星遺跡為天文學(xué)家提供了研究恒星爆發(fā)機(jī)制、元素合成過(guò)程和星際介質(zhì)相互作用的絕佳機(jī)會(huì)。通過(guò)分析遺跡中的氣體成分和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，科學(xué)家可以驗(yàn)證核合成理論，了解宇宙中重元素的起源，以及爆發(fā)如何影響周圍星際環(huán)境和星系演化。恒星形成區(qū)恒星形成區(qū)是宇宙中最壯觀的景象之一，這些區(qū)域通常是由巨大的分子云構(gòu)成的，富含氫氣和塵埃。獵戶座大星云(M42)是最著名的恒星形成區(qū)之一，位于距離地球約1,350光年處，直徑約24光年。這個(gè)星云中包含了上千顆年輕恒星，其中包括年齡不到百萬(wàn)年的梯形星團(tuán)。恒星形成區(qū)展示了恒星誕生的各個(gè)階段，從初始的分子云塌縮到原恒星形成再到最終點(diǎn)燃核聚變。這些區(qū)域是我們理解恒星形成過(guò)程的理想實(shí)驗(yàn)室。恒星死亡的證據(jù)行星狀星云白矮星超新星遺跡中子星黑洞恒星死亡的證據(jù)遍布整個(gè)銀河系和鄰近星系。行星狀星云是小質(zhì)量恒星死亡的明顯標(biāo)志，如著名的"貓眼星云"和"指環(huán)星云"，它們展示了恒星外層物質(zhì)噴射到太空中的壯觀景象。這些結(jié)構(gòu)通常只能持續(xù)幾萬(wàn)年就會(huì)消散于星際空間。人類歷史上記錄了多次超新星爆發(fā)事件。最著名的包括1054年的金牛座超新星（形成蟹狀星云）、1572年的第谷超新星和1604年的開(kāi)普勒超新星。這些歷史記錄與現(xiàn)代觀測(cè)到的遺跡相結(jié)合，為我們理解恒星死亡過(guò)程提供了重要線索。元素的宇宙起源大爆炸核合成宇宙誕生后的前3分鐘，溫度和密度適合進(jìn)行核合成，形成了最初的氫（約75%）和氦（約25%），以及少量鋰恒星核合成恒星內(nèi)部通過(guò)核聚變反應(yīng)，將氫轉(zhuǎn)化為氦，然后是碳、氧、氖、鎂、硅等，直到鐵超新星核合成超新星爆發(fā)提供了合成鐵以上重元素所需的高能環(huán)境，產(chǎn)生了從銅、鋅到金、鈾的元素中子星合并中子星碰撞產(chǎn)生劇烈的中子捕獲過(guò)程，是金、鉑、鈾等最重元素的主要來(lái)源銀河系結(jié)構(gòu)銀河系中心半徑約1萬(wàn)光年的中央突起，包含人馬座A*超大質(zhì)量黑洞和密集的古老恒星群銀盤直徑約10萬(wàn)光年的扁平圓盤，包含大部分年輕恒星、恒星形成區(qū)和氣體云螺旋臂銀盤中的主要結(jié)構(gòu)特征，是密度波形成的恒星和氣體集中區(qū)，包括獵戶臂、英仙臂等銀暈球形區(qū)域延伸至銀盤之外，包含古老球狀星團(tuán)和暗物質(zhì)，直徑可達(dá)30萬(wàn)光年銀河系是一個(gè)包含約2000-4000億顆恒星的巨大旋渦星系，太陽(yáng)位于距離中心約26000光年處的獵戶臂上。銀河系的旋轉(zhuǎn)周期非常漫長(zhǎng)，太陽(yáng)繞銀河系中心一周需要約2.3億年，這被稱為一個(gè)"宇宙年"。銀河系中心人馬座A*超大質(zhì)量黑洞質(zhì)量約為430萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，是首個(gè)被直接成像的黑洞之一。2022年，事件視界望遠(yuǎn)鏡公布了人馬座A*的歷史性圖像，顯示了其環(huán)繞的熱氣體發(fā)光環(huán)。中央恒星集群銀河系中心區(qū)域包含極高密度的恒星，恒星密度比太陽(yáng)附近高出約一百萬(wàn)倍。這里有許多年輕的大質(zhì)量恒星，這與黑洞周圍環(huán)境的極端性相矛盾，成為天文學(xué)謎題。分子云與氣體結(jié)構(gòu)中心區(qū)域有復(fù)雜的氣體結(jié)構(gòu)，包括被稱為"迷你螺旋"的電離氣體和廣泛的分子氣體云。這些氣體結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)大的磁場(chǎng)和黑洞引力的影響，呈現(xiàn)出獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)特性。銀河系中心區(qū)域是一個(gè)極端的物理環(huán)境，強(qiáng)大的磁場(chǎng)、高能輻射和潮汐力塑造了這一區(qū)域的獨(dú)特特性。由于星際塵埃的遮擋，我們無(wú)法在可見(jiàn)光波段直接觀測(cè)銀河系中心，但射電、紅外和X射線觀測(cè)揭示了這一神秘區(qū)域的豐富細(xì)節(jié)。星系的類型橢圓星系橢圓星系呈現(xiàn)球形或橢球形結(jié)構(gòu)，缺乏明顯的盤狀結(jié)構(gòu)和螺旋臂。它們主要包含古老的紅色恒星，恒星形成活動(dòng)較少，氣體和塵埃含量低。橢圓星系的大小差異巨大，從矮橢圓星系（僅含幾百萬(wàn)顆恒星）到巨橢圓星系（含數(shù)萬(wàn)億顆恒星）。這類星系可能是由于多個(gè)星系合并形成的。螺旋星系螺旋星系包含一個(gè)中央核球和圍繞其旋轉(zhuǎn)的扁平盤面，盤面上有明顯的螺旋臂結(jié)構(gòu)。這些星系富含氣體和塵埃，恒星形成活動(dòng)活躍，包含各種年齡的恒星。螺旋星系又分為正常螺旋星系(Sa-Sc)和棒旋星系(SBa-SBc)，后者中央有一個(gè)棒狀結(jié)構(gòu)。我們的銀河系是一個(gè)典型的棒旋星系。不規(guī)則星系不規(guī)則星系沒(méi)有明確的形狀或結(jié)構(gòu)，通常較小，外觀混亂。這類星系往往包含大量氣體和塵埃，恒星形成率高。大多數(shù)不規(guī)則星系是由于與其他星系相互作用或碰撞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)扭曲形成的。我們的近鄰大麥哲倫云和小麥哲倫云是典型的不規(guī)則星系，正在與銀河系相互作用。星系團(tuán)和超星系團(tuán)宇宙網(wǎng)絡(luò)最大尺度結(jié)構(gòu)，由超星系團(tuán)、長(zhǎng)城和空洞組成超星系團(tuán)包含多個(gè)星系團(tuán)的巨大結(jié)構(gòu)，跨度可達(dá)上億光年星系團(tuán)包含數(shù)百至數(shù)千個(gè)星系的引力束縛系統(tǒng)星系群包含數(shù)十個(gè)星系的較小引力系統(tǒng)單個(gè)星系由數(shù)億至數(shù)萬(wàn)億顆恒星組成的基本天體單元宇宙大尺度結(jié)構(gòu)宇宙網(wǎng)絡(luò)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一種類似于蜂窩或海綿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)在數(shù)億光年的尺度上變得明顯。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)是由暗物質(zhì)的分布主導(dǎo)的，可見(jiàn)物質(zhì)沿著暗物質(zhì)形成的"骨架"分布。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含細(xì)長(zhǎng)的絲狀結(jié)構(gòu)（絲狀結(jié)構(gòu)）、密集的節(jié)點(diǎn)（星系團(tuán)和超星系團(tuán)）以及巨大的幾乎沒(méi)有星系的區(qū)域（空洞）。這些特征是宇宙早期小密度波動(dòng)在引力作用下逐漸放大的結(jié)果。空洞和長(zhǎng)城結(jié)構(gòu)宇宙空洞是直徑約1億至4億光年的區(qū)域，其中幾乎沒(méi)有星系。這些區(qū)域占據(jù)了宇宙空間的大部分體積，它們的形成是由于物質(zhì)在引力作用下從低密度區(qū)域流向高密度區(qū)域。與空洞相對(duì)的是星系集中的巨大結(jié)構(gòu)，如"長(zhǎng)城"（GreatWall）。1989年發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)城是一個(gè)超過(guò)5億光年長(zhǎng)的星系密集區(qū)域。后來(lái)發(fā)現(xiàn)的"史隆長(zhǎng)城"更是長(zhǎng)達(dá)14億光年。這些結(jié)構(gòu)是我們所知的宇宙中最大的連續(xù)結(jié)構(gòu)。暗物質(zhì)觀測(cè)證據(jù)星系旋轉(zhuǎn)曲線顯示，星系外圍恒星的旋轉(zhuǎn)速度遠(yuǎn)高于根據(jù)可見(jiàn)物質(zhì)分布預(yù)期的速度，表明存在大量看不見(jiàn)的物質(zhì)。星系團(tuán)中的熱氣體溫度和分布也表明存在額外的引力源。引力透鏡效應(yīng)進(jìn)一步證實(shí)了暗物質(zhì)的存在。粒子候選者暗物質(zhì)可能由尚未發(fā)現(xiàn)的亞原子粒子組成，最受歡迎的候選者是弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMPs）和軸子。另一種可能是原初黑洞，即大爆炸早期形成的微小黑洞。多個(gè)實(shí)驗(yàn)正在尋找這些粒子，但迄今尚未確認(rèn)探測(cè)到。宇宙學(xué)意義暗物質(zhì)在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成中起關(guān)鍵作用，它的引力作用創(chuàng)造了最初的密度波動(dòng)，使普通物質(zhì)聚集形成星系和星系團(tuán)。沒(méi)有暗物質(zhì)，宇宙將無(wú)法形成我們今天觀測(cè)到的結(jié)構(gòu)。它對(duì)理解宇宙演化和最終命運(yùn)至關(guān)重要。暗能量加速膨脹的發(fā)現(xiàn)1998年，兩個(gè)獨(dú)立研究小組通過(guò)觀測(cè)遙遠(yuǎn)的Ia型超新星做出了震驚科學(xué)界的發(fā)現(xiàn)：宇宙膨脹正在加速，而不是如先前預(yù)期的那樣減速。這一發(fā)現(xiàn)與愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)相矛盾，因?yàn)橐?yīng)該使膨脹減慢。這一重大發(fā)現(xiàn)為SaulPerlmutter、BrianSchmidt和AdamRiess贏得了2011年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。后續(xù)觀測(cè)，包括宇宙微波背景輻射、重子聲波振蕩和星系團(tuán)演化，都進(jìn)一步證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)。暗能量的本質(zhì)暗能量是一種假設(shè)的能量形式，填充整個(gè)空間，產(chǎn)生加速宇宙膨脹所需的排斥力。它的本質(zhì)仍然是物理學(xué)中最大的謎團(tuán)之一。最簡(jiǎn)單的解釋是宇宙學(xué)常數(shù)，即空間本身具有的能量密度，可能與量子場(chǎng)論預(yù)測(cè)的真空能量相關(guān)。其他可能的解釋包括第五種基本力（"精華"），或者廣義相對(duì)論在宇宙尺度上需要修正。無(wú)論哪種解釋，暗能量都代表著宇宙中約68%的質(zhì)能，遠(yuǎn)超過(guò)普通物質(zhì)（5%）和暗物質(zhì)（27%）的貢獻(xiàn)。宇宙微波背景輻射發(fā)現(xiàn)歷史1964年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在貝爾實(shí)驗(yàn)室使用無(wú)線電天線時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了來(lái)自所有方向的微弱無(wú)線電噪聲。這種輻射溫度約為2.7開(kāi)爾文，無(wú)法用已知的輻射源解釋。后來(lái)確認(rèn)這就是大爆炸理論預(yù)測(cè)的宇宙微波背景輻射（CMB），是宇宙早期高溫狀態(tài)的殘余熱輻射。溫度起伏COBE、WMAP和普朗克衛(wèi)星等航天器對(duì)CMB進(jìn)行了精確測(cè)量，發(fā)現(xiàn)盡管CMB在各個(gè)方向上非常均勻，但存在微小的溫度起伏（約百萬(wàn)分之一的差異）。這些起伏對(duì)應(yīng)于宇宙早期的密度波動(dòng)，正是這些波動(dòng)在引力作用下逐漸放大，最終形成今天的星系和星系團(tuán)。宇宙學(xué)意義CMB是大爆炸理論的關(guān)鍵證據(jù)之一，它不僅證實(shí)了宇宙有一個(gè)熾熱致密的開(kāi)端，還提供了測(cè)量宇宙基本參數(shù)的強(qiáng)大工具。通過(guò)分析CMB的溫度波動(dòng)模式，科學(xué)家們能夠確定宇宙的年齡、幾何形狀、組成成分以及膨脹速率，從而構(gòu)建精確的宇宙標(biāo)準(zhǔn)模型。引力波引力波的本質(zhì)引力波是時(shí)空的漣漪，由加速運(yùn)動(dòng)的大質(zhì)量物體產(chǎn)生，以光速傳播。它們是愛(ài)因斯坦1916年在廣義相對(duì)論中預(yù)測(cè)的現(xiàn)象，表現(xiàn)為空間收縮和膨脹的交替模式。與電磁波不同，引力波幾乎不受物質(zhì)阻擋，可以攜帶遙遠(yuǎn)宇宙事件的純粹信息。首次探測(cè)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的技術(shù)發(fā)展，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）終于在2015年9月14日首次直接探測(cè)到引力波信號(hào)GW150914，源自距離地球約13億光年處兩個(gè)黑洞的合并事件。這一里程碑式的發(fā)現(xiàn)為L(zhǎng)IGO的創(chuàng)始人基普·索恩、雷納·韋斯和巴里·巴里什贏得了2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?？茖W(xué)突破自首次探測(cè)以來(lái)，LIGO、Virgo和KAGRA等探測(cè)器已經(jīng)觀測(cè)到數(shù)十次引力波事件，主要來(lái)自黑洞合并和中子星合并。這些觀測(cè)不僅驗(yàn)證了廣義相對(duì)論在強(qiáng)引力場(chǎng)中的預(yù)測(cè)，還揭示了此前無(wú)法觀測(cè)的宇宙現(xiàn)象，開(kāi)創(chuàng)了引力波天文學(xué)新時(shí)代，為我們提供了探索宇宙的全新窗口。多信使天文學(xué)多信使天文學(xué)是指利用不同類型的"宇宙信使"—電磁波、中微子、宇宙射線和引力波—來(lái)綜合研究天文現(xiàn)象。這種跨波段、跨粒子類型的觀測(cè)方法為我們提供了更全面的宇宙圖景。2017年8月17日，科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了真正的多信使觀測(cè)：LIGO和Virgo探測(cè)到來(lái)自雙中子星合并的引力波信號(hào)GW170817，同時(shí)全球約70個(gè)電磁波望遠(yuǎn)鏡在伽馬射線、X射線、紫外、可見(jiàn)光、紅外和射電波段觀測(cè)到了相應(yīng)的電磁輻射。這次觀測(cè)不僅證實(shí)了重元素如金和鉑在中子星合并中產(chǎn)生的理論，還為宇宙學(xué)研究提供了新的測(cè)量方法。系外行星自1995年首個(gè)系外行星（圍繞主序星運(yùn)行的行星）被確認(rèn)以來(lái)，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了5000多顆系外行星。這些行星展示了驚人的多樣性，從"熱木星"（體積類似木星但軌道非常接近恒星的巨行星）到"超級(jí)地球"（質(zhì)量介于地球和海王星之間的行星），甚至包括圍繞脈沖星或白矮星運(yùn)行的行星。探測(cè)系外行星的主要方法包括：凌日法（觀測(cè)行星經(jīng)過(guò)恒星表面時(shí)造成的亮度變化）、視向速度法（測(cè)量恒星因行星引力而產(chǎn)生的微小擺動(dòng)）、引力微透鏡（利用引力透鏡效應(yīng)放大背景恒星的光）和直接成像（直接觀測(cè)行星反射或發(fā)出的光）。宜居帶宜居帶定義宜居帶是指行星軌道位于恒星周圍的一個(gè)區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)行星表面溫度適中，理論上可以維持液態(tài)水的存在。這個(gè)概念基于水是地球生命的基礎(chǔ)，因此液態(tài)水被視為行星宜居性的首要條件。影響因素宜居帶的位置和寬度取決于多種因素，首先是恒星的光度和溫度—紅矮星的宜居帶距離恒星更近，而明亮的藍(lán)色恒星則更遠(yuǎn)。行星的大氣成分也至關(guān)重要，溫室氣體可以擴(kuò)大宜居帶范圍，而行星的反照率會(huì)影響其吸收的熱量。尋找類地行星天文學(xué)家特別關(guān)注位于宜居帶內(nèi)的巖石行星，這些行星被稱為"類地行星"。迄今發(fā)現(xiàn)的最有希望的候選者包括開(kāi)普勒-442b、TRAPPIST-1e和比鄰星b等。未來(lái)的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡有望分析這些行星的大氣成分，尋找生命存在的化學(xué)信號(hào)。天文觀測(cè)技術(shù)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)望遠(yuǎn)鏡收集和聚焦可見(jiàn)光，是人類最早發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡類型。現(xiàn)代光學(xué)望遠(yuǎn)鏡主要采用反射式設(shè)計(jì)，使用大型主鏡（可達(dá)10米以上）收集光線。為克服大氣擾動(dòng)，地基望遠(yuǎn)鏡采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，通過(guò)可變形鏡實(shí)時(shí)校正大氣湍流造成的畸變。目前世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡包括位于智利的甚大望遠(yuǎn)鏡（VLT）、大雙筒望遠(yuǎn)鏡和麥哲倫望遠(yuǎn)鏡，以及夏威夷的凱克望遠(yuǎn)鏡。下一代望遠(yuǎn)鏡如三十米望遠(yuǎn)鏡（TMT）和歐洲極大望遠(yuǎn)鏡（ELT）將擁有更大的收集面積。射電望遠(yuǎn)鏡射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)無(wú)線電波，可以穿透宇宙塵埃和地球大氣，觀測(cè)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡無(wú)法看到的天體?，F(xiàn)代射電望遠(yuǎn)鏡通常是大型碟形天線或天線陣列。單個(gè)最大的射電望遠(yuǎn)鏡是中國(guó)的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），而最強(qiáng)大的是分布在多個(gè)大陸的甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量網(wǎng)絡(luò)（VLBI）。射電天文學(xué)可以觀測(cè)氫原子發(fā)出的21厘米譜線、脈沖星的無(wú)線電脈沖、活動(dòng)星系核的射電噴流，以及宇宙微波背景輻射。射電干涉技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超高角分辨率，使事件視界望遠(yuǎn)鏡能夠直接成像黑洞陰影?？臻g望遠(yuǎn)鏡哈勃空間望遠(yuǎn)鏡1990年發(fā)射，直徑2.4米的主鏡，觀測(cè)紫外線、可見(jiàn)光和近紅外波段。哈勃徹底改變了天文學(xué)，提供了數(shù)千張宇宙深空高清圖像，幫助確定宇宙加速膨脹，研究系外行星大氣，并探測(cè)到數(shù)以千計(jì)的星系。它經(jīng)歷了五次維修任務(wù)，預(yù)計(jì)可運(yùn)行到2030年代。詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡2021年發(fā)射，擁有6.5米直徑的分段式主鏡，主要觀測(cè)紅外波段。韋伯望遠(yuǎn)鏡被設(shè)計(jì)為哈勃的后繼者，能夠觀測(cè)更遠(yuǎn)處和更古老的天體，甚至可以研究宇宙中第一批恒星和星系。它還將詳細(xì)研究系外行星大氣，尋找生命存在的跡象。其他主要空間望遠(yuǎn)鏡錢德拉X射線天文臺(tái)和XMM-牛頓觀測(cè)高能X射線源；斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡和赫歇爾空間天文臺(tái)觀測(cè)紅外波段；蓋亞測(cè)量超過(guò)10億顆恒星的位置和運(yùn)動(dòng)。未來(lái)計(jì)劃包括羅曼太空望遠(yuǎn)鏡和LISA引力波探測(cè)器。高能天體物理X射線天文學(xué)研究溫度在數(shù)百萬(wàn)至數(shù)億度的高溫天體主要觀測(cè)目標(biāo)包括黑洞吸積盤、中子星和超新星遺跡需要空間望遠(yuǎn)鏡（如錢德拉、XMM-牛頓）因?yàn)榇髿馕誜射線伽馬射線天文學(xué)探測(cè)宇宙中最高能量的電磁輻射研究伽馬射線暴、活動(dòng)星系核和脈沖星風(fēng)云使用費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡和地基切倫科夫望遠(yuǎn)鏡宇宙線研究研究來(lái)自太空的高能帶電粒子能量范圍從百萬(wàn)電子伏特到超過(guò)10^20電子伏特使用大型地面探測(cè)器陣列如皮埃爾·奧熱觀測(cè)站計(jì)算天體物理學(xué)數(shù)值模擬使用超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬復(fù)雜天體系統(tǒng)的演化，從恒星內(nèi)部到整個(gè)宇宙算法開(kāi)發(fā)創(chuàng)建專門的計(jì)算方法解決天體物理問(wèn)題，包括流體動(dòng)力學(xué)和輻射傳輸大數(shù)據(jù)處理處理和分析來(lái)自現(xiàn)代天文設(shè)備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，常達(dá)PB級(jí)人工智能應(yīng)用利用機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)新天體、分類星系和預(yù)測(cè)天體演化計(jì)算天體物理學(xué)已成為現(xiàn)代天文研究的關(guān)鍵支柱。宇宙大尺度結(jié)構(gòu)形成、星系演化、恒星內(nèi)部物理和超新星爆發(fā)等復(fù)雜過(guò)程都需要先進(jìn)的數(shù)值模擬才能深入理解。這些模擬通常運(yùn)行在世界頂級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)上，如美國(guó)的Summit和中國(guó)的天河系列。隨著觀測(cè)設(shè)備的進(jìn)步，天文學(xué)已進(jìn)入"大數(shù)據(jù)"時(shí)代。例如，平方公里陣列射電望遠(yuǎn)鏡（SKA）每天將產(chǎn)生數(shù)百PB的原始數(shù)據(jù)，超過(guò)目前全球互聯(lián)網(wǎng)流量。這需要開(kāi)發(fā)新的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和自動(dòng)化分析工具，包括人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用。天文學(xué)與基礎(chǔ)物理水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)1915年，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論成功解釋了水星軌道的異常進(jìn)動(dòng)，這是該理論的首次驗(yàn)證光線彎曲1919年日食期間，愛(ài)丁頓證實(shí)了星光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)時(shí)發(fā)生彎曲，與廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)一致雙脈沖星1974年發(fā)現(xiàn)的雙脈沖星PSRB1913+16的軌道衰減完美符合引力波輻射的理論預(yù)測(cè)4黑洞照片2019年M87黑洞的首張照片和2022年銀河系中心黑洞照片驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦理論對(duì)極端引力場(chǎng)的預(yù)測(cè)宇宙學(xué)前沿問(wèn)題宇宙學(xué)常數(shù)問(wèn)題宇宙學(xué)常數(shù)問(wèn)題是現(xiàn)代物理學(xué)中最嚴(yán)重的理論困境之一。根據(jù)量子場(chǎng)論，真空能量密度應(yīng)該非常巨大，但觀測(cè)到的宇宙學(xué)常數(shù)（與暗能量相關(guān)）值卻小得多，差異可達(dá)120個(gè)數(shù)量級(jí)。這一巨大差異表明我們對(duì)量子場(chǎng)論或引力理論的理解存在根本性缺陷。可能的解決方案包括新的量子引力理論、額外維度甚至是人擇原理（認(rèn)為我們觀測(cè)到的宇宙參數(shù)正好適合生命存在并非巧合）。重子不對(duì)稱性根據(jù)大爆炸理論，宇宙初期應(yīng)產(chǎn)生等量的物質(zhì)和反物質(zhì)，但今天的宇宙幾乎完全由物質(zhì)構(gòu)成，幾乎沒(méi)有自然存在的反物質(zhì)。這種不對(duì)稱性的起源是一個(gè)主要謎團(tuán)。標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法完全解釋這種不對(duì)稱性?？赡艿慕忉尠–P對(duì)稱性破缺（物質(zhì)和反物質(zhì)在某些粒子衰變過(guò)程中表現(xiàn)出輕微不同）、輕子生成理論，或宇宙早期發(fā)生的其他未知過(guò)程。理解這一問(wèn)題對(duì)解釋我們宇宙的存在至關(guān)重要。時(shí)間與空間時(shí)空概念愛(ài)因斯坦的相對(duì)論徹底改變了我們對(duì)時(shí)間和空間的理解。在這一理論框架下，時(shí)間和空間不再是獨(dú)立的絕對(duì)概念，而是融合為四維時(shí)空連續(xù)體。時(shí)間不再是均勻流動(dòng)的，而是可以因觀察者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和引力場(chǎng)強(qiáng)度而變化。這種時(shí)空統(tǒng)一的觀點(diǎn)是現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。時(shí)間的相對(duì)性相對(duì)論預(yù)測(cè)，運(yùn)動(dòng)和引力會(huì)導(dǎo)致時(shí)間流逝的速率發(fā)生變化。處于高速運(yùn)動(dòng)中的鐘表會(huì)比靜止觀察者的鐘表走得更慢（時(shí)間膨脹）；同樣，處于強(qiáng)引力場(chǎng)中的鐘表也會(huì)比遠(yuǎn)離引力源的鐘表走得更慢。這些效應(yīng)已通過(guò)精密原子鐘實(shí)驗(yàn)和GPS系統(tǒng)得到驗(yàn)證。量子視角量子力學(xué)對(duì)時(shí)空提出了另一種挑戰(zhàn)。在量子尺度，時(shí)空可能不再是連續(xù)的，而是由最小單位組成。量子糾纏現(xiàn)象似乎允許遠(yuǎn)距離的即時(shí)關(guān)聯(lián)，挑戰(zhàn)了經(jīng)典的局域性原理。量子引力理論如弦論和圈量子引力正試圖統(tǒng)一量子力學(xué)和相對(duì)論，可能會(huì)帶來(lái)對(duì)時(shí)空本質(zhì)的全新理解。平行宇宙假說(shuō)1量子多世界解釋源自對(duì)量子力學(xué)的解釋，認(rèn)為每次量子測(cè)量都會(huì)導(dǎo)致宇宙分裂成多個(gè)平行宇宙，各自對(duì)應(yīng)不同的測(cè)量結(jié)果宇宙泡沫理論基于暴漲理論，認(rèn)為我們的宇宙只是一個(gè)更大"多重宇宙"中的一個(gè)泡沫，其他無(wú)數(shù)宇宙泡沫可能有不同的物理定律膜宇宙理論源自弦理論，假設(shè)我們的三維宇宙是存在于更高維空間中的"膜"，其他膜宇宙可能與我們的宇宙平行存在循環(huán)宇宙模型認(rèn)為宇宙經(jīng)歷無(wú)限循環(huán)的大爆炸和大收縮，每個(gè)循環(huán)可視為一個(gè)獨(dú)立宇宙宇宙的未來(lái)星系時(shí)代現(xiàn)在至10^14年，星系形成恒星，宇宙活躍簡(jiǎn)并時(shí)代10^14至10^36年，恒星耗盡，主要為白矮星、中子星和黑洞黑洞時(shí)代10^36至10^100年，幾乎所有物質(zhì)都將形成黑洞暗時(shí)代10^100年后，黑洞蒸發(fā)，宇宙只剩下極低能量輻射宇宙的終極命運(yùn)取決于暗能量的本質(zhì)和宇宙膨脹的長(zhǎng)期行為。如果暗能量保持恒定強(qiáng)度（宇宙學(xué)常數(shù)），宇宙將無(wú)限膨脹，導(dǎo)致"熱寂"—一個(gè)極度稀薄、溫度接近絕對(duì)零度的狀態(tài)，所有星系最終將彼此失去聯(lián)系。如果暗能量強(qiáng)度隨時(shí)間增加（大撕裂），膨脹將變得如此劇烈，最終會(huì)撕裂星系、恒星、行星甚至原子本身。另一種可能性是暗能量最終減弱并變?yōu)橐?，?dǎo)致宇宙收縮（大收縮），可能引發(fā)新的大爆炸，形成循環(huán)宇宙。生命起源1化學(xué)演化簡(jiǎn)單化合物在原始地球條件下形成有機(jī)分子，如氨基酸和核苷酸2自我組織分子聚集形成更復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如脂質(zhì)膜和原始細(xì)胞前體3RNA世界RNA分子可能同時(shí)充當(dāng)遺傳物質(zhì)和催化劑，是最早的自我復(fù)制系統(tǒng)4細(xì)胞形成膜包裹的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，隔離內(nèi)部化學(xué)環(huán)境，形成最初的細(xì)胞5代謝發(fā)展能量獲取系統(tǒng)發(fā)展，如發(fā)酵和早期光合作用，支持更復(fù)雜生命人類的宇宙探索人類的宇宙探索經(jīng)歷了從古代觀星到現(xiàn)代太空探測(cè)的漫長(zhǎng)歷程。1957年，蘇聯(lián)發(fā)射世界首顆人造衛(wèi)星"斯普特尼克1號(hào)"，開(kāi)啟了太空時(shí)代。1961年，尤里·加加林成為首位進(jìn)入太空的人類。1969年，尼爾·阿姆斯特朗在阿波羅11號(hào)任務(wù)中踏上月球，實(shí)現(xiàn)了人類的一個(gè)重要里程碑。近幾十年，無(wú)人探測(cè)器已到達(dá)太陽(yáng)系所有行星和許多小天體。旅行者1號(hào)和2號(hào)探測(cè)器已經(jīng)飛出太陽(yáng)系，進(jìn)入星際空間。國(guó)際空間站自2000年以來(lái)持續(xù)有人駐守，成為人類在太空中最持久的存在。未來(lái)，人類計(jì)劃重返月球，探索火星，并將視線投向更遠(yuǎn)的深空。中國(guó)的天文貢獻(xiàn)古代成就中國(guó)擁有世界上最早的天文觀測(cè)記錄之一，最早可追溯到公元前1500年甲骨文中的天象記載。東漢張衡發(fā)明地動(dòng)儀和渾天儀，宋代的蘇頌設(shè)計(jì)了水力驅(qū)動(dòng)的天文鐘。中國(guó)古代天文學(xué)家記錄了多次超新星爆發(fā)，包括1054年形成蟹狀星云的超新星?，F(xiàn)代設(shè)施中國(guó)建造了世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡——500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），俗稱"天眼"。其他重要設(shè)施包括郭守敬望遠(yuǎn)鏡