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OpenStax是莱斯大学的一个非营利组织，我们的使命是改善学生接受教育的机会。我们的第一本公开许可的大学教科书于2012年出版，此后我们的图书馆已经扩大到50多本大学和美联社®课程的书籍，被数十万学生使用。我们的低成本个性化学习工具OpenStax导师正在全国各地的大学课程中使用。通过与慈善基金会的合作以及与其他教育资源组织的联盟，OpenStax正在打破最常见的学习障碍，并赋予学生和教师成功的力量。
关于OpenStax
关于OpenStax资源
*天文学2e*是用清晰的非技术语言写的，偶尔会有一点幽默和广泛的澄清插图。它有许多来自日常生活的类比，帮助非科学专业的学生以他们自己的方式理解我们对宇宙的现代探索揭示了什么。这本书可以用于一学期或两学期的入门课程（记住，你可以定制你的版本，只包括你将要教授的章节或部分。）它以电子形式免费提供（印刷形式的成本很低）给世界各地的学生。
关于*天文学2e*
追加资源
关于作者
序言
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导言
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天文学的本质
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科学的本质
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自然法则
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天文学中的数字
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光旅行时间的后果
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宇宙之旅
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大规模的宇宙
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极小的宇宙
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一个结论和一个开始
科学与宇宙：简短之旅
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超前思考
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如果你去露营或住在远离城市灯光的地方，你在晴朗的夜晚看到的天空与望远镜发明之前世界各地人们看到的几乎相同。抬头凝视，你会觉得天空是一个巨大的空心圆顶，以你为中心（[link]），所有的星星在圆顶表面与你的距离相等。圆顶的顶部，即你头顶正上方的点，被称为天顶，圆顶与地球相遇的地方被称为地平线。从海洋或平坦的草原上，很容易看到地平线围绕着你，但从今天人们居住的大多数地方来看，地平线至少部分被山脉、树木、建筑或烟雾隐藏。
天球
为了帮助我们在旋转的天空中定位，天文学家使用了一个将地球轴指向天空的系统。想象一条穿过地球的线，连接北极和南极。这是地球轴，地球绕着这条线旋转。如果我们从地球向外延伸这条假想的线，这条线与天体相交的点被称为*北天极*和*南天极*。当地球绕着它的轴旋转时，天空似乎绕着这些天极转向相反的方向（[链接]）。我们也（在我们的想象中）把地球的赤道扔到天空上，称之为天赤道。它位于天极之间，就像地球的赤道位于我们星球两极之间一样。
天极与天赤道
我们描述了星星在夜空中的运动，但是白天呢？星星在白天继续旋转，但是太阳的光辉使它们很难被看到。（然而，月亮经常可以在白天看到。）在任何一天，我们都可以认为太阳位于假设的天体上的某个位置。当太阳升起时——也就是说，当地球自转将太阳带到地平线上时——阳光被我们大气的分子散射，让我们的天空充满光，并将星星隐藏在地平线上。
太阳的升起和落下
太阳并不是唯一在固定恒星之间移动的物体。月球和肉眼可见的每颗行星——水星、金星、火星、木星、土星和天王星（尽管只是勉强）——也会每天缓慢地改变它们的位置。在一天内，月球和行星都会随着地球的转动而升起和落下，就像太阳和恒星一样。但是像太阳一样，它们在恒星之间也有独立的运动，叠加在天体的每日旋转上。2000年前的希腊人注意到这些运动，区分了他们所谓的*固定恒星*——那些在几代人之间保持固定模式的恒星——和*流浪恒星*或行星。事实上，“行星”一词在古希腊语中的意思是“流浪者”。
固定和流浪的星星
“漫游者”在天空中运动的背景是恒星的天篷。如果天空中没有云，我们在平坦的平原上，没有任何东西阻挡我们的视线，我们可以用肉眼看到大约3000颗恒星。为了在如此众多的人群中找到自己的路，古人发现了一些形成一些熟悉的几何图案或（更少的）类似于他们所知道的东西的恒星分组。每个文明都在星星中找到自己的模式，这很像现代罗夏测验，你被要求辨别一组墨迹中的图案或图片。古代中国人、埃及人和希腊人以及其他人发现了自己的恒星分组或星座。这些有助于在星星之间导航，并将他们的星星知识传授给他们的孩子。
星座
天空之上
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古巴比伦、亚述和埃及的天文学家知道一年的大致长度。例如，3000年前的埃及人采用了基于365天一年的日历。他们仔细记录黎明前天空中明亮的恒星天狼星的升起时间，这与尼罗河的洪水相对应。中国人也有一个工作日历；他们确定一年的长度与埃及人大致相同。中国人还记录了彗星、明亮的流星和太阳上的黑点。（《科学与宇宙：简短之旅》中介绍了许多类型的天体。如果你不熟悉*彗星*和*流星*等术语，你可能想回顾一下这一章。）后来，中国天文学家对“客星”进行了仔细的记录。客星通常太暗，看不见，但在几周或几个月内突然爆发，肉眼可见。我们仍然在研究很久以前爆炸的恒星时使用其中的一些记录。
世界各地的天文学
我们对宇宙的概念——它的基本结构和起源——被称为宇宙学，这个词有希腊词根。在望远镜发明之前，人类必须依靠他们感官的简单证据来描绘宇宙。古人发展了宇宙学，将他们对天堂的直接观察与丰富多样的哲学和宗教象征相结合。
早期希腊罗马宇宙学
希腊人不仅知道地球是圆的，而且他们还能够测量它的大小。大约在公元前200年，居住在埃及亚历山大的希腊人埃拉托色尼（公元前276-194年）首次相当准确地测量了地球的直径。他的方法是基于对太阳的观察的几何方法。
埃拉托色尼测量地球
也许古代最伟大的天文学家是希帕楚斯，他出生在今天的土耳其尼西亚。公元前150年左右，当罗马共和国将其影响力扩展到整个地中海地区时，他在罗德岛建立了一个天文台。在那里，他尽可能准确地测量了天空中物体的位置，汇编了一个包含大约850个条目的开创性的恒星曲库。他为每颗恒星指定了天体坐标，指定了它在天空中的位置，就像我们通过给出纬度和经度来指定地球上的一个点的位置一样。
河马和进行曲
罗马时代最后一位伟大的天文学家是克劳迪斯·托勒密（或称托勒密），他于大约140年在亚历山大大放异彩。他写了一本庞大的天文知识汇编，今天被称为阿拉伯语名称*Almagest*（意思是“最伟大的”）。*Almagest*并不仅仅涉及托勒密自己的工作；它包括对过去天文学成就的讨论，主要是希帕楚斯的成就。今天，它是我们关于希帕楚斯和其他希腊天文学家工作的主要信息来源。
托勒密太阳系模型
古代天文学
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占星术始于大约2500年前的巴比伦。巴比伦人相信行星及其运动影响国王和国家的命运，利用他们的天文学知识来指导他们的统治者。当巴比伦文化被希腊人吸收时，占星术逐渐影响了整个西方世界，并最终传播到亚洲。
占星术的起源
出生占星术的关键是占星术，这是一个显示个人出生时天空中行星位置的图表。“占星术”这个词来自希腊单词*hora*（意思是“时间”）和*skopos*（意思是“观察者”或“标记”），所以“占星术”可以直译为“小时的标记”。当一个占星术被绘制出来时，行星（包括太阳和月亮，古人将其归类为*流浪者*）必须首先位于黄道十二宫。在占星术建立的时候，黄道十二宫被分成12个区域，称为*星座*（[链接]），每个区域30°长。每个星座都以天空中的一个星座命名，太阳、月亮和行星都可以通过这个星座——例如处女座之后的处女座。
占星术
今天的占星家使用托勒密在近2000年前制定的相同基本原则。他们预测星座（开发适当的计算机程序大大简化了这一过程）并提出解释建议。太阳星座占星术（你在报纸和许多杂志上读到）是出生占星术的最新简化变体。尽管即使是专业占星术家也不太信任这样一个有限的计划，它试图将每个人分成12组，但太阳星座占星术被许多人认真对待（也许是因为它在媒体上被讨论得如此普遍）。
今日占星术
占星术和天文学
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文艺复兴时期最重要的事件之一是地球从宇宙中心移位，这是十六世纪由一位波兰神职人员发起的一场思想革命。尼古拉斯·哥白尼出生在维斯瓦河沿岸的一个商业小镇托伦。他接受的培训是法律和医学，但他的主要兴趣是天文学和数学。他对科学的巨大贡献是对现有行星运动理论的批判性重新评估，并发展了一个新的以太阳为中心或日心说的太阳系模型。哥白尼得出结论，地球是一颗行星，所有的行星都围绕着太阳转。只有月球绕着地球转（[链接]）。
哥白尼
哥白尼的《革命论》中最重要的观点是，地球是围绕太阳旋转的六颗（当时已知的）行星之一。利用这一概念，他能够绘制出太阳系的正确总体图景。他将从最靠近太阳开始的行星按正确的顺序排列：水星、金星、地球、火星、木星和土星。此外，他推断出行星离太阳越近，其轨道速度就越大。通过他的理论，他能够解释没有本轮的行星的复杂逆行运动，并为太阳系计算出一个大致正确的尺度。
日心说模型
许多现代科学概念，如观察、实验和通过仔细的定量测量来检验假设，都是由一个生活在哥白尼之后近一个世纪的人开创的。与莎士比亚同时代的伽利略·伽利略（[链接]）出生在比萨。和哥白尼一样，他开始接受医学生涯的训练，但他对这门学科兴趣不大，后来转向数学。他在比萨大学和帕多瓦大学担任教员职务，最终成为佛罗伦萨托斯卡纳大公的数学家。
伽利略与现代科学的开端
目前还不确定是谁首先想到将两块或两块以上的玻璃结合起来，制造出一种可以放大远处物体图像、使它们看起来更近的仪器。1608年，荷兰眼镜制造商汉斯·利珀希（Hans Lippershey）（1570年至1619年）制造了第一个引起广泛关注的“望远镜”（现在称为*望远镜*）。伽利略听说了这一发现，在从未见过组装好的望远镜的情况下，他自己建造了一个3倍放大率（3倍）的望远镜，使远处的物体看起来更近、更大（[链接]）。
伽利略的天文观测
现代天文学的诞生
观察天空：天文学的诞生
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超前思考
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哥白尼的《革命》出版三年后，第谷·布拉赫出生于丹麦贵族家庭。他很早就对天文学产生了兴趣，并在年轻时进行了重要的天文观测。其中包括对我们现在所知的一颗爆炸的恒星的仔细研究，这颗恒星在夜空中闪耀出巨大的光芒。他日益增长的声誉为他赢得了丹麦国王腓特烈二世的赞助，30岁时，布拉赫能够在北海的赫文岛建立一个精美的天文台（[链接]）。布拉赫是欧洲最后也是最伟大的望远镜前观察者。
第谷·布拉赫天文台
开普勒出生于德国符腾堡州的一个贫困家庭，在三十年战争的动荡中度过了一生（见[链接]）。他在图宾根上大学，学习神学。在那里，他学习了哥白尼体系的原理，并皈依了日心说。最终，开普勒去了布拉格，成为布拉赫的助手，布拉赫让他努力寻找一个令人满意的行星运动理论——一个与在赫文进行的一系列观测相一致的理论。布拉赫不愿意在任何时候向开普勒提供太多材料，因为害怕开普勒会独自发现宇宙运动的秘密，从而剥夺布拉赫的一些荣耀。直到1601年布拉赫去世后，开普勒才完全拥有了这些无价的记录。他们的研究占据了开普勒20多年的大部分时间。
约翰内斯·开普勒
一个物体通过太空的路径被称为它的轨道。开普勒最初假设行星的轨道是圆的，但这样做不允许他找到与布拉赫观察一致的轨道。通过研究火星的数据，他最终发现那颗行星的轨道有一个有点扁平的圆或椭圆的形状。在圆旁边，椭圆是最简单的一种封闭曲线，属于一个被称为*圆锥截面*（[链接]）的曲线家族。
行星运动的前两个定律
开普勒的前两条行星运动定律描述了行星轨道的形状，并允许我们计算它在轨道上任何一点的运动速度。开普勒很高兴发现了这些基本规则，但它们并没有满足他对完全理解行星运动的追求。他想知道为什么行星的轨道是这样间隔的，并在它们的运动中找到一种数学模式——他称之为“球体的和谐”。多年来，他致力于发现控制行星行间距和每颗行星绕太阳运行时间的数学关系。
开普勒第三定律
行星运动定律
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上大学时，牛顿对自然哲学产生了兴趣。1665年和1666年的瘟疫时期，当学生从大学被送回家时，牛顿提出了一些关于机器和光学的最初想法。牛顿是一个喜怒无常且经常难以相处的人，他继续私下研究他的想法，甚至发明了新的数学工具来帮助他处理所涉及的复杂性。最终，他的朋友埃德蒙·哈雷（埃德蒙·哈雷在《彗星和小行星：太阳系碎片》中描述）说服他收集并发表了他对运动和重力的非凡研究结果。结果是一本阐述物理世界底层系统的书，*自然哲学原理数学*。这本书通常被称为《原理》，于1687年由哈雷出资出版。
牛顿运动定律
牛顿第一定律重申了伽利略的一项发现，即动量守恒定律。该定律指出，在没有任何外部影响的情况下，物体的运动有一种测量方法，称为动量，保持不变。你可能听说过动量一词在日常表达中使用，比如“国会的这项法案有很大的动量；很难停止。”
牛顿定律的解释
在我们继续讨论牛顿的其他工作之前，我们想简单看一下一些术语，这些术语对理清很重要。我们从质量开始，质量是衡量物体内物质数量的标准。
质量、体积和密度
一个更复杂但对理解许多天体很重要的概念是角动量，它是一个物体围绕某个固定点旋转时的旋转度量（例如绕太阳运行的行星）。物体的角动量被定义为其质量、速度及其与围绕它旋转的固定点的距离的乘积。
角动量
牛顿的大综合
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开普勒定律描述了物体的轨道，这些物体的运动由牛顿运动定律和万有引力定律描述。然而，知道重力是吸引行星走向太阳的力量，让牛顿重新思考开普勒第三定律。回想一下，开普勒发现了行星公转的轨道周期与其与太阳的距离之间的关系。但是牛顿的公式引入了太阳质量（*M*1）和行星质量（*M*2）的附加因子，两者都以太阳质量为单位表示。牛顿的万有引力定律可以用来从数学上表明这种关系实际上是
轨道运动和质量
牛顿万有引力定律
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今天，牛顿的工作使我们能够以惊人的精度计算和预测行星的轨道。我们知道八颗行星，从离太阳最近的水星开始，向外延伸到海王星。行星的平均轨道数据总结在[链接]中。（谷神星是*小行星中最大的，*现在被认为是矮行星。）
行星轨道
除了这八颗行星之外，太阳系中还有许多较小的物体。其中一些是围绕除水星和金星之外的所有行星运行的卫星（天然卫星）。此外，日心轨道上还有两类较小的物体：*小行星*和*彗星*。小行星和彗星都被认为是太阳系形成过程中遗留下来的小块物质。
小行星和彗星的轨道
太阳系的轨道
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对太阳系的探索主要是通过发送到其他行星的机器人航天器进行的。为了逃离地球，这些航天器必须达到逃逸速度，即永远离开地球所需的速度，约为每秒11公里（约合每小时25,000英里）。逃离地球后，这些航天器滑行到它们的目标，只需接受船上小型推进器火箭提供的微小轨迹调整。在星际飞行中，这些航天器遵循围绕太阳的轨道，只有当它们经过其中一颗行星时才会被修改。
星际飞船
卫星和航天器的运动
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举个例子，假设你有一个由一千颗恒星组成的星团，它们都围绕着一个共同的中心运行（这种星团非常常见，我们将在星团中看到）。如果我们知道每颗恒星在任何给定时刻的确切位置，我们就可以计算整个星团对星团任何一个成员的综合引力。知道有问题的恒星上的力，我们就可以找到它将如何加速。如果我们知道它一开始是如何运动的，我们就可以计算它在下一个时刻将如何运动，从而跟踪它的运动。
多体的相互作用
第八颗行星海王星的发现是引力理论发展的高潮之一。1781年，音乐家和业余天文学家威廉·赫歇尔偶然发现了第七颗行星天王星。碰巧天王星在一个世纪前就被观测到了，但在这些早期的观测中，没有一颗被认为是行星；相反，它只是被记录为一颗恒星。赫歇尔的发现表明，太阳系中可能有行星太暗，肉眼无法看到，但如果我们知道去哪里看，就可以用望远镜发现。
海王星的发现
两个以上物体的引力
轨道和引力
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超前思考
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让我们从确定我们在地球表面的位置开始。正如我们在《观察天空：天文学的诞生》中所讨论的，地球的自转轴定义了它的北极和南极以及赤道的位置，赤道位于中间。地球的运动也定义了另外两个方向：东方是地球自转的方向，西方是地球自转的相反方向。在地球上的几乎任何一点上，北、南、东、西四个方向都定义得很好，尽管我们的星球是圆的而不是平的。唯一的例外是在北极和南极，那里的东西方向是模糊的（因为两极的点不会转动）。
定位地球上的地方
测量天空中的位置的方式与我们测量地球表面位置的方式非常相似。然而，天文学家使用的不是纬度和经度，而是赤纬和赤经坐标。为了表示天空中物体的位置，利用虚构的天球通常很方便。我们在《观察天空：天文学的诞生》中看到，天空似乎围绕地球北极和南极上方的点旋转——天空中的点被称为北天极和南天极。在天极之间的中间，因此离两极90°，是*天赤道，*天球上的一个大圆，与地球赤道在同一平面上。我们可以利用天空中的这些标记来建立一个天体坐标系统。
定位天空中的地点
为什么每天晚上都有许多星星升起和落下？换句话说，为什么夜空似乎在转动？我们已经看到，天球的明显旋转可以通过天空围绕静止地球的每日旋转来解释，也可以通过地球本身的旋转来解释。自17世纪以来，人们普遍认为是地球在旋转，但直到19世纪，法国物理学家让·福柯才对这种旋转进行了明确的证明。1851年，他从巴黎万神殿的圆顶上悬挂了一个60米长的钟摆，质量约为25公斤，并开始钟摆均匀摆动。如果地球没有转动，钟摆的摆动平面就不会改变，因此它会继续沿着同样的路径前进。然而，几分钟后，福柯可以看到钟摆的运动平面在转动。福柯解释说，不是钟摆在移动，而是地球在它下面转动（[链接]）。你现在可以在世界各地的许多科学中心和天文馆找到这样的钟摆。
转动的地球
地球和天空
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[link]显示了地球每年绕太阳运行的轨迹，地轴倾斜23.5°。请注意，我们的地轴全年都在指向天空中的同一个方向。随着地球绕太阳运行，6月份北半球“倾斜”到太阳，更直接地被照亮。12月份，情况发生了逆转：南半球倾斜到太阳，北半球倾斜到别处。9月和3月，地球“侧向”倾斜——既不倾斜到太阳，也不远离太阳——因此两个半球同样受到阳光的青睐。
四季与阳光
地球上不同纬度的季节效应是不同的。例如，在赤道附近，所有季节都大同小异。一年中的每一天，太阳都有一半的时间升起，所以大约有12个小时的阳光和12个小时的夜晚。当地居民根据雨量（雨季和旱季）而不是阳光量来定义季节。当我们向北或向南旅行时，季节变得更加明显，直到我们在北极和南极遇到极端情况。
不同纬度的季节
到目前为止，在我们的讨论中，我们一直在描述太阳和恒星的升起和落下，就像地球很少或没有大气层一样。然而，事实上，大气层有一种奇怪的效果，让我们可以看到“地平线上”的一点路。这种效果是*折射*的结果，即光线穿过空气或水的弯曲，我们将在《天文仪器》中讨论这一点。由于这种大气折射（以及太阳不是一个光点，而是一个圆盘的事实），太阳似乎比没有大气层时更早升起，更晚落下。
关于现实世界的澄清
四季酒店
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最基本的天文时间单位是一天，用地球自转来衡量。然而，定义一天的方法不止一种。通常，我们认为它是地球相对于太阳的自转周期，称为太阳日。毕竟，对大多数人来说，日出比大角星或其他恒星的升起时间更重要，所以我们把时钟设置为某种版本的太阳时。然而，天文学家也使用恒星日，它是根据地球相对于恒星的自转周期来定义的。
一天的长度
我们可以将视太阳时定义为以太阳在天空中的实际位置（或者，在夜间，它在地平线以下的位置）来计算的时间。这是日记本指示的时间，它可能代表了古代文明使用的最早的时间测量。今天，我们采用午夜作为一天的起点，以午夜以来的几个小时来测量时间。
视太阳时
相反，我们可以考虑平均太阳时，它是基于一年中太阳日的平均值。平均太阳日正好包含24小时，是我们在日常计时中使用的时间。虽然平均太阳时具有以均匀的速度前进的优势，但由于它是由太阳的位置决定的，因此在实际使用中仍然不方便。例如，正午发生在太阳在子午线上最高的时候（但不一定在天顶）。但是因为我们生活在一个圆形的地球上，当你通过向东或向西移动来改变经度时，正午的确切时间是不同的。
平均太阳时和标准时
当你向东移动时，时间总是在前进，这一事实带来了一个问题。假设你在世界各地向东旅行。你平均每旅行15度就会进入一个新的时区，每次你都尽职尽责地把手表提前一小时。当你完成旅行时，你已经把手表提前了整整24小时，因此比那些呆在家里的人多了一天。
国际日期变更线
保持时间
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任何日历都有两个传统的功能。首先，它必须在很长的时间跨度中跟踪时间，让人们能够预测季节的循环，并纪念特殊的宗教或个人纪念日。其次，为了对大量的人有用，日历必须使用每个人都能同意的自然时间间隔——由地球、月球，有时甚至行星的运动定义的时间间隔。我们日历的自然单位是*日*，基于地球的自转周期；*月*，基于月球围绕地球的相位循环（见本章后面）；和年份，基于地球围绕太阳的公转周期。困难的产生是因为这三个时期是不可比的；这是一种奇特的说法，表示一个人不能均匀地划分为其他任何一个时期。
日历的挑战
即使是最早的文化也关注时间和日历的保持。一些有趣的例子包括青铜时代的人在欧洲西北部，尤其是不列颠群岛留下的纪念碑。纪念碑中保存最好的是巨石阵，距离英格兰西南部的索尔兹伯里大约13公里（[link]）。它是一个复杂的排列，由石头、沟渠和孔排列成同心圆。碳测年和其他研究表明，巨石阵是在大约公元前2800年到1500年的三个时期建造的。一些石头在一年中的关键时间（如夏至和冬至）上升和设置时与太阳和月亮的方向对齐，人们普遍认为纪念碑的至少一个功能与日历的保持有关。
早期日历
尽管儒略历（早期基督教会采用的）代表了一个巨大的进步，但它的平均年份仍然与真实年份相差约11分钟，这一数字在几个世纪中积累起来是一个明显的误差。到1582年，每年11分钟加起来，春天的第一天发生在3月11日，而不是3月21日。如果这一趋势继续下去，最终基督教庆祝复活节将发生在初冬。与伽利略同时代的教皇格里高利十三世认为有必要进行进一步的历法改革。
公历
日历
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虽然我们知道太阳每个月绕着天空移动1/12的路径，但为了解释相位，我们可以假设太阳的光在四周的月球周期中来自大致相同的方向。另一方面，月球在那段时间里完全绕着地球运动。当我们从地球的有利位置观察月球时，我们看到它的表面有多少被阳光照亮取决于太阳与月球的角度。
月相
月球的恒星周期——也就是相对于恒星而言绕地球公转的周期——略高于27天：恒星月确切地说是27.3217天。相位重复的时间间隔——比如说，从满月到满月——是太阳月，29.5306天。这种差异是地球绕太阳运动的结果。月球必须绕着运动的地球转一圈以上，才能回到相对于太阳的同一相位。正如我们所看到的，月球在天球上的位置变化相当迅速：即使在一个晚上，月球也明显地在恒星中向东移动，在不到1小时的时间内移动了自己的宽度。这种向东运动造成的月亮从一天到下一天的延迟平均约为50分钟。
月球的公转和自转
月球的相位和运动
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月球在地球上几个点上施加的引力如[链接]所示。这些力彼此略有不同，因为地球不是一个点，而是有一定的大小：所有部分离月球的距离并不相等，也不是都在月球的完全相同方向。此外，地球不是完全刚性的。因此，月球对地球不同部分的吸引力之间的差异（称为*微分力*）导致地球轻微扭曲。地球最靠近月球的一侧比地球中心更强烈地吸引月球，而地球中心反过来又比月球对面的一侧更强烈地吸引月球。因此，微分力倾向于将地球稍微拉伸成一个*扁圆形球体*（有点像美式橄榄球形状），其长直径指向月球。
月球对地球的拉力
涨潮力持续数小时，产生水流运动，导致海洋中可测量的潮汐隆起。地球面向月球一侧的水向它流动，最大深度大约在月球下方。在月球对面的地球一侧，水也流动产生潮汐隆起（[链接]）。
潮汐的形成
海洋潮汐和月亮
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太阳和月亮的表观或角度大小随着它们与地球的距离而不断变化。（[链接]显示观察者的距离在点1-4处变化，但想法是一样的。）大多数时候，月亮看起来比太阳略小，不能完全覆盖它，即使两者完全对齐。在这种类型的“日环食”中，月亮的黑暗球体周围有一圈光。
日食
如果你足够幸运地看到了日全食，你能看到什么？日全食开始时，月亮刚刚开始在太阳圆盘的边缘形成自己的轮廓。接下来是一个部分阶段，在此期间，越来越多的太阳被月亮覆盖。日全食开始后大约一个小时，太阳完全隐藏在月亮后面。在全食开始前的几分钟里，天空明显变暗，一些花关闭，小鸡可能会栖息。当白天怪异的黄昏突然降临时，其他动物（和人）可能会迷失方向。在全食期间，天空足够暗，以至于行星在天空中变得可见，通常较亮的恒星也会如此。
全蚀的出现
当月球进入地球的阴影时，月食就会发生。月食的几何形状如[链接]所示。地球的黑影大约有140万公里长，所以在月球的距离（平均384,000公里），它可以覆盖大约四个满月。与日食不同，日食只在地球上的某些局部地区可见，月食对每个能看到月亮的人来说都是可见的。因为月食可以从地球的整个夜晚看到（如果天气允许），所以从地球上的特定地方观察到月食的频率比日食高得多。
月食
日月食
地球、月亮和天空
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超前思考
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稍后我们将更详细地研究原子的结构，但我们首先要注意到，典型的原子由几种类型的粒子组成，其中一些粒子不仅具有质量，还具有称为电荷的附加属性。每个原子的原子核（中心部分）中有*质子*，带正电荷；原子核外是电子，带负电荷。
麦克斯韦电磁理论
光中不断变化的电场和磁场类似于在安静的水池中产生的波。在这两种情况下，干扰都从原点迅速向外传播，并可以利用其能量扰乱更远的其他事物。（例如，在水中，远离我们青蛙的不断扩大的涟漪可能会扰乱在同一池中树叶上休息的蜻蜓的宁静。）在电磁波的情况下，充满带电粒子的发射天线和当地广播电台移动的电子产生的辐射可能会在一段时间后扰乱你汽车无线电天线中的一组电子，并在你早上开车去上课或上班时给你带来新闻和天气。
光的波状特性
光的电磁波模型（由麦克斯韦提出）是19世纪科学的伟大成就之一。1887年，海因里希·赫兹（Heinrich Hertz）在房间的一侧制造出不可见的电磁波（今天称为无线电波），并在另一侧探测到它们，这开启了一个导致现代电信时代的新时代。他的实验最终导致了电视、手机和当今全球无线网络的技术。
光作为光子
让我们想一想灯泡发出的光是如何在空间中移动的。当电波膨胀时，它们会远离灯泡，不仅会向你的眼睛移动，还会向四面八方移动。因此，它们必须覆盖不断扩大的空间。然而，一旦光离开灯泡，可用的光总量就不会改变。这意味着，随着同样膨胀的光壳覆盖越来越大的区域，在任何给定的地方，它的数量都必须越来越少。光（以及所有其他电磁辐射）随着离光源越来越远而变得越来越弱。
光的传播
光的行为
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波长最短的电磁辐射，不超过0.01纳米，被归类为伽马射线（1纳米=10-9米；见附录D）。名称*gamma*来自希腊字母的第三个字母：伽马射线是物理学家首次研究放射性原子行为时发现的第三种来自放射性原子的辐射。因为伽马射线携带大量能量，它们对活组织可能是危险的。伽马辐射在恒星内部深处产生，也由宇宙中一些最剧烈的现象产生，如恒星死亡和恒星尸体合并。来到地球的伽马射线在到达地面之前被我们的大气层吸收（这对我们的健康是件好事）；因此，它们只能使用太空中的仪器进行研究。
电磁辐射的种类
一些天体主要发射红外辐射，另一些主要发射可见光，还有一些主要发射紫外线辐射。是什么决定了太阳、恒星和其他致密天体发射的电磁辐射的类型？答案往往是它们的*温度*。
辐射和温度
为了更详细地了解温度和电磁辐射之间的关系，我们想象了一个被称为黑体的理想化物体。这样的物体（不像你的毛衣或天文学老师的头）不会反射或散射任何辐射，而是吸收所有落到它身上的电磁能。被吸收的能量导致其中的原子和分子振动或以越来越快的速度四处移动。当它变得更热时，这个物体会辐射电磁波，直到吸收和辐射达到平衡。我们想讨论这样一个理想化的物体，因为正如你将看到的，恒星的行为方式几乎相同。
辐射定律
电磁波谱
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光表现出对望远镜和其他仪器的设计很重要的某些行为。例如，光可以从表面反射。如果表面光滑有光泽，就像镜子一样，反射光束的方向可以根据对反射面形状的了解准确计算出来。当光从一种透明材料进入另一种透明材料时，也会弯曲或折射。比如说，从空气进入玻璃透镜。
光的特性
当牛顿描述光学中的折射和色散定律，并观察太阳光谱时，他所能看到的只是一条连续的颜色带。如果来自太阳和恒星的白光光谱只是一条连续的彩虹，天文学家一旦了解了恒星的平均表面温度，就不会对详细研究恒星光谱感兴趣。然而，在1802年，威廉·沃拉斯顿建造了一个改进的光谱仪，其中包括一个透镜，可以将太阳光谱聚焦在屏幕上。通过这个设备，沃拉斯顿看到颜色没有均匀分布，而是缺少了一些颜色范围，在太阳光谱中显示为暗带。他错误地将这些线归因于颜色之间的自然边界。1815年，德国物理学家约瑟夫·弗劳恩霍夫在对太阳光谱进行更仔细的检查后，发现了大约600条这样的暗线（缺少颜色），这导致科学家排除了边界假说（[链接]）。
恒星光谱的价值
在这些实验中，有三种不同类型的光谱。连续光谱（当固体或密度非常高的气体发出辐射时形成）是彩虹所有波长或颜色的阵列。连续光谱可以作为背景，密度低得多的气体的原子可以从中吸收光。暗线或吸收光谱由一系列或图案的暗线——缺失的颜色——叠加在光源的连续光谱上组成。明亮的线或发射光谱显示为一系列或一系列明亮的线；它由只存在某些离散波长的光组成。（[链接]显示吸收光谱，而[链接]显示许多常见元素的发射光谱以及连续光谱的示例。）
光谱类型
天文学中的光谱学
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1897年，英国物理学家詹姆斯·汤姆森（James（J. J.）Thomson）发现了这些较小的粒子中的第一个。这种粒子被命名为*电子*，带负电荷。（正是这些粒子的流动产生电流，无论是闪电还是通往你灯的电线。）因为正常状态下的原子是电中性的，原子中的每个电子必须由等量的正电荷平衡。
探测原子
最简单的原子（也是太阳和恒星中最常见的原子）是氢。普通氢的原子核包含一个质子。围绕这个质子运动的是一个电子。电子的质量比质子的质量小近2000倍；电子携带的电荷量与质子完全相等，但符号相反（[链接]）。相反的电荷相互吸引，所以它是一种电磁力，将质子和电子保持在一起，就像引力是保持行星围绕太阳运行的力一样。
原子核
卢瑟福的原子模型有一个严重的问题。麦克斯韦的电磁辐射理论指出，当电子改变速度或运动方向时，它们必须释放能量。轨道电子不断改变运动方向，因此它们应该发出恒定的能量流。将麦克斯韦的理论应用于卢瑟福的模型，当所有电子失去能量时，它们应该螺旋进入原子核，这种坍缩应该发生得非常快——大约在10-16秒内。
玻尔原子
原子的结构
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让我们从玻尔模型的角度来看氢原子。假设一束白光（由所有可见波长的光子组成）穿过氢原子的气体。波长为656纳米的光子有足够的能量将氢原子中的电子从第二轨道提升到第三轨道。因此，当所有不同能量（或波长或颜色）的光子都被氢原子流动时，具有*这个*特定波长的光子可以被那些电子在第二层轨道上运行的原子吸收。当它们被吸收时，第二层的电子将移动到第三层，这个波长和能量的一些光子将从一般的白光流中消失。
氢谱
玻尔的氢原子模型是我们理解原子的一大进步。然而，我们今天知道原子不能用如此简单的图片来表示。例如，明确定义的电子轨道的概念并不真正正确；然而，在这门入门课程的层面上，原子只允许某些离散能量的概念非常有用。我们一直在讨论的能级可以被认为代表电子可能轨道与原子核的某些平均距离。
能级和激励
我们已经描述了原子如何吸收一定数量的离散能量，将其提升到激发态，并将其中一个电子移动到离原子核更远的地方。如果吸收了足够的能量，电子就可以从原子中完全移除——这被称为电离。然后说原子被电离了。在基态从原子中移除一个电子所需的最小能量称为电离能。
电离
谱线的形成
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1842年，克里斯蒂安·多普勒首先通过雇佣一群音乐家在一辆沿着轨道行驶的敞篷火车上演奏来测量运动对波的影响。然后，他将所学应用于所有波，包括光，并指出如果光源接近或远离观察者，光波将分别更紧密地挤在一起或分散开来。一般原理，现在被称为多普勒效应，在[链接]中有所说明。
运动影响波浪
当波源向你移动时，波长会略有下降。如果涉及的波是可见光，那么光的颜色会略有变化。随着波长的下降，它们会向光谱的蓝色端移动：天文学家称之为*蓝移*（因为光谱的末端实际上是紫色的，这个术语可能应该是*紫罗兰移*，但蓝色是一种更常见的颜色）。当源远离你，波长变长时，我们将颜色的变化称为*红移*。因为多普勒效应在天文学中首次用于可见光，所以“蓝移”和“红移”这两个术语变得很成熟。今天，天文学家用这些词来描述无线电波或X射线波长的变化，就像用它们来描述可见光的变化一样舒适。
颜色变化
多普勒效应
辐射与光谱
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超前思考
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测量天文辐射源的现代系统有三个基本组成部分。首先，有一个望远镜，它是收集可见光（或其他波长辐射的“桶”，如（[链接]）所示。就像你用垃圾桶比咖啡杯能收集更多的雨水一样，大型望远镜收集的光比你的眼睛多得多。其次，望远镜上有一个仪器，可以根据波长对传入的辐射进行分类。有时分类相当粗糙。例如，我们可能只想将蓝光和红光分开，这样我们就可以确定恒星的温度。但在其他时候，我们希望看到单独的光谱线来确定物体是由什么组成的，或者测量它的速度（如辐射和光谱章节所述）。第三，我们需要某种类型的探测器，一种感知我们选择的波长区域的辐射并永久记录观察结果的设备。
辐射测量系统
自伽利略时代以来，望远镜已经取得了长足的进步。现在它们往往是巨大的设备；最昂贵的要花费数亿美元到数十亿美元。（然而，为了提供一些参考点，请记住，仅仅翻新大学足球场通常就要花费数亿美元——最近最昂贵的翻新是德克萨斯A&M大学的凯尔菲尔德，耗资4.50亿美元。）天文学家不断建造越来越大的望远镜的原因是天体——如行星、恒星和星系——向地球发出的光比任何人眼（由于其微小的开口）都多得多，更大的望远镜可以探测到更暗的物体。如果你曾经和一群朋友一起观察过星星，你就知道有很多星光可以环绕；你们每个人都能看到每颗星星。如果有一千个人在看，他们每个人也会捕捉到每颗星星的一点光。然而，就你而言，没有照到你眼睛里的光是浪费的。如果这些“浪费”的光也能被捕获并带到你的眼睛里，那就太好了。这正是望远镜所做的。
望远镜如何工作
无论你是否戴眼镜，你都通过镜片看世界；它们是你眼睛的关键元素。镜片是一块透明的材料，可以弯曲穿过它的光线。如果光线在进入时是平行的，镜片会将它们聚集在一个地方形成图像（[链接]）。如果镜片表面的曲率恰到好处，所有平行的光线（比如来自恒星）都会弯曲或*折射*，以这样一种方式汇聚到一个点，称为镜片的焦点。在焦点处，会出现光源的图像。在平行光线的情况下，从镜片到光线聚焦的位置或图像在镜片后面的距离称为镜片的*焦距*。
通过镜头或镜子形成图像
望远镜
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从1990年开始的几十年里，全球各地的望远镜建设以前所未有的速度增长。（见[链接]，其中还包括每个望远镜的网站，以防你想访问或了解更多。）技术进步最终使得以合理的成本建造比帕洛马尔5米望远镜大得多的望远镜成为可能。新技术也被设计成在红外波长下工作良好，而不仅仅是可见光波长。
现代可见光和红外望远镜
像双子座或凯克望远镜这样的望远镜建造成本约为1亿美元。这种投资要求将望远镜放置在尽可能好的地点。自19世纪末以来，天文学家已经意识到最好的天文台地点在山上，远离城市的灯光和污染。尽管仍然存在一些城市天文台，特别是在欧洲的大城市，但它们已经成为行政中心或博物馆。真正的行动发生在很远的地方，通常是在沙漠山脉或大西洋和太平洋的孤立山峰上，在那里我们可以找到工作人员的生活区、计算机、电子和机器商店，当然还有望远镜本身。今天的大型天文台除了天文学家之外，还需要20到100人的支持人员。
选择最佳观测地点
除了收集尽可能多的光线，天文学家还希望获得尽可能清晰的图像。分辨率是指图像中存在的细节精度：即可以区分的最小特征。天文学家总是渴望在他们研究的图像中发现更多细节，无论他们是在跟踪木星上的天气，还是试图窥视最近吃掉邻居作为午餐的“食人星系”的暴力中心。
望远镜的分辨率
今日望远镜
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在20世纪的大部分时间里，摄影胶片或*玻璃板*都是主要的天文探测器，无论是拍摄光谱还是天体的直接图像。在摄影板中，一块玻璃上涂有感光化学涂层，当显影时，可以提供图像的持久记录。在世界各地的天文台，大量的照片收藏保存了过去100年天空的样子。摄影比人眼有了巨大的进步，但它仍然有局限性。摄影胶片效率低下：只有大约1%的实际落在胶片上的光有助于形成图像的化学变化；其余的都被浪费了。
摄影和电子探测器
在光谱的红外波段观察宇宙带来了一些额外的挑战。红外区域从接近1微米（微米）的波长延伸到100微米或更长，这大约是CCD和摄影的长波灵敏度极限。回想一下关于辐射和光谱的讨论，红外是“热辐射”（在我们人类感到舒适的温度下发出）。天文学家使用红外的主要挑战是区分来自恒星和星系到达地球的少量热辐射，以及望远镜本身和我们星球大气辐射的更大热量。
红外观测
光谱学是天文学家最强大的工具之一，提供关于天体成分、温度、运动和其他特征的信息。大多数大型望远镜上一半以上的时间用于光谱学。
光谱学
可见光探测器和仪器
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重要的是要明白无线电波是不能被“听到”的：它们不是你听到的从家里或车里的无线电接收器发出的声波。像光一样，无线电波是电磁辐射的一种形式，但与光不同，我们无法用感官探测到它们——我们必须依靠电子设备来接收它们。在商业无线电广播中，我们将声音信息（音乐或新闻播音员的声音）编码成无线电波。这些必须在另一端解码，然后通过扬声器或耳机转换回声音。
探测来自太空的无线电能
正如我们之前讨论的，望远镜向我们展示细节的能力（分辨率）取决于它的孔径，但也取决于望远镜收集的辐射波长。波越长，我们制作的图像或地图中的细节就越难解析。由于无线电波的波长如此之长，它们给需要良好分辨率的天文学家带来了巨大的挑战。事实上，即使是地球上最大的无线电天线，单独运行，也无法像大学天文学实验室使用的典型小型可见光望远镜那样了解更多细节。为了克服这一困难，射电天文学家学会了通过电子方式将两个或多个射电望远镜连接在一起来锐化图像。以这种方式连接在一起的两个或多个望远镜被称为干涉仪。
无线电干涉测量
雷达是向我们太阳系中的一个物体发射无线电波，然后探测该物体反射回来的无线电辐射的技术。往返所需的时间可以用电子测量，精度极高。因为我们知道无线电波传播的速度（光速），所以我们可以确定到物体的距离或其表面的特定特征（如山脉）。
雷达天文学
射电望远镜
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水蒸气是进行红外观测的大气干扰的主要来源，集中在地球大气层的下部。因此，即使海拔几百米的增益也会对红外观测站的质量产生重要影响。考虑到高山的局限性，其中大部分会吸引云和猛烈的风暴，以及人类执行复杂任务的能力在高海拔地区下降的事实，天文学家研究从飞机上并最终从太空中观测红外波的可能性是很自然的。
机载和空间红外望远镜
1990年4月，随着哈勃太空望远镜（HST）的发射，天文学取得了巨大的飞跃。它有一个直径2.4米的镜子，被誉为天文学史上最重要的望远镜之一。（它的孔径受到作为运载火箭的航天飞机有效载荷舱大小的限制。）它是以埃德温·哈勃命名的，他是20世纪20年代发现宇宙膨胀的天文学家（我们将在关于星系的章节中讨论他的工作）。
哈勃太空望远镜
迄今为止，被送入太空的最大望远镜是詹姆斯·韦伯太空望远镜，它是专门为观察宇宙红外辐射而设计的。（以过去著名天文学家的名字命名太空望远镜的传统不同，它是以美国航天局的一位前管理员的名字命名的。）该望远镜于2021年12月25日发射，现在处于离地球约150万公里的稳定轨道上，比月球还远四倍。这是一个很好的、寒冷的红外观测位置，但如果设施需要维修，宇航员目前无法旅行。
詹姆斯·韦伯太空望远镜
紫外线、X射线和直接伽马射线（高能电磁波）观测只能从太空进行。这种观测首次成为可能是在1946年，二战后从德国缴获了V2火箭。美国海军研究实验室为这些火箭安装了一系列开创性的飞行仪器，最初用于探测来自太阳的紫外线辐射。从那以后，许多其他火箭被发射到太阳进行X射线和紫外线观测，后来又对其他天体进行了观测。
高能天文台
地球大气层外的观测
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大型望远镜的未来
天文仪器
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超前思考
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太阳是一颗比银河系中大约80%的恒星都要亮的恒星，是迄今为止太阳系中最大的成员，如[链接]所示。它是一个直径约140万公里的巨大球，表面有白炽灯气体层，内部温度高达数百万度。太阳将在后面的章节中作为我们第一个也是研究得最好的恒星例子进行讨论。
一份清单
大多数行星都伴随着一个或多个卫星；只有水星和金星单独在太空中移动。已知有210多个卫星围绕行星和矮行星运行（较大的卫星列表见附录G），毫无疑问，许多其他小卫星仍未被发现。最大的卫星和小行星一样大，同样有趣。除了我们的月亮，它们还包括木星的四个最大卫星（以它们的发现者命名为伽利略卫星）以及土星和海王星的最大卫星（令人困惑的命名为泰坦和海卫一）。
太阳系中较小的成员
天文学通常处理的维度和距离远远超过我们的普通经验。14亿公里——从太阳到土星的距离——对任何人来说到底意味着什么？用比例模型来可视化如此大的系统可能会有所帮助。
太阳系的比例模型
我们的行星系统概述
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最大的两颗行星，木星和土星，其化学组成与太阳几乎相同；它们主要由氢和氦这两种元素组成，其中75%的质量是氢和25%的氦。在地球上，氢和氦都是气体，所以木星和土星有时被称为气体行星。但是，这个名字有误导性。木星和土星太大了，以至于气体在它们的内部被压缩，直到氢变成液体。因为这两颗行星的大部分都是由压缩的液化氢组成的，我们应该真正称之为液体行星。
巨行星
类地行星与巨行星大不相同。除了体积小得多之外，它们主要由岩石和金属组成。反过来，这些元素又由整个宇宙中不太常见的元素组成。最丰富的岩石，称为硅酸盐，由硅和氧组成，最常见的金属是铁。我们可以从它们的密度看出（见[链接]），水星的金属比例最大（密度更大），月球的金属比例最低。地球、金星和火星都有大致相似的体积组成：大约三分之一的质量由铁-镍或铁-硫组合组成；三分之二由硅酸盐组成。因为这些行星主要由氧化合物（如其外壳的硅酸盐矿物）组成，所以它们的化学被称为*氧化*。
类地行星
从化学和结构上看，地球的月球与类地行星相似，但大多数卫星都在太阳系外，它们的组成与围绕它们运行的巨型行星的核心相似。三个最大的卫星——木星系统中的木卫三和木卫四，土星系统中的土卫六——一半由冰冻的水组成，一半由岩石和金属组成。这些卫星中的大多数在形成过程中发生了分化，今天它们有岩石和金属的核心，上层和外壳是非常冷的，因此非常坚硬的冰（[链接]）。
卫星、小行星和彗星
一般来说，行星或月球离太阳越远，其表面越冷。行星被太阳的辐射能加热，辐射能随着距离的平方而变弱。你知道壁炉或室外辐射加热器的加热效果随着你离开它而减弱的速度有多快；同样的效果也适用于太阳。水星是离太阳最近的行星，其太阳一侧的表面温度高达280至430摄氏度，而冥王星的表面温度仅为-220摄氏度，比液态空气冷。
温度：走向极端
所有类地行星的外壳，以及较大的卫星和冥王星的外壳，在它们的历史中都被内力和外力所改变。在外部，每一个都受到来自太空的缓慢射弹雨的打击，使它们的表面布满了各种大小的撞击坑（见[链接]）。我们有很好的证据表明，这种轰炸在太阳系的早期历史中要大得多，但它肯定会持续到今天，即使速度较低。1994年夏天，20多块休梅克-利维9号彗星与木星的碰撞（见[链接]）是这一过程的一个戏剧性例子。
地质活动
行星的组成和结构
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估计表面年龄的一种方法是计算撞击坑的数量。这种技术之所以有效，是因为几十亿年来太阳系撞击发生的速度大致保持不变。因此，在没有消除陨石坑的力量的情况下，陨石坑的数量与表面暴露的时间长度成正比。这种技术已经成功地应用于许多固体行星和卫星（[链接]）。
数着陨石坑
追溯固体世界历史的另一种方法是测量单个岩石的年龄。在Apollo宇航员从月球带回样本后，已经开发的地球岩石年代测定技术被应用于月球岩石样本，以建立月球的地质年表。此外，一些来自月球、火星和大型小行星灶神星的物质样本作为陨石坠落地球，可以直接检查（见宇宙样本和太阳系起源一章）。
放射性岩石
测年行星表面
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解决起源问题的一个方法是寻找行星之间的规律性。例如，我们发现，所有的行星都位于几乎相同的平面上，围绕太阳以相同的方向旋转。太阳也绕着自己的轴以相同的方向旋转。天文学家将这种模式解释为太阳和行星由旋转的气体和尘埃云形成的证据，我们称之为太阳星云（[链接]）。
寻找模式
理解太阳系起源的第二种方法是向外寻找其他行星系统正在其他地方形成的证据。我们无法及时回顾我们自己系统的形成，但太空中的许多恒星比太阳年轻得多。在这些系统中，行星形成的过程可能仍然可以直接观察到。我们观察到还有许多其他“太阳星云”或*环星盘*——扁平的旋转气体和尘埃云围绕着年轻的恒星。这些圆盘类似于数十亿年前我们太阳系形成的初始阶段（[链接]）。
来自远方的证据
围绕恒星的圆盘在非常年轻的恒星周围很常见，这表明圆盘和恒星一起形成。天文学家可以使用理论计算来观察这些圆盘中的气体和尘埃在冷却时是如何形成固体的。这些模型表明，物质首先通过形成较小的物体开始结合，行星的前体，我们称之为星子。
建造行星
太阳系的起源
其他世界：太阳系简介
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超前思考
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行星的内部——甚至我们自己的地球——很难研究，它的组成和结构必须间接确定。我们唯一的直接经验是地壳的最外层，一层不超过几公里深的层。重要的是要记住，在许多方面，我们对脚下5公里处的行星的了解不如对金星和火星表面的了解。
地球内部
我们可以从地球内部的磁场中找到更多关于地球内部的线索。我们的星球在某些方面表现得就像一个巨大的条形磁铁在里面，大约与地球的旋转两极对齐。这个磁场是由地球液态金属核心中移动的物质产生的。当地球内部的液态金属循环时，它会产生循环电流。当许多带电粒子像那样在实验室或整个星球的范围内一起移动时，它们会产生磁场。
磁场和磁层
全球视野
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地壳主要由海洋玄武岩和大陆花岗岩组成。它们都是火成岩，用于指任何从熔融状态冷却下来的岩石。所有火山产生的岩石都是火成岩（[链接]）。
地壳的组成
*地质学*是对地壳和历史上塑造其表面的过程的研究。（虽然*geo*-意味着“与地球有关”，但天文学家和行星科学家也谈论其他行星的地质学。）从内部逸出的热量为我们星球的山脉、山谷、火山甚至大陆和海洋盆地本身的形成提供了能量。但直到20世纪中叶，地质学家才成功理解这些地貌是如何形成的。
板块构造
板块在地幔上升流的驱动下，沿着裂谷带（如中大西洋脊）相互拉开（[链接]）。在陆地上发现了一些裂谷带。最著名的是中非裂谷——非洲大陆正在缓慢分裂的区域。然而，大多数裂谷带都在海洋中。熔岩从下面上升，填满后退板块之间的空间；这种岩石是玄武岩熔岩，形成大部分海洋盆地的火成岩。
裂谷和俯冲带
沿着它们的大部分长度，地壳板块平行滑动。这些板块边界以裂缝或断层为标志。沿着活动断裂带，一个板块相对于另一个板块的运动是每年几厘米，大约与沿裂谷的扩展速率相同。
断裂带和山地建筑
火山标志着熔岩上升到表面的位置。一个例子是大洋中脊，这是由板块边界上从地幔上升的熔岩形成的海底山脉。第二种主要的火山活动与俯冲带有关，火山有时也出现在大陆板块碰撞的地区。在每种情况下，火山活动都为我们提供了一种从地球深处取样一些物质的方法。
火山
地壳
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大气的结构如[链接]所示。大部分大气集中在地球表面附近，大约在云层形成和飞机飞行的底部10公里范围内。在这个被称为对流层的区域内，被地表加热的暖空气上升，被较冷空气的下降流所取代；这是对流的一个例子。这种循环产生云和风。在对流层内，温度随着海拔的上升而迅速下降，上升到冰点以下50摄氏度左右，平流层开始的地方。平流层延伸到地表以上约50公里处，大部分是寒冷的，没有云。
大气的结构
在地球表面，大气由78%的氮（N2）、21%的氧（O2）和1%的氩（Ar）组成，并伴有微量的水蒸气（H2O）、二氧化碳（CO2）和其他气体。空气中还悬浮着大量的尘埃颗粒和水滴。
大气成分与成因
所有有大气层的行星都有*天气*，这是我们给大气循环起的名字。为天气提供动力的能量主要来自加热表面的阳光。行星的自转和较慢的季节变化都会导致照射地球不同部分的阳光量发生变化。大气和海洋将热量从温暖的地区重新分配到凉爽的地区。任何行星的天气都代表了其大气对来自太阳的能量输入变化的反应（见[链接]的一个戏剧性例子）。
天气和气候
地球大气
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地球上生命诞生的记录已经在地壳的不稳定运动中丢失了。根据化学证据，大约39亿年前，当最古老的幸存岩石形成时，生命已经存在了。35亿年前，生命已经成熟到建造称为*叠层石*的大型殖民地，这种形式如此成功，以至于叠层石今天仍在地球上生长（[链接]）。但是，很少有岩石从这些古代幸存下来，丰富的化石只是在过去6亿年才保存下来——不到地球历史的15%。
生命的起源
地球上生命进化的关键步骤之一是蓝绿藻的发展。蓝绿藻是一种非常成功的生命形式，它从环境中吸收二氧化碳，作为废物释放氧气。这些成功的微生物繁殖，产生了我们称之为植物的所有生命形式。由于用化学积木制造新植物材料的能量来自阳光，我们称之为光合作用。
大气的演变
我们对大气中的二氧化碳含量特别感兴趣，因为这种气体通过所谓的温室效应在保持太阳热量方面发挥着关键作用。要理解温室效应是如何起作用的，请考虑照射地球表面的阳光的命运。光线穿透我们的大气层，被地面吸收，并加热表层。在地球表面的温度下，这些能量随后以红外线或热辐射的形式重新发射（[链接]）。然而，我们大气中允许可见光通过的分子擅长吸收红外线能量。因此，二氧化碳（以及甲烷和水蒸气）就像毯子一样，将热量困在大气中，阻碍其流回太空。为了保持能量平衡，地表和低层大气的温度必须增加，直到地球向太空辐射的总能量等于从太阳接收的能量。我们大气层中的二氧化碳越多，地球表面达到新平衡的温度就越高。
温室效应与全球变暖
地球如此之大，已经在这里存在了如此之久，以至于有些人很难接受人类真的在改变地球，它的大气层，它的气候。例如，他们惊讶地得知，燃烧化石燃料释放的二氧化碳是火山排放的100倍。但是，数据清楚地告诉我们，我们的气候正在迅速变化，几乎所有的变化都是人类活动的结果。
人类对我们星球的影响
生命、化学进化和气候变化
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地球不可能逃脱星际碎片的撞击，这些碎片已经把月球弄得坑坑洼洼。从宇宙的角度来看，月球几乎就在隔壁。我们的大气层确实会让一小块宇宙碎片燃烧起来（我们称之为流星——通常称为流星）。但是，我们的空气层无法抵御巨大的撞击，这些撞击会形成直径数公里的陨石坑，在月球上很常见。
地球上的陨石坑在哪里？
行星际碎片与地球的碰撞不是一个假设的想法。在我们的星球表面可以找到相对最近撞击的证据。1908年6月30日，在西伯利亚通古斯卡河附近发生了一次经过充分研究的历史性碰撞。在这个荒凉的地区，在地表上方约8公里的大气层中发生了一次引人注目的爆炸。冲击波夷平了一千多平方公里的森林（[链接]）。成群的驯鹿和其他动物被杀，距离爆炸80公里的一个贸易站的一名男子被从椅子上扔了下来，并被打昏。冲击波传播到世界各地，这是由旨在测量大气压力变化的仪器记录的。
近期影响
流星陨石坑的产生对任何目睹它的人来说都是巨大的（从安全的距离），因为能量释放相当于一枚10兆吨的核弹。但这种爆炸只在局部地区具有毁灭性；它们没有*全球*后果。然而，更大（也更罕见）的影响会扰乱整个地球的生态平衡，从而影响进化过程。
大灭绝
越来越明显的是，在地球漫长的历史中，许多——也许是大多数——大规模灭绝是由各种其他原因造成的，但在恐龙杀手的案例中，宇宙撞击肯定发挥了关键作用，可能是导致“大死亡”的一系列气候扰动中的“最后一根稻草”
影响和生命的进化
对生命产生如此重大影响的小行星和彗星的撞击并不一定是过去的事情。在行星历史的整个范围内，6500万年前只是昨天。地球实际上围绕太阳运行，就像宇宙射击场一样，尽管重大撞击很少，但它们绝不会结束。人类可能会遭受与恐龙相同的命运，或者在通古斯上空更频繁的撞击中失去一座城市，除非我们找到一种方法来预测下一次重大撞击并保护我们的星球。我们的太阳系是一些外轨道非常大的行星的家园，这一事实可能对我们有益；这些行星的引力场可以非常有效地吸引宇宙碎片，保护我们免受更大、更频繁的撞击。
对我们未来的影响？
宇宙对地球演化的影响
作为行星的地球
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超前思考
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我们今天对月球的大部分了解都来自美国的Apollo计划，该计划在1968年至1972年间向我们的卫星发送了9艘有人驾驶的航天器，将12名宇航员降落在其表面（[链接]）。在航天器研究时代之前，天文学家已经以大约1公里的望远镜分辨率绘制了月球面向地球的一侧，但月球地质学作为一门科学学科几乎不存在。从20世纪60年代初开始，这一切都发生了变化。最初，俄罗斯在月球探测方面处于领先地位，它在1959年返回了第一张月球远侧的照片，然后是月球9号，它在1966年登陆月球表面并向地球传输了图片和其他数据。然而，这些努力在1969年7月20日蒙上了阴影，当时第一位美国宇航员踏上了月球。
月球探索
月球的组成与地球不同。由于平均密度仅为3.3克/立方厘米，月球几乎完全由硅酸盐岩石组成。与地球相比，它的铁和其他金属含量不足。就好像月球是由与地球地幔和地壳相同的硅酸盐组成的，金属和挥发物被选择性地去除了。地球和月球之间成分的这些差异为月球的起源提供了重要线索，我们将在本章后面详细讨论这个话题。
月球的组成和结构
月球的一般性质
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如果你通过望远镜观察月球，你可以看到它被各种大小的陨石坑覆盖。月球表面最显眼的特征——那些可以用肉眼看到的特征，构成了通常被称为“月球人”的特征——是巨大的深色熔岩流斑点。
一般外观
为了追溯月球或任何行星的详细历史，我们必须能够估计单个岩石的年龄。一旦Apollo宇航员带回月球样本，为地球开发的放射性测年技术就被应用于这些样本。样本的凝固年龄从大约3.3岁到44亿岁不等，比地球上大多数岩石都要老得多。作为比较，正如我们在地球、月亮和天空一章中看到的，地球和月球都是在4.5到46亿年前形成的。
月球史
*“表面又细又粉。我可以用脚趾松松地捡起来。但是我可以看到我靴子的脚印和细沙颗粒中的胎面。”*——尼尔·阿姆斯特朗，Apollo11名宇航员，第一次登上月球后。
在月球表面
月球表面
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月球为理解我们行星系统的历史提供了一个重要的基准。大多数固体世界显示了撞击的影响，通常可以追溯到我们系统形成过程中大量碎片仍然存在的时代。在地球上，这段漫长的历史已经被我们活跃的地质抹去。相比之下，在月球上，大部分撞击历史都被保存了下来。如果我们能理解月球上发生了什么，我们也许能够将这些知识应用到其他世界。月球特别有趣，因为它不仅仅是任何一个月亮，而是我们的月亮——一个邻近的世界，它分享了地球的历史40亿多年，并保存了一个记录，对地球来说，这个记录已经被我们活跃的地质摧毁了。
火山与撞击陨石坑的成因
让我们考虑一下在这些高速下的撞击是如何产生陨石坑的。当如此快速的弹丸撞击行星时，它会在停止之前穿透自身直径的两到三倍。在这几秒钟内，它的运动能量被转化为冲击波（通过目标体传播）和热量（蒸发大部分弹丸和周围的一些目标）。冲击波使目标的岩石破裂，而膨胀的硅酸盐蒸汽会产生类似于在地面引爆的核弹的爆炸（[链接]）。挖掘出的陨石坑的大小主要取决于撞击速度，但一般是弹丸直径的10到15倍。
成坑过程
如果一个世界在过去30亿年里几乎没有侵蚀或内部活动，比如月球，就有可能利用其表面撞击坑的数量来估计该表面的年龄。这里的“年龄”是指该表面发生重大扰动（如产生月球玛丽亚的火山爆发）的时间。
使用陨石坑计数
冲击坑
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询问事物是如何起源的是现代科学的特征。然而，理解月球的起源对行星科学家来说是一个挑战。部分困难在于我们对月球了解太多（与我们天文学中通常的问题完全相反）。正如我们将看到的，一个关键问题是月球既与地球惊人地相似，又令人沮丧地不同。
月球起源的想法
为了解决这些明显的矛盾，科学家们提出了月球起源的第四个假说，其中涉及地球历史早期的一次巨大撞击。越来越多的证据表明，在类地行星形成时，大块物质——基本上是行星质量的物体——正在太阳系内轨道运行。巨大撞击假说设想地球被一个质量约为地球十分之一的物体——一颗大约火星大小的“子弹”斜撞。这几乎是地球在不被粉碎的情况下经历的最大撞击。
巨大影响假说
月球的起源
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水星在许多方面与月球相似。像月球一样，它没有大气层，表面有严重的陨石坑。如本章后面所述，它也与月球一样有暴力分娩的可能性。
水星轨道
水星的质量是地球的十八分之一，是最小的类地行星。水星是最小的行星（矮行星除外），直径为4878公里，不到地球的一半。水星的密度为5.4克/立方厘米，比月球的密度大得多，这表明这两个物体的组成有很大不同。
组成与结构
对水星模糊表面标记的视觉研究曾经被认为表明这颗行星一直面向太阳（就像月球面向地球一样）。因此，多年来，人们普遍认为水星的自转周期等于它88天的公转周期，使得一边永远热，而另一边永远冷。
水星的奇异自转
第一次近距离观察水星是在1974年，当时美国航天器水手10号从行星表面经过9500公里，向地球传输了2000多张照片，揭示了分辨率低至150米的细节。随后，信使号航天器对这颗行星进行了详细的测绘，该航天器于2004年发射，在2011年进入水星轨道之前多次飞越地球、金星和水星。它于2015年结束生命，当时它被命令撞上行星表面。
水星表面
理解水星是如何形成的问题与月球成分带来的问题相反。我们已经看到，与月球不同，水星主要由金属组成。然而，天文学家认为水星形成时金属与硅酸盐的比例应该与地球或金星上的比例大致相同。它是如何失去这么多岩石物质的？
水星的起源
水星
坑洼世界
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超前思考
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金星看起来非常明亮，甚至一个小型望远镜也显示它经历了像月球一样的相位。伽利略发现金星显示出全方位的相位，他用这个作为论点来证明金星必须绕着太阳而不是地球转。这颗行星的实际表面是看不见的，因为它被浓密的云层所覆盖，这些云层反射了大约70%落在它们身上的阳光，这阻碍了研究底层表面的努力，即使相机在行星的轨道上（[链接]）。
外观
天文学家通过观察永久表面标记的运动，非常精确地确定了火星的自转周期；它的恒星日是24小时37分23秒，只比地球的自转周期长一点。这种高精度不是通过观察火星的单次自转来获得的，而是通过注意它在很长一段时间内转了多少圈来获得的。对火星的良好观测可以追溯到200多年前，在这段时间里已经过去了成千上万个火星日。因此，自转周期可以计算到百分之几秒以内。
行星自转
在单独讨论每颗行星之前，让我们将它们的一些基本属性与彼此以及与地球（[链接]）进行比较。金星在许多方面是地球的孪生兄弟，质量是地球的0.82倍，密度几乎相同。地质活动的平均量也相对较高，几乎与地球一样高。另一方面，由于表面压力比我们的大近100倍，金星的大气层根本不像地球。金星的表面也非常热，温度为730 K（超过850°F），比你烤箱的自我清洁周期还要热。金星提出的主要挑战之一是理解为什么这对孪生兄弟的大气层和表面环境与我们自己的星球如此急剧地偏离。
金星和火星的基本属性
最近的行星：概述
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近50艘航天器已经发射到金星，但只有大约一半成功。虽然1962年美国水手2号飞越是第一次，但苏联发射了大部分随后的金星任务。1970年，金星7号成为第一个从金星表面着陆和广播数据的探测器。它在屈服于高表面温度之前运行了23分钟。随后又有更多的金星探测器和着陆器，拍摄表面并分析大气和土壤。
宇宙飞船探索金星
金星的雷达图显示，如果我们的星球表面没有不断受到侵蚀和沉积物沉积的影响，这颗行星看起来很像地球。因为金星上没有水或冰，表面风速很低，几乎没有什么能掩盖或抹去金星地壳运动、火山爆发和撞击坑产生的复杂地质特征。最终穿透金星云层以下，我们发现它的表面是裸露的，揭示了数亿年的地质活动历史。
探索金星的云层
天文学家通过麦哲伦高分辨率图像首先提出的问题之一是金星表面的年龄。请记住，行星表面的年龄很少是它所在的世界的年龄。年轻的年龄仅仅意味着该位置有活跃的地质。这样的年龄可以通过计算撞击坑得出。[链接]是金星雷达图像上这些陨石坑的一个例子。表面陨石坑越密集，它的年龄就越大。金星上最大的陨石坑（称为米德）直径275公里，比已知最大的陆地陨石坑（希克苏鲁布）略大，但比月球撞击盆地小得多。
陨石坑和金星表面的年龄
和地球一样，金星也是一颗经历过广泛火山活动的行星。在低地平原，火山爆发是地表更新的主要方式，大量高流动性熔岩摧毁了旧陨石坑，并产生了一个新的表面。此外，许多年轻的火山山脉和其他结构与地表热点有关——行星地幔的对流将内部热量输送到地表的地方。
金星上的火山
金星地幔中熔融物质的对流推动和拉伸地壳。这种力量被称为构造力，由这些力量产生的地质特征被称为*构造特征*。在金星的低地平原上，构造力打破了熔岩表面，创造了显著的脊和裂缝图案（[链接]）。在少数地方，地壳甚至撕裂，产生裂谷。与日冕相关的圆形特征是构造脊和裂缝，金星的大部分山脉也归功于构造力的存在。
构造活动
上世纪70年代，成功的金星号着陆器发现，自己所在的星球非常不适宜居住。它的表面压力为90巴，温度高到足以熔化铅和锌。尽管有这些令人不快的条件，但航天器还是能够拍摄周围环境，并在仪器失效之前收集表面样本进行化学分析。照射到表面的漫射阳光被云层染成红色，光照水平相当于地球上的阴天。
在金星表面
金星地质学
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金星上最丰富的气体是二氧化碳（CO2），它占大气的96%。第二常见的气体是氮。当你回想起如果地球大气中的二氧化碳没有被锁在海洋沉积物中，二氧化碳对氮的主导地位也就不足为奇了（参见关于地球作为一个行星的地球大气的讨论）。
大气的组成和结构
射电天文学家在20世纪50年代末发现了金星的高表面温度，并得到水手号和金星号探测器的证实。我们的邻居星球怎么会这么热？尽管金星比地球离太阳更近，但它的表面比你从它接收到的额外阳光中想象的要热数百度。科学家们想知道是什么把金星表面加热到700 K以上的温度。答案是温室效应。
金星表面温度
金星的巨大大气
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火星已经被航天器进行了密集的调查。已经有50多艘航天器向火星发射，但只有大约一半完全成功。第一个访客是美国水手4号，它在1965年飞过火星，向地球传输了22张照片。这些照片显示了一个明显荒凉的星球，有大量的撞击坑。在那些日子里，陨石坑是意想不到的；一些有浪漫倾向的人仍然希望看到运河或类似的东西。无论如何，报纸头条悲伤地宣布火星是一个“死亡星球”
宇宙飞船探索火星
我们对月球的大部分了解，包括其起源的情况，都来自对月球样本的研究，但航天器尚未将火星样本送回地球进行实验室分析。因此，科学家们怀着极大的兴趣发现，火星物质的样本已经在地球上，可供研究。这些都是一种罕见的*陨石*（[链接]）的成员——从太空坠落的岩石。
火星样本
火星的直径为6790公里，略高于地球直径的一半，使其总表面积几乎等于我们星球的大陆（陆地）面积。它的总密度为3.9克/立方厘米，表明其成分主要由硅酸盐组成，但有一个小金属核心。这颗行星没有全球磁场，尽管有一些表面磁化强烈的区域表明数十亿年前有一个全球磁场。显然，这颗红色星球的核心今天没有液体物质可以导电。
火星的全球属性
火星的低地平原看起来非常像月球玛丽亚，它们有大约相同密度的撞击坑。像月球玛丽亚一样，它们可能在3到40亿年前形成。显然，火星在月球经历了广泛的火山活动，产生了类似的玄武岩熔岩。
火星上的火山
塔尔西斯凸起除了巨大的火山之外，还有许多有趣的地质特征。在地球的这一部分，表面本身已经向上凸起，受到来自下方的巨大压力的推动，导致地壳广泛的构造裂缝。火星上最壮观的构造特征之一是被称为Valles Marineis（或水手谷，以水手9号命名，这是第一次向我们揭示它们）的峡谷，如[链接]所示。它们沿着塔尔西斯凸起的斜坡延伸约5000公里（接近火星周围四分之一的距离）。如果它在地球上，这个峡谷系统将从洛杉矶一直延伸到华盛顿特区。主峡谷深约7公里，宽达100公里，大到足以让科罗拉多河大峡谷舒适地融入其侧峡谷之一。电影《火星救援》的观众可以看到这些峡谷地带的再现，因为电影的主人公在火星的这一部分进行了一次壮观的（有点夸张的）展示。
火星裂缝和峡谷
第一艘成功登陆火星的宇宙飞船是维京人1号和2号以及火星探路者号。所有人都发回了照片，显示了一个荒凉但异常美丽的景观，包括许多棱角分明的岩石，中间点缀着沙丘状的细粒红色土壤沉积物（[链接]）。
火星表面的景色
火星地质
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今天火星的大气层平均表面压力只有0.007巴，不到地球的1%。（这就是地球表面上方大约30公里的空气有多薄。）火星空气主要由二氧化碳（95%）组成，约有3%的氮和2%的氩。不同气体的比例与金星大气中的相似（见[链接]），但在火星稀薄的空气中发现的每种气体要少得多。
火星上的大气和云
通过望远镜，火星上最突出的表面特征是明亮的极地帽，它们随着季节而变化，类似于地球上的季节性积雪。我们通常不认为北纬地区的冬季雪是我们极地帽的一部分，但是从太空中看，薄薄的冬季雪与地球厚厚的永久冰盖融合在一起，形成了一种很像在火星上看到的印象（[链接]）。
极地帽
尽管今天火星上不存在液态水，但越来越多的证据表明，很久以前，这颗红色星球上就有河流流动。两种地质特征似乎是古代水道的遗迹，而第三类——较小的沟壑——表明即使在今天，液态水也会间歇性爆发。我们将依次检查这些特征中的每一个。
火星上的河道和沟壑
在火星表面运行过的火星车（精神号、机遇号、好奇号和毅力号）被用来寻找更多的水的证据。他们无法到达最有趣的地方，比如位于陡坡上的沟壑。相反，他们探索的地方可能是干涸的湖床，可以追溯到火星气候变暖、大气层增厚的时期，这使得水在表面成为液体。
古湖和冰川
到目前为止，关于火星上古老河流和湖泊的讨论证据表明，数十亿年前，火星的温度一定比现在高，大气层一定比现在更坚固。但是是什么如此戏剧性地改变了火星的气候呢？
火星上的气候变化
如果过去火星上有自来水，也许也有生命。生命会以某种形式留在今天的火星土壤中吗？测试这种可能性，尽管不太可能，是1976年维京着陆器的主要目标之一。这些着陆器携带微型生物实验室来测试火星土壤中的微生物。火星土壤被航天器的长臂舀起并放入实验室，在那里它被分离并与各种气体、放射性同位素和营养物质接触培养，看看会发生什么。这些实验寻找活体动物呼吸的证据，吸收可能存在的生物提供的营养，以及土壤与其周围环境之间出于任何原因的气体交换。第四台仪器粉碎土壤，仔细分析，以确定其中含有什么有机（含碳）物质。
在火星上寻找生命
火星上的水和生命
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发散行星演化
类地行星：金星和火星
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超前思考
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八艘宇宙飞船，七艘来自美国，一艘来自欧洲，已经穿透小行星带进入巨人王国。[链接]总结了宇宙飞船到外太阳系的任务。
迄今为止对外太阳系的探索
先驱者号和旅行者号的任务都是对巨型行星的近距离飞行：在航天器加速前进之前，它们都只产生了快速的观察。为了对这些世界进行更详细的研究，我们需要能够进入行星轨道的航天器。对木星和土星来说，这些轨道飞行器是伽利略号、卡西尼号和朱诺号航天器。迄今为止，天王星和海王星还没有启动轨道飞行器任务，尽管行星科学家已经表达了浓厚的兴趣。
进入轨道飞行器：伽利略、卡西尼和朱诺
探索外行星
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巨型行星离太阳非常远。木星离太阳的距离是地球距离的五倍多（5 AU），绕太阳一周需要不到12年。土星离木星的距离是木星的两倍（将近10 AU），完成一个轨道需要将近30年。天王星在19 AU轨道运行，周期为84年，而海王星在30 AU轨道运行，绕太阳一周需要165年。这些漫长的时间尺度使得我们短命的人类很难研究外行星的季节变化。
基本特性
当我们观察行星时，我们只看到它们的大气层，主要由氢气和氦气组成（见[链接]）。木星和土星的最上层云层，我们从上面俯视这些行星时看到的部分，是由氨晶体组成的。在海王星上，上层云层是由甲烷组成的。在天王星上，我们根本看不到明显的云层，而只看到一片深邃而毫无特色的薄雾。
外观和旋转
尽管我们无法看到这些行星，但天文学家确信木星和土星的内部主要由氢和氦组成。当然，这些气体只在大气中测量过，但50多年前首次进行的计算表明，这两种轻气体是唯一可能的材料，可以用它来建造一颗质量和密度与木星和土星一样大的行星。
组成与结构
由于它们的体积很大，所有的巨型行星在形成过程中都因周围物质坍塌到核心上而被强烈加热。木星是最大的，是最热的。一些原始热量仍然可以留在如此大的行星内部。此外，巨大的、大部分是气态的行星有可能在形成后通过缓慢收缩产生热量。（由于质量如此之大，即使是微小的收缩也会产生大量的热量。）这些内部能量源的作用是提高行星内部和大气的温度，高于我们仅从太阳的加热效应中预期的温度。
内部热源
每一个巨型行星都有一个强大的磁场，由快速旋转的内部电流产生。与磁场相关的是行星的*磁球*，这是行星自身磁场主导一般行星际磁场的区域。这些行星的磁球是它们最大的特征，延伸到太空数百万公里。
磁场
巨行星
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当阳光从巨型行星的大气层反射时，大气气体会在光谱中留下它们的“指纹”。对木星行星的光谱观测始于19世纪，但在很长一段时间里，天文学家无法解释他们观察到的光谱。直到20世纪30年代，这些光谱中拍摄的最突出特征仍未确定。然后更好的光谱揭示了木星和土星大气层中甲烷（CH4）和氨（NH3）分子的存在。
大气成分
木星云（[link]）是太阳系中最壮观的景象之一，深受科幻电影制作人的喜爱。它们的颜色从白色到橙色，从红色到棕色，在不断变化的万花筒图案中旋转和扭曲。土星显示出类似但更柔和的云活动；它的云没有鲜艳的颜色，而是几乎均匀的奶油糖果色调（[link]）。
云和大气结构
木星的大气层有许多高压（那里有更多的空气）和低压（那里有更少的空气）区域。就像地球上一样，空气在这些区域之间流动，形成风模式，然后被行星的旋转扭曲。通过观察木星上不断变化的云模式，我们可以测量风速并跟踪它们大气的循环。
风和天气
在我们刚刚描述的常规大气环流模式上叠加了许多局部扰动——借用我们在地球上使用的术语，天气系统或*风暴*。其中最突出的是木星（[链接）和海王星上巨大的椭圆形高压区域。
巨大行星上的巨大风暴
巨行星的大气层
巨行星
m59860
超前思考
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木星有92个已知的卫星（这是我们写的数字）和一个微弱的环。其中包括四个大卫星——木卫四、木卫三、木卫二和木卫一（见[链接]）——由伽利略于1610年发现，因此通常被称为伽利略卫星。其中较小的，木卫二和木卫一，大约和我们的月亮一样大，而较大的，木卫三和木卫四，大约和水星一样大。木星的大多数卫星要小得多。大多数在离木星2000万公里以上的逆行轨道上；这些很可能是被捕获的小行星。
木星系统
除了一组华丽的环之外，土星还有至少83个已知的卫星。其中最大的卫星土卫六几乎和木星系统中的木卫三一样大，它是唯一一个表面有大量大气和液态碳氢化合物（如甲烷和乙烷）湖泊或海洋的卫星。土星还有另外六个直径在400到1600公里之间的大型规则卫星，在环内或环附近运行的小卫星的集合，以及许多捕获的类似木星的流浪卫星。神秘的是，土星较小的卫星之一土卫二有活跃的间歇泉，水被排放到太空中。
土星系统
天王星的环月系统以98°倾斜，就像行星本身一样。它由11个环和27个目前已知的卫星组成。五个最大的卫星在大小上与土星的六个规则卫星相似，直径为500到1600公里。1977年发现的天王星环是黑暗物质的窄丝带，中间有宽阔的缝隙。天文学家认为，由于众多小卫星的引力效应，环粒子被限制在这些狭窄的路径中，其中许多我们还没有瞥见。
天王星系统
海王星有14颗已知的卫星。其中最有趣的是海卫一，这是一颗逆行轨道上相对较大的卫星——这很不寻常。海卫一的大气层非常稀薄，旅行者号在1989年的飞越中发现了那里的活跃喷发。为了解释它的不同寻常的特征，天文学家认为海卫一可能起源于海王星系统之外，像冥王星一样是一颗矮行星。海王星的环又窄又暗。像天王星的环一样，它们由黑暗物质组成，因此不容易看到。
海王星系统
推出环形和月球系统
m59862
我们从最外层的木卫四开始讨论伽利略卫星，不是因为它与众不同，而是因为它并不引人注目。这使得它成为一个方便的物体，可以与其他更活跃的世界进行比较。它与木星的距离约为200万公里，绕木星运行17天。就像我们自己的月亮一样，木卫四的旋转周期与木星旋转周期相同，因此它总是对着木星保持同一张脸。因此木卫四的一天等于它的月份： 17天。它中午的表面温度只有130 K（低于冰点约140摄氏度），因此水冰全年在其表面保持稳定（从不蒸发）。
木卫四：一个古老的原始世界
木卫三，太阳系中最大的卫星，也显示出大量的陨石坑（[链接]）。回想一下其他世界：太阳系简介，我们可以使用固体世界的陨石坑计数来估计表面的年龄。陨石坑越多，表面受到太空打击的时间就越长，因此它必须越老。木卫三表面大约四分之一似乎和木卫四一样古老，陨石坑很重；其余的形成时间较晚，我们可以从撞击坑的稀疏覆盖以及这些陨石坑的相对新鲜度来判断。如果我们从陨石坑计数来判断，木卫三上这个更新鲜的地形比月球玛丽亚或火星火山平原要年轻一些，可能有2到30亿年的历史。
木卫三，最大的月亮
欧罗巴和木卫一是伽利略内部的两个卫星，不像外行星的大多数卫星那样是冰冷的世界。它们的密度和大小与我们的月球相似，看起来主要是岩石物体。它们形成时，外太阳系一定有大量的冰，它们怎么没有获得大部分的冰呢？
欧罗巴，有海洋的月亮
木卫一是木星伽利略卫星的最内层，在许多方面与我们的月球是近亲，大小和密度几乎相同。因此，我们可能会认为它经历了类似的历史。然而，从太空拍摄的它的出现告诉了我们另一个故事（[链接]）。木卫一不是一个死气沉沉的陨石坑世界，而是太阳系中火山活动的最高水平，远远超过地球。
瞧，火山月亮
木卫一体积虽小，但如何能保持火山活跃？正如我们之前暗示的那样，答案在于重力通过潮汐加热的影响。木卫一与木星的距离与我们的月球与地球的距离大致相同。然而，木星的质量是地球的300多倍，导致力将木卫一拉长，有一个几公里高的凸起向木星延伸。
潮汐加热
木星的伽利略卫星
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土卫六于1655年由荷兰天文学家克里斯蒂安·惠更斯首次观测到，是伽利略观测到木星的四个大卫星后发现的第一个卫星。土卫六的直径、质量和密度与木卫四或木卫三大致相同。据推测，它也有类似的成分——大约一半是冰，一半是岩石。然而，土卫六在卫星中是独一无二的，它有厚厚的大气层、湖泊和河流以及降雨（尽管这些不是由水组成的，而是由乙烷和甲烷等碳氢化合物组成的，乙烷和甲烷在土卫六寒冷的温度下可以保持液态）。土卫六是除地球之外唯一一个我们发现表面有液态物体的卫星或行星。
土卫六，一个有大气和碳氢化合物湖的月球
海王星最大的卫星海卫一（不要把它的名字和土卫六混淆）直径为2720公里，密度为2.1克/立方厘米，这表明它可能由大约75%的岩石和25%的水冰组成。测量表明海卫一的表面温度是我们的机器人代表参观过的世界中最冷的。因为它的反射率非常高（大约80%），海卫一反射了大部分落在它身上的太阳能，导致表面温度在35到40 K之间。
海卫一及其火山
泰坦和海卫一
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冥王星是通过仔细、系统的搜索发现的，不像海王星，海王星的位置是根据引力理论计算出来的。尽管如此，寻找冥王星的历史始于天王星略微偏离其预测轨道的迹象，偏离可能是由于未被发现的“行星X”的引力。20世纪初，几位天文学家，最著名的是珀西瓦尔·洛厄尔，当时他作为火星智能生命倡导者的名声达到顶峰，开始对寻找这第九颗行星感兴趣。
冥王星是行星吗？
我们对冥王星及其卫星的几乎所有了解都来自新视野号宇宙飞船。该飞船于2015年飞过冥王星，然后进入行星系统的最外层。天文学家利用新视野号探测器的数据测量了冥王星的直径2370公里，只有月球的60%大。从直径和质量来看，我们发现密度为1.9克/立方厘米，这表明冥王星是岩石物质和水冰的混合物，其比例与许多外行星卫星大致相同。
冥王星的性质
冥王星并不是许多人对如此小的物体所期望的地质死亡世界——远非如此。[链接]中显示的全球彩色照片清楚地显示了表面被划分为不同成分和表面纹理的区域。在这张照片中，红色被增强，以更清楚地显示颜色的差异。表面较暗的部分是陨石坑，但在这张照片的右下角象限，与它们相邻的是一个几乎毫无特色的光亮区域。这是一个巨大的充满冰的凹陷，被称为人造地球平原，以第一颗人造地球卫星的名字命名。没有撞击陨石坑表明表面的历史不超过1000万年。黑暗区域显示出光化学烟雾或烟雾的颜色，与土卫六大气中的颜色相似。染上这些旧表面的黑色物质可能来自冥王星的大气烟雾，也可能来自阳光作用下表面发生的化学反应。
冥王星地质学
为了增加冥王星的神秘性，我们在[链接]中展示了冥王星大卫星卡戎的最佳新视野图像之一。回想一下之前，卡戎大约是冥王星的一半大（它的直径大约是德克萨斯州的大小）。卡戎对冥王星保持同一面，就像我们的月亮对地球保持同一面一样。然而，冥王星-卡戎系统的独特之处在于冥王星也对卡戎保持同一面。就像两个舞者拥抱在一起，当他们在天体舞池中旋转时，这两个人经常面对面。天文学家称之为双潮汐锁。
快速浏览Charon
冥王星和卡戎星
m62178
环是大量粒子的集合，每个粒子都像一个遵循开普勒定律的小卫星，绕着行星运行。因此，内部粒子的旋转速度比更远的粒子快，环作为一个整体不会作为一个固体旋转。事实上，最好不要认为环在旋转，而是考虑其单个小卫星的公转（或轨道运动）。
什么导致戒指？
土星环是太阳系中最美丽的景象之一（[link]）。从外到内，三个最亮的环都标有极其不浪漫的名字，即A环、B环和C环。[link]给出了土星环的尺寸，以公里和半径为单位，*R*土星。B环最亮，粒子密度最大，而A环和C环是半透明的。
土星环
天王星的光环又窄又黑，在地球上几乎看不见。天王星的九个主光环是在1977年通过对一颗恒星的观测发现的，当时天王星正从它前面经过。我们称一个天体在另一个天体前面的这种通道为掩星。在1977年的掩星期间，天文学家预计当行星穿过它时，这颗恒星的光会消失。但除此之外，在天王星到达它之前，这颗恒星短暂变暗了几次，因为每个狭窄的光环都在恒星和望远镜之间经过。因此，即使无法直接看到或拍摄，这些光环也被详细地绘制出来，就像在晚上通过观察汽车相继经过火车前时灯光的闪烁来计算火车上的汽车数量一样。当旅行者号在1986年接近天王星时，它能够近距离研究这些环；宇宙飞船还拍摄了两个新环（[链接]）。
天王星环和海王星环
我们对行星环的迷恋在很大程度上是由于它们复杂的结构，它们的存在大部分归功于卫星的引力效应，没有卫星，环将是扁平的，毫无特色。事实上，越来越清楚的是，没有卫星，可能根本就没有环，因为留给它们自己，小粒子的薄圆盘逐渐扩散和消散。
环与卫星之间的相互作用
行星环（和土卫二）
环、卫星和冥王星
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超前思考
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18世纪末，许多天文学家都在寻找另外一颗行星，他们认为这颗行星应该存在于火星和木星轨道之间的空隙中。西西里天文学家乔瓦尼·皮亚齐（Giovanni Piazzi）认为，他在1801年发现了这颗失踪的行星，当时他发现了第一颗小行星（后来被称为“小行星”），其轨道距太阳2.8 AU。他的发现被他命名为谷神星，随后很快发现了其他三颗类似轨道的小行星。
小行星的发现和轨道
小行星就像黑白一样不同。大多数非常暗，反射率只有3%到4%，就像一块煤。然而，另一个大群体的典型反射率为15%。为了更多地了解这些差异以及它们与化学成分的关系，天文学家研究了小行星反射的光的光谱，以寻找它们组成的线索。
组成和分类
灶神星是最有趣的小行星之一。它以2.4 AU的半长轴围绕太阳运行，位于小行星带的内部。它相对较高的反射率几乎达到30%，是最亮的小行星，如此明亮，如果你知道去哪里看，它实际上是肉眼可见的。但它真正出名的原因是它的表面覆盖着玄武岩，这表明灶神星是一个分化的物体，尽管它的体积很小（直径约500公里），但它一定曾经是火山活跃的。
灶神星：分化的小行星
在1995年与木星相遇的途中，伽利略宇宙飞船的目标是靠近两颗名为加斯普拉和艾达的主带S型小行星。伽利略相机显示两者都很长，非常不规则（像一个破旧的土豆），适合灾难性碰撞的碎片（[链接]）。
小行星近距离观察
小行星
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远离主带的小行星主要是天文学家感兴趣的。但是向内的小行星，尤其是那些轨道接近或穿过地球轨道的小行星，引起了政治领导人、军事规划者——事实上，地球上每个人——的兴趣。其中一些小行星短暂地成为离我们最近的天体。
接近地球的小行星
小行星与行星防御
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彗星是一块相对较小的冰物质（通常直径几公里），当它接近太阳时形成大气层。后来，可能会有一个非常微弱、模糊的尾巴，延伸到离彗星主体几百万公里的地方。彗星从最早的时候就被观察到了：几乎所有古代文明的历史中都可以找到彗星的记载。然而，典型的彗星在我们的天空中并不壮观，相反，它的外观是一个相当微弱、漫射的光点，比月球小一些，而且亮度要低很多倍。（在人工照明发明之前，彗星对人们来说似乎更壮观，人工照明损害了我们对夜空的看法。）
彗星的出现
将彗星作为太阳系成员的研究可以追溯到牛顿时代，牛顿首次提出彗星绕太阳运行的椭圆非常长。牛顿的同事埃德蒙·哈雷（见[链接]特征框）提出了这些想法，并在1705年发表了24颗彗星轨道的计算。他特别指出，1531年、1607年和1682年出现的明亮彗星的轨道非常相似，这三颗彗星很可能是同一颗彗星，平均每76年返回近日点（最接近太阳的地方）。如果是这样，他预测该物体下一次应该返回1758年左右。尽管哈雷在彗星出现时已经死亡，正如他所预测的那样，它被命名为哈雷彗星（与“山谷”押韵），以纪念第一个认识到它是我们太阳系永久成员的天文学家，围绕太阳运行。它的远日点（离太阳最远的点）超出了海王星的轨道。
彗星轨道
当我们观察一颗活跃的彗星时，我们通常只能看到它被阳光照亮的气体和尘埃的临时大气。这种大气被称为彗星的头部或*昏迷。*由于这种小物体的引力非常弱，大气一直在迅速逃逸；它必须由新材料补充，而新材料必须来自某个地方。来源是里面的小而固体的原子核，直径只有几公里，通常被它周围更大大气的辉光所隐藏。原子核是真正的彗星，是负责大气和尾部的古代冰冷物质的碎片（[链接]）。
彗星核
让我们能够看到彗星的壮观活动是由被阳光加热的彗星冰蒸发引起的。在彗星大部分时间呆在小行星带之外，这些冰是结实的冰冻的。但是当彗星接近太阳时，它开始变暖。如果水（H2O）是主要的冰，当阳光加热200 K上方的表面时，大量的冰会蒸发。这发生在火星轨道之外的典型彗星上。蒸发的H2O反过来释放出与冰混合的尘埃。由于彗星的原子核非常小，它的重力无法阻挡气体或尘埃，它们都以每秒1公里的速度流入太空。
彗星大气
1976年，哈雷彗星的乔托飞越为我们提供了第一张活跃彗星核的照片，这是我们理解彗星的分水岭。20世纪90年代，欧洲科学家决定设计一个更雄心勃勃的任务，将轨道与即将到来的彗星匹配，并在彗星接近太阳时跟踪它。他们还提议，一个更小的航天器实际上会尝试降落在彗星上。这个重达2吨的主航天器被命名为*罗塞塔*，携带十几个科学仪器，它的100公斤着陆器和另外九个仪器被命名为*菲莱*。
罗塞塔彗星任务
“长毛”彗星
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在外太阳系，大多数物体都含有大量的水冰，小行星和彗星之间的区别被打破了。天文学家最初仍然使用“小行星”这个名字来指代新发现的绕太阳运行的物体，这些物体的轨道远远超过木星。第一个天体是凯龙星，它于1977年在一条路径上被发现，这条路径将它从最接近太阳的土星轨道内带到天王星的距离（[链接]）。凯龙星的直径估计约为200公里，比任何已知彗星都大得多。
半人马和TNO
TNO是柯伊伯带的一部分，柯伊伯带是海王星以外的一大片空间，也是许多彗星的来源。天文学家通过两种方式研究柯伊伯带。新的、更强大的望远镜使我们能够直接发现柯伊伯带的许多较大成员。我们还可以测量被认为起源于柯伊伯带的短周期彗星的组成，海王星的微小引力扰动可以逐渐改变它们的轨道，直到它们能够穿透太阳系内部。已经发现了1000多个柯伊伯带天体，天文学家估计，在一个从太阳延伸到大约50 AU的圆盘中，直径超过100公里的天体超过10万个。
柯伊伯带和奥尔特云
来自奥尔特云的彗星帮助我们取样离太阳很远的物质，而来自柯伊伯带的短周期彗星取样物质是太阳星云盘中的小行星，但没有形成行星。柯伊伯带的研究也影响了我们对行星系统早期演化的理解。
行星系统的早期演化
我们今天看到的任何彗星几乎都在奥尔特云或柯伊伯带的温度接近绝对零度的地方度过了它的整个生命周期。但是一旦彗星进入内太阳系，它以前平静的生命历史就开始加速。当然，它可能会在最初靠近太阳的过程中幸存下来，回到它之前45亿年度过的寒冷空间。在另一个极端，它可能会与太阳相撞，或者靠得太近，以至于在第一次近日点通过时被摧毁（监测太阳的太空望远镜已经观察到几次这样的碰撞）。然而，有时新彗星不会离太阳那么近，而是与一颗或多颗行星相互作用。
彗星的命运
彗星及相关天体的起源和命运
彗星和小行星：太阳系的碎片
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超前思考
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流星是以微小的固体粒子的形式从行星际空间进入地球大气层的。由于粒子以每秒数公里的速度移动，与空气的摩擦使它们在80到130公里的高度蒸发。由此产生的闪光在几秒钟内消失。这些“流星”之所以得名，是因为在晚上，它们发光的蒸汽看起来像在天空中快速移动的恒星。为了可见，流星必须在观察者大约200公里的范围内。在一个典型的黑暗无月的夜晚，警觉的观察者每小时可以看到六颗流星。这些*零星流星*——那些与流星雨无关的流星（在下一节中解释）——是随机发生的。在整个地球上，足够明亮到可见的流星总数每天约为2500万颗。
观察流星
许多——也许是大多数——撞击地球的流星都与特定的彗星有关。这些周期性彗星中的一些仍然会回到我们的视野中；其他彗星很久以前就已经分崩离析，只留下一条尘埃的痕迹。来自特定彗星的尘埃粒子大约保留了它们母星的轨道，继续在太空中一起移动，但随着时间的推移在轨道上扩散。当地球绕太阳运行时，穿过这样的尘埃流时，我们会看到流星活动的突然爆发，通常会持续几个小时；这种事件被称为流星雨。
流星雨
流星
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纵观历史，偶尔会发现陨石，但它们的外星起源直到十九世纪初才被科学家接受。在此之前，这些奇怪的石头要么被忽视，要么被认为有超自然的起源。
陨石的地外起源
陨石的发现有两种方式。首先，有时会观察到明亮的流星（火球）穿透大气层到达低海拔。如果我们搜索火球燃烧殆尽点下方的区域，我们可能会发现一个或多个到达地面的残留物。观察到的*陨石坠落*，换句话说，可能会导致坠落陨石的回收。（少数陨石甚至击中了建筑物，或者很少击中人；请参阅建立联系：一些引人注目的陨石）。我们在彗星和小行星：太阳系碎片一章中讨论的2013年车里雅宾斯克火球产生了数以万计的小陨石，其中许多很容易找到，因为这些黑色的石头落在雪地上。
陨石瀑布和发现
我们收藏的陨石有各种各样的成分和历史，但传统上它们被分为三大类。首先是铁，由几乎纯的金属镍铁组成。第二是石头，用于任何硅酸盐或岩石陨石的术语。第三是更罕见的石铁，由石头和金属铁的混合物制成（顾名思义）（[链接]）。
陨石分类
直到测量了陨石的年龄并详细分析了它们的成分，科学家们才意识到它们的真正意义。陨石包括可在实验室直接研究的最古老和最原始的材料。石质陨石的年龄可以通过仔细测量放射性同位素及其衰变产物来确定。几乎所有陨石的放射性年龄都在4.50到45.60亿年之间，与我们在太阳系测量的任何年龄一样古老。少数较年轻的例外是火成岩，它们是从月球或火星的陨石坑事件中喷出的（并已进入地球）。
陨石的年龄和成分
为了了解太阳系最早的历史，我们转向原始陨石——那些由自形成以来从未遭受过巨大热量或压力的材料制成的陨石。我们可以观察小行星反射的阳光光谱，并将它们的成分与原始陨石的成分进行比较。这种分析表明，它们的母体几乎肯定是小行星。由于小行星被认为是太阳系形成过程中遗留下来的碎片，它们应该是原始陨石的母体是有道理的。
最原始的陨石
陨石：来自天堂的石头
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任何关于行星系统形成的理论都必须解释行星系统的某些基本特性。这些特性可以归纳为三类：运动约束、化学约束和年龄约束。我们称之为*约束*，因为它们限制了我们的理论；除非一个理论能够解释观察到的事实，否则它将无法在以科学努力为特征的思想竞争市场中生存。让我们一个接一个地看看这些约束。
观测约束
上述所有限制因素都与《其他世界：太阳系概论》中提出的总体思想一致。45亿年前，太阳系是由旋转的蒸汽和尘埃云形成的，我们称之为太阳星云，其初始成分与今天的太阳相似。随着太阳星云在自身引力下坍塌，物质向中心坠落，那里的物质变得越来越集中和热。缩小的星云中温度的上升蒸发了最初存在的大部分固体物质。
太阳星云
在太阳星云中凝结的粒子相当快地结合成越来越大的块，直到大部分固体物质以*小行星的形式出现，*直径几公里到几十公里的块。一些小行星今天仍然以彗星和小行星的形式存在。其他的在我们在前面章节中研究的许多世界的陨石坑表面留下了它们的印记。然而，从小行星到行星需要大幅增加体积。
类地行星的形成
在外太阳系，可用的原材料包括冰和岩石，原行星变得更大，质量是地球的十倍。这些外太阳系的原行星非常大，能够吸引和容纳周围的气体。当氢和氦迅速坍塌到它们的核心时，巨型行星被收缩能量加热。但是尽管这些巨型行星比它们的陆地兄弟姐妹变得更热，但它们太小了，无法将它们的中心温度和压力提高到可以开始核反应的程度（正是这种反应给了我们对恒星的定义）。在发出暗红色的光几千年后，巨型行星逐渐冷却到现在的状态（[链接]）。
巨行星的形成
我们刚才描述的所有过程，从太阳星云坍塌到原行星的形成，都发生在几百万年内。然而，太阳系形成的故事在这个阶段并不完整；有许多星子和其他碎片最初没有积累形成行星。它们的命运是什么？
系统的进一步演变
太阳系的形成
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在《恒星的诞生和太阳系外行星的发现》一书中，我们详细讨论了恒星和行星的形成。像我们的太阳这样的恒星是在分子云中（由气体和尘埃组成）的密集区域感受到额外的引力并开始坍塌时形成的。这是一个失控的过程：随着云坍塌，引力变得更强，物质集中到原恒星中。大约有一半的时间，原恒星会分裂或被引力束缚在其他原恒星上，形成一个双星或多颗恒星系统——这些恒星受到引力束缚并相互环绕。其余时间，原恒星会孤立坍塌，就像我们的太阳一样。在所有情况下，正如我们所看到的，角动量守恒会导致坍塌的原恒星自旋上升，周围的物质被压扁成一个圆盘。今天，这种结构实际上是可以观察到的。哈勃和詹姆斯·韦伯太空望远镜，以及强大的新型地面望远镜，使天文学家能够直接研究这些*环星盘*中最近的恒星今天诞生的太空区域，如猎户座星云（[链接]）或金牛座恒星形成区域。
其他行星系统的发现
你可能会认为，借助天文学家今天拥有的先进望远镜和探测器，他们可以直接对附近恒星周围的行星（我们称之为系外行星）进行成像。然而，这被证明是极其困难的，不仅因为系外行星很暗，还因为它们通常会迷失在它们环绕的恒星的耀眼眩光中。正如我们在《恒星的诞生和太阳系外行星的发现》中更详细讨论的那样，最有效的探测技术是间接的：它们观察行星对其轨道恒星的影响，而不是观察行星本身。
发现系外行星
让我们更仔细地看看系外行星探测的进展。[链接]显示了每年通过我们讨论的两种技术发现的行星。在系外行星发现的早期，大多数行星的质量与木星相似。这是因为，如上所述，质量最大的行星最容易被探测到。最近几年，已经探测到比海王星还小，甚至接近地球大小的行星。
其他行星系统的结构
迄今为止发现的许多行星系统与我们自己的太阳系并不相似。因此，我们不得不重新评估行星系统形成的“标准模型”的某些方面。科学有时就是这样运作的，新数据与我们的预期相矛盾。媒体经常谈论科学家进行实验来“证实”一个理论。事实上，当新数据支持一个假设或理论并增强我们对早期结果的信心时，这是令人欣慰的。但科学中最激动人心和富有成效的时刻往往是当新数据*不支持现有理论时，这迫使科学家重新思考他们的立场，并对自然的运作方式产生新的、更深刻的见解。
理论与数据的比较
与其他行星系统的比较
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我们已经看到了类地行星和冰卫星上的地质活动水平的广泛范围。这种活动的内部来源（与从上方撞击相反）需要能量，要么是行星形成时遗留下来的原始热量，要么是内部放射性元素衰变的能量。行星或月球越大，它越有可能保持内部热量，冷却得越慢——这就是《其他世界：太阳系简介》中提到的“烤土豆效应”。因此，我们更有可能在更大的（固体）世界表面看到持续地质活动的证据（[链接]）。木星的卫星木卫一是这一规则的一个有趣的例外；我们看到它有一个不寻常的热源，来自木星潮汐拉力对其内部的引力弯曲。木卫二可能也受到木星潮汐的加热。土星可能对其卫星恩克拉多斯也有类似的影响。
地质活动
让我们看一些具体的例子来说明行星是如何不同的。类地行星上的山脉源于不同的过程。在月球和水星上，主要的山脉是数十亿年前发生的大型盆地形成撞击产生的喷出物。火星上的大多数大山是火山，由同一喷口的熔岩反复喷发产生。地球和金星上也有类似（但更小）的火山。然而，地球和金星上最高的山脉是表面压缩和隆起的结果。在地球上，这种地壳压缩是一个大陆板块与另一个大陆板块碰撞的结果。
高程差异
行星的大气层是由从内部逸出的气体和来自外太阳系富含挥发性的碎片的撞击形成的。每个类地行星最初一定有相似的大气层，但是水星太小太热，无法保留它的气体。月球可能从未有过大气层，因为构成它的物质被挥发性物质耗尽了。
大气
行星演化
宇宙样本和太阳系的起源
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超前思考
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让我们从问太阳大气层是由什么组成的开始。正如《辐射与光谱》中所解释的，我们可以使用恒星的*吸收线**光谱*来确定存在哪些元素。事实证明，太阳包含与地球相同的元素，但*不*在相同的比例。太阳质量的大约73%是氢，另外25%是氦。所有其他化学元素（包括我们在自己体内认识和喜爱的元素，如碳、氧和氮）仅占我们恒星的2%。太阳可见表层中10种最丰富的气体列在[link]中。检查该表并注意到太阳外层的成分与我们居住的地壳非常不同。（在我们星球的地壳中，三种最丰富的元素是氧、硅和铝。）虽然不像我们的星球，但太阳的构成总体上是恒星的典型组成。
太阳大气的组成
[链接]显示了如果我们能看到太阳从中心到外层大气的所有部分，它会是什么样子；随着你继续阅读，图中的术语会变得熟悉。
可见表面下的太阳层
地球的空气通常是透明的。但是在许多城市的雾霾天，它会变得不透明，这阻止了我们透过它看到某个点。类似的事情发生在太阳上。它的外层大气是透明的，允许我们透过它看一小段距离。但是当我们试图透过大气层深入太阳时，我们的视线被挡住了。光球层是太阳变得不透明的一层，标志着我们看不见的边界（[链接]）。
太阳光圈
太阳的外层气体远远超出了光球层（[link]）。因为它们对大多数可见辐射是透明的，并且只发出少量的光，所以这些外层很难观察到。位于光球层正上方的太阳大气层区域被称为色球层。直到本世纪，只有在日全食期间光球层被月球隐藏时，色球层才可见（见地球、月亮和天空一章）。在17世纪，一些观察者描述了在他们看来是在太阳光球层被覆盖后的短暂瞬间，月球边缘出现了一条狭窄的红色“条纹”或“条纹”。这个红色条纹的名字是色球层，来自希腊语中的“彩色球体”。
色球
温度的升高并不随着色球层而停止。在它上面是太阳大气中温度从10000 K（色球层的典型）变化到近一百万度的区域。太阳大气中温度达到一百万度或更高的最热部分被称为日冕。恰当地说，太阳中温度快速上升的部分被称为过渡区。它大概只有几十公里厚。[链接]总结了太阳大气的温度是如何从光球层向外变化的。
过渡地区
太阳大气层的最外层被称为日冕。与色球层一样，日冕是在日全食期间首次观测到的（[链接]）。与色球层不同，日冕已经为人所知好几个世纪了：罗马历史学家普鲁塔克提到过它，开普勒对此进行了详细讨论。
日冕号
关于太阳大气层最引人注目的发现之一是它产生了一股带电粒子流（主要是质子和电子），我们称之为太阳风。这些粒子以大约每秒400公里（几乎每小时100万英里）的速度从太阳向外流入太阳系！太阳风的存在是因为日冕中的气体如此之热，移动如此之快，以至于它们无法被太阳引力阻挡。（这种风实际上是通过它对彗星带电尾巴的影响而发现的；从某种意义上说，我们可以看到彗星尾巴在太阳风中吹动，就像机场的风袜或地球上敞开窗户的窗帘飘动一样。）
太阳风
太阳的结构和组成
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太阳变化的第一个证据来自对太阳黑子的研究，太阳黑子是太阳表面巨大而黑暗的特征，由磁场活动增加引起。它们看起来更暗，因为这些黑子通常处于大约3800 K的温度下，而它们周围的明亮区域大约在5800 K（[链接]）。偶尔，这些黑子足够大，以至于肉眼可以看到，我们有一千多年前的记录，这些观察者在烟雾或雾气降低太阳强度时注意到了它们。（我们强调你父母肯定告诉过你的：看太阳哪怕是短暂的时间也会造成永久性的眼睛伤害。这是天文学的一个领域，我们不鼓励你在没有得到老师的仔细指示或过滤器的情况下进行自己的观察。）
太阳黑子
1826年至1850年间，德国药剂师和业余天文学家海因里希·施瓦贝每天记录太阳黑子的数量。他真正想寻找的是水星轨道内的一颗行星，他希望通过观察水星穿过太阳和地球时的黑暗轮廓来找到这颗行星。他没能找到希望中的行星，但他的勤奋得到了回报，他发现了一个更重要的发现：太阳黑子周期。他发现太阳黑子的数量有系统地变化，周期约为十年。
太阳黑子周期
现在我们已经讨论了太阳的活动周期，你可能会问，“为什么太阳以如此规律的方式变化？”天文学家现在明白是太阳不断变化的磁场驱动了太阳活动。
磁力与太阳周期
太阳周期
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正如我们所看到的，氢和钙的发射线是在色球层的热气体中产生的。天文学家通常通过滤光片拍摄太阳，滤光片只以与这些发射线相对应的波长传输光。通过这些特殊滤光片拍摄的照片显示了太阳黑子周围色球层中明亮的“云”；这些明亮的区域被称为普拉格（[链接]）。这些区域在色球层中的温度和密度高于周围环境。普拉格实际上包含太阳中的所有元素，不仅仅是氢和钙。碰巧这些云产生的氢和钙光谱线明亮且易于观察。
平原和日珥
太阳表面最猛烈的事件是被称为太阳耀斑（[link]）的快速爆发。一次典型的耀斑持续5到10分钟，释放出的总能量可能相当于一百万枚氢弹的能量。最大的耀斑持续几个小时，释放出的能量足以以目前10万年的用电速度为整个美国供电。在太阳黑子最大值附近，小耀斑每天发生几次，大耀斑可能每隔几周发生一次。
耀斑和日冕物质抛射
为了将最后两节的讨论结合起来，天文学家现在意识到太阳黑子、耀斑以及色球层和日冕中的明亮区域在时间和空间上倾向于一起出现在太阳上。也就是说，它们都倾向于具有相似的经纬度，但它们位于大气中不同的高度。因为它们都一起发生，所以它们随着太阳黑子周期而变化。
活跃区域
光圈上方的太阳活动
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我们现在所研究的空间天气是在1859年首次被发现的（尽管尚未被理解），那是在现在被称为卡林顿事件的事件中。那年9月初，包括英国理查德·卡林顿在内的两名业余天文学家独立观察到了一次太阳耀斑。一两天后，一场巨大的太阳风暴到达了地球磁场区域，该区域很快就被带电粒子超载（见地球作为一颗行星）。
一些历史
三种太阳现象——日冕洞、太阳耀斑和日冕物质抛射——解释了我们经历的大部分太空天气。日冕洞允许太阳风自由地远离太阳，不受太阳磁场的阻碍。正如我们所看到的，当太阳风到达地球时，它会导致地球磁层收缩，然后在太阳风经过后膨胀。这些变化会在地球上引起（通常是轻微的）电磁干扰。
空间天气的来源
当CME到达地球时，它会扭曲地球的磁场。由于不断变化的磁场会诱导电流，CME会加速电子，有时会达到非常高的速度。这些“杀手电子”可以深入卫星，有时会破坏它们的电子设备并永久禁用运行。一些通信卫星就发生过这种情况。
太阳风暴对地球的破坏
虽然太阳每天都忠实地在一个可以精确计算的时间升起，但科学家们已经确定，太阳的能量输出并不是真正恒定的，而是在几个世纪内变化很小——可能不到1%。我们已经看到太阳黑子的数量各不相同，太阳黑子最大值之间的时间大约为11年，而最大值的太阳黑子数量并不总是相同的。大量证据表明，在1645年至1715年之间，太阳黑子的数量，即使在太阳黑子最大值时，也比现在低得多。古斯塔夫·斯普雷尔在1887年首次注意到太阳黑子数量明显较低的间隔，然后在1890年由E. W.蒙德发现；现在它被称为蒙德最小值。过去三个世纪太阳黑子数量的变化如[链接]所示。除了17世纪的蒙德极小期外，19世纪上半叶的太阳黑子数量比现在略低；这一时期被称为小蒙德极小期。
地球气候和太阳黑子周期：有联系吗？
太空天气
太阳：花园里的繁星
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超前思考
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其他19世纪试图确定是什么让太阳发光的尝试使用了能量守恒定律。简单地说，这个定律说能量不能被创造或破坏，而是可以从一种类型转化为另一种类型，比如从热量转化为机械能。工业革命的关键蒸汽机提供了一个很好的例子。在这种类型的发动机中，来自锅炉的热蒸汽驱动活塞的运动，将热能转化为运动能。
能量守恒
英国物理学家开尔文勋爵和德国科学家赫尔曼·冯·赫尔姆霍兹（[链接]）提出了另一种解释，大约在19世纪中叶，他们提出太阳可能通过将引力能转化为热量来产生能量。他们认为太阳的外层可能因为重力而向内“坠落”。换句话说，他们提出太阳可能会缩小体积，从而保持炎热和明亮。
引力收缩作为能量来源
阳光来源：热能和引力
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物质和能量之间显著的等价在一个最著名的方程式中给出：
将物质转化为能量
原子的基本成分是质子、中子和电子（见原子的结构）。
基本粒子
原子核不仅仅是基本粒子的松散集合。在原子核内部，粒子被一种叫做强核力的非常强大的力结合在一起。这是一种短程力，只能在原子核大小的距离内发挥作用。一个快速的思想实验表明这种力有多重要。看看你的手指，想想组成它的原子。其中包括碳，生命的基本元素之一。把你的想象力集中在一个碳原子的原子核上。它包含六个带正电荷的质子和六个中性的中子。因此，原子核有六个正电荷的净电荷。如果只有电力在起作用，这个原子和每个碳原子中的质子会发现彼此非常排斥，然后飞走。
原子核
到目前为止，我们似乎有一个非常有吸引力的方法来产生太阳发射的能量：将一些原子核“卷”在一起，通过核聚变将它们连接起来。这将导致它们失去一些质量，然后转化为能量。然而，除了简单的氢之外，每个原子核都有两个或更多的质子——质子都带有正电荷。因为类似的电荷通过电力相斥，我们让两个原子核越靠近，它们就越相斥。确实，如果我们能让它们在核力的“撞击距离”内，它们就会聚集在一起，产生更强的吸引力。但是撞击距离非常小，大约有一个原子核那么大。我们如何让原子核足够近来参与核聚变？
核吸引与电排斥
然后，太阳通过核聚变利用原子核中包含的能量。让我们更详细地看看会发生什么。在太阳深处，一个三步过程需要四个氢原子核，并将它们融合在一起形成一个氦核。氦核的质量略小于四个氢原子核结合形成它的质量，这一质量被转化为能量。
太阳内部的核反应
我们一直在讨论的太阳核反应可以通过以下核公式简洁地描述：
质子-质子链
质量、能量和相对论
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太阳是如此之热，以至于其中所有的物质都以电离气体的形式存在，称为等离子体。等离子体的作用很像一种热气体，比液体或固体更容易用数学来描述。构成气体的粒子运动迅速，经常相互碰撞。这种持续的轰击是气体的*压力*（[链接]）。
太阳是等离子体
太阳和大多数其他恒星一样，是稳定的；它既不膨胀也不收缩。这样的恒星被称为处于*平衡*状态。它内部的所有力量都是平衡的，因此在恒星内部的每个点，温度、压力、密度等都保持在恒定值。我们将在后面的章节中看到，即使是这些稳定的恒星，包括太阳，也在随着它们的进化而变化，但是这种进化变化是如此渐进，以至于无论出于何种意图和目的，恒星在任何给定的时间都仍然处于平衡状态。
太阳是稳定的
每个在寒冷的冬夜开着窗户的人都知道，热量总是从较热的区域流向较冷的区域。当能量向外过滤到恒星表面时，它一定是从内部较热的区域流动的。当我们向内移动时，恒星的温度通常不会变得更冷，否则能量会流入并加热这些区域，直到它们至少和外部区域一样热。科学家得出结论，恒星中心的温度最高，向恒星表面下降到越来越低的值。（因此，太阳色球层和日冕的高温似乎是一个悖论。但请记住，《太阳：花园式恒星》中的这些高温是由太阳大气中发生的磁效应维持的。）
太阳没有冷却
由于产生太阳能量的核反应发生在太阳深处，能量必须从太阳中心传输到太阳表面——在那里我们以热和光的形式看到它。能量可以通过三种方式从一个地方转移到另一个地方。在传导中，原子或分子通过与附近的其他原子或分子碰撞来传递能量。例如，当你搅拌一杯热咖啡时，金属勺子的把手会升温。在对流中，温暖物质的电流上升，将它们的能量带到较冷的层。一个很好的例子是从壁炉升起的热空气。在辐射中，高能光子远离热物质，被一些物质吸收，它们将部分或全部能量传递给这些物质。当你把手靠近电加热器的线圈时，你可以感觉到这一点，让红外光子加热你的手。传导和对流在行星内部都很重要。在更透明的恒星中，辐射和对流很重要，而传导通常可以被忽略。
恒星中的热传递
科学家们利用我们刚才描述的原理来计算太阳内部是什么样的。这些物理思想被表示为数学方程式，这些方程式被求解以确定温度、压力、密度、光子被吸收的效率以及整个太阳的其他物理量的值。得到的解，基于一组特定的物理假设，为太阳内部提供了一个理论模型。
模特明星
太阳内部：理论
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天文学家发现，太阳的脉动——也就是说，它交替膨胀和收缩——就像你呼吸时胸部膨胀和收缩一样。这种脉动非常轻微，但可以通过测量太阳表面的径向速度来检测——它向我们移动或远离我们的速度。观察到太阳上小区域的速度有规律地变化，首先向地球移动，然后向地球移动，然后向地球移动，以此类推。这就好像太阳通过成千上万个单独的肺“呼吸”，每个肺的大小在4000到15000公里之间，每个肺来回波动（[链接]）。
太阳脉动
获取太阳内部信息的第二种技术是探测核聚变过程中产生的一些难以捉摸的中微子。回想一下我们之前的讨论，在太阳中心产生的中微子直接离开太阳，以接近光速的速度到达地球。就中微子而言，太阳是透明的。
太阳中微子
太阳内部：观察
太阳：核电站
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超前思考
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也许恒星最重要的特征是它的亮度——它每秒发射的所有波长的能量总量。早些时候，我们看到太阳每秒释放出大量的能量。（外面有比太阳亮得多的恒星。）为了便于比较恒星，天文学家用太阳的亮度来表示其他恒星的亮度。例如，天狼星的亮度大约是太阳的25倍。我们用符号*L*Sun来表示太阳的亮度；因此，天狼星的可以写成25*L*Sun。在后面的章节中，我们将看到，如果我们能够测量一颗恒星发出多少能量，并且我们也知道它的质量，那么我们就可以计算出它在耗尽核能并开始死亡之前还能继续发光多久。
光度
天文学家很小心地区分恒星的亮度（总能量输出）和碰巧到达我们眼睛或地球上望远镜的能量量。恒星在产生辐射方面是民主的；它们向太空的每个方向发射相同数量的能量。因此，恒星释放的能量中只有极小的一部分实际上到达了地球上的观察者。在地球上，我们把恒星每秒到达给定区域（比如一平方米）的能量称为视亮度。如果你观察夜空，你会看到恒星之间有广泛的视亮度。事实上，大多数恒星都很暗，你需要望远镜来探测它们。
视亮度
测量恒星表观亮度的过程被称为*光度测量*（来自希腊语*照片*，意思是“光”，-*测量*，意思是“测量”）。正如我们看到的《观察天空：天文学的诞生》，天文学光度测量始于希帕丘斯。大约在公元前150 B，他在地中海的罗得岛建立了一个天文台。在那里，他准备了一个包含近1000颗恒星的曲库，其中不仅包括它们的位置，还包括它们表观亮度的估计值。
量表
尽管星等尺度仍然用于视觉天文学，但它根本没有用于该领域的新分支。例如，在射电天文学中，没有定义等效的星等系统。相反，射电天文学家测量射电望远镜每平方米每秒收集的能量，并用例如每平方米瓦特来表示每个源的亮度。
其他亮度单位
星星的亮度
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正如我们在《电磁光谱》中了解到的，维恩定律将恒星颜色与恒星温度联系起来。蓝色主导着非常热的恒星的可见光输出（紫外线中有很多额外的辐射）。另一方面，冷恒星以红色波长发射大部分可见光能量（红外线中有更多的辐射）（[链接]）。因此，恒星的颜色提供了对其内在或真实表面温度的衡量（除了星际尘埃变红的影响，这将在《星际尘埃：太空中的气体和尘埃》中讨论）。颜色不取决于到物体的距离。从日常经验来看，这应该是你熟悉的。例如，交通信号的颜色看起来是一样的，不管它有多远。如果我们能以某种方式拍摄一颗恒星，观察它，然后把它移到更远的地方，它的表观亮度（幅度）就会改变。但是这种亮度的变化对所有波长都是一样的，所以它的颜色会保持不变。
颜色和温度
为了确定恒星的确切颜色，天文学家通常通过滤光片来测量恒星的表观亮度，每个滤光片只传输来自特定波长（颜色）的窄带光。日常生活中一个简单的过滤器例子是一个绿色的塑料软饮料瓶，当它举在你眼前时，只能让绿色的光通过。
颜色指数
星星的颜色
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当第一次观察到不同恒星的光谱时，天文学家发现它们并不都是相同的。由于暗线是由恒星中存在的化学元素产生的，天文学家首先认为光谱彼此不同，因为恒星并不都是由相同的化学元素组成的。这一假设被证明是错误的。**恒星光谱看起来不同的主要原因是因为恒星有不同的温度*。大多数恒星的成分几乎与太阳相同，只有少数例外。
恒星光谱的形成
天文学家利用恒星光谱中观察到的谱线模式将恒星分类为光谱类别。因为恒星的温度决定了光谱中存在哪些吸收线，所以这些光谱类别是对其表面温度的衡量。有七种标准光谱类别。从最热到最冷，这七种光谱类别被指定为O、B、A、F、G、K和M。最近，天文学家为更冷的物体增加了三种额外的类别——L、T和Y。
恒星光谱分类
坎农设计的方案一直运行良好，直到1988年，天文学家开始发现比M9型恒星更冷的物体。我们使用*对象*这个词是因为许多新发现都不是真正的恒星。恒星被定义为在其生命周期的某一部分，其能量100%来自使太阳发光的相同过程——氢核（质子）融合成氦的物体。质量小于太阳质量的7.5%（约0.075*M*太阳）的物体不会变得足够热，无法进行氢融合。甚至在第一颗这样的“失败恒星”被发现之前，这类质量介于恒星和行星之间的物体就被命名为褐矮星。
谱类L、T和Y
褐矮星的一个有趣的属性是，不管质量如何，它们都与木星的半径大致相同。令人惊讶的是，这涵盖了木星质量（*M*J）的13到80倍的质量范围。这使得区分低质量褐矮星和高质量行星非常困难。
低质量褐矮星与高质量行星
恒星（和褐矮星）的光谱
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正如我们将在《恒星：天体普查》中看到的，恒星有各种各样的尺寸。在它们生命的某些时期，恒星可以膨胀到巨大的尺寸。如此夸大尺寸的恒星被称为巨人。对天文学家来说幸运的是，恒星光谱可以用来区分巨人和普通恒星（如我们的太阳）。
恒星大小的线索
大多数已知化学元素的吸收线现在已经在太阳和恒星的光谱中被识别出来。例如，如果我们在恒星的光谱中看到铁线，那么我们立即知道这颗恒星一定含有铁。
元素丰度
当我们测量一颗恒星的光谱时，我们确定了它每条线的波长。如果恒星没有相对于太阳移动，那么每个元素对应的波长将与我们在地球实验室测量的波长相同。但是如果恒星向我们移动或远离我们，我们必须考虑*多普勒效应*（见多普勒效应部分）。如果恒星向我们移动，我们应该看到移动恒星的所有光谱线都向光谱的红色端移动，如果它向我们移动，则向蓝色（紫色）端移动（[链接]）。偏移越大，恒星移动得越快。沿着恒星和观察者之间的视线，这种运动被称为径向速度，通常以每秒公里为单位测量。
径向速度
恒星可以有另一种无法用恒星光谱检测到的运动。与沿我们视线（即朝向或远离地球）的径向运动不同，这种运动被称为适当运动，是*横向*：即穿过我们的视线。我们将其视为恒星在天球上的相对位置的变化（[链接]）。这些变化非常缓慢。即使是最大适当运动的恒星也需要200年才能改变其在天空中的位置，改变量等于满月的宽度，而其他恒星的运动更小。
适当运动
我们也可以使用多普勒效应来测量恒星的自转速度。如果一个物体在旋转，那么它的一边正在接近我们，而另一边正在后退（除非它的旋转轴恰好指向我们）。太阳或行星显然就是这种情况；我们可以观察这些附近物体接近或后退边缘的光，并直接测量旋转产生的多普勒位移。
旋转
利用光谱测量恒星半径、成分和运动
分析星光
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超前思考
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当我们在美国进行人口普查时，我们按社区计算居民。我们可以尝试用同样的方法进行恒星普查，从我们自己的近邻开始。正如我们将看到的，我们遇到了两个问题——就像我们在人口普查中所做的那样。首先，很难确定我们已经统计了*所有*居民；其次，我们当地的社区可能没有包含所有可能类型的人。
小即是美——或者至少更常见
如果我们将人口普查局限于当地社区，我们将错过许多最有趣的恒星类型。毕竟，你居住的社区并不包含居住在整个国家的所有类型的人——根据年龄、教育、收入、种族等进行区分。例如，有些人确实活到了100岁以上，但在你居住的地方几英里内可能没有这样的人。为了对所有人口进行抽样，你必须将人口普查扩展到更大的区域。同样，附近根本找不到某些类型的恒星。
明亮不一定意味着关闭
恒星普查
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在我们更详细地讨论如何测量质量之前，我们将仔细研究成对出现的恒星。第一颗双星是在1650年发现的，距离伽利略开始用望远镜观察天空不到半个世纪。意大利天文学家乔瓦尼·巴蒂斯塔·里奇奥利（Giovanni Batista Riccioli，1598-1671）注意到，位于北斗七星手柄中间的米扎尔星通过他的望远镜显示为两颗恒星。自那次发现以来，成千上万的双星被编目。（天文学家称天空中任何一对看起来彼此靠近的恒星为*双**星*，但并非所有这些都形成真正的双星，也就是说，并非所有的双星都在物理上相关联。有些只是恒星的偶然排列，它们实际上与我们的距离不同。）虽然星星最常见的是成对出现，但也有三重和四重系统。
双星
我们可以用牛顿对开普勒第三定律的重新表述来估计双星系统的质量（在牛顿的万有引力定律中讨论过）。开普勒发现，一颗行星绕太阳运行的时间与它离太阳的距离通过一个特定的数学公式相关。在我们的双星情况下，如果两个物体在相互公转，那么它们绕着对方运行的周期（*P*）与一个物体相对于另一个物体的轨道的半长轴（*D*）相关，根据这个等式
来自双星轨道的质量
恒星的质量能有多大？质量比太阳大的恒星非常罕见。在距离太阳30光年范围内，没有一颗恒星的质量超过太阳的四倍。在离太阳很远的地方进行搜索，发现了几颗质量高达太阳100倍的恒星，少数恒星（几十亿颗中的几十亿颗）的质量可能高达250个太阳质量。然而，大多数恒星的质量不如太阳。
恒星质量的范围
现在我们已经对许多不同类型恒星的特征进行了测量，我们可以搜索特征之间的关系。例如，我们可以询问恒星的质量和亮度是否相关。事实证明，对于大多数恒星来说，它们是：质量越大的恒星通常也越亮。这种关系，称为质量-亮度关系，在[link]中以图形方式显示。每个点代表一颗质量和亮度都已知的恒星。图表上的水平位置显示恒星的质量，以太阳质量为单位给出，垂直位置显示其亮度以太阳亮度为单位。
质量光度关系
测量恒星质量
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一种技术可以给出非常精确的直径，但只能用于少数恒星，那就是观察月球经过恒星前面时发生的光线变暗。天文学家测量（非常精确）的是当月球边缘穿过恒星圆盘时，恒星亮度下降到零所需的时间。因为我们知道月球在绕地球轨道上的移动速度，所以计算恒星的角直径是可能的。如果到恒星的距离也已知，我们可以以公里为单位计算它的直径。这种方法只适用于碰巧位于黄道十二宫的相当明亮的恒星，在那里月球（或者更罕见的行星）可以从地球上看到的它们前面经过。
被月亮挡住的星星
大量恒星的精确尺寸来自对日食双星系统的测量，所以我们必须从我们的主要故事中绕过一段时间来检查这种类型的恒星系统。一些双星的排列方式是，当从地球上看时，每一次旋转中，每颗恒星都在另一颗恒星前面经过（[链接]）。当一颗恒星挡住另一颗恒星的光，阻止它到达地球时，系统的亮度降低，天文学家说日食已经发生了。
蚀双星
我们现在回到我们故事的主线，讨论如何利用所有这些来测量恒星的大小。该技术包括制作日食双星的光曲线，这是一个绘制亮度如何随时间变化的图表。让我们考虑一个假设的双星系统，其中恒星的大小非常不同，就像[链接]中所示的那样。为了简单起见，我们将假设轨道是完全边缘观察的。
日蚀双星的直径
另一种测量恒星直径的方法利用斯特凡-玻尔兹曼定律来研究辐射能量和温度之间的关系（见辐射和光谱）。在这种方法中，*能量通量*（黑体，如太阳，每秒每平方米发射的能量）由
利用辐射定律得到直径
多年来许多恒星尺寸测量的结果表明，大多数附近的恒星大约和太阳一样大，典型直径约为一百万公里。正如我们所料，昏暗的恒星通常比发光更多的恒星小。然而，这种简单的概括也有一些戏剧性的例外。
恒星直径
恒星直径
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跟随赫兹斯普朗（Hertzsprung）和罗素（Russell），让我们根据附近恒星的亮度绘制一组选定恒星的温度（或光谱类别），看看我们发现了什么（[链接]）。这种图通常被称为*赫兹斯普朗-罗素图*，缩写为H-R图。它是天文学中最重要和最广泛使用的图表之一，其应用远远超出了一个多世纪前最初开发它的目的。
H-R图的特点
在《太阳：核电站》中，我们讨论了太阳作为代表性恒星。我们看到，像太阳这样的恒星“谋生”的是通过核聚变过程将质子在内部深处转化为氦，从而产生能量。质子与氦的融合对恒星来说是一种极好的、持久的能量来源，因为每颗恒星的大部分都由氢原子组成，氢原子的原子核是质子。
了解主序列
我们可以用H-R图来探索恒星在尺寸、亮度和密度上的极端。这些极端恒星不仅让吉尼斯世界纪录的粉丝们感兴趣；它们还可以教给我们很多关于恒星如何工作的知识。例如，我们看到质量最大的主序恒星是最明亮的。我们知道一些极端恒星的亮度是太阳的一百万倍，质量超过太阳的100倍。这些超发光恒星位于H-R图的左上角，是非常热的光谱类型为O的非常蓝色的恒星。这些恒星在太空中的遥远距离是最显眼的。
恒星亮度、直径和密度的极值
最著名的白矮星是在1862年被发现的。它被称为天狼星B，与天空中出现的最亮的恒星天狼星A形成了一个双星系统。它很长一段时间都没有被发现和分析，因为它微弱的光往往会在附近天狼星A的眩光中消失（[链接]）。（由于天狼星通常被称为狗星——是大犬座中最亮的恒星，大狗——天狼星B有时被昵称为小狗。）
白矮星
H-R图
星星：天体普查
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超前思考
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法国皇帝拿破仑时代的经久不衰的遗产之一是建立了*公制*单位，1799年在法国正式采用，现在世界上大多数国家都在使用。长度的基本公制单位是*米*，最初定义为地球表面从赤道到极点距离的一千万分之一。17和18世纪的法国天文学家是确定地球尺寸的先驱，因此使用他们的信息作为新系统的基础是合乎逻辑的。
公制
1960年，仪器的官方定义再次改变。由于产生精确已知波长谱线的技术的改进（见辐射和光谱一章），仪器被重新定义为等于氪-86元素中特定原子跃迁的1,650,763.73波长。这种重新定义的优点是，任何拥有适当设备实验室的人都可以复制标准仪器，而无需参考任何特定的金属棒。
仪表的现代重新定义
哥白尼和开普勒的工作建立了行星的*相对*距离——也就是说，一颗行星与另一颗行星之间的距离（参见《观察天空：天文学、轨道和重力的诞生》）。但他们的工作无法建立*绝对*距离（以光秒、米或其他标准长度单位为单位）。这就像只知道你班上所有学生的身高与你的天文学老师的身高相比，而不是英寸或厘米。某人的身高必须直接测量。
太阳系内的距离
基本距离单位
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三角测量的一个实际例子是你自己的深度感知。正如你每天早上照镜子时高兴地发现的那样，你的两只眼睛相距一段距离。因此，你从两个不同的有利位置观察世界，正是这种双重视角让你对物体有多远有一个大致的感觉。
空间三角测量
当地球从其轨道的一侧移动到另一侧时，它慷慨地为我们提供了2 AU的基线，即大约3亿公里。尽管这是一个比地球直径大得多的基线，但恒星离我们如此之远，以至于由此产生的视差偏移肉眼仍然看不见——即使是最近的恒星也看不见。
到星星的距离
以一个AU为基线，一颗恒星需要多远才能有1角秒的视差？答案是206,265 AU，或3.26光年。这等于3.1美元×{10}^{13}$公里（换句话说，31万亿公里）。我们给这个单位起了一个特殊的名字，parsec（pc）——源自“我们有一个*par*allax的距离*sec*ond。”一颗恒星在秒差距内的距离（*D*）只是它在角秒内的视差（*p*）的倒数；也就是说，
恒星距离单位
除了太阳之外，没有任何已知的恒星距离地球不到1光年，甚至不到1秒差距。离太阳最近的恒星邻居是半人马座中的三颗恒星。在肉眼看来，这三颗恒星中最亮的是半人马座阿尔法星，它距离南天极只有30度，因此从美国大陆看不见。半人马座阿尔法星本身是一颗双星——两颗相互公转的恒星——靠得太近，没有望远镜就无法区分。这两颗恒星离我们4.4光年。附近是第三颗微弱的恒星，被称为比邻星。比邻星距离4.25光年，比其他两颗恒星离我们稍近。如果比邻星与双星半人马座阿尔法星是三颗恒星系统的一部分，那么它的轨道周期可能超过50万年。
最近的星星
1989年，Hipparcos号宇宙飞船的发射彻底改变了对恒星视差的测量，该飞船测量了数千颗恒星到大约300光年的距离，精度为10%到20%（见[链接]和视差和空间天文学的专题）。然而，即使是300光年，也不到我们银河系主圆盘大小的1%。
测量空间中的视轴
测量星星
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在测量我们银河系偏远部分以及其他星系的距离方面取得的突破来自对可变恒星的研究。大多数恒星的亮度是恒定的，至少在百分之一或百分之二以内。像太阳一样，它们从内部产生稳定的能量流。然而，一些恒星被认为亮度不同，因此被称为*可变恒星*。许多这样的恒星有规律的周期变化，比如寒假期间装饰商店和家庭的闪烁灯泡。
变星
有两种特殊类型的变星——正如我们将看到的——光曲线的测量给了我们准确的距离。它们被称为造父变星和天琴座变星，两者都是脉动的变星。这样的恒星实际上会随着时间改变它的直径——周期性地膨胀和收缩，就像你呼吸时的胸部一样。我们现在知道这些恒星在生命的后期正经历一个短暂的不稳定阶段。
脉动变量
造父变星是一种巨大的黄色脉动恒星，以该星群中第一颗已知的恒星德尔塔造父命名。顺便说一句，这是天文学中令人困惑的命名惯例的另一个例子；在这里，一整类恒星都是以第一颗恒星碰巧被发现的星座命名的。（我们教科书作者只能为整个混乱向我们的读者道歉！）
造父变星
造父变星的重要性在于，它们的周期和平均光度是直接相关的。周期越长（恒星变化的时间越长），光度就越大。这种周期-光度关系是一个了不起的发现，天文学家仍然感谢他们的幸运星。这样一颗恒星的周期很容易测量：一个好的望远镜和一个好的时钟就是你所需要的。一旦你有了周期，这种关系（可以用精确的数学术语来表示）就会给你恒星的光度。
周期-光度关系
一组相关的恒星被称为RR天琴座变量，它们的性质比造父变星的性质被理解得晚一些。RR天琴座变量是以该组中最著名的成员RR天琴座恒星命名的。RR天琴座恒星比造父变星更常见，但亮度较低，在我们的银河系中已知有数千个这样的脉动变量。RR天琴座恒星的周期总是不到1天，它们的亮度变化通常小于2倍。
RR Lyrae Stars
变星：宇宙距离的关键
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就像变星在距离测量方面的令人满意和高效一样，这些恒星非常罕见，并且并不是在我们希望测量距离的所有物体附近都能找到。例如，假设我们需要到一颗不变的恒星或一组恒星的距离，这些恒星都不是变量。在这种情况下，事实证明H-R图可以拯救我们。
与光谱类型的距离
像我们这样的入门教科书努力以简单明了的方式呈现材料。在这样做的时候，我们有时会让科学技术看起来过于干净和无痛，从而对学生造成伤害。在现实世界中，我们刚刚描述的技术变得混乱而困难，经常让天文学家头疼到一天中很久。
关于现实世界的几句话
H-R图和宇宙距离
天体距离
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超前思考
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星际媒体
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一些最壮观的天文照片显示了位于热恒星附近的星际气体（[链接]）。氢光谱可见区域最强的线是巴尔默系列[脚注]中的红线（如辐射和光谱一章所解释的）；这条发射线解释了[链接]等图像中的特征红光。

科学家们也称这条红色的巴尔默线为H-alpha线，alpha意味着它是巴尔默系列中的第一条光谱线。
离子氢（H II）区域-热恒星附近的气体
产生H II区所需的非常热的恒星是罕见的，只有一小部分星际物质足够接近如此热的恒星而被它们电离。星际介质的大部分体积充满了中性（非电离）氢。我们如何着手寻找它？
中性氢云
虽然在H II区域发现的10,000 K的温度可能看起来很温暖，但它们并不是星际介质的最热阶段。一些星际气体的温度高达*百万*度，尽管附近没有可见的热源。这种超高温星际气体的发现是一个巨大的惊喜。在天文台发射到太空之前，天文学家认为恒星之间的大部分区域充满了氢，温度并不比H II区域高。但是发射到地球大气层上方的望远镜获得了紫外光谱，其中包含由氧原子电离五次产生的星际线条。从围绕氧核的轨道上剥离五个电子需要大量能量。随后用轨道X射线望远镜进行的观测显示，银河系充满了许多发射X射线的气泡。为了发射X射线，并包含已经被电离五次的氧原子，气体必须加热到一百万度或更高的温度。
超高温星际气体
几十年前，太空中发现了一些简单的分子，如CN和CH，因为它们会在身后恒星的可见光光谱中产生吸收线。当获取无线电和红外波长光谱的更复杂的设备可用时，天文学家——令他们惊讶的是——也在星际云中发现了更复杂的分子。
分子云
星际气体
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在[link]中看到的黑云挡住了它后面许多恒星的光线；请注意照片其他部分的区域是如何挤满恒星的。巴纳德68是一个相对密集的云或黑暗星云的例子，其中包含微小的固体尘埃颗粒。这种不透明的云在任何银河系的照片上都很明显，银河系是太阳所在的星系（见《银河系》中的数字）。“黑暗裂缝”在我们的天空中沿着银河系的一长段纵向延伸，似乎把它一分为二，是由一系列这种模糊的云产生的。
检测灰尘
微小的星际尘埃颗粒吸收了它们截获的一些星光。但是至少有一半与颗粒相互作用的星光仅仅是散射的，也就是说，它被重定向而不是被吸收。由于吸收的星光和散射的星光都没有直接到达我们这里，吸收和散射都使恒星看起来更暗。这两个过程的影响被称为星际灭绝（[链接]）。
星际变红
在我们讨论星际尘埃的细节之前，我们也许应该先抛开一个问题。为什么不能是星际气体而不是尘埃使遥远的恒星变红？我们已经从日常经验中知道，原子或分子气体几乎是透明的。想想地球的大气层。尽管与星际气体相比，它的密度非常高，但它是如此透明，以至于几乎看不见。（气体确实有几条特定的光谱线，但它们只吸收穿过的光线的一小部分。）在星际空间产生观察到的光吸收所需的气体数量必须是巨大的。如此大质量的气体的引力会以容易被检测到的方式影响恒星的运动。这种运动没有被观察到，因此，星际吸收不可能是气体的结果。
星际谷物
宇宙尘埃
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宇宙射线大多是高速原子核和电子。速度等于光速的90%是典型的。几乎90%的宇宙射线是剥离了伴随电子的氢原子核（质子）。氦和较重的原子核构成了大约9%以上。大约1%的宇宙射线的质量等于电子的质量，其中10-20%携带正电荷，而不是表征电子的负电荷。带正电荷的粒子与电子的质量相同，称为*正电子*，是*反物质*的一种形式（我们在《太阳：核发电站》中讨论过反物质）。
宇宙射线的本质
在确定宇宙射线的来源方面存在一个严重的问题。由于光是直线传播的，我们只需观察就能知道它来自哪里。宇宙射线是带电粒子，它们的运动方向可以被磁场改变。宇宙射线的路径被星际空间的磁场和地球自己的磁场弯曲。计算表明，低能宇宙射线在进入我们可以探测到的大气层之前可能会绕地球旋转多次。如果飞机在着陆前绕机场很多次，观察者很难确定它的起源方向。同样，在宇宙射线绕地球几次后，不可能知道它的旅程从哪里开始。
它们产自于哪里？
宇宙射线
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关于星际介质，最重要的一点是它不是静态的。星际气体在银河系中运行，当它这样做时，它会变得或多或少密度，变得越来越热，越来越冷，并改变其电离状态。一个特定的气体包可能在某个时候是中性氢，然后发现自己靠近一颗年轻、炽热的恒星，成为H II区域的一部分。然后这颗恒星可能会爆炸成超新星，将附近的气体加热到数百万度的温度。在数百万年的时间里，气体可能会冷却下来，再次成为中性，然后它会聚集到一个密集的区域，引力聚集成一个巨大的分子云（[链接]）
星际气体的流动
虽然星际介质的大部分质量是在过去几十亿年里从星系间空间积累起来的物质，但这并不适用于比氢和氦重的元素，也不适用于尘埃。相反，星际介质的这些成分是在银河系中的恒星内部制造的，这使它们在生命的最后回到了星际介质中。我们将在后面的章节中详细讨论这个过程，但现在请记住我们在《太阳：核电站》中学到的东西。恒星“谋生”的是融合较重的元素和较轻的元素，在此过程中产生能量。随着恒星成熟，它们开始失去一些新制造的元素，进入星际物质的储存库。
尘埃和重元素的循环
宇宙物质的生命周期
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围绕太阳的星际物质
星际之间：太空中的气体和尘埃
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超前思考
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正如我们在《星际之间：太空中的气体和尘埃》中看到的，最大的星际物质储藏库——以及银河系中一些最大的物体——是巨大的分子云。这些云内部很冷，特征温度只有1020 K；它们的大部分气体原子被束缚成分子。这些云是我们银河系中大多数恒星的发源地。
分子云：恒星托儿所
让我们通过考虑附近正在形成恒星的地点来讨论恒星形成区域会发生什么。研究得最好的恒星托儿所之一是猎户座，猎人，大约1500光年远（[链接]）。猎人的图案很容易通过标记他腰部的三颗恒星的显眼“带”来识别。猎户座分子云比恒星图案大得多，确实是一个令人印象深刻的结构。在它的长维度上，它延伸了大约100光年的距离。分子气体的总量大约是太阳质量的20万倍。大部分云不发出可见光，而是通过尘埃气体在红外和无线电波长下发出的辐射暴露了它的存在。
猎户座分子云
尽管像猎户座这样的区域为我们提供了恒星形成开始的线索，但随后的阶段仍然笼罩在神秘之中（以及大量尘埃）。分子云核的密度与可以探测到的最年轻恒星的密度之间存在巨大差异。由于两个原因，直接观察这种坍塌到更高密度几乎是不可能的。首先，分子云中发生恒星诞生的尘埃笼罩的内部无法用可见光观察到。其次，从天文角度来看，最初坍塌的时间——几千年——非常短。由于每颗恒星在这个阶段花费的生命时间非常少，因此在任何给定时间经历坍塌过程的恒星都相对较少。然而，通过理论计算和有限的观测，天文学家已经拼凑出恒星进化的最早阶段可能是什么样子。
明星的诞生
最近的观测表明，金牛座T星实际上可能是处于原恒星和太阳等氢融合恒星之间的中间阶段的恒星。高分辨率红外图像揭示了物质喷射以及来自一些金牛座T星的*恒星风*，证明了它们与环境的相互作用。恒星风主要由质子（氢核）和以每秒几百公里（每小时几十万英里）的速度从恒星流出的电子组成。当风开始时，恒星赤道周围的物质圆盘阻挡了风的方向。风粒子最有效逃逸的地方是恒星两极的方向。
风和喷射
恒星形成
m59918
现在，让我们用这些想法来跟踪正在成为主序恒星的原恒星的进化。[链接]显示了具有一系列恒星质量的新形成恒星的进化轨迹。这些年轻的恒星物体还没有通过核反应产生能量，但它们通过引力收缩获得能量——通过赫尔姆霍兹和开尔文在上个世纪为太阳提出的那种过程（见《太阳：核电站》一章）。
进化轨迹
恒星的形成需要多长时间取决于它的质量。在[链接]中，每个轨道上的点标记的数字是胚胎恒星达到我们一直在讨论的阶段所需的时间，以年为单位。质量远高于太阳的恒星在几千到一百万年内到达主序。太阳在诞生前需要数百万年。质量较低的恒星进化到较低的主序需要数千万年。（我们将看到这是一个一般原则：大质量恒星比低质量恒星更快地经历*所有*进化阶段。）
进化时间尺度
H-R图与恒星演化研究
m59920
探测可能组装行星的分散的原材料比探测完全形成后的行星要容易得多。从我们对太阳系的研究中，我们了解到行星是通过气体和尘埃粒子在围绕新产生的恒星的轨道上聚集在一起形成的。每个尘埃粒子都被年轻的原恒星加热，并在光谱的红外区域辐射。在任何行星形成之前，我们可以从所有分散的单个尘埃粒子中探测到这种辐射，这些尘埃粒子注定会成为行星的一部分。如果圆盘阻挡了来自其背后光源的强光，我们也可以探测到圆盘的轮廓（[链接]）。
原恒星周围的圆盘：形成中的行星系统
我们可以通过观察圆盘如何随时间变化来估计行星形成需要多长时间。如果我们测量原恒星的温度和亮度，那么，正如我们所看到的，我们可以把它放在一个像[链接]中所示的H-R图表中。通过将真正的恒星与我们的原恒星如何随时间进化的模型进行比较，我们可以估计它的年龄。然后我们可以看看我们观察到的圆盘是如何随着它们周围恒星的年龄而变化的。
行星形成和生长的时间
新形成的恒星周围的尘埃要么逐渐融入新形成的行星系统中不断增长的行星，要么通过与行星的引力相互作用喷射到太空中。除非圆盘不断获得新材料，否则大约3000万后尘埃将消失。当地的彗星和小行星最有可能是新尘埃的来源。随着行星大小的天体的增长，它们会搅动该地区较小物体的轨道。这些小天体高速碰撞，破碎，产生微小的硅酸盐尘埃和冰粒子，这些粒子可以保持圆盘与这些碰撞产生的碎片一起供应。
碎片盘和牧羊人行星
行星围绕其他恒星形成的证据
m59921
大多数系外行星的探测都是使用我们观察行星对宿主恒星施加的*效应*的技术进行的。例如，一颗看不见的行星的引力牵引会导致宿主恒星的小摆动。或者，如果它的轨道正确对齐，一颗行星会周期性地穿过恒星前面，导致恒星的亮度变暗。
搜索轨道运动
间接探测系外行星的第二种方法不是基于恒星的运动，而是基于它的亮度。当行星的轨道平面倾斜或倾斜，以便从边缘观察时，我们将看到行星每个轨道在恒星前面交叉一次，导致恒星略微变暗；这一事件被称为过境。[链接]显示了三个时间步骤的过境草图：（1）过境外，（2）过境开始，（3）完全过境，以及光曲线草图，显示了主恒星亮度的下降。光被阻挡的量——过境的深度——取决于行星与恒星相比的面积（其大小）。如果我们能确定恒星的大小，凌日法就告诉我们行星的大小。
凌日行星
对于其他地方的类地行星，最好的证据可能是一张图片。毕竟，“眼见为实”是一种非常人性的偏见。但是，拍摄一颗遥远的行星确实是一项艰巨的挑战。例如，假设你在很远的地方，希望探测来自地球的反射光。地球拦截和反射的辐射不到太阳的十亿分之一，因此它在可见光下的表观亮度不到太阳的十亿分之一。探测如此微弱的光点的挑战更加复杂，这颗行星被其母恒星的辐射淹没了。
直接检测
太阳系以外的行星：搜索与发现
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开普勒望远镜一直负责发现大多数系外行星，尤其是尺寸较小的行星，如[链接]所示，开普勒的发现用黄色标出。你可以看到各种尺寸，包括比木星大得多、比地球小得多的行星。开普勒发现的轨道周期超过几百天的系外行星的缺失是该任务4年寿命的结果。（请记住，必须观察三个间隔均匀的凌日才能记录一次发现。）在较小的尺寸中，没有远小于一个地球半径的行星是因为很难探测到非常小的行星的凌日。实际上，开普勒的“发现空间”仅限于轨道周期小于400天、尺寸大于火星的行星。
开普勒结果
对于数百颗系外行星，我们已经能够通过凌日数据测量行星的大小，并通过多普勒数据测量其质量，从而估计其密度。将系外行星的平均密度与太阳系中的行星密度进行比较，有助于我们了解它们本质上是岩石还是气态的。这对于理解质量在地球3-10倍之间的新型超级地球和迷你海王星的结构尤为重要。迄今为止的一个关键观察是，质量超过地球10倍的行星有大量的气态包层（如天王星和海王星），而质量较低的行星本质上主要是岩石（如类地行星）。
已知密度的行星
当我们寻找系外行星时，我们不指望每颗恒星只能找到一颗行星。我们的太阳系有八颗主要行星、六颗矮行星和数百万个围绕太阳运行的较小物体。我们拥有的行星系统形成的证据也表明，它们可能产生多行星系统。
太阳系
到处都是系外行星：我们正在学习什么
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行星形成的传统模型只有在巨型行星远离中心恒星（约5-10 AU）的情况下才有效。中心恒星的圆盘温度足够低，足以产生相当高密度的固体物质，形成行星核心。它无法解释热木星，它们位于离恒星非常近的地方，没有固体物质，因为它会完全蒸发。它也无法解释我们观察到的一些系外行星的椭圆轨道，因为原行星的轨道，无论其初始形状如何，都会通过与周围物质圆盘的相互作用迅速变成圆形，并且随着行星通过清除额外物质而增长，这种情况将保持不变。
如何制作热木星
当银河系还很年轻的时候，形成的恒星并不含有铁这样的重元素。需要几代恒星的形成和恒星的死亡来丰富后续几代恒星的星际介质。由于行星似乎是“从里到外”形成的，从能够形成行星开始的岩石核心的材料的堆积开始，天文学家想知道在银河系的历史上，行星的形成何时会开始。
形成行星系统
虽然在过去20年里已经发现了数千颗系外行星，但每种观测技术都没有找到几个类似地球的候选行星（[链接]）。天文学家不确定什么属性会定义另一个地球。我们需要找到一颗与地球大小和质量完全相同的行星吗？从可居住性的角度来看，这可能很困难，也可能不重要。毕竟，我们没有理由认为如果我们的星球小一点或大一点，地球上就不会出现生命。此外，请记住，一颗行星的宜居程度取决于它与恒星的距离和大气的性质。温室效应会使一些行星变暖（就像它对金星所做的那样，对地球的影响越来越大）。
可居住的系外行星
行星形成的新观点
恒星的诞生和太阳系外行星的发现
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超前思考
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一颗恒星在主序带中停留的时间取决于它的质量。你可能会认为一颗更大的恒星，拥有更多的燃料，会持续更长的时间，但事情没那么简单。一颗恒星在特定进化阶段的寿命取决于它拥有多少核燃料，以及它消耗燃料的速度。（同样，人们可以持续花钱多久不仅取决于他们有多少钱，还取决于他们花得有多快。这就是为什么许多继续疯狂消费的彩票中奖者很快又变得贫穷了。）就恒星而言，更大质量的恒星比低质量的恒星消耗燃料的速度快得多。
主序列的生命周期
最终，恒星核心中的所有氢都用完了。核心中的氢足够热，可以进行聚变反应。然后，核心只包含氦，被恒星一开始必须拥有的任何一小部分较重元素“污染”。核心中的氦可以被认为是主序列阶段氢的核“燃烧”积累的“灰烬”。
从主序星到红巨星
正如我们之前讨论的那样，天文学家可以构建具有不同质量和成分的恒星的计算机模型，以了解恒星在其一生中是如何变化的。[链接]基于伊利诺伊大学天文学家伊科·伊本的理论计算，显示了一个H-R图，其中包含从主序列到巨型阶段的几条演化轨迹。轨迹显示了质量不同（质量为太阳的0.5到15倍）且化学成分与太阳相似的恒星。红线是初始或零年龄的主序列。轨道上的数字表示每颗恒星达到进化中的这些点所需的时间，以年为单位。再一次，你可以看到一颗恒星的质量越大，它经历生命中每个阶段的速度就越快。
进化到巨人阶段的模型
从主序列到红巨星的演变
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球状星团之所以有这个名字，是因为它们几乎是对称的圆形系统，通常由数十万颗恒星组成。我们银河系中最大的球状星团是半人马座欧米茄，它大约在16,000光年之外，包含几百万颗恒星（[链接]）。请注意，这个星团中最亮的恒星是红巨星，已经完成了它们进化的主序阶段，颜色是红橙色的。这些恒星的典型表面温度约为4000 K。正如我们将看到的，球状星团是我们银河系最古老的部分之一。
球状星团
开放星团存在于银河系的圆盘中。它们有不同的年龄范围，有些和我们的太阳一样古老，甚至比它们更古老。最年轻的开放星团仍然与它们形成的星际物质有关。开放星团比球状星团小，直径通常不到30光年，它们通常只包含几十到几百颗恒星（[链接]）。开放星团中的恒星通常看起来彼此分开得很好，即使在中心区域也是如此，这解释了为什么它们被称为“开放”。我们的银河系包含数千个开放星团，但我们只能看到其中的一小部分。星际尘埃也集中在圆盘中，使更远星团的光线变暗，以至于无法探测到它们。
开放集群
星团是一组非常年轻的恒星，通常包含5到50颗炽热、明亮的O型和B型恒星，分散在直径约100-500光年的空间区域。例如，猎户座中的大多数恒星形成了最近的恒星星团之一。星团也包含数百到数千颗低质量恒星，但这些恒星要暗得多，也不太显眼。非常炽热、明亮的恒星的存在表明，星团中的恒星形成发生在过去一百万年左右。由于O型恒星的整个生命周期只有大约一百万年，除非恒星形成发生在最近，否则它们不会仍然存在。因此，在富含形成新恒星所需的气体和尘埃的区域发现星团也就不足为奇了。这就像一座全新的建筑，仍然被用来建造它的一些建筑材料包围着，景观仍然显示出建筑的迹象。另一方面，因为协会，就像普通的开放星团一样，位于被尘埃星际物质占据的区域，许多都隐藏在我们的视野之外。
恒星协会
星团
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对于恒星最近从星际云中凝结而成的星团，理论对其H-R图有何预测？请记住，在进化的每个阶段，大质量恒星的进化速度都比低质量恒星快。几百万年后（对天文学家来说是“最近”），最大质量的恒星应该已经完成了收缩阶段，进入了主序列，而质量较小的恒星应该在右边，仍在通往主序列的路上。这些想法在[链接]中得到了说明，该链接显示了慕尼黑大学的R. Kippenhahn和他的同事为一个年龄为300万年的假设星团计算的H-R图。
年轻星团的H-R图
40亿年过去了，更多的恒星，包括质量仅比太阳大几倍的恒星，离开了主序（[link]）。这意味着主序顶部附近没有留下任何恒星；只剩下底部附近的低质量恒星。星团越老，主序上恒星开始向红巨星区移动的点越低（以及恒星质量越低）。H-R图上恒星开始离开主序的位置称为主序岔道。
旧集群的H-R图
检查理论
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让我们首先考虑一下组成类似太阳的恒星，它们的初始质量相对较低——不超过我们太阳质量的两倍。（这样的质量可能看起来并不太低，但是质量小于这个的恒星都以相当相似的方式运行。我们将在下一节中看到更大质量的恒星会发生什么。）因为银河系中低质量恒星比高质量恒星多得多，绝大多数恒星——包括我们的太阳——遵循我们将要描述的场景。顺便说一句，我们小心地使用了恒星初始质量这个术语，因为正如我们将看到的，恒星在衰老和死亡过程中会失去相当多的质量。
氦聚变
氦闪后，这颗恒星在主序阶段结束和中心氢燃料耗尽后的“能量危机”中幸存下来，再次找到了平衡。随着恒星重新适应其核心的三阿尔法过程释放的能量，其内部结构再次发生变化：其表面温度升高，整体亮度下降。因此，代表H-R图上恒星的点移动到其作为红巨星的位置左侧和下方的新位置（[链接]）。然后，恒星继续在其核心融合氦一段时间，恢复到主序阶段的压力和重力之间的平衡。在此期间，恒星中心新形成的碳核有时会与另一个氦核结合，产生氧核——生命的另一个组成部分。
再次成为巨人
当恒星膨胀成为红巨星时，它们的半径非常大，因此逃逸速度很低。[脚注]辐射压力、恒星脉动和像氦闪光这样的剧烈事件都可以驱使外层大气中的原子远离恒星，并导致它在太空中损失很大一部分质量。例如，天文学家估计，当像太阳这样的恒星到达氦闪光点时，它将损失多达25%的质量。当它第二次上升红巨星分支时，它可能会损失更多的质量。结果，老化的恒星被一个或多个膨胀的气体外壳包围，每个气体外壳包含多达10-20%的太阳质量（或0.1-0.2*M*太阳）。

回想一下，重力不仅取决于拉动的质量，还取决于我们离重心的距离。随着一颗红巨星变得越来越大，恒星表面的一个点现在离中心更远，因此重力更小。这就是为什么逃离恒星所需的速度下降了。
红巨星的质量损失与行星状星云的形成
垂死恒星的质量损失是我们在《恒星之间：太空中的气体和尘埃》中讨论的巨大宇宙循环计划的关键一步。记住，恒星是由巨大的气体和尘埃云形成的。当恒星结束生命时，它们会将部分气体返回银河系的原材料库。最终，老化恒星排出的一些物质将参与新恒星系统的形成。
宇宙回收
恒星的进一步进化
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大质量恒星的进化方式与太阳大致相同（但总是更快）——直到形成碳氧核。一个区别是，对于质量超过太阳两倍的恒星来说，氦开始聚变的速度更快，而不是突然闪光。此外，当更多的大质量恒星变成红巨星时，它们变得如此明亮和巨大，以至于我们称之为“超级巨星”。这样的恒星可以膨胀，直到它们的外部区域变得和木星的轨道一样大，这正是哈勃太空望远镜为参宿四所展示的（见[链接]）。它们也非常有效地失去质量，随着年龄的增长产生剧烈的风和爆发。[链接]展示了非常大的恒星船底座伊塔的精彩图像，大量喷出的物质清晰可见。
在大质量恒星中制造新元素
随着时间的推移，元素在恒星中形成的事实解释了球状星团和开放星团之间的一个重要区别。氢和氦是太阳邻域恒星中最丰富的元素，也是这两种星团中恒星最丰富的成分。然而，比氦*重*的元素丰度有很大不同。
球状簇和开放簇中的元素不一样
与恒星的主序寿命相比，恒星进化最后阶段的特征事件发生得非常快（特别是对于大质量恒星）。随着恒星亮度的增加，其核燃料消耗率迅速上升——就在其生命中燃料供应开始枯竭的时候。
接近死亡
更大质量恒星的演化
从青春期到老年的星星
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超前思考
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在最后一章中，我们讲述了一颗质量与太阳相似的恒星的生命故事，它刚刚第二次爬上H-R图的红巨星区域，并脱落了一些外层，形成了一个行星状星云。回想一下，在这段时间里，恒星的*核*正在经历一场“能源危机”。在它生命的早期，在一个短暂的稳定时期，核心中的氦变得足够热，可以融合成碳（和氧）。但是在氦耗尽后，恒星的核心再次发现自己没有压力来平衡重力，因此开始收缩。
危机中的明星
因为白矮星的密度远高于地球上的任何物质，它们内部的物质以一种非常不寻常的方式运行——不像我们从日常经验中知道的任何事情。在这种高密度下，引力非常强大，试图进一步缩小恒星，但是所有的电子都抵制被推得更近，并在核心内部形成强大的压力。这种压力是控制电子行为的基本规则（你在《太阳：核电站》中了解的量子物理学）的结果。根据这些规则（物理学家称之为泡利不相容原理），没有两个电子可以在同一时间在同一个地方做同样的事情，这些规则已经在实验室的原子研究中得到证实。我们通过电子在空间中的位置来指定它的位置，我们通过它的运动和旋转方式来指定它在做什么。
退化恒星
因此，白矮星是稳定、紧凑的物体，其电子简并核心不能进一步收缩。白矮星可能是低质量恒星的最终状态，这一计算最早是由印裔美国天体物理学家Subrahmanyan Chandrasekhar进行的。他能够显示一颗恒星在简并电子停止进一步收缩之前会收缩多少，从而显示它的最终直径是多少（[链接]）。
白矮星
如果主序恒星的诞生是由聚变反应的开始来定义的，那么我们必须将所有聚变反应的结束视为恒星死亡的时间。由于核心被简并压力稳定，最后一次聚变颤抖穿过恒星外部，消耗了剩余的少量氢。现在这颗恒星是一颗真正的白矮星：其内部的核聚变已经停止。[链接]在H-R图上显示了像太阳这样的恒星在其最后阶段的路径。
白矮星的终极命运
一颗恒星是否会成为白矮星取决于在红巨星和进化的早期阶段损失了多少质量。当燃料耗尽时，所有质量低于钱德拉塞卡极限的恒星都将成为白矮星，不管它们出生时质量如何。但是哪些恒星释放了足够的质量来达到这个极限呢？
恒星在进化过程中可以释放大量质量的证据
低质量恒星的死亡
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核心中的氦耗尽后（参见《大质量恒星的演化》），大质量恒星的演化过程与低质量恒星截然不同。在大质量恒星中，外层的重量足以迫使碳核心收缩，直到它变得足够热，足以将碳融合成氧气、霓虹灯和镁。这种收缩、加热和另一种核燃料点燃的循环又重复了几次。在每种可能的核燃料耗尽后，核心再次收缩，直到达到足够高的新温度来融合更重的原子核。碳聚变的产物可以进一步转化为硅、硫、钙和氩。当加热到更高的温度时，这些元素可以结合产生铁。大质量恒星非常非常快地经历这些阶段。在真正的大质量恒星中，一些接近最后阶段的聚变阶段可能只需要几个月甚至几天！这与他们在主序阶段花费的数百万年相去甚远。
重元素核聚变
当核反应停止时，大质量恒星的核心由简并电子支撑，就像白矮星一样。对于以至少10*M*太阳的质量开始进化的恒星来说，这个核心很可能主要由铁组成。（对于初始质量在8到10*M*太阳范围内的恒星来说，核心很可能由氧、霓虹灯和镁组成，因为恒星永远不会变得足够热，形成像铁一样重的元素。在这个质量范围内，恒星核心的确切组成很难确定，因为核心中复杂的物理特征，特别是在所涉及的非常高的密度和温度下。）我们将在讨论中关注更大质量的铁芯。
坍缩成一个中子球
当一个大质量恒星的核心坍塌被简并中子阻止时，核心就免于进一步的破坏，但事实证明，恒星的其余部分实际上被吹散了。事情是这样发生的。
崩溃与爆炸
超新星爆炸后，一颗大质量恒星的生命结束了。但是每一颗大质量恒星的死亡都是其银河系历史上的一个重要事件。恒星生命过程中聚变形成的元素现在被爆炸“回收”到太空中，使它们能够富集形成新恒星和行星的气体和尘埃。因为超新星喷出的这些重元素对行星的形成和生命的起源至关重要，公平地说，如果没有超新星和行星星云的质量损失，本书的作者和读者都不会存在。[脚注]

为了讲述完整的故事，还有另一种方法来制造和回收这些更重的元素，我们将在银河系中讨论。那就是两颗中子星的合并，这也引起了巨大的爆炸。
超新星给予和超新星带走
大质量恒星的进化：爆炸性结局
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关于II型超新星发生时会发生什么，我们最详细的信息来自1987年观测到的一个事件。2月24日黎明前，在智利天文台工作的加拿大天文学家伊恩·谢尔顿从显影机中取出了一个照相盘。两天前的晚上，他已经开始对大麦哲伦星云进行调查，这是一个小星系，是银河系在太空中最近的邻居之一。在他预计只能看到微弱的恒星的地方，他看到了一个巨大的亮点。谢尔顿担心自己的照片有缺陷，于是走到外面查看大麦哲伦星云 . . . ，发现天空中确实出现了一个新物体（见[链接]）。他很快意识到自己发现了一个超新星，即使它在大约160,000光年之外，也可以用肉眼看到它。
超新星1987A
SN 1987A在被发现后的几天和几个月里亮度的变化，如[链接]所示，有助于证实我们关于重元素产生的想法。在一天内，这颗恒星的亮度飙升了大约1000倍，在没有望远镜的情况下变得几乎可见。然后，这颗恒星的亮度继续缓慢增加，直到它与北斗七星中的恒星的表观亮度大致相同。直到爆发后大约40天，被辐射掉的能量都是由爆炸本身产生的。但是SN 1987A并没有像我们预期的那样继续消失。相反，随着新产生的放射性元素的能量发挥作用，SN 1987A仍然明亮。
重元素的合成
如果在大约16万年前的大麦哲伦星云中有任何人类观察者，我们称之为SN1987A的爆炸将是他们天空中的一个辉煌奇观。然而我们知道，爆炸的1%能量中只有不到1/10以可见光的形式出现。摧毁恒星需要大约1%的能量，其余的被中微子带走了。这些中微子的总能量确实令人震惊。在事件的最初一秒钟，正如我们之前在关于超新星的一般性讨论中指出的那样，它们的总光度超过了10亿个星系中所有恒星的光度。超新星在直径不到50公里的体积内产生了这种能量！超新星是宇宙中最猛烈的事件之一，它们的光只是揭示它们产生多少能量的冰山一角。
SN 1987A的中微子
超新星观测
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1967年，剑桥大学的研究生乔斯林·贝尔正在用一个特殊的探测器研究远距离无线电波源。这个探测器是由她的导师安东尼·休斯设计和制造的，目的是发现无线电信号的快速变化。项目计算机喷出大量的纸张，显示望远镜在哪里观察了天空，休斯的研究生的工作是浏览所有这些，寻找有趣的现象。1967年9月，贝尔发现了她所说的“一点杂乱”——一种奇怪的无线电信号，与以前见过的任何东西都不一样。
中子星的发现
通过理论和观测的结合，天文学家最终得出结论，脉冲星一定是*旋转的中子星*。根据这个模型，中子星有点像岩石海岸上的灯塔（[链接]）。为了向四面八方的船只发出警告，同时又不需要太多的操作成本，现代灯塔中的光会转动，将光束扫过黑暗的大海。从船只的有利位置来看，每次光束指向你的方向时，你都会看到一个光脉冲。同样，中子星上的一个小区域的辐射会扫过太空的海洋，每次光束指向地球时都会给我们一个辐射脉冲。
旋转灯塔模型
用来自高磁性和快速旋转的中子星的辐射束来解释脉冲星是一个非常聪明的想法。但是我们有什么证据证明它是正确的模型呢？首先，我们可以测量一些脉冲星的质量，大多数是太阳质量的1.4到1.8倍，还有一些质量略高于2个太阳质量。这些质量与理论家对中子星的预测一致。
模型测试
根据迄今为止发现的脉冲星的观测，天文学家得出结论，银河系中每25到100年就会有一颗新的脉冲星诞生，估计超新星的出现速度与此相同。计算表明，脉冲星的典型寿命约为1000万年；此后，中子星的旋转速度不再足以产生大量粒子和能量束，也不再可观测。我们估计银河系中大约有1亿颗中子星，其中大部分旋转速度太慢，我们无法注意到。
脉冲星的演化
脉冲星与中子星的发现
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让我们考虑以下两颗恒星的系统：一颗已经成为白矮星，另一颗正在逐渐将物质转移到它身上。当它的同伴外层的新鲜氢气在炽热的白矮星表面积累时，它开始建立一层氢气。随着越来越多的氢气在退化恒星表面积累和加热，新层最终达到一个温度，导致聚变突然开始，爆炸性的方式，将大部分新材料炸飞。
白矮星爆炸：温和的那种
如果白矮星以快得多的速度从伴星积累物质，它可以被推到钱德拉塞卡极限。这样一个双星系统的进化如[link]所示。当它的质量接近钱德拉塞卡质量极限（超过1.4*M*Sun）时，这样一个物体不再能支撑自己成为白矮星，它开始收缩。当它这样做时，它会升温，新的核反应可以在退化的核心开始。这颗恒星“酝酿”了下一个世纪左右，建立了内部温度。这个酝酿阶段在不到一秒钟的时间内结束，当大量的聚变（尤其是碳）同时发生时，导致爆炸。最后一次爆炸时产生的聚变能量如此之大，以至于它完全摧毁了白矮星。气体以每秒10,000公里的速度吹入太空，之后，白矮星的踪迹不复存在。
白矮星爆炸：暴力类型
现在让我们来看看一对更加不匹配的恒星。在适当的情况下，一个双星系统甚至有可能在其一个成员的爆炸中幸存下来，成为第二类超新星。在这种情况下，一颗普通的恒星最终可以与一颗中子星共享一个系统。如果物质随后从“活的”恒星转移到它的“死的”（高度压缩的）同伴身上，这种物质将被中子星的强大引力吸引进来。这种坠落的气体将被压缩并加热到难以置信的温度。它将很快变得如此之热，以至于它将经历爆炸性的聚变爆发。所涉及的能量如此之大，以至于我们预计爆发产生的大部分辐射将以x光的形式出现。事实上，地球大气层上方的高能观测站（见天文仪器）记录了许多经历这种类型x光爆发的物体。
伴生的中子星
双星系统的演化
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1991年，美国航天局发射了康普顿伽马射线天文台，天文学家开始发现更多的爆发，并对其进行更多的了解（[link]）。美国航天局的卫星大约每天一次探测到天空某处的伽马射线闪光，持续时间从几分之一秒到几百秒不等。在康普顿测量之前，天文学家预计爆发最有可能来自我们自己的（煎饼状）银河系的主圆盘。然而，如果是这样的话，在银河系拥挤的平面上会看到比在银河系上方或下方更多的爆发。相反，爆发的来源是*同位素*分布的；也就是说，它们可能出现在天空中的任何地方，而不偏爱一个区域而不是另一个区域。几乎从来没有第二次爆发来自同一个位置。
从几次爆发到数千次
试图找出伽马射线爆发的来源的问题在于，我们探测伽马射线的仪器无法精确定位爆发发生的天空中的确切位置。早期的伽马射线望远镜没有足够的分辨率。这令人沮丧，因为天文学家怀疑，如果他们能够精确定位这些快速爆发中的一个的确切位置，那么他们就能够识别其他波长的对应物（如恒星或星系），并了解更多关于爆发的信息，包括它来自哪里。然而，这需要对伽马射线探测器技术进行重大改进，以提供更好的分辨率，或者在其他波长检测爆发。最终，这两种技术都发挥了作用。
第一次余晖
在最初的观测表明可以找到伽马射线爆发的精确位置和余辉后，天文学家建立了一个系统来定期捕捉和精确定位爆发。但是为了根据需要尽快做出反应以获得可用的结果，天文学家意识到他们需要依赖自动化系统，而不是碰巧在正确的时间出现在正确的地点的人类观察者。
网络捕捉更多突发事件
距离这些事件的巨大距离意味着它们必须有惊人的能量才能看起来像跨越如此遥远的距离一样明亮。事实上，它们需要如此多的能量，以至于给伽马射线爆发模型带来了问题：如果源向各个方向辐射能量，那么在明亮的爆发（如1999年或2008年的事件）中仅伽马射线释放的能量就相当于如果类太阳恒星的整个质量突然转化为纯辐射所产生的能量。
光束或非光束
在识别和跟踪了大量的伽马射线爆发之后，天文学家开始拼凑线索，找出什么样的事件被认为是产生伽马射线爆发的原因。或者更确切地说，是什么样的*事件*，因为至少有两种不同类型的伽马射线爆发。这两者——就像不同类型的超新星一样——是以完全不同的方式产生的。
长持续伽马射线暴：爆炸恒星
较短的伽马射线爆发呢？这些事件的伽马射线发射持续不到2秒，在某些情况下可能只持续几毫秒——这是一个惊人的短时间。如果它们是以与长时间伽马射线爆发相同的方式产生的，那么这样的时间尺度很难实现，因为恒星内部坍塌到黑洞上至少需要几秒钟。
短持续伽马射线爆发：碰撞恒星尸体
天文学家如何解释不同种类爆发的起源的故事是一个很好的例子，说明科学过程有时类似于优秀的侦探工作。虽然短持续伽马射线爆发的谜团仍在解开，但对长持续伽马射线爆发的研究重点已经开始从理解爆发本身（现在已经相当成熟）转变为利用它们作为理解更广阔宇宙的工具。
用伽马射线爆发探测宇宙
伽马射线暴之谜
恒星的消亡
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超前思考
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导致广义相对论形成的基本见解始于一个非常简单的想法：如果你能从高楼上跳下来，自由落体，你就不会感觉到自己的重量。在本章中，我们将描述爱因斯坦是如何基于这个想法，就空间和时间本身的结构得出全面结论的。他称之为“我一生中最快乐的想法”
等价原则
爱因斯坦的简单想法有很大的影响。让我们首先考虑一下，如果两个有勇无谋的人从对岸跳进无底深渊（[链接]）会发生什么。如果我们忽略空气摩擦，那么我们可以说，当他们自由下落时，他们都以相同的速度向下加速，感觉不到外力作用在他们身上。他们可以来回扔球，总是直接瞄准对方，好像没有重力一样。球以与他们相同的速度落下，所以它总是保持在他们之间的一条线上。
重力还是加速度？
爱因斯坦认为，等效原理是自然界的一个基本事实。在任何航天器中，都没有实验可以让宇航员区分在遥远的太空中失重和在像地球这样的行星附近自由落体。这也适用于用光束进行的实验。但是当我们在实验中使用光的时候，我们会得到一些非常令人不安的结论——正是这些结论引导我们走向广义相对论和重力的新观点。
光与物质的路径
广义相对论导论
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为了说明爱因斯坦的洞察力到底意味着什么，让我们首先考虑一下我们如何在空间和时间中定位一个事件。例如，假设你必须向忧心忡忡的学校官员描述你房间里发生的火灾，当时你的室友试图在壁炉里烤羊肉串。你解释说，你的宿舍在学院大道6400号，这是一条在你所在城镇地图上左右延伸的街道；你在五楼，这告诉你在上下方向的位置；你是电梯回来的第六个房间，这告诉你在前后方向的位置。然后你解释说，火灾发生在下午6点23分（但很快得到控制），这及时说明了事件。*宇宙中的任何*事件，无论是附近还是远处，都可以使用空间的三维和时间的一维来精确定位。
链接：质量、空间和时间
我们如何理解由于存在一些（显著的）质量而导致的时空扭曲？让我们试试下面的类比。你可能已经看到纽约市的地图，它将这个高耸大都市的全部三个维度压缩到一张平纸上，并且仍然有足够的信息，这样游客就不会迷路。让我们用时空图做类似的事情。
时空示例
时空与引力
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在我们太阳系的行星中，水星的轨道离太阳最近，因此受到太阳质量产生的时空扭曲的影响最大。爱因斯坦想知道这种扭曲是否会对水星的运动产生牛顿定律没有预测到的明显差异。事实证明，这种差异很微妙，但肯定存在。最重要的是，它已经被测量过了。
水星的运动
爱因斯坦的第二个测试是以前从未观察到的，因此将极好地证实他的理论。由于时空在引力场强的区域更弯曲，我们会期望通过非常靠近太阳的光看起来像是沿着弯曲的路径（[链接]），就像我们类比中的蚂蚁一样。爱因斯坦根据广义相对论计算出，刚刚掠过太阳表面的星光应该被偏转1.75弧秒。这种偏转能被观察到吗？
星光偏转
广义相对论测试
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1959年，在哈佛大学物理大楼的一层和顶层，人们使用了已知最精确的原子钟来比较时间测量。实验人员使用放射性钴发出的伽马射线的频率（每秒的周期数）作为时钟。爱因斯坦的理论预测，这种位于底层的钴钟离地球重心更近一点，运行速度应该比顶层的同一个时钟慢一点。这正是实验观察到的。后来，原子钟被用于高空飞行的飞机，甚至在双子座的一次太空飞行中。在每种情况下，离地球更远的时钟都运行得快一点。虽然在1959年，大楼顶部的时钟是否比地下室的时钟跑得快并不重要，但今天这种影响非常相关。每个与全球定位系统同步的智能手机或设备都必须对此进行校正（正如我们将在下一节中看到的），因为卫星上的时钟将比地球上的时钟跑得快。
时间的考验
说时间运行得更慢是什么意思？当光从时间变慢的强引力区域出现时，光的频率和波长会发生变化。为了理解发生了什么，让我们回顾一下光波是一种重复现象——波峰以极大的规律性跟随波峰。从这个意义上说，每一个光波都是一个小时钟，与它的波周期保持时间。如果更强的引力减慢了时间的步伐（相对于外部观察者），那么波峰跟随波峰的速度必须相应地变慢——也就是说，波变得不那么*频繁*。
引力红移
现在你可能会问：为什么我要为相对论烦恼？没有它，我就不能过完美的生活吗？答案是不能。每次飞行员降落飞机，或者你用全球定位系统确定你在偏远国家开车或徒步旅行的位置，你（或者至少你的全球定位系统设备）必须同时考虑广义相对论和狭义相对论的影响。
相对论：实际应用
广义相对论中的时间
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让我们从一个思维实验开始。我们想知道逃离不同物体的引力需要什么速度。火箭必须以非常高的速度从地球表面发射，才能逃脱地球的引力。事实上，任何物体——火箭、球、天文学书籍——以低于每秒11公里的速度抛向空中，很快就会落回地球表面。只有那些以大于这个*逃逸速度*发射的物体才能离开地球。
经典崩溃
广义相对论告诉我们，引力实际上是时空的曲率。随着引力的增加（就像我们思想实验中坍塌的太阳一样），曲率越来越大。最终，如果太阳能缩小到直径约6公里，只有垂直于表面发出的光束会逸出。所有其他光束都会落回恒星上（[链接]）。如果太阳能再缩小一点，即使是剩下的一束光束也将不再能够逸出。
崩溃与相对论
许多关于黑洞的现代民间传说都具有误导性。你可能听说过的一个想法是，黑洞会利用它们的引力吸走东西。事实上，只有非常接近黑洞，我们一直在讨论的奇怪效应才会发挥作用。远离黑洞的引力与坍塌形成黑洞的恒星的引力相同。
黑洞神话
科学家无法看到黑洞内部的事实并没有阻止他们试图计算它们是什么样的。这些计算表明的第一件事是，黑洞的形成抹去了几乎所有关于坍塌形成黑洞的恒星的信息。物理学家喜欢说“黑洞没有头发”，这意味着没有任何东西能从黑洞中伸出来给我们提供关于它是什么样的恒星产生的或者里面有什么物质的线索。黑洞能揭示的关于自身的唯一信息是它的质量、自旋（旋转）以及它是否有电荷。
黑洞之旅
黑洞
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所以，这里有一个寻找黑洞的处方：首先寻找一颗恒星，它的运动（由其谱线的多普勒频移决定）表明它是双星系统的成员。如果两颗恒星都可见，那么它们都不可能是黑洞，所以把你的注意力集中在只有一颗恒星可见的系统上，即使用我们最灵敏的望远镜。
黑洞的要求
因为X射线是黑洞的重要追踪者，而黑洞的一些恒星同伴正与它共进午餐，所以寻找黑洞必须等到先进的X射线望远镜发射到太空之后。这些仪器必须具有精确定位X射线源的分辨率，从而使我们能够将它们与双星系统的位置相匹配。
恒星质量黑洞的发现
一颗孤立的恒星，甚至是双星系统中的一颗恒星，变成黑洞后，它可能不会长得更大。在我们居住的银河系郊区（见银河系），恒星和恒星系统相距太远，其他恒星无法为饥饿的黑洞提供“食物”。毕竟，物质必须非常接近事件视界，重力才会与成为黑洞之前的恒星有任何不同。
喂养黑洞
黑洞的证据
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一段时间以来，我们已经有了引力波存在的间接证据。1974年，天文学家约瑟夫·泰勒和拉塞尔·赫尔斯发现了一颗脉冲星（编号为PSR1913+16）围绕另一颗中子星运行。在其同伴强大引力的推动下，脉冲星以大约十分之一的光速在轨道上运行。
脉冲星的证明
尽管这样的间接证据让物理学家相信引力波的存在，但直接探测引力波更令人满意。我们需要的是足够强大的现象，以产生振幅足够大的引力波，我们可以测量它们。理论计算表明，一些最有可能的事件会产生足够强的引力波爆发，以至于我们在地球上的设备可以测量它：
直接观察
引力波天文学
黑洞和弯曲时空
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超前思考
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1785年，威廉·赫歇尔（William Herschel）（[link]）对银河系的结构做出了第一个重要发现。威廉和他的妹妹卡罗琳使用他建造的大型反射望远镜计算了天空不同方向的恒星。他们发现，他们能看到的大多数恒星都位于环绕天空的扁平结构中，并且在这个结构周围的任何方向上，恒星的数量都大致相同。赫歇尔因此得出结论，太阳所属的恒星系统具有圆盘或轮子的形状（他可能会称之为飞盘，除了飞盘还没有发明出来），太阳一定在轮子的轮毂附近（[link]）。
赫歇尔测量银河系
有了现代仪器，天文学家现在可以通过研究银河系遥远部分的无线电和红外发射来穿透银河系的“烟雾”。这些波长的测量（以及对像我们这样的其他星系的观察）让我们很好地了解了如果我们能够从远处观察银河系会是什么样子。
磁盘和卤素
银河系的建筑
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我们对圆盘气体成分的无线电观察表明，银河系有两个从酒吧中伸出的主要旋臂和几个较暗的旋臂和较短的马刺。你可以在[链接]中看到我们银河系手臂结构的最新组装地图——来自红外研究。
银河之臂
在离太阳中心的距离上，银河系不会像实心轮或播放器里的CD那样旋转。相反，单个物体围绕银河系中心旋转的方式更像太阳系。恒星以及气体和尘埃云遵循开普勒第三定律。离中心更远的物体比离中心更近的物体需要更长的时间来完成绕银河系的轨道。换句话说，银河系中轨道较大的恒星（和星际物质）落后于较小轨道上的恒星（和星际物质）。这种效应被称为微分星系旋转。
螺旋结构的形成
螺旋结构
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太阳和银河系中的所有其他恒星一样，围绕银河系的中心运行。我们的恒星的轨道几乎是圆形的，位于银河系的圆盘上。太阳在其轨道上的速度约为每秒200公里，这意味着我们大约需要2.25亿年才能绕银河系中心一周。我们称太阳公转的时期为*银河系年*。与人类的时间尺度相比，这是一段很长的时间；在地球的整个生命周期中，只过了大约20个银河系年。这意味着在人类凝视天空的所有时间里，我们只绕银河系走了一小部分。
开普勒有助于称重银河系
在科学上，看似合理的假设后来可能会被证明是错误的（这就是为什么我们一有机会就继续做观察和实验）。银河系比肉眼（或我们的仪器）看到的要多得多。虽然超过30,000光年的发光物质相对较少，但我们现在知道许多*不可见物质*存在于远离银河系中心的地方。
大部分不可见物质的星系
银河系的质量
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让我们航行到银河系神秘的心脏，看看那里有什么。[链接]是一个直径约1500光年的区域的无线电图像，以人马座A为中心，人马座A是一个明亮的无线电源，其中包含较小的人马座A\*。大部分无线电发射来自热气体，要么由热恒星簇加热（恒星本身不产生无线电发射，在图像中看不到），要么由超新星冲击波加热。无线电图像上可见的大多数空心圆圈是超新星遗留物。另一个主要的无线电发射源来自强磁场区域高速移动的电子。图上明亮的薄弧和“线”向我们展示了这种类型的发射产生的地方。
通往中心的旅程
位于银河系中心的人马座A到底是什么？为了证明那里真的有一个黑洞，我们必须证明在一个非常小的体积里塞进了大量的质量。正如我们在黑洞和弯曲时空中看到的，证明黑洞的存在是一个挑战，因为黑洞本身不发射辐射。天文学家必须做的是证明黑洞是我们观测的唯一可能解释——一个小区域包含的质量远远超过了一个非常密集的星团或其他由普通物质组成的东西所能解释的质量。
寻找银河系的心脏
我们的银河系黑洞是从哪里来的？像我们这样的星系中超大质量黑洞的起源目前是一个活跃的研究领域。一种可能性是银河系中心附近的一大团气体直接坍塌形成黑洞。由于我们在大多数其他大型星系（参见活动星系、类星体和超大质量黑洞）的中心发现了大黑洞——即使是非常年轻的星系——这种坍塌很可能发生在银河系刚刚开始成形的时候。这个黑洞的初始质量可能只有几十个太阳质量。它开始的另一种方式是，一颗大质量恒星可能已经爆炸，留下了一个种子黑洞，或者一个密集的星团可能已经坍塌成一个黑洞。
寻找源头
银河系的中心
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沃尔特·巴德在第二次世界大战期间首次发现了两种不同的恒星。作为一名德国公民，巴德不被允许像许多其他美国科学家那样进行战争研究，所以他能够定期使用南加州的威尔逊山望远镜。他的观察得到了洛杉矶战时停电导致的黑暗天空的帮助。
两种星星
除了极少数例外，我们永远不应该相信任何将世界分为两类的理论。虽然它们可以为假设和实验提供一个起点，但它们往往过于简单化，需要继续研究。两个群体的想法帮助我们组织了对银河系的最初想法，但我们现在知道它不能解释我们观察到的一切。即使是银河系的不同结构——圆盘、光晕、中央凸起——在它们的位置、年龄和其中恒星的重元素含量方面也没有那么清晰地分开。
真实世界
银河系中的恒星种群
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因为最古老的恒星——那些在光环和球状星团中的恒星——分布在一个以银河系核心为中心的球体中，所以假设诞生我们银河系的*原星系*云大致是球形的是有道理的。光环中最古老的恒星年龄在12到130亿岁之间，所以我们估计银河系的形成大约在那么久以前就开始了。（关于星系一般在130亿年前开始形成的其他证据，请参阅大爆炸一章。）然后，就像恒星形成的情况一样，原星系云坍塌并形成了一个薄的旋转圆盘。在云坍塌之前出生的恒星没有参与坍塌，而是一直在光环中运行到今天（[链接]）。
原星系云和整体坍塌模型
在过去的几十年里，天文学家了解到，银河系的演化并不像这个整体坍塌模型所暗示的那样相当平静。1994年，天文学家在人马座方向发现了一个小型的新星系。人马座矮星系目前距离地球约7万光年，距离银河系中心约5万光年。它是已知的最近的星系（[链接]）。它非常细长，它的形状表明它正在被我们银河系的引力潮汐撕裂——就像1992年苏梅克-利维9号彗星通过离木星太近时被撕裂一样。
碰撞受害者和多重合并模型
银河系的形成
银河系
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超前思考
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到20世纪初，一些星云被正确地识别为星团，而其他星云（如猎户座星云）则被识别为气态星云。然而，大多数星云看起来暗淡而模糊，即使使用最好的望远镜，它们的距离也仍然未知。（顺便说一句，有关此类星云如何命名的更多信息，请参阅星际物质一章中“命名星云”的专题框。）如果这些星云在附近，距离与可观测恒星相当，它们很可能是银河系内的气体云或恒星群。另一方面，如果它们很遥远，远离银河系边缘，它们可能是包含数十亿恒星的其他恒星系统。
其他星系
星系的发现
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我们自己的星系和仙女座星系是典型的大型螺旋星系（见[链接]）。它们由一个中央凸起、一个光环、一个圆盘和螺旋臂组成。星际物质通常遍布螺旋星系的圆盘。明亮的发射星云和炽热的年轻恒星存在，尤其是在螺旋臂中，表明新的恒星形成仍在发生。圆盘通常是尘土飞扬的，这在我们几乎看到边缘的那些系统中尤其明显（[链接]）。
螺旋星系
椭圆星系几乎完全由古老的恒星组成，形状是球体或椭圆球（有点压扁的球体）（[链接]）。它们不包含旋臂的痕迹。它们的光由更古老的红色恒星（银河系中讨论的种群II恒星）主导。在附近更大的椭圆星系中，可以识别出许多球状星团。尘埃和发射星云在椭圆星系中并不显眼，但许多确实包含少量星际物质。
椭圆星系
哈勃将没有与我们刚刚描述的类别相关的规则形状的星系分类到不规则星系的总称中，我们继续使用他的术语。通常，不规则星系的质量和亮度低于螺旋星系。不规则星系通常看起来杂乱无章，许多星系正在经历相对激烈的恒星形成活动。它们包含年轻的I星体和老年的II星体。
不规则星系
在H-R星图的成功鼓舞下，研究星系的天文学家希望找到某种类似的方案，将外观的差异与星系生命中的不同进化阶段联系起来。例如，如果每个椭圆星系都进化成螺旋星系，就像每个主序恒星都进化成红巨星一样，那不是很好吗？尝试了几种类似的简单想法，有些是哈勃自己提出的，但没有一个经受住时间（和观察）的考验。
星系进化
星系的类型
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天文学家可以通过获取恒星或气体的光谱，并寻找多普勒效应产生的波长偏移来测量螺旋星系的旋转速度。请记住，某物向我们移动或远离我们的速度越快，其光谱中线条的偏移就越大。例如，开普勒定律，以及对仙女座星系中可见光明亮部分的观察，表明它的星系质量约为4美元×{10}^{11}$*M*太阳（足够的物质使4000亿像太阳一样的恒星）。
星系群
描述一个星系的一个有用的方法是记录它的质量（以太阳质量为单位）与其光输出（以太阳光度为单位）的比率。这个单一的数字大致告诉我们什么样的恒星构成了银河系的大部分发光群体，也告诉我们是否存在大量暗物质。对于像太阳这样的恒星，根据我们的定义，质量与光的比率是1。
质光比
星系的性质
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在天文学家能够测量到其他星系的距离之前，他们首先必须使用我们银河系中的物体来建立宇宙距离的尺度。我们在《天体距离》中描述了这些距离方法的链条（如果你已经有一段时间没有阅读这一章了，我们建议你回顾一下）。当天文学家发现他们可以使用某些种类的内在发光*可变恒星*来测量距离时，他们特别高兴，比如造父变星，它可以在非常远的距离看到（[链接]）。
变星
我们在《天体距离》中讨论了当天文学家意识到恒星通常不是标准灯泡时的巨大挫败感。如果一个巨大礼堂里的每个灯泡都是标准的100瓦灯泡，那么在我们看来更亮的灯泡一定更近，而那些看起来更暗的灯泡一定更远。如果每颗恒星都是标准亮度（或瓦数），那么我们也可以根据它们在我们看来的亮度来“读出”它们的距离。唉，正如我们所知，恒星和星系都没有一个标准亮度。尽管如此，天文学家一直在寻找在某种程度上确实像标准灯泡一样的物体——无论它们在哪里都具有相同的内在（内置）亮度。
标准灯泡
另一种测量银河系距离的技术利用了20世纪70年代末夏威夷大学的布伦特·塔利和国家射电天文台的理查德·费希尔发现的一个有趣关系。他们发现螺旋星系的亮度与其旋转速度（旋转速度）有关。为什么这是真的？
其他测量技术
星系外距离尺度
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奇怪的是，宇宙膨胀的发现始于对火星人和其他太阳系的搜寻。1894年，备受争议（且富有）的天文学家珀西瓦尔·洛厄尔（Percival Lowell）在亚利桑那州弗拉格斯塔夫建立了天文台，研究行星并寻找宇宙中的生命。洛厄尔认为螺旋星云可能是正在形成过程中的太阳系。他因此请天文台的一位年轻天文学家Vesto M. Slipher（[链接]）拍摄一些螺旋星云的光谱，看看它们的光谱线是否可能显示出与新形成行星预期的化学成分一样的化学成分。
Slipher的开创性观察
斯莱弗工作的深远影响直到20世纪20年代才变得明显起来。乔治·勒马特尔是一名比利时牧师，也是一名训练有素的天文学家。1927年，他在一本鲜为人知的比利时杂志上用法语发表了一篇论文，提出我们生活在一个不断膨胀的宇宙中。这篇论文的标题（翻译成英文）是“一个质量恒定、半径不断增长的同质宇宙，解释了星系外星云的径向速度。”勒马特尔发现爱因斯坦的相对论方程与不断膨胀的宇宙相一致（就像俄罗斯科学家亚历山大·弗里德曼在1922年独立发表的文章一样）。然后，勒马特尔继续使用斯莱弗的数据来支持宇宙实际上正在膨胀的假设，并估计膨胀的速度。起初，科学家们很少关注这篇论文，也许是因为比利时杂志没有广泛发行。
哈勃定律
哈勃定律表达的规律性有一个内在的好处：它为我们提供了一种新的方法来确定到遥远星系的距离。首先，我们必须通过测量许多星系在许多方向上的距离和速度来可靠地建立哈勃常数，以确保哈勃定律确实是星系的普遍属性。但是一旦我们计算了这个常数的值，并确信它适用于任何地方，宇宙的更多地方就可以进行距离确定。基本上，如果我们能获得一个星系的光谱，我们就能立即知道它有多远。
哈勃定律与距离
使用红移可能是一种非常重要的确定距离的技术，因为正如我们所看到的，我们确定星系距离的大多数方法仅限于最近的几亿光年（并且在这些距离上它们有很大的不确定性）。使用哈勃定律作为距离指示器只需要一个星系的光谱和多普勒频移的测量，用大型望远镜和现代光谱仪，可以对极其微弱的星系进行光谱拍摄。
哈勃常数的变化
首先，想想哈勃定律，再想想哥白尼和哈洛·沙普利的研究成果，你可能会感到震惊。所有的星系真的都在远离我们吗？毕竟，我们在宇宙中的位置有什么特别之处吗？不用担心；星系正在远离我们，更远的星系比邻近星系移动得更快，这一事实只能表明宇宙正在均匀膨胀。
膨胀宇宙的模型
膨胀的宇宙
星系
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超前思考
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当天文学家获得了其中两颗微弱的“蓝色恒星”的可见光光谱时，答案就来了。这两颗“蓝色恒星”是无线电波的强大来源（[链接]）。这些无线电“恒星”的光谱只是加深了这个谜：它们有发射线，但天文学家起初无法用任何已知物质来识别它们。到20世纪60年代，天文学家在识别恒星光谱中的元素和化合物方面已经有了一个世纪的经验。已经发表了精心制作的表格，显示了每种元素在各种条件下会产生的线。在普通可见光光谱中具有无法识别的线的“恒星”一定是全新的东西。
红移：类星体的关键
天文学家提出的第一个问题是，类星体是否遵循哈勃定律，是否真的处于它们红移所暗示的大距离。如果它们不遵守大红移意味着大距离的规则，那么它们可能会更近，它们的亮度可能会小得多。证明类星体必须遵守哈勃定律的一个直接方法是证明它们实际上是星系的一部分，它们的红移与托管它们的星系相同。由于普通星系*确实*遵守哈勃定律，因此它们内部的任何东西都将遵守同样的规则。
类星体遵守哈勃定律
由于距离遥远，类星体必须非常明亮才能被我们看到——比任何正常星系都要亮得多。仅在可见光下，大多数类星体比最明亮的椭圆星系能量大得多。但是，正如我们所看到的，类星体也发射X射线和紫外线波长的能量，有些也是无线电波源。当它们所有的辐射加在一起时，一些QSO的总光度高达100万亿太阳（1014*L*太阳），是发光椭圆星系亮度的10到100倍。
能源的大小
甚至在类星体被发现之前，就有迹象表明至少在一些星系的中心正在发生一些非常奇怪的事情。早在1918年，美国天文学家赫伯·柯蒂斯就使用大型利克天文台望远镜拍摄了处女座梅西耶87星系。在那张照片上，他看到了我们现在所说的来自星系中心或核心的喷射流（[链接]）。这股喷射流从字面上和比喻上都指向了那个星系核心正在发生的一些奇怪的活动。但他不知道那是什么。也没有人知道如何处理这种奇怪的空间现象。
早期证据
类星体
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为了证明一个黑洞存在于星系的中心，我们必须证明，如此巨大的质量被塞进如此小的体积中，以至于任何正常的物体——大质量恒星或星团——都无法解释这一点（就像我们对银河系中的黑洞所做的那样）。我们已经从观察中知道（在《黑洞和弯曲时空》中讨论过），一个正在增生的黑洞被一个热的吸积盘包围，吸积盘上的气体和尘埃在黑洞坠入之前围绕着黑洞旋转。
黑洞的观测证据
到目前为止，你可能愿意接受巨大的黑洞潜伏在活跃星系的中心。但是我们仍然需要回答这样一个问题，即这样一个黑洞如何解释宇宙中最强大的能量来源之一。正如我们在黑洞和弯曲时空中看到的，黑洞本身不能辐射任何能量。我们从它探测到的任何能量都必须来自离黑洞非常近的物质，但不是在它的事件视界内。
黑洞周围的能源生产
到目前为止，我们的模型似乎解释了类星体和活动星系的中心能量源。但是，正如我们所看到的，类星体和其他活动星系不仅仅是点状能量源。它们还可以有长长的喷射流，这些喷射流发出无线电波、光，有时甚至是x光，并且远远超出了母星系的界限。我们能找到一种方法让我们的黑洞及其吸积盘也产生这些高能粒子喷射流吗？
喷气机电台
超大质量黑洞：类星体到底是什么
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类星体提供了令人信服的证据，证明我们生活在一个不断发展的宇宙中——一个随着时间而变化的宇宙。它们告诉我们，生活在数十亿年前的天文学家会看到一个与今天的宇宙非常不同的宇宙。不同红移（因此在宇宙进化的不同时间）的类星体数量向我们展示了这些变化是多么戏剧性（[链接]）。我们现在知道类星体的数量在宇宙只有现在年龄的20%的时候是最多的。
类星体的进化
20世纪90年代末，一旦黑洞质量开始被可靠地测量，他们就提出了一个谜。看起来中心黑洞的质量取决于星系的质量。星系中的黑洞似乎总是只有它们所在星系质量的1/200。这个结果在[链接]中示意性地显示出来，一些观察结果在[链接]中绘制出来。
黑洞与星系的相互依赖
让我们先看看周围的星系可能会如何影响黑洞的生长和大小。如果没有大量新鲜的“食物”，黑洞周围只会发出微弱的光，因为局部物质的碎片会向内螺旋向黑洞移动。因此，不知何故，大量的气体必须从星系找到通往黑洞的路，以便为类星体提供食物，使其生长并释放出被注意到的能量。黑洞的这些“食物”最初来自哪里，以及如何补充？陪审团仍未做出决定，但选择非常明确。
星系如何影响其中心的黑洞
我们已经看到，星系中的物质可以影响黑洞的生长。反过来，黑洞也可以影响它所在的星系。它可以通过三种方式做到这一点：通过它的喷流，通过设法从吸积盘流出的粒子风，以及通过吸积盘的辐射。当它们从黑洞流出时，这三种方式要么通过压缩周围的气体和尘埃来促进恒星的形成，要么通过加热周围的气体和粉碎分子云来抑制恒星的形成，从而抑制或阻止恒星的形成。流出的能量甚至足以阻止新材料的吸积，并使黑洞缺乏燃料。天文学家仍在试图评估这些影响在决定银河系膨胀的整体演化和恒星形成速度方面的相对重要性。
黑洞如何影响银河系中恒星的形成？
虽然类星体和星系之间的联系越来越清晰，但最大的谜团——即星系中的超大质量黑洞是如何开始的——仍未解决。观测表明，它们在宇宙非常年轻的时候就存在了。一个戏剧性的例子是发现了一个类星体，它在宇宙只有7亿岁时就已经在发光了。如此迅速地创造一个大黑洞需要什么？一个相关的问题是，为了最终建造包含超过20亿太阳质量的黑洞，有必要拥有质量至少是太阳2000倍的巨大“种子”黑洞——而且它们一定是在宇宙膨胀开始后不久产生的。
黑洞和星系的诞生
类星体作为宇宙进化的探测器
活动星系、类星体和超大质量黑洞
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超前思考
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天文学是为数不多的所有测量都必须在一定距离上进行的科学之一。地质学家可以对他们正在研究的物体进行采样；化学家可以在实验室里进行实验，以确定一种物质的成分；考古学家可以使用碳测年法来确定某样东西的年龄。但是天文学家不能拿起恒星或星系来玩。正如我们在本书中看到的，如果他们想知道星系是由什么组成的，以及它们在宇宙的整个生命周期中是如何变化的，他们必须解码到达地球的少量光子所携带的信息。
光谱、颜色和形状
除了观察我们能找到的最遥远的星系之外，天文学家还观察我们自己银河系最古老的恒星（我们可能称之为化石记录），以探索早期宇宙中发生的事情。由于恒星是星系发出的几乎所有光的来源，我们可以通过研究其中的恒星来了解很多关于星系演化的信息。我们发现的是，几乎所有的星系都包含至少一些非常古老的恒星。例如，我们自己的银河系包含球状星团，其中的恒星至少有130亿年的历史，有些可能甚至比那更久远。因此，如果我们将银河系的年龄算作其最古老组成部分的年龄，那么银河系肯定至少在130亿年前诞生。
第一代恒星
早在20世纪中叶，观测到所有星系都包含一些古老的恒星，这导致天文学家提出了这样一种假设，即星系在宇宙开始膨胀的时候就完全形成了。这种假设类似于暗示人类出生时是成年人，不必经历从婴儿期到青少年的各个发展阶段。如果这种假设是正确的，那么最遥远的星系应该有非常像我们在附近看到的星系的形状和大小。根据这种古老的观点，星系在形成后，应该只会缓慢变化，因为其中的几代恒星形成、进化和死亡。随着星际物质慢慢耗尽，新恒星的形成越来越少，星系将逐渐被更暗、更老的恒星所主导，看起来越来越暗。
不断变化的星系宇宙
对遥远星系的观测
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[link]显示了两个正在碰撞的星系的动态视图。这对星系中的恒星本身不会受到这一灾难性事件的太大影响。（请参阅天文学基础功能框为什么星系碰撞，但恒星很少碰撞。）由于恒星之间有很大的空间，因此两颗恒星之间直接碰撞的可能性很小。然而，随着两个星系相互穿过，许多恒星的*轨道*将发生变化，轨道的变化可以完全改变相互作用的星系的外观。[link]显示了一个有趣的碰撞星系画廊。巨大的环，恒星和气体的巨大卷须，以及其他复杂的结构可以在这种宇宙碰撞中形成。事实上，这些奇怪的形状是天文学家用来识别碰撞星系的路标。
兼并和自相残杀
星系合并是一个巨大的、引人注目的事件，它在数十万光年的尺度上完全重塑了整个星系，并可能引发恒星形成的大规模爆发，但星系内黑洞的增加也会扰乱和改变其宿主星系的进化。你在活动星系、类星体和超大质量黑洞中学到了一系列被称为*活动星系核*（AGN）的物体，所有这些物体都由超大质量黑洞提供动力。如果黑洞被足够的气体包围，一些气体会落入黑洞，在进入吸积盘的过程中被卷起，吸积盘是一个紧凑的漩涡漩涡，直径可能只有100 AU（我们太阳系的大小）。
活动星系核与星系演化
星系合并与活动星系核
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哈勃利用当时世界上最大的望远镜——威尔逊山上的100英寸和60英寸反射器进行观测。这些望远镜的视野很小：它们一次只能看到天空的一小部分。例如，用100英寸望远镜拍摄整个天空需要比人类寿命更长的时间。因此，哈勃取而代之的是在许多地区对天空进行采样，就像赫歇尔在他的恒星测量中所做的那样（参见《银河系的建筑》）。20世纪30年代，哈勃拍摄了1283个样本区域，在每张照片上，他仔细计算了星系图像的数量（[链接]）。
宇宙学原理
正如你所料，我们拥有最详细信息的宇宙区域是我们自己的本地邻居。事实证明，银河系是一小群星系中的一员，这些星系被称为本地星系，不要太有想象力。它分布在大约300万光年的范围内，包含大约60个成员。有三个大的螺旋星系（我们自己的，仙女座星系和M33），两个中间椭圆星系，以及许多矮椭圆星系和不规则星系。
本地组
像我们这样的小星系团在更远的距离很难被注意到。然而，还有更多的被称为星系团的实质性星系团，即使在数百万光年之外也更容易被发现。根据它们包含的星系数量，这种星系团被描述为*穷*或*富*。富星系团有数千甚至数万个星系，尽管许多星系相当暗，难以探测。
相邻组和集群
天文学家发现星系团后，自然想知道宇宙中是否还有更大的结构。星系团聚集在一起吗？要回答这个问题，我们必须能够在三维中绘制宇宙的大部分地区。我们不仅要知道每个星系在天空中的位置（那是二维），还要知道它离我们的距离（三维）。
超星系团和空隙
星系在空间中的分布
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在我们自己的太阳系里有暗物质吗？天文学家在前往外行星和更远的地方时，检查了已知行星和航天器的轨道。根据太阳系中已经发现的物体质量和引力理论预测的轨道没有发现偏差。因此，我们得出结论，没有证据表明附近有大量暗物质。
当地社区的暗物质
与我们靠近太阳和太阳系的地方相比，（正如我们在银河系中看到的那样）有充分的证据有力地表明，整个银河系中大约90%的质量是暗物质晕的形式。换句话说，暗物质显然比可见物质多9倍左右。天文学家在银河系明亮圆盘之外的外部区域发现了一些恒星，这些恒星围绕着它的中心非常快速地旋转。包含在银河系中的所有恒星和我们能探测到的所有星际物质中的质量并没有施加足够的引力来解释那些快速移动的恒星是如何保持在它们的轨道上而不飞走的。只有拥有大量看不见的物质，银河系才能抓住那些快速移动的外部恒星。其他螺旋星系也有同样的结果。
星系及其周围的暗物质
星系团中的星系也会绕着星系团的质心运动：它们围绕着星系团的质心旋转。我们不可能跟踪一个星系的整个轨道，因为这通常需要大约10亿年。然而，测量星系团中星系运动的速度是可能的，然后估计星系团中的总质量必须是多少，以防止单个星系飞出星系团。观察表明，仅靠星系的质量无法将星系团保持在一起——必须再次存在其他重力。星系团中暗物质的总量超过星系本身所包含的发光质量的十倍以上，这表明暗物质存在于星系之间和星系内部。
星系团中的暗物质
我们在《星系的性质》一书中描述了使用质光比来描述星系或星系团中的物质。对于主要包含旧恒星的系统，质光比通常为10到20，其中质量和光是以太阳的质量和亮度为单位测量的。质光比为100或更高是存在大量暗物质的信号。[链接]总结了各类物体的质光比测量结果。对于所有星系大小或更大的系统，都发现了非常大的质光比，这表明暗物质存在于所有这些类型的物体中。这就是为什么我们说暗物质显然构成了宇宙总质量的大部分。
质光比
我们如何弄清楚暗物质由什么组成？我们可能使用的技术取决于它的组成。让我们考虑一下一些暗物质由正常粒子组成的可能性：质子、中子和电子。假设这些粒子聚集成黑洞、褐矮星或白矮星。如果黑洞没有吸积盘，我们就看不见它们。白矮星和褐矮星确实会发出一些辐射，但是它们的亮度非常低，在超过几千光年的距离内是看不见的。
什么是暗物质？
暗物质的挑战
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我们已经看到，在遥远的过去，星系比现在更多，但更小、更蓝、更笨重，星系合并在它们的进化中起着重要作用。与此同时，我们观察到类星体和星系在宇宙不到10亿年的时候发出光——所以我们知道物质的大凝结至少在那么早就开始形成了。我们还在活动星系、类星体和超大质量黑洞中看到许多类星体在椭圆星系的中心被发现。这意味着一些最初的大物质浓度一定已经演变成我们在今天的宇宙中看到的椭圆星系。星系中心的超大质量黑洞和它们周围普通物质的球形分布似乎很可能是在同一时间通过相关的物理过程形成的。
星系是如何形成和成长的
如果单个星系似乎主要是通过在宇宙时间内引力将较小的碎片组装在一起而增长的，那么星系团和[链接]中看到的较大结构呢？我们如何解释那些显示星系分布在跨越数亿光年的巨大海绵或气泡状结构壁上的大比例尺地图？
形成星系团、超星系团、空洞和细丝
为了完成这一章，让我们把所有这些想法放在一起，讲述一个关于宇宙是如何形成它的样子的连贯故事。最初，正如我们所说，物质（发光和黑暗）的分布几乎是平滑和均匀的，但并不完全是。“不完全”是一切的关键。这里和那里的物质密度（发光和黑暗）略高于平均水平。
大局
宇宙中星系和结构的形成和演化
星系的演化与分布
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超前思考
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如果我们有一部宇宙膨胀的电影，并向后播放这部电影，我们会看到什么？在我们的电影中，星系不是分开，而是一起移动——越来越近。最终，我们会发现我们今天能看到的所有物质都曾经集中在一个无穷小的体积里。天文学家认为这个时间是宇宙的开始。这个集中的宇宙在时间开始时的爆炸被称为大爆炸（这是一个不错的术语，因为你不可能有比创造整个宇宙的爆炸更大的爆炸）。但是这个爆炸是什么时候发生的呢？
哈勃时间
只有在宇宙开始膨胀以来的整个时间内膨胀率保持不变的情况下，哈勃时间才是宇宙的合适年龄。继续我们的期末派对类比，这相当于假设你从派对回家的速度是不变的，而事实上情况可能并非如此。起初，你因为不得不离开而疯狂，可能会开得很快，但后来当你平静下来——想想高速公路上的警车——你可能已经开始减速，直到你以更容易被社会接受的速度（比如80公里/小时）行驶。在这种情况下，考虑到你一开始开得更快，回家的路还不到半小时。
减速的作用
天文学家花了几十年时间寻找膨胀正在减速的证据，但他们没有成功。他们需要的是1）更大的望远镜，以便测量更远星系的红移，2）非常明亮的*标准灯泡*（或标准蜡烛），即一些已知亮度的天体，它产生大量能量，可以在十亿光年或更长的距离内观察到。
普遍加速度
我们现在对宇宙从膨胀开始的年龄有一个估计。这个估计与其他观察一致吗？例如，最古老的恒星或其他天体是否比138亿年轻？毕竟，宇宙至少要和其中最古老的物体一样古老。
比较年龄
宇宙时代
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每个宇宙模型都必须包括我们观察到的膨胀。模型的另一个关键要素是宇宙学原理（我们在《星系的演化和分布》中讨论过）是有效的：在大尺度上，任何给定时间的宇宙在任何地方都是相同的（同质和各向同性）。因此，在宇宙时间的任何时代，膨胀率在任何地方都必须相同。如果是这样，我们在考虑膨胀时不需要考虑整个宇宙，我们可以只看它的任何足够大的部分。（一些暗能量模型允许膨胀率在不同方向上不同，科学家正在设计实验来测试这一想法。然而，在找到这样的证据之前，我们将假设宇宙学原理适用于整个宇宙。）
膨胀的宇宙
在天文学家了解暗能量或很好地测量宇宙中存在多少物质之前，他们就宇宙如何随时间演变建立了推测模型。[链接]显示了四种可能的情况。在这张图中，时间从底部向上向前移动，空间的尺度随着水平圆圈的变宽而增加。
扩建模型
我们可以总结我们到目前为止的讨论，说宇宙中正在进行一场“拔河”，在把一切分开的力量和把一切拉在一起的物质引力之间。如果我们能确定谁将赢得这场拔河比赛，我们将了解宇宙的最终命运。
宇宙拔河
在关于星系的章节中，我们讨论了如何利用哈勃定律来测量到星系的距离。但是这个简单的方法只适用于不太远的星系。一旦我们到达很远的距离，我们就会看到过去太远，以至于我们必须考虑到宇宙膨胀速度的变化。由于我们不能直接测量这些变化，我们必须假设宇宙的一个模型能够将大红移转换成距离。
遥远星系的年龄
宇宙模型
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说宇宙有一个开端（正如广义相对论方程式所暗示的那样）是一回事，描述这个开端又是另一回事。比利时牧师兼宇宙学家乔治·勒马特可能是第一个为大爆炸本身提出特定模型的人（[链接]）。他设想宇宙的所有物质都是从一个巨大的体积开始的，他称之为*原始原子*，然后分解成大量的碎片。这些碎片中的每一个都继续进一步分裂，直到它们成为宇宙中现在的原子，在巨大的核裂变中创造出来。在一篇关于他的理论的流行文章中，勒马特写道：“世界的进化可以比作刚刚结束的烟火表演——一些红色的缕缕、灰烬和烟雾。站在冷却良好的煤渣上，我们看到太阳慢慢消失，我们试图回忆起世界起源的光辉消失。”
思想的历史
让我们从大爆炸后的最初几分钟开始。三个基本概念是追踪宇宙刚刚开始后发生的变化的关键。第一个，正如我们已经提到的，是宇宙随着膨胀而冷却。[链接]显示了温度如何随着时间的推移而变化。请注意，这张图总结了从几分之一秒到几十亿年的巨大时间跨度。在一分之一秒的时间里，宇宙热得难以想象。0.01秒后，温度下降到1000亿（1011）K。大约3分钟后，温度下降到大约10亿（109）K，仍然比太阳内部热70倍。几十万年后，温度下降到仅仅3000 K，从那时起宇宙一直在冷却。
最初的几分钟
牢记这三个想法，我们可以追溯宇宙从大约0.01秒开始的进化，以及大约1000亿K的温度。为什么不从一开始就开始呢？迄今为止，还没有任何理论允许我们深入到大约10-43秒之前的时间（这个数字是一个小数点，后面跟着42个零，然后是一个1）。它太小了，我们无法将它与我们日常经验中的任何东西联系起来。当宇宙如此年轻时，它的密度如此之高，以至于广义相对论不足以描述它，甚至时间概念也被打破了。
早期宇宙的演化
当宇宙形成大约3分钟，温度降到大约9亿K时，质子和中子可以结合。在更高的温度下，这些原子核立即被高能光子相互作用炸开，因此无法存活。但是在开始后3到4分钟的温度和密度下，氘（质子和中子）持续的时间足够长，以至于碰撞可以将其中一些转化为氦（[链接]）。本质上，整个宇宙都在像今天的恒星中心一样运作——从更简单的成分中融合新的元素。此外，一点点元素3锂也可以形成。
原子核形式
我们可以从早期宇宙形成原子核的方式中学到很多东西。事实证明，宇宙中所有的氘（一个带有中子的氢原子核）都是在最初的4分钟内形成的。在恒星中，任何热到足以融合两个质子形成氘核的区域也热到足以进一步改变它——要么通过与高能光子的碰撞将其摧毁，要么通过核反应将其转化为氦。
向氘学习
宇宙的起源
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直到大爆炸后几十万年，当温度下降到大约3000 K，原子核的密度下降到大约每立方厘米1000个时，电子和原子核才设法结合形成稳定的氢和氦原子（[链接]）。由于没有自由电子散射光子，宇宙在宇宙历史上第一次变得透明。从这一点开始，物质和辐射相互作用的频率要低得多；我们说它们相互*解耦*并单独进化。突然间，电磁辐射真的可以旅行了，从那以后它就一直在宇宙中旅行。
宇宙变得透明
如果上一节中描述的宇宙模型是正确的，那么——当我们向宇宙外看去，直到很久以前——早期炎热宇宙的第一次“余辉”应该仍然是可以探测到的。对它的观察将是非常有力的证据，证明我们关于宇宙如何进化的理论计算是正确的。正如我们将看到的，我们确实探测到了在这个光子解耦时间发出的辐射，当时辐射开始在宇宙中自由流动，而不与物质相互作用（[链接]）。
宇宙背景辐射的发现
让天文学家担心的一个问题是彭齐亚斯和威尔逊正在测量充满地球大气层的背景辐射。如果大气层是无线电波的来源，或者以某种方式影响了他们的测量呢？从太空测量如此重要的东西会更好。
宇宙微波背景的性质
早在COBE发射之前，人们就知道CMB是极其*各向同性*的。事实上，它在各个方向上的均匀性是宇宙学原理的最佳证实之一——宇宙是同质和各向同性的。
招行的小差异
宇宙微波背景
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许多天文学家发现我们所描述的情况非常令人满意。几个独立的实验现在就我们生活的宇宙类型和它所包含的东西的清单达成了一致。我们似乎非常接近拥有一个几乎可以解释一切的宇宙模型。其他人还没有准备好跟上潮流。他们说，“给我看看我们无法直接探测到的宇宙的96%——例如，给我找到一些暗物质！”
什么是暗物质？
尽管暗物质在当今宇宙中可能难以捉摸，但没有它，星系不可能迅速形成。星系是从早期宇宙的密度波动中成长起来的，有些星系在大爆炸后大约4005亿年就已经形成了。WMAP、普朗克和其他实验的观测为我们提供了密度波动大小的信息。事实证明，我们观察到的密度变化太小，不可能在大爆炸后这么快就形成星系。在炎热的早期宇宙中，高能光子与氢和氦碰撞，并使它们移动得如此之快，以至于重力仍然不足以使原子聚集在一起形成星系。我们如何将这与星系确实形成并围绕着我们的事实相协调？
暗物质与星系的形成
在本章的前几节中，我们逐步追溯了宇宙的演变。天文发现在历史上一直遵循这条道路，因为新的仪器和新技术使我们能够探索更接近时间开始的地方。宇宙的膨胀率是通过对附近星系的测量来确定的。基于附近恒星和星系的氘、氦和锂丰度的确定被用来限制宇宙中普通物质的数量。星系中的恒星和星系团中的星系的运动只有在存在大量暗物质的情况下才能解释。对超新星爆炸的测量表明，自这些爆炸发生以来，宇宙的膨胀速度已经加快。对极暗星系的观察表明，星系在宇宙只有4005亿岁的时候就开始形成了。对CMB的观察证实了早期的理论，即宇宙最初非常热。
简而言之，宇宙
宇宙到底是由什么组成的？
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宇宙的许多特征只能通过进一步考虑CMB发射之前可能发生的事情来解释。标准大爆炸模型的一个问题是，它没有解释为什么宇宙的密度等于临界密度。毕竟，质量密度可能如此之低，暗能量的影响如此之高，以至于膨胀太快，根本无法形成任何星系。或者，可能有如此多的物质，以至于宇宙早就开始收缩了。为什么宇宙如此精确地平衡在临界密度的刀刃上？
标准大爆炸模型的问题
一些物理学家认为，宇宙的这些基本特征——它的平坦性和均匀性——可以解释为，如果在大爆炸后不久（以及CMB发射之前），宇宙的大小突然增加。发生这种快速早期膨胀的模型宇宙被称为膨胀宇宙。膨胀宇宙在第一个10-30秒后的所有时间都与大爆炸宇宙相同。在此之前，该模型表明有一段短暂的异常快速膨胀或膨胀时期，在此期间，宇宙的规模比标准大爆炸模型预测的增加了大约1030倍（[链接]）。
通货膨胀假说
虽然暴胀是一个有趣的想法，并被研究人员广泛接受，但我们不能直接观察宇宙这么早的事件。暴胀时的条件如此极端，以至于我们无法在实验室或高能加速器中重现它们，但科学家们对宇宙可能是什么样子有一些想法。这些想法被称为大统一理论或GUT。
大统一理论
通货膨胀的宇宙
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正如我们在本章中所描述的，CMB是宇宙几十万年前发出的辐射。观察表明，辐射的温度因地区而异，通常约为百万分之一度，这些温差预示着密度的微小差异。但是假设密度的微小早期波动要小得多。然后计算表明，它们附近的引力会非常小，以至于不会形成星系。
幸运事故
总而言之，我们看到宇宙中一套特定的规则和条件允许复杂性和地球上的生命发展。到目前为止，我们还没有理论来解释为什么会出现这组“正确”的条件。出于这个原因，许多科学家开始接受一个我们称之为人择原则的想法——也就是说，我们观察的物理定律必须是它们的样子，正是因为这些定律是允许人类存在的唯一定律。
必须是什么，必须是什么
人择原则
大爆炸
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超前思考
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大约50亿年前，这个宇宙附近的一团气体和尘埃在自身重量下开始坍塌。从这团云中形成了太阳及其行星，以及所有绕太阳运行的较小物体，如彗星（[链接]）。太阳的第三颗行星，随着冷却，最终允许在其表面形成大量液态水。
是什么让地球适合生命居住？
我们对天文学的研究告诉我们，过去每当我们声称地球在某种程度上是独一无二的，我们总是错的。伽利略利用新发明的望远镜技术向我们展示了地球不是太阳系的中心，而仅仅是围绕太阳运行的众多物体之一。我们对恒星的研究表明，太阳本身是一颗相当普通的恒星，像数十亿颗其他恒星一样，处于漫长的主序阶段的中途。我们在银河系中的位置似乎也没有什么特别之处，我们的银河系在它自己的群体或超星系团中的位置也不奇怪。
哥白尼原理
如果哥白尼原理应用于生命，那么生物学可能在行星中相当普遍。从逻辑极限来看，哥白尼原理还表明，像我们这样的智能生命可能是普遍的。像我们这样的智能有一些非常特殊的属性，包括通过应用技术取得进步的能力。围绕其他（更古老的）恒星的有机生命可能比我们在地球上早10亿年开始，所以他们可能有更多的时间来开发先进的技术，如在恒星之间发送信息、探测器甚至生命形式。
那么他们在哪里？
生命的宇宙背景
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虽然在地球以外的任何地方都没有发现生命的明确证据，但生命的化学组成部分已经在广泛的外星环境中被发现。陨石（你在《宇宙样本》和《太阳系起源》中了解到）被发现含有两种物质，它们的化学结构表明它们来自外星——氨基酸和糖。氨基酸是有机化合物，是蛋白质的分子组成部分。蛋白质是关键的生物分子，提供身体组织和器官的结构和功能，并基本上执行细胞的“工作”。当我们检查彗星周围的气体和尘埃时，我们还发现了许多有机分子——地球上与生命化学有关的化合物。
生命的基石
构成生命化学基础的碳化合物可能在宇宙中很常见，但从这些组成部分到活细胞仍然是一大步。即使是最简单的基因分子（细胞中携带遗传或遗传物质的基本功能单元）也包含数百万个分子单元，每个单元都以精确的顺序排列。此外，即使是最原始的生命也需要两种特殊的能力：一种从环境中提取能量的方法，以及一种编码和复制信息以忠实复制自己的方法。今天的生物学家可以看到这两种能力中的任何一种可能是在自然环境中形成的，但我们距离了解这两种能力是如何在最初的生命形式中结合在一起的还有很长的路要走。
生命的起源和早期进化
在我们太阳系、银河系和宇宙中数量惊人的物体中，有些可能有适合生命的条件，而另一些则没有。了解什么条件和特征构成了可居住的环境——一个能够容纳生命的环境——对于理解宇宙中可居住环境的广泛性和集中寻找地球以外的生命都很重要。在这里，我们从我们所知道的生命的角度讨论可居住性。我们将探索生命的基本要求，并在下一节中考虑地球上发现生命的所有环境条件。虽然我们不能完全排除其他生命形式可能具有基于碳和液态水替代品的生物化学的可能性，但“我们不知道的”生命仍然完全是推测性的。在我们这里的讨论中，我们关注的是化学上与地球相似的生命的可居住性。
宜居环境
在化学层面上，生命由许多类型的分子组成，这些分子相互作用以实现生命的过程。除了水、元素原材料和能量之外，生命还需要一个环境，在这个环境中，那些复杂的分子是稳定的（在它们发挥作用之前不要分解），它们的相互作用是可能的。你自己的生物化学只能在非常狭窄的范围内正常工作，大约在体温10摄氏度和血液pH值的十分之二（pH值是酸度或游离氢离子量的数字量度）。超过这些限制，你就处于严重的危险之中。
极端条件下的生活
天体生物学
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火星存在或曾经存在生命的可能性有着悠久的历史，可以追溯到19世纪末20世纪初，一些人声称在火星表面看到了“运河”。随着太空时代的到来，人们有可能通过一系列火星任务近距离解决这个问题。这些任务始于1964年机器人航天器首次成功飞越火星，并导致部署了有能力的漫游者，如好奇号和毅力号，并配备了寻找有机化学的仪器。
火星上的生命
外太阳系巨大的气体和冰巨行星——木星、土星、天王星和海王星——几乎可以肯定不适合我们所知的生命，但它们的一些卫星可能适合生命（见[链接]）。尽管这些外太阳系的世界含有丰富的水，但它们在遥远的轨道上接收到的温暖阳光如此之少，以至于长期以来人们认为它们将是“地质死亡”的冰冻岩石球。但是，正如我们在环、卫星和冥王星一章中看到的，外太阳系任务发现了一些更有趣的东西。
外太阳系的生命
在过去的二十年里，天文学最令人兴奋的发展之一是探测系外行星的能力——围绕其他恒星运行的行星。正如我们在恒星和行星形成一章中看到的，自1995年发现第一颗系外行星以来，已经确认了数千个探测到的行星，还有更多的候选行星尚未确认。其中包括几十颗可能适合居住的系外行星。这样的数字最终让我们能够对系外行星及其承载生命的潜力做出一些预测。大多数质量与太阳相似的恒星似乎至少拥有一颗行星，像我们这样的多行星系统并不罕见。这些行星中有多少可能适合居住，我们如何在那里寻找生命？
围绕其他恒星运行的宜居行星
我们的观测越来越多地表明，在宜居带内运行的地球大小的行星可能在银河系中很常见——目前的估计表明，超过40%的恒星至少有一颗。但是它们中有有人居住吗？由于无法将探测器送到那里取样，我们将不得不从这些遥远系统的光和其他辐射中得出答案（[链接]）。什么样的观测可能构成生命的良好证据？
生物标志物
寻找地球以外的生命
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伯纳德·奥利弗是一位对其他地方的生活有着持久兴趣的工程师，他对快速星际太空旅行的成本做了一个发人深省的计算。由于我们不知道我们（或其他文明）有一天会开发出什么样的技术，奥利弗考虑乘坐一艘装有“完美引擎”的宇宙飞船去最近的恒星旅行（然后再回来）——这种引擎可以以100%的效率将燃料转化为能量。即使有一个完美的引擎，以光速70%的单次往返旅行的能源成本也相当于美国几十万年的总电能消耗。这种旅行的成本简直超出了这个世界。
星际旅行
虽然生物的太空旅行似乎非常困难，但机器人探测器可以进行长距离和长时间的旅行。五艘宇宙飞船——两艘先驱者号、两艘旅行者号和新视野号——正在离开太阳系。以它们的滑行速度，它们需要数十万或数百万年才能接近另一颗恒星。另一方面，它们是人类技术超越我们家庭系统的第一批产品，所以我们想把信息放在船上，显示它们来自哪里。
关于航天器的消息
如果恒星之间不太可能进行直接访问，我们必须转向另一种联系方式：交换信息。这里的消息要好得多。我们已经使用了一种信使——光，或者更普遍地说，电磁波——它以宇宙中最快的速度在太空中移动。光以每秒30万公里的速度传播，仅在4年内到达最近的恒星，而且成本仅为发送物质物体的一小部分。这些优势是如此清晰和明显，以至于我们认为任何其他开发技术的智能生物都会拥有这些优势。
与星星交流
在决定无线电是智慧文明之间最有可能的交流方式后，我们仍然有许多问题和艰巨的任务摆在我们面前。我们是发送*信息，还是尝试*接收*信息？显然，如果每个文明都决定只接收，那么就没有人会发送，每个人都会失望。另一方面，我们从倾听开始可能是合适的，因为我们可能是银河系中最原始的文明之一，对交换信息感兴趣。
宇宙干草堆
尽管宇宙干草堆问题看起来令人生畏，天文学中的许多其他研究问题也需要大量的时间投资，设备和耐心的努力。当然，如果我们不搜索，我们肯定什么也找不到。
无线电搜索
由于上面讨论的原因，大多数SETI程序搜索无线电波长的信号。但是在科学中，如果有其他方法来回答一个未解决的问题，我们不想忽视它们。所以天文学家一直在思考其他方法，我们可以获得技术先进文明存在的证据。
无线电领域之外的SETI
我们的星球有一些无线电波泄漏到太空，从调频收音机、电视、军用雷达，以及地球和我们轨道航天器之间的通信。然而，这种泄漏辐射仍然相当微弱，因此很难在恒星的距离上检测到，至少用我们现有的无线电技术是这样。所以目前，我们与可能存在的其他文明交流的尝试主要包括尝试接收信息，但我们自己不发送任何信息。
除了倾听，我们还应该传播吗？
不管我们最终是否是银河系中唯一的智能物种，我们对宇宙的探索肯定会继续。探索的一个重要部分仍然是从有人居住的行星上寻找生物标志物，这些行星没有产生发出无线电信号的技术生物。毕竟，像蝴蝶和海豚这样的生物可能永远不会建造无线电天线，但是我们很乐意与他们分享我们的星球，也很乐意在其他世界找到他们的同类。
结论
寻找外星智慧
宇宙中的生命
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如何学习入门天文学课程
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探索天文学的网站
查看和下载天文图像的选定网站
适用于IOS和Android的最佳天文应用程序：https://www.digitaltrends.com/mobile/best-astronomy-apps/。
适用于智能手机和平板电脑的天文学应用程序
天文学网站、图像和应用程序
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在科学记数法中，我们一般同意小数点左边只有一个数字。如果一个数字不是这种格式，它必须改变。数字6已经是正确的格式，因为对于整数，我们理解它们右边有一个小数点。所以6真的是6。，小数点左边确实只有一个数字。但是数字965（也就是965。）在小数点左边有三个数字，因此转换的时机已经成熟。
写大数字
现在以0.00347这样的数字为例，它也不是科学计数的标准（同意）形式。要将其放入该格式，我们必须通过将小数点*向右移动三位*来使其第一部分为3.47。请注意，向右的运动与我们上面讨论的向左的运动相反。为了跟踪，我们将此变化称为负号，并在指数中添加负号。因此0.00347变为3.47×10-3。
写小数字
科学记数法不仅简洁方便，还简化了算术。要将两个表示为10次方的数字相乘，你只需要将前面的数字相乘，然后*添加*指数。如果前面没有数字，比如100×100,000，那么你只需添加指数（在我们的记数法中，102×105=107）。当前面有数字时，你必须将它们相乘，但是它们比里面有很多零的数字容易处理得多。
乘法和除法
练习
答案
科学符号
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公制长度最常用的量如下。
长度
虽然我们在地球上的日常生活中没有仔细区分，但严格来说，千克是质量单位（测量物体中物质的数量，大致上有多少原子），而磅是重量单位（测量地球引力对物体的拉力）。
弥撒
一般使用三种温标：
温度
科学中使用的单位
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天文学的一些有用常数
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行星的物理和轨道数据
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行星的精选卫星
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我们还包括*环形*的日食——月亮直接在太阳前面，但没有完全覆盖它——在黑暗的月亮边缘留下一圈光）
未来的日全食
未来的月全食
有关日食的更多信息和详细地图，请参阅这些资源。
额外资源
未来日全食
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最近的恒星、褐矮星和白矮星
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最亮的二十颗星
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化学元素
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星座
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