群星的法则：普林斯顿天文学家的宇宙通识课（第18届文津图书奖，BBC《仰望夜空》年度推荐，基础物理学突破奖得主力作） 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子版 mobi 在线

这是一本权威天文学家写给大众的宇宙通识读本。作者对现今人类掌握的宇宙知识娓娓道来，对天体物理发展史上的众多掌故如数家珍，笔触细腻而优雅。

本书从地球开始，由近及远，形象生动地讲述了太阳系、银河系、星系群、超星系团等天体系统，把它们等比例缩放，并与饼干、西瓜、篮球等类比；由浅入深，分别对星球、暗物质、空间、时间四个领域的天体物理研究成果做了详尽易懂的解读。

乔·邓克利在本书中，不仅以通俗的语言引导我们穿越天文学的历史，讲述每个阶段的曲折和惊喜，还着重讲述了那些被遗忘的女科学家，给予她们应得的赞誉和尊重。

引言 

章  我们在太空中的位置 

第二章  我们来自恒星 

第三章  见不可见

第四章  空间的本质

第五章  自始至终 

结语  展望未来 

教育资源 

参考文献 

致谢

乔·邓克利（Jo Dunkley）

当代女性天文学家，牛津大学天体物理学博士，现为普林斯顿大学物理学和天体物理学教授。她还是西蒙斯天文台规划委员会成员、鲁宾天文台的暗能量科学合作项目成员。她的主要研究领域为宇宙的起源和宇宙微波背景辐射。

她获得的荣誉有：2012年格鲁伯宇宙学奖、2013年麦克斯韦奖、2014年福勒天文学奖、2016年罗莎琳德·富兰克林奖、2018年基础物理学突破奖、2019年大英帝国勋章、2020年物理学新视野奖等。

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第三章 见不可见

借用一个带“星”字的比喻来说，恒星是宇宙中的“明星球员”。在地球上，太阳照亮了我们的白昼，其他恒星点缀了我们的夜晚。假设能将整个银河系尽收眼底，我们就会看到一个直径为10万光年的旋涡形盘状物，其中充满了恒星。相比之下，其他天体显得暗淡无光。但是，正如前文所述，我们正尝试着去发现越来越多遥远的行星。而且除此之外，宇宙中还存在着许多别的东西，其中有一些用对可见光敏感的望远镜基本上是看不见的，还有一些则根本不可见。

气体、尘埃与星系类别

前文中提及的气体和尘埃也在宇宙中重要的附属成分之列。银河系中的大部分气体都位于各旋臂上的云团中，新的恒星便是在这些地方诞生的。其中有许多气体在数十亿年前银河系形成之时就已存在，也有一些是来自死亡恒星的残留物。正如前一章中所述，作为恒星摇篮的气体云温度极低，达到了零下200多摄氏度。它们固然会发出少量的可见光（这是由包裹在内的恒星散射出来的），但要想看到它们，好的方式还是通过射电望远镜及红外望远镜。整个银河系中还有一些更为炽热的气体，被附近的恒星加热到了上百万摄氏度的高温。其中主要是氢气，但这些原子的温度太高，因而被分解成了更小的组成部分，即质子和电子。这一过程被称为气体的“电离”，因为离子指的是带电荷的粒子，如内有质子的氢原子核。这些高温气体发出的主要是X射线，它们进一步向外扩散，甚至比银河系恒星的分布范围还要广阔，形成了一团暗淡的气体晕轮，将银河系笼罩在内。

在整个银河系中还散布着微小的宇宙尘埃颗粒，这种尘埃和我们家里常见的灰尘大不相同。地球上的灰尘颗粒直径可达0.1毫米，小的也有0.001毫米左右；大多数的宇宙尘埃都要比这些更小，有时其直径仅相当于几十个原子的宽度，大小更接近于烟雾中的微粒。这些尘埃颗粒是由包含碳和硅等各种元素的混合物构成的，我们认为，它们是在古老的巨大恒星

中形成的，在恒星走到生命的尽头时被喷射到了太空中。在银河系里，尘埃无处不在，不过大多数尘埃也像恒星和气体一样，聚集在密度较大的旋臂中。当新恒星诞生时，有些尘埃会与作为恒星摇篮的气体混合在一起，终形成新的行星。

与气体一样，这些微小的尘埃颗粒也可以被其周围的星光加热，而这样的热量会产生红外线。我们现已拍摄到了相邻星系的美丽照片，其中就有毗邻的仙女星系。这些照片是用红外望远镜（包括NASA的史匹哲太空望远镜）拍下的。就仙女星系而言，上述照片提供了一个与标准照片截然不同的视角，在新恒星形成的地方显示出了螺旋形的尘埃臂。我们也可以用红外望远镜来为银河系拍摄类似的照片，但因为拍照的位置还在本星系内，所以我们始终没有机会一次性看清完整的银河系。

气体和尘埃固然是银河系中重要的组成部分，不过，假如将所有的恒星、气体、尘埃和行星的质量想象成一袋一千克重的面粉，大约能装满八个杯子，那么所有的气体质量只占一个杯子，而尘埃质量还不到半勺。银河系中虽有数十亿颗行星，但这些行星的质量仅相当于一小撮面粉而已。这袋面粉里剩下的就全是恒星的质量了。

在银河系的正中央，还潜藏着一个巨型天体，它甚至比气体和尘埃还要难以探测。这是一个巨大的黑洞，比太阳要重几百万倍，比第二章中提及的在巨型恒星的生命终结时遗留下的黑洞（可能只比太阳重几倍，或者顶多100倍）要大得多。我们尚不清楚位于银河系中心的这个黑洞比别的黑洞重这么多的原因。它一开始或许只是个普通黑洞，逐渐吞噬了周围所有的气体，变得越来越重；或者它一开始是一颗巨大的恒星，然后迅速坍缩成了一个黑洞；又或者是多个黑洞合并成了一个。

我们现在还不了解这个黑洞的历史，却知道它必定就在那里，因为可以看到一颗颗恒星正围绕着银河系中心一个看不见的物体飞行。来自加利福尼亚大学洛杉矶分校的美国天文学家安德烈娅·盖兹正率领着一个研究团队，利用位于夏威夷冒纳凯阿山上的10米口径凯克望远镜来研究银河系的中心。他们使用了一台可以观测红外线的相机，以便透过其周围的尘埃来观察恒星。银河系中心的黑洞被称为“人马座A*”，20多年来，她和她的团队一直在追踪这个黑洞周围的恒星运行的路径。牛顿的万有引力定律告诉我们，天体的质量越大，物体围绕其运行的速度就越快。盖兹的团队已经计算出，人马座A*必定具备强大的引力，其质量大约相当于太阳的400万倍，并被压缩到极小的体积，唯有如此，才能使附近的恒星以这么快的速度绕其运行。

宇宙中所有其他的星系组成都与银河系相似，而且我们认为，许多星系的中心都有巨大的黑洞存在。不过，各星系中恒星、气体和尘埃所达到的平衡有所不同，这取决于星系的类型，而且每个星系呈现出的形状也不一样。我们尚未完全理解星系的形状是如何形成的，又是如何随着时间的推移而演变的，但早在1936年，埃德温·哈勃便将星系分成了三类，并在他的著作《星云世界》中进行了阐述。类是旋涡星系，比如银河系和毗邻的仙女星系，平时常观测到的就是这类星系。旋涡星系是由恒星形成的一个旋转的盘状物，各旋臂在中央位置汇聚成更为庞大的凸出部分。在许多旋涡星系中，这个凸出的部分有所拉长，成了顺着中央延伸的密度更大的棒旋星系。

第二类是椭圆星系（图3.1）。这些星系是由恒星聚集而成的球状物，被压扁或挤压成了各不相同的形状，有的是球体，有的像被拉长的橄榄球，有的像被压扁的糖豆。在椭圆星系当中，有许多可能是已有的星系发生碰撞后形成的，所以终会变得比旋涡星系大很多倍。许多年以后，等到银河系与仙女星系发生碰撞时，地球终很可能也会置身于一个椭圆星系中。

这些碰撞致使椭圆星系中的恒星经常朝着任意方向运动，而不是像在旋涡星系中那样旋转。椭圆星系中的气体和尘埃也比旋涡星系中少得多，因而基本不再形成新的恒星。在这些星系中，质量较大、寿命较短的白色恒星和蓝色恒星在很久以前便已消失，因此，主要存在的恒星都是质量较小、寿命较长的红色恒星。

第三类是不规则星系，它们既非旋涡星系，也非椭圆星系。与我们相邻的小星系——麦哲伦星系就属于这种类型，边界不清，状如星云。

星系之间的间隔并不规律。正如章中所述，星系聚集在一起，形成星系群与星系团，又进一步聚集成超星系团。不过，假如我们想象一下，让所有星系在整个宇宙中均匀分布，我们就会发现星系之间的距离相隔几百万光年。记住，星系的直径可能约有10万光年，所以平均而言，星系之间相隔的空间比每个星系的直径要大10到100倍。这些空间并不完全是空无一物的。温度高达上百万摄氏度的炽热气体不仅包裹着每个星系，也充斥于星系团中各个星系之间的空间，通常按在相当于鞋盒那么大的空间里有几个质子和电子这样的比例分布。我们无法使用光学望远镜来观察这种气体，但如果借助 X 射线来看的话，它就会显得很明亮。天文学家尚未完全理解这些气体是如何分布到那些地方去的，但其范围极大，以至于将所有星系里恒星中的原子加在一起，也仅占到可观测宇宙中所有原子数量的5%左右。

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假设将地球压缩到一颗小胡椒粒的尺寸，直径仅有几毫米，在相同的压缩比例下，太阳的大小就相当于一个篮球，直径比地球要大上 100 倍左右（图 1.3）。现在，假如把篮球大小的太阳摆放好，找出地球应当处于什么位置，我们或许会以为它距离太阳很近。实际上，却需要大步迈出 26 步，才能从太阳走到胡椒大小的地球，这个距离相当于整整一个网球场的长度。在真实的地球和太阳之间只隔着两颗小小的行星——金星和水星。在这样一个模型中，水星距离太阳有 10 步，而大小相当于胡椒粒的金星距离太阳则有 19 步。

要到达位于我们外侧的几颗行星那里，就需要走上很长一段路了。假设地球相当于一颗胡椒粒的话，火星的大小就相当于半颗胡椒粒，从地球出发要多走 14 步才能到达火星。木星是体积最大的一颗行星（相当于一粒大葡萄），从火星出发差不多要再走上 100 步才能到达。木星与太阳的距离相当于日地距离的 5 倍，或者说是 5 个网球场连在一起的长度。再往前走100 步出头，就到达了土星，它的大小相当于一粒橡子，其与太阳的距离是地球与太阳距离的 10 倍。天王星和海王星与太阳的距离分别相当于地球与太阳距离的 20 倍和 30 倍。海王星的尺寸与天王星相似，大概有葡萄干那么大，离篮球大小的太阳差不多有 800 米远，得走 800 步左右，步行时间大约需要 10 分钟。你可以毫不费力地把上述大小的所有行星全都握在手中；太阳系里的其他地方几乎空无一物。

银河系确实相当浩瀚。光从银盘的一边到达另一边大约需要 10 万年，从顶端到底端大约需要 1000 年。请记住，光仅需要“短短”数十年就能穿过整个太阳系邻近空间，穿过太阳系更是只需数十小时而已。现在，假如把整个银河系压缩进上文中提到的那个篮球场（之前容纳了太阳系邻近空间的那一个）里，我们就会发现，太阳系邻近空间缩小到了仅有一颗胡椒粒那么大。它会在场内沿着顺时针方向移动，大约在从场地中心到边缘的中点位置。

整个本星系群的直径约为 1000 万光年，大约相当于银河系直径的 100 倍。除了银河系，本星系群中只有一个大星系——仙女星系，同样是个旋涡星系。它与我们的距离超过 200 万光年，比小麦哲伦星系要远 10 倍还不止。仙女星系的直径约为 20 万光年，包含了上万亿颗恒星。现在，假设想象一下，把本星系群压缩到前文中反复用来举例的那个篮球场那么大，银河系大概只有一张 CD 那么大，而仙女星系的尺寸则相当于一个大锅盖，两者之间的距离大约有 3 米。假如用这样的比例来衡量，那大麦哲伦星系差不多有一粒葡萄那么大，而小麦哲伦星系则只有一粒花生米那么大。

不过最近，人们又对室女座周围的超星系团中星系的运动进行了更深入的探索，结果表明，本超星系团的边界应该重新向外划定。如此一来，室女座超星系团只不过是体量庞大得多的一个超星系团的一角而已，这个超星系团被称为“拉尼亚凯亚”，在夏威夷语里意为“无尽的天堂”，它将室女座超星系团与另外三个之前被视为超星系团的天体结合到了一起。拉尼亚凯亚超星系团的范围大约是室女座超星系团的 5 倍，其形状并不规则。假设拉尼亚凯亚超星系团相当于篮球场大小的话，那本星系群不过相当于一个西瓜而已。拉尼亚凯亚超星系团是否可以界定为超星系团仍有待确定，2015 年的一项研究表明，其中的各个星系和星系团未来可能会分道扬镳。

天文学家已经计算出，无论是哪一个方向，宇宙的范围都远至约 500 亿光年之外。这个范围远超过 140 亿光年（这是光在现今所知的宇宙生命周期内所能走过的距离），因为在这段时间里，空间一直在膨胀。因此，可观测宇宙呈球形，以地球为中心。当然，这并不是说我们的实际位置处于宇宙的中心；根据定义，我们只是处于能观测到的这部分宇宙的中心。现在，假如我们想象一下，把整个可观测宇宙压缩进那个篮球场里，那位于中心位置的本超星系团拉尼亚凯亚大概就只有一块饼干那么大了。

编辑推荐

★普林斯顿天文学家力作

作者是普林斯顿大学物理学和天体物理学教授，工作于天文台和教学一线，获得了基础物理学突破奖、物理学新视野奖、麦克斯韦奖、大英帝国勋章等荣誉，具备权威的科学素养与教学经验。

★通俗而优雅，图文并茂

一本由浅入深的天文学指南，文笔细腻优美，用有助于大众理解的方式讲解天文学发展史和天体物理研究成果，配以简单易懂的图片，干货满满。

★名人媒体广泛赞誉

英国皇家天文学家马丁·里斯、苏格兰皇家地质学会会长伊恩·斯图尔特等科学界大佬鼎力推荐；BBC《仰望夜空》《自然》《出版商周刊》《福布斯》《星期日邮报》等媒体一致好评。

★为科学界女性群体发声

作为当代女性科学家的优秀代表，作者在讲述天文学发展史的同时，重点讲述了天文学界近乎被遗忘的女性工作者，以及她们的职业生涯和成就。

媒体评论

乔·邓克利是一位国际知名的宇宙学家，也是一个很好的解读者。这本书精彩地传达了我们对宇宙的了解，以及我们在未来几十年可以期待的令人振奋的进步。

——马丁·里斯，英国皇家天文学家、《DK宇宙大百科》作者

本书是对天文学界当前所持太阳系和宇宙理论清晰易懂的解读，权威、信息丰富、优雅。

——伊恩·斯图尔特，苏格兰皇家地质学会会长、《BBC科普三部曲》作者

这本书简直是一流的——写得很漂亮，非常清晰。它包含了近所有的主要结论，并指出了现在正在建造的望远镜可能会发现什么。

——约瑟琳·贝尔·伯奈尔，前英国物理学会会长

这本充满智慧的宇宙指南囊括了无数的发现。天体物理学家乔·邓克利从地球飞到可观测的极限，探索恒星生命周期、暗物质、宇宙演化历史。

——《自然》杂志 

一本引人入胜、通俗易懂的宇宙指南，涵盖了从大爆炸和批恒星的“宇宙黎明”到正在进行的对系外行星及暗物质和能量的搜索……邓克利让读者对宇宙及其中发现的奇迹尽收眼底。

——《出版商周刊》

邓克利的这本书将观测宇宙学与坚实的理论框架相结合，带我们踏上了宇宙之旅……这是任何未来的观测或理论天体物理学家都喜欢的书。 

——《福布斯》杂志

前言

在晴朗的夜晚，我们头顶的天空美得动人心弦，不仅挂满繁星，还洒满了皎洁、变幻的月光。周围越暗，我们能看到的星星也就越多，从几十、几百颗到上千颗。我们可以识别出天上熟悉的星座图案，看它们随着地球的自转在天空中缓缓移动。我们能看见的明亮的光来自行星，在恒星组成的背景衬托下，它们夜复一夜地改变着方位。大多数星星的光芒看起来都是白色，但我们即便用肉眼观测，也能发觉火星微红的色调，以及如猎户座中参宿四等恒星发出的红光。在为澄澈的那些夜晚，我们可以看到银河的光带，在南半球还能目睹大、小麦哲伦星云发出的两抹微光。

除了美学上的魅力，长久以来，在世界各地，夜空还一直是人类心目中的奇迹和神秘之源，激发着人们去思考：行星和恒星究竟是何物？位于何处？在头顶的天空呈现出的更为恢宏壮阔的图景中，地球上的我们又处于何种地位？天文学的宗旨就是要为这些问题寻找答案，它是古老的科学学科之一，自古希腊以来就一直在哲学探究中占据着核心位置。天文学的字面意义是“群星的法则”，它是对地球大气层之外一切事物的研究，也是对这些事物为什么会有如此表现的探索。

千百年来，人类早就在以某种形式进行天文学方面的实践，我们对夜空中的图案和变化加以追踪，并试图理解其中有何规律。在人类历史的大部分时间里，天文学一直局限于研究那些肉眼可见的天体，例如月球、太阳系中那些明亮的行星、相距不远的恒星，以及某些转瞬即逝的过客，比如彗星。在400年之前，人类已经能够借助望远镜更深入地观测太空，这开阔了我们的视野，让我们得以研究其他行星周围的卫星、远比肉眼可见的亮度更为昏暗的恒星，以及恒星诞生时的气体云。20世纪时，我们已经放眼于自身所在的银河系之外，从而得以发现众多星系，并对其加以研究。在过去的短短数十年里，望远镜及用于抓拍照片的摄像头在技术上都取得了发展，于是天文学家便将我们的天文视野进一步推向了更远的地方。如今，我们可以观测到数以百万计的星系，研究诸如爆炸的恒星、坍缩而成的黑洞和相互碰撞的星系等现象，并能在其他恒星周围发现全新的行星。与此同时，现代天文学仍在继续为千百年前那些古老的问题寻觅答案：我们是如何在地球上出现的？我们在比地球更为宏大的家园中处于怎样的地位？地球在遥远的将来会有怎样的命运？其他行星上是否可能有不同形式的生命存在？

已知早的天文记录是以雕刻骨棒的形式记录了月亮的月相变化，有超过两万年的历史，在非洲和欧洲被当作古代历法来使用。考古学家在爱尔兰、法国和印度等国均发现了五千年前的洞穴壁画，其中记录了在天空中发生的不寻常事件，包括月食、日食及突然出现的明亮星体。也有某些古代遗迹的年代可以追溯到那一时期，包括英国的巨石阵，它可能被当时的人们用作天文台，来观测太阳和星星。在天文学方面年代早的书面记载来自苏美尔人及后来生活在美索不达米亚（位于今伊拉克及附近地区）的巴比伦人，其中包括早的星表——早在公元前12世纪左右就被刻在泥板上。在公元前数百年间，中国和希腊的天文学家也颇有作为。

虽然这些早的天文学家仅仅用肉眼作为观测工具，但早在公元前数百年，巴比伦人已经可以辨别出移动的行星，将其与固定不动的恒星背景区分开来，并夜复一夜地将它们的位置仔细绘制成图。他们开始系统性地撰写天文学日记，从而发现了行星运动及夜空中发生某些特殊事件（比如月食）的一般规律。没有人确切地知晓夜空中的这些天体和事件究竟是怎么回事，但他们却可以建立起数学模型，借以预测各行星和月亮会在哪里出现。

尽管取得了这些长足的进步，但关于天体是如何形成的，又是由什么组成的，人们仍旧难以确定。地球和太阳到底哪一个才是万物的中心？许多年后，世人才领悟到，其实两者都不是万物的中心——宇宙并没有中心。公元前4世纪，在包括柏拉图在内的早期希腊天文学家和哲学家的思想基础上，希腊哲学家亚里士多德提出了一个模型，认为地球位于宇宙的中心，有若干亘古不变的同心圆轨道以地球为中心，而太阳、月亮、行星和恒星都在这些同心圆轨道上运行。亚里士多德推测，天空和地球无论在构成还是性状上都不一样，在他的想象中，这些天球是由透明的第五元素“以太”构成的。

公元前3世纪，希腊天文学家阿利斯塔克提出了另一种观点：太阳或许才是万物的中心，是太阳的光辉照亮了月亮。这个“日心说”模型可以更好地解释人们观测到的行星运动及其亮度的变化。虽然时至今日，我们知道这个模型相对较为准确，至少对我们的太阳系来说是如此，但在阿利斯塔克有生之年，他的天文学理念却遭到了否定，需要再过一千多年才为世人所接受。支持“地心说”的人赞同宇宙以地球为中心的观念，他们掌握着一些表面上非常有力的论据。举例来说，假如地球在运动，那我们在运动中的地球上观察的视角也会随之变化，为什么恒星之间的相对位置却没有改变呢？事实上，恒星之间的相对位置确实发生了变化，但由于恒星间的距离极为遥远，所以其相对位置的变化也微不可察。阿利斯塔克虽然提出了这样的猜测，却无法加以证明。

错误的“地心说”模型在被克罗狄斯·托勒密采纳后盛行于世。托勒密是公元2世纪的一位学者，生活在罗马人统治下的埃及亚历山大城，备受世人推崇。他撰写了年代早的天文学书籍之一：《天文学大成》。该书详细描述了由已知恒星组成的48个星座，还包含了若干表格，可以借此来判定行星过去和预测行星未来在夜空中所处的位置，其中有许多内容都取自一份包含近千颗恒星的星表，该星表的编成年代更早，由希腊天文学家希帕克编纂。托勒密在《天文学大成》一书中宣称，地球必定居于万物的中心。由于他具有极大的影响力，所以千百年间，这种思想一直占据着主导地位。在此后的若干年里，《天文学大成》都充当着主要的天文学教科书，并由随后的一代又一代天文学家对其加以扩充。

中世纪时期，天文学所取得的进步大多发生在远离欧洲和地中海的地方，尤其是波斯、中国和印度。公元964年，波斯天文学家阿卜杜勒-拉赫曼·苏菲撰写了《恒星之书》，其配有精美的插图，以阿拉伯语书写而成，以星座为单位对恒星进行了详细阐述。该书综合了托勒密所著《天文学大成》中的星表和星座，以及阿拉伯传统天文学中根据星星组成的图案描绘的虚构物体或生物，还首次记载了邻近的仙女星系，当时，该星系被世人视为外观不同于普通恒星的一团光斑。公元10世纪，他的同胞、天文学家阿布·萨伊德·西伊齐提出地球绕轴自转，这与托勒密认为地球固定不动的观点背道而驰。1259年，博学的通才学者纳西尔·艾德丁·图西在今阿塞拜疆的山丘上（当时位于波斯境内）建起了一座研究中心——壮观的马拉盖天文台。这座天文台不仅吸引了本国天文学家，也引来了叙利亚、安纳托利亚和中国的天文学家，他们纷纷在此对行星的运动和恒星的位置进行详细观测。

在16世纪和17世纪，天文学迎来了一场伟大的革命。1543年，波兰天文学家尼古拉·哥白尼出版了《天体运行论》，提出地球除了绕轴自转，还必定与其他行星一起围绕太阳运行。他的观念遭到了罗马教会的强烈谴责，被视作异端邪说。经过众多关键人物的不懈努力，加之多年来取得的全新观测成果，这一观点才终被世人接受。这一重大进展是伴随着17世纪早期望远镜的发明而取得的。

视觉的产生依赖光。能收入眼中的光越多，能看到的距离也就越远。从某种意义上来说，望远镜就是一个比人眼庞大得多的集光器，让我们得以更深入地观察黑暗的太空，更细致地看清它的各种特征。1609年，意大利天文学家伽利略·伽利雷首次将望远镜对准了天空，他用的是自行制作的一台简单粗糙的望远镜，可以将平时看到的天空放大20倍左右。这已足以让他看木星也有自己的卫星，在木星的任意一边都可以看到若干光点，它们的位置会随其运行而改变。倘若不借助望远镜或现代的双筒望远镜，就看不见木星的卫星，它们的光太过微弱，单凭肉眼是永远无法发现的。

1610年，伽利略发表了有关木星那几颗卫星的观测结果，附上了木星凹凸不平的表面的若干细节，以及他发现的用肉眼看不见的暗淡恒星。上述内容均收录在他广为流传的小册子《星空信使》中。他在书中对哥白尼的观点表示支持，而木星卫星的发现也为他提供了论据：它们可以作为明确的证据，证明确实有不围绕地球运行的天体存在。不幸的是，伽利略的证据并没有说服教会：教会仍然激烈反对哥白尼对宇宙的描述，并对伽利略表示谴责，将他软禁在家中，直至去世。

尽管遭到了教会的反对，但天文学家仍在不断取得进步。1609年，支持哥白尼和伽利略观点的德国天文学家约翰内斯·开普勒证明：所有行星都在沿轨道绕太阳运行，轨道的形状均为椭圆形。他还发现，行星的运行遵循着一种特殊的模式，即行星和太阳的距离与其围绕太阳公转的周期具有相关性，行星距离太阳越远，公转一圈所需的时间就越长，但距离和运行时间的增速并不相同：若行星与太阳的距离变为原先的两倍，那么绕太阳运行所需的时间就变为原先的近三倍。到了17世纪后期，英国物理学家艾萨克·牛顿于1687年出版了知名著作《自然哲学的数学原理》，并在该书中提出了万有引力定律，对上述那种模式做出了解释。他的定律指出，凡是有质量的物体都会对其他物体产生吸引，物体的质量越大，彼此的距离越近，这种引力就越强。如果距离缩短为原来的一半，受到的引力就会增加到原来的四倍，沿轨道运行的时间也会随之缩短。他的定律解释了开普勒观测到的规律，即行星和太阳围绕着共同的质心运行，并表明自然法则在天空中与在地球上发挥着相同的作用。此时，观测结果与理论设想相符了，终，不同于托勒密“地心说”的“日心说”模型在世界范围内得到了重视。地球确实是围绕着太阳运转的。

19世纪，由于1839年路易·达盖尔发明了摄影术，天文学迎来了第二次革命。在此之前，天文图都只能用手工绘制，这就不可避免地产生了较大的误差。相机不仅能更好地测出天体的位置和亮度，还可以设置为长时间曝光模式，这样相比于肉眼就可以采集到更多光。1840年，英裔美国科学家约翰·威廉·德雷珀拍摄了张满月照片。1850年，威廉·邦德和约翰·亚当斯·惠普尔在哈佛大学天文台拍下了张系外恒星（包括织女星）的照片。分光镜是在19世纪50年代被发明的，这个装置可以将通过望远镜看到的光按波长的不同区分开（第二章会对此详加阐述）。这些进步使得天文学家有能力为银河系中数量众多的星体编制星表，涵盖的内容包括其位置、亮度和颜色。

到了20世纪早期，天文学家制造出了更大的望远镜，用来观测更遥远的太空。与此同时，我们对物理学的认识也取得了重大进展，如阿尔伯特·爱因斯坦提出了广义相对论，马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔、埃尔温·薛定谔、沃纳·海森堡等人创立了量子力学。这些新的理论帮助天文学家在理解太空中的物体及空间的本质方面取得了重大进展。1923年，埃德温·哈勃发现银河系只不过是宇宙中的众多星系之一；1925年，塞西莉亚·佩恩-加波施金发现恒星主要是由氢气和氦气（我们在章、第二章中都会详细了解到它们）构成的。以上都属于广为人知的突破。

20世纪有两项技术进步尤其值得注意，这两项进步都诞生于美国新泽西州的贝尔电话实验室公司，这家研发公司一般被世人称为“贝尔实验室”。项重大技术进步是：卡尔·央斯基在1932年发现，来自太空中天体的无线电波是可以观测到的，这就为我们了解宇宙打开了一扇全新的窗。此后，20世纪60年代，这扇窗又进一步扩大，将其他类型的不可见光也纳入了观测范围。第二项重大技术进步则发生在1969年，威拉德·博伊尔与乔治·史密斯共同发明了电荷耦合器件，简称CCD。该器件利用电路将光转换为电子信号，从而产生了数码相机中我们熟悉的数码图像。它们比摄影胶片更敏感，天文学家可以借此拍摄到太空中更暗淡、更遥远的物体。

就在过去短短几十年间，天文学在技术、理论和运算方面都取得了长足的进步，使我们达到了现有的知识水平。如今，我们已将目光投向了可观测宇宙遥远的边缘，发现了银河系之外亿万的星系，并且对我们自身所处的太阳系的形成方式做出了清晰明了的阐述。本书的主旨在于梳理现今对宇宙的认识是如何逐步获得的，并讲述现今所知的关于宇宙运作方式的众多奇妙故事。

多年以来，随着天文学范围的扩大，天文学家的实质也发生了变化。“天文学家”一词仍然是使用得为普遍的称谓，用于称呼那些对太空中所见之物加以研究和解释的人，但也有一些其他的称谓。我们当中有一部分人并不自称为“天文学家”，而是自称为“物理学家”。一般来说，两者的区别在于天文学家研究的是天空，是对太空中的事物进行观测；物理学家则是对发现自然规律感兴趣的科学家，这些规律描述的是万物（也包括太空中的物体）的表现和相互作用。这两种类型的科学家之间存在很大的重叠性，而且没有明确而快速的方法来界定其界限。他们当中有许多人既是天文学家，又是物理学家，而世人往往用“天体物理学家”一词来指称跨界从事这两项科学工作的人。根据所研究的问题不同，天文学家也可分成不同的类型，有些着重研究恒星的内部运作，有些专注于研究星系整体及其发展演化的方式。而宇宙学领域研究的对象是整个宇宙空间的起源和演变。对系外行星的研究是天文学中发展迅速的分支之一，即研究太阳系之外的恒星周围的行星。

如今，天文工作者既有专业人士，也有业余爱好者。过去，这两类群体之间的差别较小。托勒密、哥白尼和伽利略都曾研究过众多学科。他们及其后继者所研究的学科可谓五花八门，除了天文学，还包括植物学、动物学、地理学、哲学、文学等。时至今日，在天文学方面的新发现绝大部分只能借助专业级的望远镜来取得，而专业级望远镜对个人来说过于昂贵，体积也过于庞大，个人无法操作。现在，要详细解读通过这些专业级望远镜看到的现象，可能过了以往任何一个时期。

除了专业人士，业余爱好者也仍旧发挥着重要作用。小型望远镜在进行特殊观测时仍有其价值，尤其是在遇到不同寻常的突发事件时，需要利用它迅速对天空进行观测追踪。此外，也需要业余爱好者来协助对天体进行分类，他们可以利用大型望远镜拍摄下来并分享到网上的图像来进行这项工作。对规模不大的专业组织而言，需要处理的数据量往往过大，而在许多需要仔细识别特征（尤其是异常特征）的任务上，人仍然比计算机更具优势。在过去10年间，天文爱好者已然发现了新的围绕其他恒星运转的行星，以及意想不到的新的星系类型。

现代天文学将我们的视野扩展到了太阳系及邻近恒星之外，不仅在空间上具备了恢宏的尺度，在时间上也同样如此。我们依靠光来获得研究太空的途径：我们等待光从遥远的地方传来，之所以能看到太空中的物体，要么是因为它们本身会发光，要么是因为它们反射着来自其他光源的光。我们看见的是这些物体在光发出时的样子，这就为对太空的观测增添了另一个维度：时间。光传播的速度极快，比高速公路上的汽车要快约1000万倍。也就是说，如果你观察的是近的一盏灯（距离或许仅有短短的几米），那你看到的就是灯在非常短的时间前发出的光，在这种情况下，时间几乎无关紧要。如果你观察的是大约38万千米外的月球，那么光从月球到达地球时已经过去了1秒多的时间。照射到地球上的太阳光是约8分钟前发出的。星光发出的时间则要比月光和阳光早得多。即便是距太阳系近的恒星，发出的光也要经过约4年时间才能传到地球上来。当我们仰望群星的时候，其实是在回顾过去。

这是一份不可思议的礼物。我们可以看到部分宇宙空间多年前的模样，光的源头距离越远，所能回溯的时间也就越早。如果你观察的是猎户座里需要经过多年的训练。这就意味着我们需要专业的天文学家，在其职业生涯中，除了研究宇宙几乎不再从事什么别的工作。我们得到了大学和政府的支持，也越来越多地得到慈善家的帮助。近年来，这一领域的专业人士在人口结构上也发生了变化，女性天文学家的数量超那颗明亮的参宿四（图0.1），那你便相当于将时间回溯到了600多年前，它传到地球上的淡淡红辉是在中世纪时代发出的。位于猎户座“腰带”区域的恒星距离我们甚至更远，它们发出的光为一代又一代的人所熟悉，在传到地球之前已经走过了至少1000年。这就意味着我们有机会了解宇宙的历史，因为我们可以看到宇宙中更遥远的部分在数千年、数百万年乃至数十亿年前的面貌。人类从首次观察群星的时候起，就已经具备了这种回溯时间的能力，但直至20世纪，当我们能放眼银河系之外时，这种能力才成为天文学的一项关键特征。

宇宙在空间和时间上的宏大尺度可能会使现代天文学显得难以应付。由于宇宙空间太过辽阔，描述距离的数字也许会变得毫无意义，带有太多零的数字处理起来也多有不便。为了解决这个问题，我们想出了各种办法，以便弄清宇宙空间的不同尺度，还做出了一些简化，放弃了部分细节。我们专注于深入认识太空的一部分，尤其是自身所处的太阳系，并在可能有关联的情况下，将由此获得的各种经验教训应用到其他区域。我们权且不急于深入认识太空中的大部分区域。但是，太空中某些遥远的地方特别有趣，值得更详细地探究，例如那些周围可能环绕着类地行星的恒星，或者其中有巨大黑洞发生碰撞或有古老的恒星爆炸的星系。

本书是关于我们的宇宙的一本指南。宇宙是我们对所知的整个空间的总称，无论是借助望远镜可以看到的空间，还是我们认为与所能看到的这些区域存在物理联系的空间，全都包括在内。本书会向读者说明我们认为宇宙是什么，思考整个宇宙空间与其中的一切有何含义，也会让读者明白地球在更为辽阔的空间中处于怎样的位置。本书还会粗略地向读者说明，我们所在的地球这颗行星是如何发展演变至今的，在更壮阔的宇宙中或许会面临怎样的未来。

不过，本书不会从宇宙的初始讲起，因为我们对此还相当陌生。相反，我们会从此时此地开始，以站在地球上的视角来讲述。

在章里，我们按照一定的顺序来对太空加以说明。通过深入观察夜空，我们获悉，太空中的物体并不是随机分布的，而是具备一个明确的分布模式，从极小到极大的尺度，万物都按照这种方式组合在一起。我们会从绕行星运转的卫星开始，讲到绕恒星运转的行星和小行星，再到恒星聚集在一起形成的星系，乃至星系聚集在一起形成的大型星系团——它们或许是宇宙中庞大的物体。我们会发现地球在这样的宇宙组成模式中所处的位置，并对太空的规模有一定的了解。

第二章讲述了恒星的故事及它们的生命历程。有些恒星与太阳相差无几，但也有许多恒星的生命之旅与太阳大相径庭。我们会弄清恒星是如何发光的，并发现新的恒星从中诞生的恒星摇篮。我们会揭示太阳的生命历程及其面临的命运，以及那些体积为庞大的恒星更加的消亡形式——它们将在剧烈的爆炸中走到生命的尽头。有许多恒星的结局是变成致密的黑洞，光永远无法从中逃逸。我们还会了解到在陌生恒星周围发现的新行星无与伦比的多样性。

在第三章里，我们会发现宇宙中存在着大量不可见的暗物质，实际上，无论是用肉眼还是用望远镜，都无法直接看到暗物质，即使是用于观测不同种类的光的望远镜也不行。暗物质的发现历史尚且不足百年，它改变了世人对于宇宙是什么、可能是由什么组成的等问题的认识。我们正在积极地设法弄清暗物质到底是什么，因为它对所有发出耀眼光辉的物体都具有巨大的影响，并且它似乎还是自然界的基本组成要素。

在第四章里，我们会探讨空间随着岁月的流逝发生了怎样的变化。在银河系之外还有不可胜数的星系，它们几乎都正在远离我们。于是我们便会不可避免地得出一个结论：空间正在膨胀。在过去的某个时间，宇宙空间可能存在着开端，我们称之为“大爆炸”。如今，我们已经可以将整个宇宙的演变过程一直追溯到临近那个时刻，得出大爆炸发生的时间。本章还会涉及空间本身具有形状的设想，以及发现宇宙是否为无限大的可能性。

第五章则粗略讲述了宇宙的历史，梳理了一遍宇宙的发展过程，从初的开端一直讲到现今的状态。经过数十亿年的时间，宇宙之初留下的那些微不足道的特征演变成了充斥着恒星的星系，包括太阳系所处的家园——银河系。我们对发生过的这些事情的认识，很大程度上综合了实际的观测结果与设法再现宇宙演化过程的计算机模拟结果。太阳和地球形成之时，宇宙的年龄大约相当于现在的三分之二；银河系形成的时间还要更早一些。然后我们还会再探讨一下，接下来，我们所在的这部分宇宙和整个宇宙空间或许还会如何演变。

当今这个时代具备前所未有的技术实力，无论是望远镜还是计算机莫不如此，所以在我们的有生之年，有望在解决天文学的众多未解之谜方面取得巨大的进步。我们有可能会找到其他存在生命迹象的行星，发现宇宙中不可见的部分究竟是由什么构成的，揭示宇宙空间本身是如何开始膨胀的。我们或许还会取得一些完全出乎意料的发现，结果可能会再次改变天文学的进程。

书籍介绍

这是一本权威天文学家写给大众的宇宙通识读本。作者对现今人类掌握的宇宙知识娓娓道来，对天体物理发展史上的众多掌故如数家珍，笔触细腻而优雅。

本书从地球开始，由近及远，形象生动地讲述了太阳系、银河系、星系群、超星系团等天体系统，把它们等比例缩放，并与饼干、西瓜、篮球等类比；由浅入深，分别对星球、暗物质、空间、时间四个领域的最新天体物理研究成果做了详尽易懂的解读。

乔·邓克利在本书中，不仅以通俗的语言引导我们穿越天文学的历史，讲述每个阶段的曲折和惊喜，还着重讲述了那些被遗忘的女科学家，给予她们应得的赞誉和尊重。

★普林斯顿天文学家力作

作者是普林斯顿大学物理学和天体物理学教授，工作于天文台和教学一线，获得了基础物理学突破奖、物理学新视野奖、麦克斯韦奖、大英帝国勋章等荣誉，具备权威的科学素养与教学经验。

★通俗而优雅，图文并茂

一本由浅入深的天文学指南，文笔细腻优美，用最有助于大众理解的方式讲解天文学发展史和天体物理最新研究成果，配以简单易懂的图片，干货满满。

★名人媒体广泛赞誉

英国皇家天文学家马丁·里斯、苏格兰皇家地质学会会长伊恩·斯图尔特等科学界大佬鼎力推荐；BBC《仰望夜空》《自然》《出版商周刊》《福布斯》《星期日邮报》等媒体一致好评。

★讲述天文学界女性群体的故事

作为当代女性科学家的优秀代表，作者在讲述天文学发展史的同时，重点讲述了天文学界近乎被遗忘的女性工作者，以及她们的职业生涯和成就。