PART 5
星空的科学

牛顿力学并没有解开宇宙中的所有谜团。天文学逐步发展为宇宙物理学，又进化至如今的宇宙学。人类的智慧最终会引领我们走向何方？外星人真的存在吗？

宇宙的大尺度结构

直至20世纪初，人们都坚信我们所属的星系（银河系）就是整个宇宙。但实际上，宇宙中与银河系相当的大型天体集合——“星系”是无穷无尽的。而研究已经证明，这些星系又会形成更加庞大的集团。

银河系的发现与爱德温·哈勃的功绩

威廉·赫歇尔推测出我们身处银河系这一巨大的天体集合，是18世纪末的事情。而直到20世纪初，绝大多数天文学家仍旧坚信“银河系就是整个宇宙”。与此同时，人们已经认识到夜空中存在着以仙女座的M31为首的“呈螺旋状的星云”，一部分天文学家意识到，这些天体并非星云（气体的集合），而是与我们的银河系相同的庞大的天体集合体。1924年，美国天文学家爱德温·哈勃根据当时最为先进的大型望远镜的观测结果，发表结论称M31是一个巨大的天体集合（星系），与其他天体相比，M31位于距离我们更为遥远的地方。爱德温·哈勃的发现使得天文学家之间的争论终于尘埃落定。

星系、星系群、星系团、宇宙的大尺度结构

星系的平均直径为数万光年，由数亿颗到数万亿颗恒星以及气体、尘埃构成。一般而言，在星系中心会存在着质量为太阳数百万倍的超巨大黑洞，并会强烈地影响着整个星系的状态。星系内部的恒星虽然均为各自独立的天体，但从整体上来看，它们又类似于星系的组成零件或是细胞。

绝大多数星系同时还是更为庞大的“星系群”或“星系团”的一部分。望远镜直接观测到的星系团，诚如其名，就是由数十个、数百个星系构成的系统。然而，星系团内部的质量远比它看上去要大得多，其中大部分是绝对无法通过可视光、电波、X射线等电磁波观测到的“暗物质”。暗物质本身我们是无法观测到的，但是它和可见物体一样具有质量，光线在经过暗物质附近时会产生扭曲。为此，如果在星系团内部还存在其他天体的话，我们看这些天体感觉会像是隔着一个玻璃球一般，看到的是扭曲的形状。星系团内部存在着将星系包裹起来的、类似玻璃球一样的物质。

如果把观测星系团的比例尺进一步放大，我们一眼就能看出宇宙中哪里存在着星系，哪里则不存在星系。星系的分布看上去就像是无数泡沫一样聚在一起，这种形态被称为“宇宙的大尺度结构”。暗物质也是沿着大尺度结构分布的。

爱德温·哈勃

为爱德温·哈勃的成就提供支持的是能够将遥远星系中的星星一颗一颗看得分明的大型望远镜。照片为爱德温·哈勃于1949年操作刚刚建成的望远镜。

提供／The Huntington Library, San Marino, California

宇宙的大尺度结构

下图为对星系的立体分布进行观测的斯隆数字巡天计划的成果。以银河系为中心进行观测，观测结果以扇形呈现。橙色较浓的部分表示星系密度较大。在扇形范围内，哪里分布着星系、哪里没有星系可谓一目了然。

提供／Sloan Digital Sky Survey

不断膨胀的宇宙

根据爱因斯坦的广义相对论和爱德温·哈勃的观测，宇宙正在膨胀已经是无可否认的事实。大爆炸宇宙论也是由此产生的，人们目前正在逐步揭开宇宙起源的真相。

广义相对论与大爆炸宇宙论

1915年，爱因斯坦发表了一个全新的物理法则“广义相对论”。牛顿力学在速度接近光速或重力极强的环境下是无法成立的，因此广义相对论对于解释宇宙运动而言是必需的。然而，如果将广义相对论直接套用在整个宇宙身上，我们又会得出宇宙时而在膨胀、时而在收缩的奇怪结论。也因此，爱因斯坦自己也没能接受宇宙的膨胀与收缩的理论。直到1929年，爱德温·哈勃找到了宇宙正在膨胀的证据，“离我们越远的星系便越以极快的速度在离我们远去”。

那么，如果宇宙正在膨胀的话，就证明在太古时代整个宇宙曾经集于一点，之后宇宙从这一点爆炸，最后膨胀成如今的形态。

这一理论是由乔治·伽莫夫等人提出的，但弗雷德·霍伊尔并不接受这种观点。霍伊尔认为宇宙的每一个角落都有新物质在产生，使得宇宙看起来仿佛在膨胀。然而讽刺的是，霍伊尔嘲讽伽莫夫的理论是“宇宙诞生于大爆炸（Big Bang）之中”，这最终成了“大爆炸宇宙论”之名的由来。1964年，人们观测到了宇宙背景辐射（宇宙极热且充满光线的时代的遗留物），大爆炸宇宙论也由此占据了统治地位。

137亿年的宇宙历史

宇宙探测器WMAP⁽¹⁾发现，随着宇宙的急速膨胀，在137亿年前发生了大爆炸。宇宙的急速膨胀如今已经减缓，但缓慢的膨胀仍在持续，而且研究已经发现宇宙的膨胀正在一点一点地加速。

提供／NASA/WMAP Science Team

(1) 全称为“Wilkinson Microwave Anisotropy Probe”，即“威尔金森微波各向异性探测器”。WMAP的目标是找出宇宙微波背景辐射的温度之间的微小差异，以帮助测试有关宇宙产生的各种理论。

发现宇宙膨胀的原理

星系与星系之间的宇宙空间同时膨胀的话，以某一星系为中心进行观测，就会发现距离越遥远的星系会以越快的速度远离自己。

宇宙会继续膨胀吗

大爆炸宇宙论成为定论后，又带来了两个问题。其一是“宇宙会继续膨胀吗？还是会在膨胀后开始收缩？”人们过去认为这要取决于重力相对于膨胀起到了多大的遏制作用。但一份1998年公布的观测结果却显示宇宙的膨胀不仅没有减慢，反而正在加速。第二个问题则是“大爆炸究竟是在什么时候发生的？”一直以来，科学家们对此议论纷纷、各执己见。根据宇宙探测器WMAP2003年对宇宙背景辐射的精确观测，大爆炸大约是在137亿年前发生的。宇宙中没有任何物体的运动速度比光更快，而距离我们最为遥远的、137亿光年之外的星系正以接近光速的速度远离我们，因此，我们所能观测到的最遥远的距离便是137亿光年。但目前普遍认为宇宙的膨胀已经超出了这一范围。

面向最遥远的星系

光经过了多久的旅途，就证明它来自多么古老的天体。如今，天文学家们正在努力寻找宇宙诞生后10亿年之内诞生的古老天体。照片为哈勃空间望远镜捕捉到的古老星系的合影，其中也包含宇宙诞生后8亿年产生的星系。

提供／NASA, ESA, S. Beckwith (STScI) and the HUDF Team

真的存在外星人吗

宇宙中存在的生命只有我们吗？如今，在太阳系之外的宇宙空间中发现“第二地球”的可能性越来越大。在不远的将来，这一问题很可能实现极大的进展。

火星人骚动与近代以来的外星人理论

对地外生命体存在的想象绝非新鲜事物。例如在哥白尼的日心说刚刚开始广泛传播的16世纪末，活跃于意大利的哲学家乔尔丹诺·布鲁诺便主张“宇宙中存在无数与太阳系相似的天体，上面都有人类居住”。这一主张的思想根源在于“拥有无穷能力的神必然创造了无穷的宇宙”。但因其主张与当时的基督教宇宙观有着本质的不同，乔尔丹诺·布鲁诺被宗教裁判所判处火刑，最终被烧死。到了17世纪，望远镜发明后，人们发现其他行星也有着与地球相似的卫星与地形，便自然而然地产生了“那些星星上也有人类居住”的想法。在19世纪中期以前，我们尚且无法测量地外天体的温度，因此大多数人认为它们的气温与地球相当。因发现天王星闻名的威廉·赫歇尔甚至认为太阳上也有人类居住。

之后，人类开始有能力去研究地外天体的性质，我们发现太阳极为炎热，外行星一片天寒地冻，大家讨论外星人的热度也逐渐减退。唯一的例外便是关于火星的讨论。到了19世纪，因为人们误以为“火星上有运河般的纹路”，有许多人都深信火星上有火星人存在。现如今，我们已经有能力向火星发射无人探测器，火星人存在的可能性已经被彻底否定。但在遥远的过去，火星上曾经存在过生命，如今仍有微生物在地下悄悄活动的可能性虽然微小，但仍然存在。除火星以外，也有人认为因为木卫二和土卫二等天体存在液态水，很可能也有生命。

发现系外行星与SETI计划（搜寻地处文明计划）

到了近些年，人们对太阳系以外空间也愈加关心。1995年，人们首次发现了位于太阳系外的、绕恒星运动的行星（系外行星）。截至2019年，已发现的系外行星数量已经超过4000颗。它们中的大多数都是体积远大于地球、易于发现的行星，但最近人们也发现了一些与地球体积相近的系外行星。我们找到与地球大小相当、气候一样温暖的行星也不过是时间问题。而在这样的行星上，是很有可能存在生命的。

话虽如此，假设宇宙中真的存在文明高度发达的外星人，他们想要搭乘宇宙飞船前来地球的难度也非常大，而由我们主动去拜访他们也并不现实。但通过无线电波，我们或许可以同他们对话。从宇宙中接收传播至地球的电波中寻找外星人讯号的“SETI计划”目前也在逐步推进中。

夏帕雷利的火星素描

意大利人夏帕雷利于19世纪末对火星进行了观测，因其使用的望远镜性能较差，且对火星有先入为主的想象，他误以为火星上存在线条般的构造，并将其命名为“canale（水渠）”。这个词被误译为英语的“canal（运河）”一词，事情也因此一发不可收拾。

宜居带

可能存在外星人的行星需要具备两个条件：1.质量与地球相当，体积小且具有坚固的地表；2.与恒星保持适宜的距离、存在液态水，也即位于“宜居带”上。开普勒22b便是一颗位于宜居带上的类地行星。

提供／NASA/Ames/JPL-Caltech