黑洞理论
天 文 篇
天文学是观察和研究宇宙间天体的学科，它研究天体的分布、运动、位置、状态、结构、组成、性质及起源和演化，是自然科学中的一门基础学科。
天文学与其他自然科学的一个显著不同之处在于，天文学的实验方法是观测，通过观测来收集天体的各种信息。对观测方法和观测手段的研究，是天文学家努力研究的一个方向。在古代，天文学还与历法的制定有不可分割的关系。现代天文学已经发展成为观测全电磁波段的科学。
日心说的诞生
日心说，也称为地动说，是关于天体运动的和地心说相对立的学说，它认为太阳是银河系的中心，而不是地球。
哥白尼提出的日心说，推翻了长期以来居于宗教统治地位的地心说，实现了天文学的根本变革。
日心说的观点:
(1)地球是球体;
(2)地球在运动;
(3)太阳是不动的，而且在宇宙中心，行星围绕太阳转。
哥白尼(1473～1543)是波兰的天文学家。哥白尼上中学时就对天文学很感兴趣，曾跟着老师在教堂的塔顶上观察星空。他相信研究天文学只有两件法宝:数学和观测。他不辞劳苦，克服困难，每天坚持观测天象，三十年如一日，终于取得了可靠的数据，提出了“日心说”，并在临终前终于出版了他的不朽名著《天体运行论》。
1499年，哥白尼毕业于意大利的博洛尼亚大学，任天主教教士。他回到波兰跟叔父一起工作。其叔父瓦茨恩罗德，是费琅堡天主教大教堂的主教。哥白尼当时住在教堂的顶楼，因此可以长期进行天文观测。
在当时，天文学采用的是托勒密的天文体系。这一体系的基本出发思想是地球处于宇宙的中心和所有天体的运行轨道都是圆形的。前者来源于日常生活经验，后者则是因为圆是非常完美简洁的形状。为了能够解释更多的现象，托勒密认为每个行星都在一个称为“本轮”的小圆形轨道上匀速转动，而本轮的中心在称为“均轮”的大圆轨道上绕地球匀速转动，但地球不是在均轮圆心，而是同圆心有一段距离。通过本轮和均轮的复合，地心说可以预测日食月食，也可以解释一些现象，所以一直被作为正统思想所接受。但是随着观测技术的进步，需要很多个本轮均轮甚至小本轮才能解释实验现象，这就使得坚持简洁的哥白尼对托勒密的系统产生了怀疑。为了简化理论，更好地符合实际观测的结果，哥白尼将不动点从地球移动到了太阳上，提出了日心说。他指出地球不是宇宙的中心，而是同五大行星一样围绕太阳这个不变的中心运行的普通行星，其自身又以地轴为中心自转。
那个时候，人们相信的是1500多年前希腊科学家托勒密创立的宇宙模式。托勒密认为地球是宇宙的中心且静止不动，日、月、行星和恒星均围绕地球运动，而恒星远离地球，位于太空这个巨型球体之外。然而，经仔细观测，科学家们发现行星运行规律与托勒密的宇宙模式不吻合。
一些科学家修正了托勒密的宇宙轨道学说，在原有的轨道(或称小天体轨道)上又增加了更多的天体运行轨道。这一模式称每颗行星都沿着一个小轨道作圆周运行，而小轨道又沿着该行星的大轨道绕地球作圆周运动。几百年之后，这一模式的漏洞越来越明显。科学家们又在这个模式上增加了许多轨道，行星就这样沿着一道又一道的轨道作圆周运动。
哥白尼想用“现代”(16世纪的)技术来改进托勒密的测量结果，以期取消一些小轨道。
在长达近20年的时间里，哥白尼不辞辛劳日夜测量行星的位置，但其测量获得的结果仍然与托勒密的天体运行模式没有多少差别。
哥白尼想知道在另一个运行着的行星上观察这些行星的运行情况会是什么样的。基于这种设想，哥白尼萌发了一个念头:假如地球在运行中，那么这些行星的运行看上去会是什么情况呢?这一设想在他脑海里变得清晰起来了。
一年里，哥白尼在不同的时间、不同的距离从地球上观察行星。每一个行星的情况都不相同，这使他意识到地球不可能位于行星轨道的中心。
经过20年的观测，哥白尼发现唯独太阳的周年变化不明显。这意味着地球和太阳的距离始终没有改变。如果地球不是宇宙的中心，那么宇宙的中心就是太阳。他立刻想到如果把太阳放在宇宙的中心位置，那么地球就该绕着太阳运行。
这样他就可以取消所有的小圆轨道模式，直接让所有的已知行星围绕太阳作圆周运动。
然而，人们是否能接受哥白尼提出的新的宇宙模式呢?全世界的人——尤其是权力极大的天主教会是否相信地球是宇宙中心这一说法呢?
由于害怕教会的惩罚，哥白尼在世时不敢公开他的发现。1543年，这一发现才公诸天下。即使在那个时候，哥白尼的发现还不断受到教会、大学等机构与天文学家的蔑视和嘲笑。直到60年后，约翰·开普勒和伽利略·伽利雷才证明哥白尼是正确的。
而我国早在三千多年前的《周易》里，就已经记载了作者认为太阳是大地的主宰，大地要顺从太阳，围绕太阳运转。这是以日为参照，实质上也就是日心说。但没有得到多少认可。
日心说是一个学说，在证明地球是围绕太阳转的同时，也有错误:
(1)太阳并非宇宙中心，而是太阳系的中心;
(2)地球并非是引力的中心;
(3)天空中看到的任何运动，不全是地球运动引起的。
因为这些错误，所以日心说只能算是学说，而较地心说，却相对好一些。因为它证明了地球是围绕太阳进行公转。
伽利略的发现
1564年2月15日，伽利略·伽利雷出生在意大利西海岸比萨城一个破落的贵族之家。据说他的祖先是佛罗伦萨很有名望的医生，但是到了他的父亲伽利略·凡山杜这一代，家境日渐败落。
伽利略在帕多瓦大学工作的18年间，最初把主要精力放在他一直感兴趣的力学研究方面。他发现了物理上重要的现象——物体运动的惯性;做过有名的斜面实践，总结了物体下落的距离与所经过的时间之间的数量关系;他还研究了炮弹的运动，奠定了抛物线理论的基础;关于加速度这个概念，也是他第一个明确提出的;甚至为了测量病人发烧时体温的升高，这位著名的物理学家还在1593年发明了第一支空气温度计……但是，一个偶然的事件，使伽利略改变了研究方向。他从力学和物理学的研究转向广漠无垠的茫茫太空了。
伽利略
那是1609年6月，伽利略听到一个消息，说是荷兰有个眼镜商人利帕希在一偶尔的发现中，用一种镜片看见了远处肉眼看不见的东西。“这难道不正是我需要的千里眼吗?”伽利略非常高兴。不久，伽利略的一个学生从巴黎来信，进一步证实这个消息的准确性。信中说尽管不知道利帕希是怎样做的，但是这个眼镜商人肯定是制造了一个镜管，用它可以使物体放大许多倍。
“镜管!”伽利略把来信翻来覆去看了好几遍，急忙跑进他的实验室。他找来纸和鹅管笔，开始画出一张又一张透镜成像的示意图。伽利略由镜管这个提示受到启发，看来镜管能够放大物体的秘密在于选择怎样的透镜，特别是凸透镜和凹透镜如何搭配。他找来有关透镜的资料，不停地进行计算，忘记了暮色爬上窗户，也忘记了曙光怎样射进房间。
整整一个通宵，伽利略终于明白，把凸透镜和凹透镜放在一个适当的距离，就像那个荷兰人看见的那样，遥远的肉眼看不见的物体经过放大也能看清了。
伽利略非常高兴。他顾不上休息，立即动手磨制镜片。这是一项很费时间又需要细心的活儿。他一连干了好几天，磨制出一对对凸透镜和凹透镜，然后又制作了一个精巧的可以滑动的双层金属管。现在，该试验一下他的发明了。
伽利略小心翼翼地把一片大一点的凸透镜安在管子的一端，另一端安上一片小一点的凹透镜，然后把管子对着窗外。当他从凹透镜的一端望去时，奇迹出现了:那远处的教堂仿佛近在眼前，可以清晰地看见钟楼上的十字架，甚至连一只在十字架上落脚的鸽子也看得非常清楚。
伽利略制成望远镜的消息马上传开了。“我制成望远镜的消息传到威尼斯”，在一封写给妹夫的信里，伽利略写道:“一星期之后，就命我把望远镜呈献给议长和议员们观看，他们感到非常惊奇。绅士和议员们，虽然年纪很大了，但都按次序登上威尼斯的最高钟楼，眺望远在港外的船只，看得都很清楚;如果没有我的望远镜，就是眺望两个小时也看不见。这仪器的效用可使50英里(约80千米)以外的物体，看起来就像在5英里(约8千米)以内那样。”
伽利略发明的望远镜，经过不断改进，放大率提高到30倍以上，能把实物放大1000倍。现在，他犹如有了千里眼，可以窥探宇宙的秘密了。
这是天文学研究中具有划时代意义的一次革命，几千年来天文学家单靠肉眼观察日月星辰的时代结束了，代之而起的是光学望远镜。有了这种有力的武器，近代天文学的大门被打开了。
1609年，伽利略创制了天文望远镜(后被称为伽利略望远镜)，并用来观测天体，他发现了月球表面的凹凸不平，并亲手绘制了第一幅月面图。1610年1月7日，伽利略发现了木星的四颗卫星，为哥白尼学说找到了确凿的证据，标志着哥白尼学说开始走向胜利。借助于望远镜，伽利略还先后发现了土星光环、太阳黑子、太阳的自转、金星和水星的盈亏现象、月球的周日和周月天平动以及银河是由无数恒星组成的等等。这些发现开辟了天文学的新时代。
哈雷彗星的发现
提起哈雷(1656～1742)，人们都不会感到陌生，因为彗星中的佼佼者──哈雷彗星就是以他的名字命名的。
哈雷1656年出生在伦敦附近的哈格斯顿。1673年进入牛津大学女王学院学习数学。1676年，20岁的哈雷毅然放弃了即将到手的学位证书，只身搭乘东印度公司的航船，在海上颠簸了三个月，到达南大西洋的圣赫勒纳岛，建立起人类第一个南天观测站，进行了一年多的天文观测，测编了世界上第一份精度很高的南天星表，被人们誉为“南天第谷”。哈雷推动牛顿写出了经典力学的奠基之作《自然哲学的数学原理》，并慷慨解囊支付这部巨著的出版费用。仅此两项就足以使哈雷名彪青史。但哈雷对人类的贡献远不止这些。他还发现了月球运动的长期加速现象，证明恒星不是恒定不动的。以后，又选择了彗星这一前人涉及不多的领域，进行了深入的研究，开创了认识彗星和研究彗星的新领域。
第谷提出彗星是天体，但对于它是什么样的天体并不清楚。天文学家普遍认为彗星是在恒星之间的漂泊不定的“怪物”，无法预测它的行踪。
哈雷对彗星似乎情有独钟。1680年，哈雷在法国旅游时看到了有史以来最亮的一颗大彗星。两年后，也就是1682年，又看到了另一颗大彗星。这两颗大彗星在他心中留下了极为深刻的印象。
1682年8月，天空中出现了一颗用肉眼可见的亮彗星，它的后面拖着一条清晰可见、弯弯的尾巴。这颗彗星的出现引起了几乎所有天文学家们的关注。当时，年仅26岁的英国天文学家哈雷对这颗彗星尤为感兴趣。他仔细观测、记录了彗星的位置和它在星空中的逐日变化。经过一段时期的观察，他惊讶地发现，这颗彗星好像不是初次光临地球的新客，而是似曾相识的老朋友。
1695年，已是皇家学会书记官的哈雷开始专心致志地研究彗星。他从1337年到1698年的彗星记录中挑选了24颗彗星，用一年时间计算了它们的轨道。发现1531年、1607年和1682年出现的这三颗彗星轨道看起来如出一辙，虽然经过近日点的时刻有一年之差，但可能解释为是由于木星或土星的引力摄动所造成的。一个念头在他脑海中迅速地闪过:这三颗彗星可能是同一颗彗星的三次回归。但哈雷没有立即下此结论，而是不厌其烦地向前搜索，发现1456年、1378年、1301年、1245年，一直到1066年，历史上都有大彗星的记录。
在哈雷生活的那个时代，还没有人意识到彗星会定期回到太阳附近。自从哈雷产生了这个大胆的念头后，便怀着极大的兴趣，全身心地投入到对彗星的观测和研究中去了。在通过大量的观测、研究和计算后，他大胆地预言，1682年出现的那颗彗星，将于1758年底或1759年初再次回归。哈雷作出这个预言时已近50岁了，而他的预言是否正确，还需等待50年的时间。他意识到自己无法亲眼看见这颗彗星的再次回归，于是，他以一种幽默而又带点遗憾的口吻说:如果彗星根据我的预言确实在1758年回来了，公平的后人大概不会拒绝承认这是由一位英国人首先发现的。在哈雷去世10多年后，1758年底，这颗第一个被预报回归的彗星被一位业余天文学家观测到了，它准时地回到了太阳附近。哈雷在18世纪初的预言，经过半个多世纪的时间终于得到了证实。后人为了纪念他，把这颗彗星命名为“哈雷彗星”。
其实，在历史上从公元前240年起彗星的每次回归我国都有所记载，最早的一次可能是周武王伐纣之年，即公元前1057年。哈雷彗星每隔大约76年都会按时回归。在哈雷彗星回归时，可以对它进行大量的观测研究。哈雷彗星的最近一次回归是1986年，中国和各国一样对它进行了大量的观测，发现了断尾现象。它的再次回归要等到2062年左右。
1758年初，法国天文台的梅西叶就动手观测了，指望自己能成为第一个证实彗星回归的人。1759年1月21日，他终于找到了这颗彗星。遗憾的是首次观测到彗星回归的光荣并不属于他。原来1758年圣诞之夜德国德雷斯登附近的一位农民天文爱好者已捷足先登，发现了回归的彗星。
1759年3月14日哈雷彗星过近日点，正是克雷荷预告的一个月前。此时，哈雷已长眠地下十几年了。科学家的生命是有限的，但他们对科学的贡献却永世长存。正像哈雷当年所希望的那样，大家没有忘记哈雷，将这颗彗星命名为哈雷彗星。
对哈雷彗星的观测和研究不仅证实了周期彗星的存在，也大大促进了彗星天文学的发展。此外，哈雷彗星还像巡回大使一样周期性地检阅太阳系各大行星并经历各种各样的环境，带回丰富的信息，因此，它的每次回归都引起天文学家的极大兴趣。
哈雷彗星每76年回归一次，绝大部分时间深居在太阳系的边陲地区，即使用现代最大的望远镜也难以搜寻到它的身影。地球上的人们只有在它回归时有三四个月的时间能够见到它。一般来说，人的寿命只有70岁左右，因此一个人很少能两次看到哈雷彗星。只有一些“老寿星”才有这种机会，第一次看到它是在咿呀学语的幼年，而第二次看到它就到了步履蹒跚的晚年了。
这里需要向读者说明的是，梅西叶虽没有成为第一个证实彗星回归的人，但他并不灰心，而是开始有系统地寻找彗星，年复一年，日复一日地在凌晨和黄昏后进行观测，一生中共发现了21颗彗星，而经他观测过的彗星达到46颗。一次，法国国王路易十五开玩笑地说他是“彗星的侦探”，这虽然是一句戏言，但却是对梅西叶一生寻彗工作的最高褒奖。
天王星的发现
我们现在都知道，太阳系有八大行星。但是在200多年前，人们只知道太阳系有六大行星，它们是水星、金星、地球、火星、木星和土星。其中地球有个卫星——月亮。到了1781年，太阳系的又一个新成员，第七大行星——天王星被发现后，天文学又向前发展了一大步。
天王星的发现，在当时引起了科学界的巨大震动。可是谁曾料到，这颗行星的发现者，竟是一位极普通的音乐工作者呢!这位音乐工作者的名字叫做威廉·赫歇耳。
威廉·赫歇耳1738年11月15日生于德国的汉诺威城，当时父亲给他起名为弗里德里希·威廉姆。他父亲是汉诺威军队中的一名乐师。由于家庭贫困，他15岁时就被父亲送到军乐队拉手风琴和吹双簧管。然而，残酷战争来临了，戎马生涯令人生厌，他18岁时只身从德国流亡到英国，靠演奏手风琴糊口度日。后来他把德国名字改为威廉·赫歇耳。
天王星
赫歇耳从小就有非常强烈的求知欲望。他到军乐队之后，每天工作十几小时，但工作之余，仍然抓紧时间，如饥似渴地读书。他对天文学抱有特殊的兴趣，逐渐成了一名酷爱天文学的人。到了英国，虽然远离家乡，寄人篱下，衣不御寒，食不果腹，但他依然强烈地爱着天文学，并立志要成为一名天文学家。
观察天空需要望远镜，他没有钱买，就自己磨制。无论是烈日炎炎的酷夏，还是寒风凛冽的严冬，日复一日地磨着，磨着……由于长期泡在水里工作，十个指头肿了，糜烂了，虎口也裂了，但他仍然坚持磨着，亲手制成了观天仪。
事实告诉人们，只要努力，“没有过不去的火焰山”。赫歇耳酷爱天文学，但是无钱去购买观天设备，况且连生活都不好保障，怎能实现自己的远大理想呢?于是他苦练手风琴。1757年到达利兹，到了1766年，他已成为胜地巴思城一位著名的风琴手和音乐教师，他每星期指导的学生多达35名。
经济上的保障为赫歇耳提供了满足自己求知欲望的条件。他自学拉丁语和意大利语，对音乐理论的探讨使他涉猎了数学，进而又接触到了光学。学习光学时他读了一本关于牛顿的书。从此，他要亲眼观天的愿望更强烈了。这一炽热的愿望驱使他做出了天文学上的重大发现。
赫歇耳正式开始业余天文学研究工作，还是1772年以后的事。在这以前，他把自己的业余时间全部用来磨制望远镜片，尝试了200多次也未制造出一架比较满意的望远镜。
1772年，赫歇耳把他的妹妹卡罗琳·赫歇耳从家乡带到英国，照管他的生活。卡罗琳于1750年3月生于汉诺威，比哥哥小12岁。她生来就有一副好歌喉，本来很爱唱歌。可是，在哥哥赫歇耳的影响下，这位具有歌唱家天赋的姑娘却也开始迷恋于天文事业，并且同天文学结下了不解之缘，成了赫歇耳最得力的助手。最后她也成为一位虔诚的业余天文学家。
200多次失败，没有使赫歇耳没有气馁，只要有空他就去磨制透镜。肚子饿了，他不住手，让妹妹给他喂饭吃;精神疲倦了，他也不住手，让妹妹在一旁给他朗读小说提神。“只要功夫深，铁棒也能磨成针。”不错，他们兄妹二人长年累月，持之以恒，终于制出了焦距为2米、3米、6米及12米的望远镜。
威廉·赫歇耳
有了自己的望远镜，赫歇耳立即把它指向星空。他从不放过任何一个可以观测的夜晚。他常常整夜进行观测。但白天他还得拖着疲惫的身子去挣钱糊口。每次观测，妹妹都站在他身边做观测记录。白天，他去工作，妹妹便在家整理观测记录。做观测记录也很辛苦。严冬季节，天气寒冷，墨水结冰，她一边呵气，一边写，就这样，兄妹二人废寝忘食，终日忙个不休。
1774年，赫歇耳不仅制作出当时世界上最好的反射望远镜，而且第一次使反射望远镜的效能真正超过了当时的折射望远镜。正是这架反射望远镜使他的天文事业进入到科学的研究阶段，进而取得一些重大发现。他的一系列论文，如描述他对月球上山脉的观测，对变星的观测和论述，对太阳黑子活动的变化有可能影响地球上的农业等看法，轰动了整个科学界。使人们开始对这位音乐工作者、天文学的业余爱好者刮目相看。
1781年，赫歇耳进行“巡天观测”的第七个年头，一个伟大的发现震惊了世界。这年初春的一个夜晚，晴朗的天空格外寂静，月光下，有两个人在注视着繁星灿烂的夜空，一位是赫歇耳，另一位就是他的妹妹卡罗琳。进入甜蜜梦乡的人们怎会想到，科学的发现竟在这时拉开了帷幕。的确，这正是“巡天观察”的黄金时间。赫歇耳照例用自制的2.1米焦距反射镜和放大200多倍的目镜作“巡天观察”。突然，朦胧双子星座内出现了一颗绿色的光点，他重新调节了一下焦距，没错，是一颗美丽的绿色的星，还带有草帽似的光环呢!当时，只妹二人无比激动，寂静的夜晚无法抑制住他们的喉咙:“我们发现新的星星了!我们发现新的星星了!”嘹亮的声音不由自主的吐出了唇外，响遏行云。
赫歇耳简直不敢相信自己的发现。起初，他怀疑这可能是一颗彗星，所以他报道说，自己发现了一颗彗星，然而，他又进行了多次观测，发现这个小圆面像一颗行星那样具有明显的边缘，而不像彗星那样只有模模糊糊的边界。后来，许多天文学家摆出了各种证据，特别是当计算出它的轨道时，赫歇耳才恍然大悟:原来自己确实发现了一颗新的行星，是一颗比土星更远的大行星。它一举将当时已知的太阳系范围拓宽了1倍。
这一重大发现震撼了英国，成为一项重大新闻传遍了全世界。自古以来，人们一直把土星当作太阳系的边缘，现在这一传统观念被打破了。
这一重大发现不仅科学界为之震惊，就是一般公众也是惊叹不已。
威廉·赫歇耳，这位英籍德人发现新行星后，当年5月，被英国皇家学会授予科普利勋章，6月被选为英国皇家学会会员。
英皇乔治三世鉴于威廉·赫歇耳的重大成就，特奖给他200英镑的年俸，还拨给他大笔观测费用和设备。从此以后，赫歇耳再也不必为穿衣吃饭发愁了，他把全部的精力都投入了天文学事业。
为了报答乔治三世的支持和资助，赫歇耳曾想把他发现的行星命名为“乔治星”，但另一些天文学家则主张命名为“赫歇耳”，以示对发现者本人的敬意。最后，这两种意见均遭否决，人们采纳了柏林天文台台长波德的提议，遵守以神话人物命名行星的传统，取名为“萨都恩神”的父亲或希腊神话中的天神“优拉纳斯”。萨都恩神是罗马神话中大神朱庇特的父亲，土星就是以他的名字来命名的。在希腊神话中，他又叫“克洛诺斯”。到了19世纪，“优拉纳斯”这一名字已为人们普遍采用。这个名字译成汉语就是今天所说的“天王星”。
“天王星”的发现，给宗教神权又一次致命的打击，为哥白尼的“日心说”增添了科学的证据。这一发现开阔了天文学家的视野，导致了海王星、冥王星的发现，使行星天文学跨进了一个新的历史时期。赫歇耳成为他那个时代最重要、成就最大的天文学家。
赫歇耳发现了天王星以后，便放弃了音乐工作，走上专业研究天文学的道路。他对太阳系有着极其广泛的研究。
哥白尼摧毁了地球是静止的观念，证明地球和其他行星一样在不断地运动;赫歇耳却根据七颗恒星的自行，推测太阳也在空间运动。他打破了太阳是静止的假设，证明了太阳和别的恒星一样也在不停地运动着，因而把物质的运动是绝对的思想向前推进了一大步。
此外，赫歇耳还先后作出了3份双星表及2500个星云和星团表，发现了天王星的2颗卫星，土星的2颗卫星，提出了银河系的形状假说。他由于对恒星及恒星系的研究作出了巨大贡献，被人们称为“恒星天文学之父”。
1800年，赫歇耳用灵敏温度计研究光谱里各种色光的热作用时，把温度计移到光谱的红光区域外测，它的温度上升得更高，说明那里有看不见的射线照射到温度计上。这种射线后来就叫做红外线。利用红外线可以加热物体，例如烘干油漆和谷物以及进行医疗等。还可以利用对红外线敏感的底片进行远距离摄影和高空摄影，通过飞机或人造卫星勘测地热、寻找水源、监测森林火情等。赫歇耳发现了太阳光中的红外辐射，并推测出这种辐射的性质，从而创立了天文学中的一门新学科——彩色光度学。他成为人类第一个发现大自然中除可见光之外还存在着其他辐射的人。
1816年，赫歇耳被授予爵位。此后，他的身体状况逐渐变坏。但他几乎工作到了生命的尽头，1819年的他已年过80，还进行最后的观测。1822年，他在英国与世长辞。就在去世前一年，他被选为英国皇家天文学会第一任会长。
赫歇耳去世后，他的儿子约翰·赫歇耳继承了父业。他编制了南北天星云表和双星表，并测定了许多恒星的亮度。他也成了一位名副其实的天文学家。
与此同时，赫歇耳的妹妹卡罗琳·赫歇耳，在哥哥多年的熏陶和培养下，也成为著名的天文学家。她一生对天文学作出很多贡献:发现了7颗彗星;测编了恒星表、星团和星云表。1835年，卡罗琳成为英国皇家天文学会的第一个名誉女会员。1838年成为皇家爱尔兰科学院院士。1848年1月，她在汉诺威逝世。卡罗琳一生致力于天文工作，终生未嫁。为了纪念这位女天文学家，人们把月球背面的一个环形山，取名为“卡罗琳·赫歇耳”。
行星运动三定律的重大发现
17世纪初期，正当伽利略使哥白尼学说声威大振之时，欧洲大地上传出了一条特大新闻:德国天文学家约翰内斯·开普勒发现了行星运动的三大定律，使哥白尼创立的“日心说”从科学上向前推进了一步。
开普勒是文艺复兴时期的德国天文学家，他是哥白尼以后的第二位天空使者。1571年12月27日生于德国符腾堡的小城魏尔，他的诞生使哥白尼创立的“日心说”又增加了一位发展者，正是他后来的发现架起了哲学和科学的桥梁，点燃了“万有引力”发现的导火线。开普勒幼年时，贫寒的家庭无力供养他上学，一直靠奖学金求学。开普勒进入图宾根神学院后，特别是当他的老师米夏埃尔·马斯特林教授常常在演讲中提到哥白尼，使他崇拜、神往，开始学习哥白尼有关天体运行的理论和著作。
1594年，开普勒被推荐到奥地利格拉茨教会学校任数学教师。这时政治局势已显露出变化的端倪。一场反宗教改革的运动早已在巴伐利亚掀起，格拉茨教会学校的所在地显得格外平静。事实上，教会派别之间的内部思想斗争却越来越激烈。耶稣教团成员和新教牧师相互责难，议论纷纷，使天性和平的开普勒感到厌倦。于是他开始专心研究写作《宇宙的奥秘》一书。他不倦地研究了天文学的三个问题——行星轨道的数目、大小及运动。1595年7月19日，他终于得到了伟大的发现:“可用地球来量度所有其他轨道。一个12面体外切地球，这十二面体就内接于火星的天球。一个四面体外切火星轨道，这个四面体就内接于木星天球。一个立方体外切木星轨道;这个立方体就内接于土星天球。现在把一个二十四面体放入地球轨道，外切这个二十四面体的天球就是金星。把一个八面体放入金星轨道，外切这个八面体的天球就是水星。”他马上着手阐明这一想法，写成《宇宙的奥秘》初稿。为了出版这本小册子，他费尽心机。当时的开普勒在学术界默默无闻，还是小字辈，出版商都不相信他。所以只好返回符腾堡求助老师马斯特林教授。1596年，这本书终于出版了，并载入了法兰克福书目之中。但书上印着的不是“开普勒”，而是“勒普劳斯”，这使开普勒的苦恼接踵而生。
家庭生活的不幸，小女儿的夭折，在科学领域中也见不到多少曙光，经常受到占星术思辨苦恼的折磨，开普勒百思不解，陷入悲愤痛苦之中。黑暗中，突然一线希望之光照射在他的头上:他被丹麦大天文学家第谷·布拉赫请到布拉格鲁道尔夫二世的宫里。早在1597年第谷就曾邀请过这位年轻的素不相识的地方数学家到万斯贝克去，那时开普勒正在那儿逗留。在这之前，开普勒曾把自己的早期著作《宇宙的奥秘》寄给他。现在第谷又以亲切的言辞重复了他的邀请，并要给开普勒以友谊和帮助。“我并不是因为您遭受厄运而请您来此，而是出于共同研究的愿望和要求请您来此。”他在信中写道。确实，开普勒早就等待这第二次邀请了。这两位科学家不谋而合的思想，终于使开普勒与第谷相会，开普勒成为第谷的得力助手。
开普勒和第谷的会面是欧洲科学史上最重大的事件。这两位个性殊异的人物的相会，标志着近代自然科学两大基础——经验观察和数学理论的结合，正是由于这两位科学家的融合，取长补短，才使开普勒在浩淼的宇宙中，发现了行星运动的三大定律。
开普勒的《宇宙的奥秘》在纯先验思辨的基础上推导出了宇宙的结构，而第谷的功劳则主要是经验方面，不是在理论方面。第谷的宇宙体系是介于托勒密体系和哥白尼体系之间的折中体系，他把地球设想为月球轨道和太阳轨道的静止中心，其余的五个行星则围绕太阳旋转，这一体系在天文学史上没有什么重要的价值。重要的是他进行了几十年之久的精密天文观察，他的技术在当时是相当高超的。在观测、研究星空方面得到国王的支持和赏识，并出重金在哥本哈根和赫尔辛基之间海峡的赫芬岛上，为第谷建立了当时世界上最大、最先进的观天堡。可是他不知道怎样正确地使用这些财富。第谷虽不同意《宇宙的奥秘》中的“日心说”，但他十分钦佩开普勒的数学知识和创造天才。
1600年2月的一天，正当第谷坐在贝那特克宫中盼望他的未来助手时，忽然闻讯开普勒到达布拉格的消息，他真是喜出望外。皇帝恩赐给第谷的贝那特克宫离布拉格仅有8千米左右，2月4日晚上，开普勒到达贝那特宫，两个性格完全相反的人共同生活，朝夕相处，谈何容易，免不了要发生争执和不愉快。好在他们有着类似的命运，是命运把这两个当时最伟大的天文学家连结到一起的。布拉格不但是开普勒的避难地，也是第谷的避难地。
第谷是被人从赫芬岛上驱逐出来的，他的施主丹麦王弗里德里希死后没有几年，他就不得不离开那儿了，只救出了他的极其珍贵的仪器，而为了观察星星所建立的巨大建筑物却不是被拆除，就是倒塌得狼狈不堪。这件事使他很快就变老了，开始用疑惑的眼光来看待周围的环境，不愿意公布他的天文观察记录。他是位顽固专横的师傅，要求助手绝对服从他，这一点开普勒是很难做到的。
求知欲极旺的、天才的开普勒，极想把第谷确定了的行星轨道的正确数值和他自己设想的模型对照一下，但第谷最初并不想让他真正地分享他的成果。只是有时在谈话中他才偶尔漫不经心地谈到一些无关宏旨的事情，“今天他提到了一个行星的远地点，明天提到另一个行星的交点”。直到开普勒立下字据，保证严守秘密时，他才得到了火星的观察数据。于是，开普勒日以继夜地研究，希望得到一个幸运的结果。他知道，只有这样才能得到别的观察数据。然而，要想实现一个愿望可不是易事，必须付出相当大的代价。他经年累月，不知度过了多少不眠之夜，终于完成了火星的理论研究，改变了整个天文学。正是这颗行星的运动使他最后探索出了天体的秘密，要不然他可能永远也解不开这个谜。从此，开普勒放弃了关于行星作圆周运动的旧思想，主张它们是在椭圆轨道上运行，太阳则位于这些椭圆的一个焦点上。
开普勒逐渐适应了第谷的性格，这个比第谷小25岁的年轻人，一直受到贫困的袭击，始终为自己的温饱奋斗。今天得到了第谷的关怀:在开普勒病倒的时候，派人给他送钱，帮他及时就医。不久后，第谷筹划了一项大规模的计划，他想和开普勒一起开始着手大规模的天文计算工作。事实上，这项工作是应该确定行星的运行，但为了尊崇皇帝，便命名为“鲁道尔夫星行表”。
这时，第谷在短期重病以后突然离开了人世。第谷临终前对开普勒说:“我一生都在观察星表，我要得到一种准确的星表，我的目标是一千颗星……我希望你能把我的工作继续下去。我把我的一切资料都交给你，愿你把我观察的结果发表出来，你不会使我失望吧?”开普勒含泪站立在第谷的床前，沉痛地说:“我会!”开普勒知道应该怎样感激这位老人。开普勒没有使第谷失望，1627年，“鲁道尔夫星行表”便在乌尔姆出版，第谷的名字载入了科学史册。
第谷逝世后，皇帝顾问巴尔维茨前来看望开普勒，并根据皇帝的命令委派开普勒管理已故丹麦天文学家的仪器和未竟事业。这对开普勒来说，是接任了皇家数学家的职务。他利用第谷留下的大量的天体观测资料，进行了仔细的分析研究。火星轨道的计算使开普勒的研究方法发生了根本性变化。过去他是空想宇宙体系的结构，现在他“汗流浃背，气喘如牛地跟踪着造物主的足迹”，就是说把研究倒了个个儿，依靠天体来研究几何学。从此他开始设想建立一种没有假设的天文学。
当时，不论是地心说还是日心说，都认为行星作匀速圆周运动。但开普勒发现，火星并非作匀速圆周运动。经过四年的观察和苦思冥想，他发现火星的轨道是椭圆形，于是得出了开普勒第一定律:火星沿椭圆轨道绕太阳运行，太阳处于两焦点之一的位置。随着火星椭圆形轨道的发现，火星运动的计算开始全面展开。开普勒通过计算发现，火星运动的速度是不匀的，当它离太阳较近时运动得较快，离太阳远时运动得较慢，但从任何一点开始，向径(太阳中心到行星中心的连线)在相等的时间所扫过的面积相等。这就是开普勒第二定律(面积定律)。但是，开普勒关于火星运动的著作《新天文学》在历尽艰辛和迟延以后，直到1609年夏天才印刷出版。该书还指出两定律同样适用于其他行星和月球的运动。这本著作是现代天文学的奠基石。
然而，早已放弃了天文学野心的皇帝顾问滕格纳尔却没有认识到开普勒的伟大成绩，就连当时一些著名的天文学家也是这样。开普勒看到他的著作遭到了许多人的轻视和误解，便保持沉默。他丝毫没失去信心，把一切希望都寄托在另外一个追求科学真理的人身上，这个人的有力评价对开普勒的这两大定律能够得到世人承认是至关重要的。他就是帕多瓦大学数学教授伽利略。早在格拉茨时，开普勒就想和伽利略建立联系，他把《宇宙的奥秘》寄给了伽利略。那时，伽利略就觉察到他是哥白尼宇宙体系的信徒和保卫者，认为开普勒是他“探寻真理的一位朋友”。
1610年3月15日，皇帝顾问瓦克尔·冯·瓦肯费尔斯坐车经过开普勒的寓所。“开普勒!”他坐在车上喊，“伽利略在帕多瓦用一个双透镜望远镜发现了四颗新行星。”开普勒十分激动。不久后，他就得到了伽利略发现的详细情况。当他得到《星球的使者》后没有几天，就起草了一封祝贺信回敬给伽利略。此后，开普勒一再努力终于得到了一架望远镜，使他能够用自己的眼睛来检验伽利略的发现。他把观察结果写进了一本小册子《论木星卫星》，为伽利略的发现提供了最好的旁证。
1619年，正当世界历史迈出不可抗拒的一步的时候，科学也向前推进了一个阶段。德国乃至欧洲爆发了流血战争，宗教战争一直持续着，科学和神学的斗争也时刻没有停止。正是这年，开普勒著成《宇宙谐和论》。这部著作凝聚着他十多年的心血，及长期繁杂的计算和无数次失败。它不仅是第一次系统地论述了近代科学的法则，而且也完成了古典科学的复兴。它标志着天文学发展到了新高峰，使开普勒创立的行星运动的第三定律(周期定律)，即行星绕太阳公转运动的周期的平方与它们椭圆轨道的半长轴的立方成正比的理论得以问世。同时，它也宣告了宇宙的和谐与世界的和平，是一部反对战争和热爱科学的伟大思想作品。
开普勒创立的行星运动的三大定律，使天文学进入到一个新的阶段，为牛顿发现万有引力定律打下了基础。
然而，这位伟大科学家一生是在经济困苦和操劳跋涉中度过的。1630年11月15日，他在贫病交困中寂然死去。他墓前的石碑上这样写道:“我欲测天高，现在量地深。上苍赐我灵魂，凡俗的肉体安睡在地下。”这是开普勒离开世间前写的两行诗。
微波背景辐射
来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射，也称为宇宙背景辐射。
早在20世纪40年代，伽莫夫等人根据热大爆炸宇宙学说的观点，预言宇宙空间应该充满着残余辐射，它们的温度已经相当低了，大致为几K或至多几十K。“K”是开氏温标或者叫热力学温标中的温度单位“开耳芬”的符号，正像我们用“℃”来表示摄氏温标中的温度的道理是一样的。0℃相当于273.15K，3K相当于－270℃以下。
20多年后，果然找到了这种残余辐射，实测结果与理论推算值大体相符，被称为“微波背景辐射”。发现者是两位美国工程师射电天文学家彭齐亚斯(1933～)和威尔逊(1936～)。当时他们都受聘在美国新泽西州普林斯顿附近的贝尔电话实验室工作。
20世纪60年代初，美国科学家阿诺·彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接受天线系统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度时，发现总有消除不掉的背景噪声。他们认为，这些来自宇宙的的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K。1965年，他们又订正为3K，并将这一发现公之于世，为此获得1978年诺贝尔物理学金奖。
微波背景辐射的最重要的特性是具有黑体辐射谱，在0.3～75厘米波段，可以在地面上直接测到;在大于75厘米的射电波段，银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射，因而不能直接测到;在小于0.3厘米波段，由于地球大气辐射的干扰，要依靠气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测到。从0.054厘米直到数十厘米波段的测量表明，背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射，习惯称为3K背景辐射。黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大的时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱。由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的互相作用极小，所以，我们今天观察到的黑体谱必定起源于很久以前。微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息。
微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性。这有两方面的含义:①小尺度上的各向同性:在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于0.2%～0.3%;②大尺度上的各向同性:沿天球各个不同方向，辐射强度的涨落小于0.3%。各向同性说明，在各个不同方向上，在各个相距非常遥远的天区之间，应该存在过相互联系。
除微波波段外，在从射电到γ射线辐射的各个波长上，大都进行过背景辐射探测，结果是微波波段的辐射最强，其强度超过其他所有波段的背景辐射的总和。微波背景辐射的发现被认为是20世纪天文学的一项重大成就。它对现代宇宙学所产生的深远影响，可以与河外星系的红移的发现相比拟。当前，流行的看法认为背景辐射起源于热宇宙的早期。这是对大爆炸宇宙学的强有力的支持。早在20世纪40年代，伽莫夫、阿尔菲和海尔曼根据当时已知的氦丰度和哈勃常数等资料，发展了热大爆炸学说，并预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射，其温度为几K或几十K。3K微波背景辐射的实测结果与理论预期大体相符。此外，还有用其他模型或机制来解释微波背景辐射的宇宙学说。
背景辐射已经有了更加深远的意义，说明了宇宙的膨胀理论和经典物理之间的矛盾是不可调和的。
登月探索发现
1957年10月4日，苏联第一颗人造卫星上天，拉开了人类航天时代的序幕。苏联宇航员、大名鼎鼎的加加林，于1961年4月12日，乘坐苏联“东方号”飞船，环绕地球飞行了一圈，历时近2个小时，成为了第一位进入太空的人。
加加林
月球是距离地球最近的天体(约38万千米)，是人类进行太空探险的第一站。苏联1959年发射的月球2号探测器在月球着陆，这是人类的航天器第一次到达地球以外的天体。同年10月，月球3号飞越月球，发回第一批月球背面的照片。1970年发射的月球16号着陆于丰富海，把100克月球土壤送回了地球。
美国在20世纪60年代开始的雄心勃勃的“阿波罗”计划的目的就是将人类送上月球进行实地考察。在此之前的1961年到1967年间，9个“徘徊者”、7个“勘测者”探测器和5个月球轨道器先后对月球进行了考察。它们拍摄了月球的照片，并分析了月球的土壤，为登上月球做好了准备。随后美国便使用“土星”5号运载火箭先后向月球发射了17艘“阿波罗”飞船。其中“阿波罗”1～3号是试验飞船，4～6号是无人飞船，7号飞船载人绕地球飞行，8～10号载人绕月飞行，11～17号是载人登月飞行。
1969年7月16日发射的“阿波罗”11号使人类首次登上了月球。执行该次任务的是阿姆斯特朗、阿尔德林和柯林斯。飞船抵达月球轨道后，柯林斯驾船绕月飞行，另两名宇航员驾驶登月舱于7月20日降落在月球表面的静海。阿姆斯特朗成为第一个登上月球的人。宇航员在月球表面进行了实地的科学考察，并把一块金属纪念牌和美国国旗插上了月球。此后又有5次成功的登月飞行，宇航员在月球上停留的时间总共约300小时。
此后对月球的考察几乎停滞，直到1994年，美国又发射了“克莱门汀”号无人驾驶飞船，对月球进行了新的地貌测绘，其目的是为在不久的将来建立月球基地和月基天文台做准备。1998年1月6日发射升空的“月球勘探者”携带有中子光谱仪探测氢原子。它发现在月球两极的盆地底部存在水。
阿波罗11号的三位宇航员
火星探索发现
火星是地球的近邻。它与地球有许多相同的特征。它们都有卫星，都有移动的沙丘、大风扬起的沙尘暴，南北两极都有白色的冰冠，只不过火星的冰冠是由干冰组成的。火星每24小时37分自转一周，它的自转轴倾角是25度，与地球相差无几。
火星上有明显的四季变化，这是它与地球最主要的相似之处。但除此之外，火星与地球相差就很大了。火星表面是一个荒凉的世界，空气中二氧化碳占了95%。浓厚的二氧化碳大气造成了金星上的高温，但在火星上情况却正好相反。火星大气十分稀薄，密度还不到地球大气的1%，因而根本无法保存热量。这导致火星表面温度极低，很少超过0℃。在夜晚，火星最低温度则可达到－123℃。
火星的内部结构与地球相似，都有壳、幔和核，但由于数据不完全，火星核的组成和大小仍然未能确定。火星表面有纵横交错的河床。这些河床已经干涸，但它们可能是在远古时期由大量的洪水冲刷形成的。火星表面扬起的大范围沙尘暴。生成于火星南极附近，影响范围有数百千米。火星表面的水滴状地形，看起来似乎更像是一个个岛屿。环绕着这些岛屿的悬崖高度都为400～600米。位于火星南极附近有一大片沙丘。这些沙丘与地球上最大的沙丘一般大小。火星南极有冰盖。这些冰盖至少有方圆400千米，主要由干冰组成。
火星被称为红色的行星，这是因为它表面布满了氧化物，因而呈现出铁锈红色。火星表面的大部分地区都是含有大量红色氧化物的大沙漠，还有赭色的砾石地和凝固的熔岩流。火星上常常有猛烈的大风，大风扬起沙尘能形成可以覆盖火星全球的特大型沙尘暴。每次沙尘暴可持续数个星期。
火星表面有一条巨大的“水手谷”。这是一个长约4000千米的巨大峡谷，它是在远古时期的洪水和火山活动的共同作用下形成的。火星上的巨大火山——奥林匹斯山高约27000米，是地球最高峰珠穆朗玛峰高度的3倍。它是太阳系中最高的山峰。火星有两个微小的卫星，直径都不到80千米，看起来更像是被俘获的小行星。
一直以来，火星都以它与地球的相似而被认为有存在外星生命的可能。近期的科学研究表明，目前还不能证明火星上存在生命，相反的，越来越多的迹象表明火星更像是一个荒芜死寂的世界。尽管如此，某些证据仍然向我们指出火星上可能曾经存在过生命。例如对在南极洲找到的一块来自火星的陨石的分析表明，这块石头中存在着一些类似细菌化石的管状结构。所有这些都继续使人们对火星生命的是否存在保持极大的兴趣。
2008年10月，美国“凤凰”号控测器在火星北极一个称为瓦斯蒂塔斯－伯里利斯平原的地方着陆，整个着陆过程堪称完美。“凤凰”号刚一抵达这颗红色星球，亚利桑纳大学“凤凰”号任务首席科学家彼得·史密斯便期待“凤凰”号能进一步证实“机遇”号和“勇气”号以前发现的结果:一个覆盖着酸性和碱性土壤的地形，这种地形原本被认为不适于生命存在。其中的原因其实很好解释:火星经常遭到范围达数千千米的巨型尘暴的撞击。
“凤凰”号探测器
一旦撞上火星，尘暴将土壤掀起，散落在整个火星表面。科学家过去认为，火星上某处土壤与另一处的土壤相似。“凤凰”号这次可以通过机械臂深入地下，采集火星土块在机载化学实验室上进行测试。“凤凰”号的机械臂挖开火星冰冻表面，清楚地露出一片片的冰，尽管它们迅速蒸发，“凤凰”号仍是在地球以外的星球上找到水的第一个探测器。
随着进一步勘测，有一个事实变得越来越清晰，那就是“凤凰”号支架下面的土壤(位于火星北极圈)与“机遇”号和“勇气”号在火星赤道附近发现的土壤属性截然不同。同海水一样，“凤凰”号下面的土壤稍显碱性，含有碳酸钙，碳酸钙通常形成于存在水的环境下。
史密斯说:“凤凰号告诉我们，火星并非如我们原本想象的那样，处处都一样。如果火星处处都是酸性，且含盐，那么你可能很难想象生命会形成于这样的地方，但我们发现了类似于大家在地球海洋中看到的环境状况，对于那些试图在火星上寻找适于生命存在区域的人来说，这是个好消息。”科学家对“凤凰”号发回的科学数据展开认真研究，试图从中揭开火星历史的一些谜团。他们的猜测将火星土壤状况与火星方位的显著变化联系在一起。
木星探索发现
木星是太阳系中最大的行星，它的体积超过地球的1000倍，质量约是太阳系中其他7颗行星质量的总和。与其他巨行星一样，木星没有固态的表面，而是覆盖着966千米厚的云层。通过望远镜观测，这些云层就像是木星上的一条条绚丽的彩带。
木星和它的卫星
木 星
木星内部结构
木星是一个巨大的气态行星。最外层是一层主要由分子氢构成的浓厚大气。随着深度的增加，氢逐渐转变为液态。在离木星大气云顶1万千米处，液态氢在100万巴的高压和6000K的高温下成为液态金属氢。木星的中央是一个由硅酸盐岩石和铁组成的核，核的质量是地球质量的10倍。
这是哈勃太空望远镜拍摄的木星照片。图中可以看到在木星南半球有三个连在一起的白色风暴。
由图中可以看出木星主要由液态金属氢组成。液态金属氢与表层木星大气之间是液态分子氢和分子氦的混合层。
木 星
木星上的大红斑
这是旅行者1号探测器于1979年拍摄的木星照片。照片中可以看到木星上的“大红斑”。该图的分辨率达到160千米。
木星上的大红斑，由旅行者1号拍摄。图中右下是一个白色风暴点。该风暴在1939和1940年就开始形成，此后始终残留在此地。(https://www.daowen.com)
木星上的风暴残留
大红斑
旅行者2号1979年拍摄的大红斑。在大红斑下方有一个较小的白色风暴点。但它与3月前旅行者1号拍到的不是同一个。
图为伽利略号探测器拍摄的新月形木星的照片。该图是在近红外和紫外波段拍摄的。
木 星
新月时的木星
木星与木卫三
木星与木卫三。此图是卡西尼号探测器于2000年拍摄的。木卫三比水星、冥王星和土卫六还要大。
木星与木卫一。木卫一的大小和月球相似，相比之下，它背后的木星就是个庞然大物了。此图是卡西尼探测器拍摄的。
木星光环。木星环是1979年由旅行者1号发现的，而此图是由旅行者2号拍摄的。
这张由哈勃太空望远镜拍摄的照片显示出木星北极套索般的极光。图中可见三个木卫运行的印迹。
由于木星快速的自转，它有一个复杂多变的天气系统，木星云层的图案每时每刻都在变化。我们在木星表面可以看到大大小小的风暴，其中最著名的风暴是“大红斑”。这是一个朝着顺时针方向旋转的古老风暴，已经在木星大气层中存在了几百年。大红斑有三个地球那么大，其外围的云系每四到六天即运动一周，风暴中央的云系运动速度稍慢且方向不定。由于木星的大气运动剧烈，致使木星上也有与地球上类似的高空闪电。
木星与木卫一
木星光环
木星的两极有极光，这似乎是从木卫一上火山喷发出的物质沿着木星的引力线进入木星大气而形成的。木星有光环。光环系统是太阳系巨行星的一个共同特征，主要由小石块和雪团等物质组成。木星的光环很难观测到，它没有土星那么显著壮观，但也可以分成四圈。木星环约有6500千米宽，但厚度不到10千米。
木星极光
将近4个世纪之前，当伽利略把他自制的望远镜指向天空时，他发现在木星周围有三个亮点。他开始认为那可能是恒星，但这些“恒星”与木星排成了一条奇怪的直线。这引发了伽利略浓厚的兴趣，他在继续观测后发现它们运行在看来错误的轨迹上。4天之后，伽利略又发现了一颗。经过接下来几个星期的观测后，伽利略确认它们并非恒星，而是围绕着木星运行的天体。
在以后的几个世纪中，人们又接连发现了12颗卫星，使木星卫星的总数达到了16颗。最近，又有12颗卫星被发现并被临时编号，直至它们有正式的确认和命名。1979年，旅行者探测器对木星系的探测终于揭开了这些冰冻世界的神秘面纱。1996年，对这些世界的探索又因伽利略号探测器对木星系的探测而向前迈进了一大步。
木星卫星中的12颗相对较小，看起来更像是被俘获的，而不像是在木星轨道上自然形成的。伽利略发现的4个大卫星:木卫一、木卫二、木卫三和木卫四已经被确认是在木星形成时与木星共同形成的。
岩石质的木卫一是太阳系中最与众不同的一个卫星。对木星系的探测中最令人惊奇的发现就是木卫一上的活火山。木卫一是除了地球太阳系中唯一一个存在活火山的天体。旅行者号在探测木卫一时，竟发现在木卫一表面有9个火山在同时喷发。喷发物上升的高度达到300千米，喷出物质的速度达到每秒1千米。剧烈的火山活动使木卫一表面覆盖着一层厚厚的硫磺，所以木卫一看起来呈现橘黄色。
木卫一如此活跃的原因可能是因为它位于木星与木星的另两颗大卫星——木卫二和木卫三的共同引力潮汐作用下，这种类似拔河竞赛似的引力作用常常使木卫一的形状发生大至100米左右的改变。木卫一的表面温度约为－143℃，在火山喷发时的温度可达17℃，因此木卫一表面会有大小不一的熔岩湖。这与地球形成初期的情形十分相似。
木卫二是太阳系中另一颗与众不同的卫星。它是太阳系中最明亮的一颗卫星，几百年来它以它的独特性使一批又一批的科学家对它着迷。它之所以显得如此明亮，是由于它表面有一层厚厚的冰壳，这层冰壳上布满了陨石撞击坑和纵横交错的条纹。木卫二的内部很可能是非常活跃的，在冰壳下面很可能隐藏了一个太阳系中最大的液态水海洋，这个海洋中极有可能存在着生命。
木星遭不明天体撞击
2009年7月21日，美国宇航局证实，木星在过去一段时间内再次遭遇其他星体撞击，使木星南极附近落下黑色疤斑，撞击处上空的木星大气层出现一个地球大小的空洞。8月4日，美国宇航局网站撰文详细披露了发现木星被撞击的经过:
木星被撞后的图片
2009年7月19日，澳大利亚业余天文爱好者安东尼·韦斯利在新南威尔士州的家中后院天文台对木星进行拍摄时，发现了这一奇怪的现象。韦斯利现年44岁，是一名计算机程序编写员。其实，韦斯利差点错过这次宝贵机会。就在他观测到撞击前的几个小时，由于天气条件很糟糕，他差点就把望远镜关掉，不过后来改变了主意，只是自己休息了半个小时，而没有让望远镜休息，望远镜上的成像设备继续运转。
“我盯住了木星表面美丽的大红斑，”安东尼·韦斯利回忆说，“我模模糊糊看到到木星南极附近有块黑斑，不过当时并没有当回事。”也许这只不过是一个木星“极暴”。“我开始是这么想的，但这个黑斑让我感到有点奇怪。它看起来不太正常，我情不自禁地又看向那里。”渐渐地，随着木星自转，当这个斑点正对向地球时，韦斯利终于看清楚了。他被震惊了:这竟然是一个撞击的伤痕，太阳系最大的木星被撞到了!
“我曾看过1994年木星与苏梅克－列维9号彗星发生相撞后的碎片，所以我知道撞击后的样子，”他说，“当我确信无疑后，几乎都不会用电脑了。我的手不住地颤抖。太难以置信了。”
他迅速将照片发送给全世界的朋友和同事。几小时内大大小小的望远镜都对准了木星，拍摄巨大撞击后的痕迹。
美国宇航局专业观测证实木星被撞击
得知这一消息之后，美国宇航局位于加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室的科学家格伦·奥顿和雷格·弗莱彻于美国太平洋时间20日凌晨3点至上午9点(美国东部时间的上午6点至中午12点)，利用宇航局位于夏威夷莫纳克亚山山顶的红外望远镜收集相关证据，以证明木星确实遭遇撞击。这台3米的望远镜看到一片火星大小的残骸云漂浮在木星的云层上空。
格伦·奥顿解释说，由于高层大气中的粒子反射太阳的红外射线，云层显得非常明亮。“不管这个天体是什么，它在木星大气上空爆炸，”奥顿说，“炸成了碎片。我们现在看到的是撞击后的碎片，或许还有些在撞击中发生化学反应所产生的气雾。”
哈勃太空望远镜于5月份经过最后一次大修后就没再使用，但由于这次撞击意义重大，哈勃太空望远镜于7月23日开始第一次拍摄了撞击点的照片，现在还在进行检测和校对。太空望远镜科学院主任马特·蒙顿调动应急望远镜，组建了由海迪·哈莫尔等天文学家组成的小组进行观测研究。与往常一样，哈勃拍摄的照片清晰地显示出在木星大气层顶部附近有一个由黑色碎片和自然风暴组成的大漩涡。
“由于木星大气层的冲击，残骸层范围很大，”美国宇航局哥达德太空飞行中心行星学家艾米·西蒙·米勒说:“风速25米/秒的极风使残骸层蔓延扩大，这使得家用望远镜也能更容易观测到。”根据15年前木星与“苏梅克－列维9”号彗星相撞情况，她估计“韦斯利残骸层”在未来几周内都能观测到。研究者应充分把握这次机会，对残骸层的进一步研究或许会有更伟大的发现。
究竟是什么撞击了木星?
美国宇航局专家表示还不清楚是什么天体撞击了木星。“目前还不知道，”尤曼斯说，“毕竟谁也没有看到撞击。”事先没有任何先兆，这颗完全未知的天体从黑暗中来，然后“啪”的一声，变成了一片残骸云，人们甚至来不及拍下它的样子。
残骸云的化学成分是研究撞击者性质的线索。奥顿说，地面上的研究者正在分析云层反射的光线来计算出它的成分。“假如光谱中有水的迹象，那就可能是一颗彗星。否则，就可能是一个石质或金属质的小行星。”美国天文科学家格伦·奥顿说:“疤痕可能因彗星撞击所致，但有待进一步证实。”宇航员雷格·弗莱彻称黑斑“约等同于一个地球大小”。
美国航天局喷气推进实验所近地天体办公室科学家唐·尤曼斯推测说，这是来自一颗彗星或几百米大小的小行星的撞击。如果撞在地球上，将会产生相当于2000个百万吨级原子弹爆炸的能量，产生毁灭性的后果。
当然，它现在还是一个未揭开的奥秘，甚至令韦斯利魂牵梦绕。“我现在几乎每晚都会用我的14.5英寸(约合37厘米)望远镜观测木星，”他说，“残骸云在扩散，形态千奇百怪。谁知道还会发生什么呢?”
木卫二冰层下可能存在海豚一样的生物
美国宇航局最近解密的文件称，几年前，美国宇航局发射的“伽利略”号探测器在木卫二海拔400千米的上空掠过时，敏感的无线电探测器上感应到，木卫二厚厚的冰层下方传出一种“吱吱”的叫声。美国当局的高层人士当时曾对NASA下过命令，要他们对“伽利略”号所获得的资料严加保密。
科学家们一直在努力研究动物的语言，他们相信，倘若我们能破译地球上高级生物的语言，那么人类离破解外星信号的梦想就更近一步了。比如海豚，海豚是一种性格复杂、情感细腻的群居动物，它们以独特的语言进行沟通。美国肯尼迪航天中心天文学家西蒙·克拉克的最新一种理论认为，木卫二上的生命形态与海豚十分相似，并且也说海豚语。
海豚是木星一个卫星上的老住户吗?
海 豚
经过近年来的电脑分析，科学家们发现，这种吱吱声竟然与海豚发出的声音十分相似，误差率仅为0.001%。虽然说不清在木卫二海洋中“讲话”的到底是什么生物，但科学家大胆猜测，如果木卫二上真的存在某种形式的生命，它们最有可能与地球上的海豚相似。
这个假设是肯尼迪航天中心工作人员西蒙·克拉克提出来的。根据他的说法，海豚是木星一个卫星上的老住户。克拉克在新闻记者招待会上曾说:“别再提那些蓝色小精灵了，除了人类，太阳系就数海豚最聪明。”
在美国佛罗里达的秘密海洋实验室里，生物学家进行了一项最复杂的试验。他们让海豚们听用磁带从木卫二录下来的那些神秘的声音，试图让它们听懂这些地外生物的语言。等到下一次再赴木星考察，还打算将海豚的“谈话”录音带去，用无线电发射机将信号发射到木卫二。
银河系第二亮的恒星
科学家在银河系中心发现一颗新的高亮度恒星。这颗恒星绰号“牡丹星云恒星”，是被美国宇航局的斯皮策太空望远镜以及其他地面望远镜发现的。据估计，它的亮度是太阳的320万倍。
银河系
当前坐拥最亮恒星头衔的是船底座伊塔星，它的亮度是太阳的470万倍。天文学家表示，很难确定恒星的准确亮度。德国波茨坦大学的利迪娜·奥斯基诺娃说:“牡丹星云恒星是一颗令人着迷的天体。它位于银河系中心，是我们已知的银河系中亮度第二高的恒星。银河系中可能存在其他高亮度恒星，只是我们还没有发现。”奥斯基诺娃是此项研究的首席研究员和研究论文联合执笔人，论文刊登在《天文学与天体物理学》杂志上。
对于牡丹星云恒星，科学家已有一定了解，但由于身处银河系满是尘埃的中心，他们尚没有确定这颗恒星的最终亮度。斯皮策可穿透尘埃的红外线“眼睛”，能够对银河系心脏以及可见光无法渗透的区域进行观察。位于智利的欧洲南方天文台的新技术望远镜则负责计算牡丹星云恒星的亮度。奥斯基诺娃说:“红外线天文学打开了对银河系中心区域进行非凡观察的大门。”
宇宙中亮度最大的恒星同样也是个头最大的。据天文学家估计，牡丹星云恒星形成之时的质量大约是太阳的150～200倍。拥有类似质量的恒星极为少见，同时也让科学家迷惑不已，原因在于:它们挑战恒星形成所需的条件。从理论上说，如果一颗恒星形成时拥有巨大质量，那么它无法保持自身的完整性，必须分裂成两颗或者更多恒星。
牡丹星云恒星不仅是恒星家族中的大块头，“腰围”也是大得惊人。它是一种被称之为“沃尔夫－拉叶星”的巨型蓝星，巨型蓝星的直径大约是太阳的100倍。也就是说，如果把牡丹星云恒星摆在太阳的位置，它的触角将延伸到水星轨道附近。
在这种质量下，这颗恒星很难保持身体的完整性。它的寿命很短，只有区区几百万年，在此期间，牡丹星云恒星会喷射出大量强风形式的恒星物质。在其强辐射推动下，这些物质几小时内的最高时速便可达到160万千米左右(约合每小时100万英里)。最终，牡丹星云恒星将上演一次大爆炸，形成一颗超新星。奥斯基诺娃及其同事表示，这颗恒星很快就会爆炸，可能从现在到未来几百万年的任何时间。奥斯基诺娃说:“爆炸时，牡丹星云恒星将蒸发掉附近轨道的任何行星，同时孕育新的恒星。”
除了牡丹星云恒星外，天文学家也同样在其周围发现一个由尘埃和气体构成的星云，由于外形与牡丹极为相像，研究小组将其命名为“牡丹星云”。
低质量恒星的演化物——白矮星
白矮星，也称为简并矮星，是由电子简并物质构成的小恒星。它们的密度极高，一颗质量与太阳相当的白矮星体积只有地球一般的大小，微弱的光度则来自过去储存的热能。在太阳附近的区域内已知的恒星中大约有6%是白矮星。这种异常微弱的白矮星大约在1910年就被亨利·诺瑞斯·罗素、爱德华·皮克林和威廉·佛莱明等人注意到白矮星的名字是威廉·鲁伊登在1922年取的。
白矮星
白矮星被认为是低质量恒星演化阶段的最终产物，在我们所属的星系内97%的恒星都属于这一类。中低质量的恒星在度过生命期的主序星阶段，结束以氢融合反应之后，将在核心进行氦融合，将氦燃烧成碳和氧的3氦过程，并膨胀成为一颗红巨星。如果红巨星没有足够的质量产生能够让碳燃烧的更高温度，碳和氧就会在核心堆积起来。在散发出外面数层的气体成为行星状星云之后，留下来的只有核心的部分，这个残骸最终将成为白矮星。因此，白矮星通常都由碳和氧组成。但也有可能核心的温度可以达到燃烧碳却仍不足以燃烧氖的高温，这时就能形成核心由氧、氖和镁组成的白矮星。同样的，有些由氦组成的白矮星是由联星的质量损失造成的。
白矮星的内部不再有物质进行核融合反应，因此恒星不再有能量产生，也不再由核融合的热来抵抗重力崩溃;它是由极端高密度的物质产生的电子简并压力来支撑。物理学上，对一颗没有自转的白矮星，电子简并压力能够支撑的最大质量是1.4倍太阳质量，也就是钱德拉塞卡极限。许多碳氧白矮星的质量都接近这个极限质量，通常经由伴星的质量传递，可能经由所知道的碳引爆过程爆炸成为一颗超新星。
白矮星形成时的温度非常高，但是因为没有能量的来源，因此将会逐渐释放它的热量并解逐渐变冷(温度降低)，这意味着它的辐射会从最初的高色温逐渐减小并且转变成红色。经过漫长的时间，白矮星的温度将冷却到光度不再能被看见，而成为冷的黑矮星。但是，现在的宇宙仍然太年轻(大约137亿岁)，即使是最年老的白矮星依然辐射出数千度的温度，还不可能有黑矮星的存在。
最小的白矮星
超新星爆炸后的产物——中子星
中子星，又名波霎、脉冲星，是恒星演化到末期，经由引力坍缩发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。恒星在核心的氢、氦、碳等元素于核聚变反应中耗尽，当它们最终转变成铁元素时便无法从核聚变中获得能量。失去热辐射压力支撑的外围物质受重力牵引会急速向核心坠落，有可能导致外壳的动能转化为热能向外爆发产生超新星爆炸，或者根据恒星质量的不同，恒星的内部区域被压缩成白矮星、中子星以至黑洞。白矮星被压缩成中子星的过程中，恒星遭受剧烈的压缩使其组成物质中的电子并入质子转化成中子，直径只有十余千米，但上头1立方厘米的物质便可重达10亿吨，且旋转速度极快。而由于其磁轴和自转轴并不重合，磁场旋转时所产生的无线电波等各种辐射可能会以一明一灭的方式传到地球，有如人眨眼，故其又称为脉冲星。
离地球最近的中子星
当波霎被发现之后，快速的脉冲(大约1秒钟，在1960年代的天文学是很不寻常的)被半认真地视为外星高智生命传送来的讯息，随后被半开玩笑地称为小绿人，标示为LGM－1。但在更多的以不同的自转周期散布在天空各处的脉冲星被发现之后，就迅速地排除了这种可能性。而在发现船帆座波霎和超新星残骸的关联性之后，更进一步发现蟹状星云的能量来自一颗波霎，不得不令人信服波霎是中子星的解释。
还有另外一种中子星，称为磁星。磁星具有大约1011特斯拉的磁场，大约是普通中子星的1000倍。这足以在月球轨道的一半距离上擦除地球上的一张信用卡。作为对比，地球的自然磁场是大约6×10－5特斯拉;一小块钕稀土磁铁的磁场大约是1特斯拉;多数用于数据存储的磁介质可以被10－3特斯拉的磁场擦除。
磁星有时会产生X射线脉冲。大约每10年，银河系中就会有某一颗磁星爆发出很强的伽马射线。磁星有比较长的自转周期，一般为5～12秒，因为它们的强磁场会使得自转速度减慢。
一颗典型的中子星质量介于太阳质量的1.35～2.1倍，半径则在10～20千米(质量越大半径收缩得越小)，也就是太阳半径的1/70000～1/30000。因此，中子星的密度为每立方厘米8×1013～2×1015克，此密度大约是原子核的密度。致密恒星的质量低于1.44倍太阳质量，则可能是白矮星，但质量大于奥本海默－沃尔科夫极限(5倍太阳质量)的恒星会继续发生引力坍缩，则无可避免地将产生黑洞。
模拟图显示一颗中子星从伴星大气中吸收气体
由于中子星保留了母恒星大部分的角动量，但半径只是母恒星极微小的量，转动惯量的减少导致了转速迅速的增加，产生非常高的自转速率，周期从1/700～30秒都有。中子星的高密度也使它有强大的表面重力，强度是地球的2×1011～3×1012倍。逃逸速度是将物体由重力场移动至无穷远的距离所需要的速度，是测量重力的一项指标。一颗中子星的逃逸速度为10000～150000千米/秒，也就是可以达到光速的一半。换言之，物体落至中子星表面的速度也将达到150000千米/秒。更具体地说，如果一个普通体重(70千克)的人遇到了中子星，他撞击到中子星表面的能量将相当于2亿吨核爆的威力(4倍于全球最巨大的核弹大沙皇的威力)。
1932年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的詹姆斯·查德威克发现了中子，并因此获得1935年的诺贝尔物理学奖。俄国著名物理学家列夫·朗道及其同事们随即预测存在一种完全由中子组成的星，但他们的想法并没有及时发表。1934年，美国威尔逊山天文台工作的沃尔特·巴德和弗里茨·茨威基发表文章称，中子简并压力能够支持质量超过钱德拉塞卡极限的恒星，预言了中子星的存在。为寻找超新星爆炸的解释，他们提出中子星是超新星爆炸后的产物。超新星是突然出现在天空中的垂死恒星，在出现后的几天或整个星期内，在可见光的亮度上可以超越整个星系。巴德和茨威基正确地解释产生中子星时释放出的重力束缚能，供给了超新星的能量:“在超新星形成的过程中大量的质量被湮灭。”如果在中心的大质量恒星在它崩溃之前的质量是太阳质量的3倍，那么在中心可能形成一颗2倍于太阳质量的中子星。被释放出来的束缚能(E=mc2)相当于一个太阳的质量全数转化成能量，这足以作为超新星最后的能量来源。
第二次世界大战爆发前不久，美国物理学家罗伯特·奥本海默和沃尔科夫提出了系统的中子星理论，认为在质量与太阳相似的恒星内部可以达到简并中子的流体静力学平衡，但是并没有引起天文学界的重视。
1967年，剑桥大学卡文迪许实验室的乔丝琳·贝尔和安东尼·休伊什发现了有规律的无线电脉冲，随后被推断来自于旋转中的中子星，而且极大数量的中子星都属于此类。
1968年有人提出脉冲星是快速旋转的中子星。
1969年，在1054年超新星爆发的残骸蟹状星云中，发现了一颗射电脉冲星(中子星)，证明了脉冲星、中子星和超新星之间的关系。
1971年，里卡尔多·贾科尼等人发现半人马座的X射线源半人马座X－3具有4.8秒的周期，他们解释这是一颗炙热的中子星环绕着另一颗恒星的结果，能量来源是持续不断掉落至中子星表面的气体释放出的引力势能。这是第一颗认证的X射线双星。
在1974年，安东尼·休伊什因为在波霎的发现上所扮演的角色而获得诺贝尔物理学奖。
类星体的探索
类星体的发现
1960年，美国天文学家桑德奇用一台5米口径的光学望远镜找到了剑桥射电源第三星表上第48号天体(3C48)的光学对应体。他发现3C48的光谱中，在一个奇怪的位置上有一些又宽又亮的发射线。
类星体合成图片
1963年美国天文学家马丁·施密特发现在3C273的光谱中具有与3C48类似的现象，通过仔细研究，他发现这些发射线实际上是人们早已熟知的氢的发射线，只不过朝着红光的方向移动了相当长的一段距离，也就是说它们具有非常大的红移。
由于在光学望远镜中观察，类星体与普通的恒星看上去似乎没有区别，因此得名类星体(Quasi Stellar Object，或者quasar)。
类星体的命名统一在前面冠以类星体的英文缩写QSO，然后加上类星体在天球上的位置坐标。例如:类星体3C48，位于赤经13时35分，赤纬+33度，于是命名为QSO01335+33。
类星体的特征
绝大多数类星体都有非常大的红移值(用Z表示)。类星体3C273(QSO1227+02)的Z等于0.158，远远超过了一般恒星的红移值。有不少类星体的红移值超过了1，有的甚至达到4以上。根据哈勃定律，它们的距离远在几亿到几十亿光年之外。
类星体特征
观测发现，有的类星体在几天到几周之内，光度就有显著变化。因为辐射在星体内部的传播速度不可能快于光速，因此可以判定这些类星体的大小最多只有几“光日”到几“光周”，大的也不过几光年，远远小于一般星系的尺度。
类星体特征
类星体最初是在射电波段发现的，然而它在光学波段、紫外波段、X射线波段都有很强的辐射。射电波段的辐射只是很小的一部分。
根据以上事实可以想到，既然类星体距离我们如此遥远，而亮度看上去又与银河系里普通的恒星差别不大(例如3C273的星等为13等)，那么它们一定具有相当大的辐射功率。计算表明，类星体的辐射功率远远超过了普通星系，有的竟达到银河系辐射总功率的数万倍。而它们的大小又远比星系小，这就提出了能量疑难，也就是说:类星体如此巨大的能量从何而来?它们的能量机制是什么?
进一步研究
在类星体发现后的20余年时间里，人们众说纷纭，陆续提出了各种模型，试图解释类星体的能源疑难。比较有代表性的有以下几种:
(1)黑洞假说:类星体的中心是一个巨大的黑洞，它不断地吞噬周围的物质，并且辐射出能量。
(2)白洞假说:与黑洞一样，白洞同样是广义相对论预言的一类天体。与黑洞不断吞噬物质相反，白洞源源不断地辐射出能量和物质。
(3)反物质假说:认为类星体的能量来源于宇宙中的正反物质的湮灭。
(4)巨型脉冲星假说:认为类星体是巨型的脉冲星，磁力线的扭结造成能量的喷发。
(5)近距离天体假说:认为类星体并非处于遥远的宇宙边缘，而是在银河系边缘高速向外运动的天体，其巨大的红移是由和地球相对运动的多普勒效应引起的。
(6)超新星连环爆炸假说:认为在起初宇宙的恒星都是些大质量的短寿类型，所以超新星现象很常见，而在星系核部的恒星密度极大，所以在极小的空间内经常性地有超新星爆炸。
(7)恒星碰撞爆炸:认为起初宇宙较小时代，星系核的密度极大，所以常发生恒星碰撞爆炸。
对类星体的进一步观测发现了一些新的现象，例如光谱中不同元素的谱线红移值并不相同，发射线和吸收线的红移值也不尽相同。
在一些类星体中发现了超光速运动的现象。例如1972年，美国天文学家发现类星体3C120的膨胀速度达到了4倍光速。还有人发现类星体3C273中两团物质的分离速度达到了9倍光速。
而类星体3C279内物质的运动速度达到光速的19倍。人们起初认为这对相对论提出了巨大的挑战。最近的研究表明，这些超光速运动现象只是“视超光速”想象，起因于类星体发出的与观测者视线方向夹角很小的亚光速喷流，实际上并没有超过光速。
黑洞理论
黑洞是根据现代的物理理论和天文学理论所预言的，在宇宙空间中存在的一种质量相当大的天体。黑洞是由质量足够大的恒星在核聚变反应的燃料耗尽而死亡后，发生引力塌缩而形成。黑洞质量是如此之大，它产生的引力场是如此之强，以至于任何物质和辐射都无法逃逸，就连光也逃逸不出来，故名为黑洞。
黑洞模拟图
历史上，法国物理学家拉普拉斯曾预言:“一个质量如250个太阳，而直径为地球的发光恒星，由于其引力的作用，将不允许任何光线离开它。由于这个原因，宇宙中最大的发光天体，却不会被我们看见。”
现代物理中的黑洞理论建立在广义相对论的基础上。由于黑洞中的光无法逃逸，所以我们无法直接观测到黑洞。然而，可以通过测量它对周围天体的作用和影响来间接观测或推测到它的存在。比如说，恒星在被吸入黑洞时会在黑洞周围形成吸积气盘，盘中气体剧烈摩擦，强烈发热，而发出X射线。借由对这类X射线的观测，可以间接发现黑洞并对之进行研究。迄今为止，黑洞的存在已被天文学界和物理学界的绝大多数研究者所认同。
黑洞的尺寸和质量
黑洞是由大于太阳质量的3.2倍的天体发生引力坍塌后形成的(小于1.4个太阳质量的恒星，会变成白矮星)。天文学的观测表明，在很多星系的中心，包括银河系，都存在超过太阳质量上亿倍的超大质量黑洞。
黑 洞
爱因斯坦的广义相对论预测有黑洞解。其中最简单的球对称解为史瓦西度规。这是由卡尔·史瓦西于1915年发现的爱因斯坦方程的解。
根据史瓦西解，如果一个重力天体的半径小于一个特定值，天体将会发生坍塌，这个半径就叫做史瓦西半径。在这个半径以下的天体，其中的时空严重弯曲，从而使其发射的所有射线，无论是来自什么方向的，都将被吸引入这个天体的中心。因为相对论指出在任何惯性座标中，物质的速率都不可能超越真空中的光速，在史瓦西半径以下的天体的任何物质，包括重力天体的组成物质都将塌陷于中心部分。一个由理论上无限密度组成的点组成重力奇点。
由于在史瓦西半径内连光线都不能逃出黑洞，所以一个典型的黑洞确实是绝对“黑”的。
黑洞的特性
目前公认的理论认为，黑洞只有三个物理量可以测量到:质量、电荷、角动量。也就是说，对于一个黑洞，一旦这三个物理量确定下来了，这个黑洞的特性也就唯一地确定了，这称为黑洞的无毛定理，或称为黑洞的唯一性定理。但是这个定理却只是限制了古典理论，没有否认可能有其他量子荷的存在，所以黑洞可以和大域单极或是宇宙弦共同存在，而带有大域量子荷。
黑洞的合并会以光束发射强大的引力波，新的黑洞会因后座力脱离原本在星系核心的位置。如果速度足够大，它甚至有可能脱离星系母体。
黑洞的分类
(1)超巨质量黑洞:到目前为止可以在所有已知星系中心发现其踪迹。质量据说是太阳的数百万至十数亿倍。
(2)小质量黑洞:质量为太阳质量的10～20倍，即超新星爆炸以后所留下的核心质量是太阳的3～15倍就会形成黑洞。
理论预测，当质量为太阳的40倍以上，可不经超新星爆炸过程而形成黑洞。
(3)中型黑洞:推论是由小质量黑洞合并形成，最后则变成超巨质量黑洞。中型黑洞是否真实存在仍然存疑。
超巨质黑洞
