了解宇宙是如何运行的 第一季

1.恒星

我们的太阳只是银河系超过1000亿颗恒星中微不足道的一颗，论大小也是微不足道——参宿四是太阳的1500万倍大，大犬座VY星（人类截止2010年发现的最大恒星）比太阳大10亿倍。

恒星起源于尘埃和气体构成的星云——万有引力将他们吸入一个巨大的漩涡，中心的气体被压缩成浓密而炽热的球体，气流从中央喷涌而出；随着压力的增加，中央不断吸收着尘埃和气体，它们互相挤压产生更多热量，经过50多万年的演变，中央年轻的恒星越来越小而亮，气体原子开始在1500万华氏度的高温下发生聚变——恒星由此诞生。驱动恒星的能源也来源于万有引力——引力压缩恒星使其产生能够激发核聚变的高温，同时也跟核聚变产生的向外的爆发力形成了动态平衡。

光子从太阳内部逃逸到太阳表面需要成千上万年的时间（会跟其他原子发生碰撞）。巨大的磁环在恒星表面发生碰撞，释放的能量让温度猛增，激发了太阳风，将带电粒子喷射到宇宙中，会对飞船和卫星造成有害影响。

恒星内部的氢元素逐渐消耗，核聚变速度放缓，万有引力向内压缩的能量占了上风，但是聚变让恒星外层升温，使恒星膨胀成为红巨星。红巨星持续膨胀，最后从内到外逐渐崩溃，只剩下一个炽热致密的内核。此时的恒星进入了进入白矮星阶段，已不再进行核聚变。白矮星密度很高，内核是一颗巨大的纯碳晶体——巨大的钻石。比太阳质量大10倍的恒星（如参宿四）在产生铁元素后会引发超新星爆炸。爆炸将新的元素喷射到宇宙中，而这些较重的元素（氢碳氧硅铁等）正是生命诞生的源泉，这些星尘会产生新的恒星和行星；爆炸还会留下恒星的残骸，即密度极高的中子星。

We live in the age of stars, but it will come to an end. 当宇宙中的氢元素都消耗光后，将不会有新的行星诞生；而原有的恒星会逐渐熄灭，宇宙将重新回到黑暗当中。

恒星的诞生

恒星的消亡——从红巨星到白矮星

2.黑洞

黑洞密度极高——相当于把地球压缩到一个高尔夫球那么大。当一个质量相当于太阳100倍的恒星消亡时，引力使恒星坍缩，在内部形成黑洞，在极短的时间内从内到外吞噬了整个恒星，并产生两束强烈的伽马射线爆——幸好这种猛烈的爆发通常发生在银河系外部——这就是黑洞的诞生过程（理论之一）。因此，科学家们可以通过观测宇宙中的伽马射线爆发来估计宇宙中新生黑洞的数量。

黑洞的边界称为“事件视界”[Event Horizon]，外部的观测者永远无法看到物体（比如一个钱包）坠入黑洞通过视界的过程，从外面看，钱包坠向黑洞的速度越来越慢最后停留在了视界边缘。而实际上，钱包可能会坠向其中心“奇点”——在这里一切现有的时间和空间的概念都失去了意义。

大多数星系都围绕着其中心的超大黑洞旋转，包括银河系和我们的邻居仙女座星系。这些超大质量的黑洞可能是宇宙诞生之初形成的——黑洞互相吞噬、吸收周围物质，变得越来越大，周围吸引了无数尘埃和气体，从中诞生了恒星和行星，形成了最初的星系。物质在快速落向中心黑洞的过程中以类似“摩擦生热”的方式释放出巨大的能量，形成了类星体——宇宙中最耀眼的天体。 黑洞吸收气体，而类星体喷射气体——每分钟可以吹走相当于十个地球的物质。诞生恒星的气体用尽后，星系会停止生长，类星体喷射会减弱停止，因此一个星系能形成的最大规模和中心黑洞的质量密切相关。

补充：2019年科学家们首次发布了黑洞的照片。

EHT此次公布的发现，来自梅西耶87（M87）黑洞。黑洞会在周围吸积气体的辐射构成的“背景墙”上投下一个剪影。之所以会形成这样一个“阴影”，是因为黑洞会把从它背后发出并射向观测者的光线全部吞噬。与此同时，从黑洞背后发出又刚好擦过视界的其他光线，会使“阴影”周围增亮而形成一片明亮区域。强大的引力透镜效应会弯折光线，就连处在黑洞正后方的物质发出的光线，都能被弯折到黑暗区域的周围贡献一部分“光亮”。

由此产生的黑色剪影就是所谓的“黑洞大头照”——在这张照片上，黑洞完全是一团漆黑，可谓名副其实。这个阴影不会是一个对称的圆盘，这主要是因为周围气体的旋转速度极高，几乎要接近光速。如此高速运动的物质发出的辐射会发生多普勒频移，辐射方向也会向物质运动的方向汇聚而形成一个狭窄的光锥。因此，在旋转气体朝向我们运动的一侧，辐射会大大增强，而在背向我们运动的另一侧，辐射会大幅减弱。这样一来，出现在圆盘状黑暗剪影周围的就不会是一个完整的亮环，而是一个新月状亮弧。只有在我们的视线恰好与吸积盘旋转轴重合的情况下，这样的不对称才会消失。

星系诞生之初的类星体喷射

M87黑洞照片

3.大爆炸

宇宙大爆炸前是一片虚无吗？我们只知道，奇点爆发后，我们熟知的宇宙才开始形成，时间和空间也在那之后才有了意义。大爆炸发生后的几个普朗特时间内的纯粹能量爆发，其速度比光速还要快（一秒内的普朗克时间的数量是一年的秒数乘以宇宙的寿命137亿年）。

宇宙中的物质都是由大爆炸时爆发的能量转化而来的（E=MC2）——不仅形成了物质，还形成了反物质。在这两者互相湮灭的战争结束后，多出来的那部分物质形成了我们今天的宇宙。

在宇宙刚爆发的几个普朗克时间内，它还是一锅炙热混乱的亚原子浓汤；后来温度逐渐下降，原子开始形成。一开始形成的元素是氢，三分钟后开始形成氦和锂。 随着宇宙膨胀、冷却，离子和电子几乎在瞬间复合形成中性粒子，从此光子开始在宇宙中畅通无阻，而不是不断被等离子体散射。这一事件称为光子退耦，宇宙在这一刻突然变得透明，此时宇宙的年龄是38万年。光子退耦时从混沌中走出来的光子，就带着创世的信息，一直穿行在宇宙中，直到撞上人类的探测器。这种辐射就是“宇宙背景辐射”，就像大爆炸的遗产，所以又被称为或者“遗留辐射”。2003年，美国发射的威尔金森微波各向异性探测器对宇宙微波背景在不同方向上涨落的测量表明，宇宙的年龄是137±1亿年，在宇宙的组成成分中，4%是一般物质，23%是暗物质，73%是暗能量。宇宙目前的膨胀速度是每秒71公里每百万秒差距，宇宙空间是近乎于平坦的，它经历过暴胀的过程，并且会一直膨胀下去。

普朗克卫星绘制的宇宙微波背景辐射图

4.星系

我们的银河系约120亿岁，其直径超过10万光年。隔壁的仙女星系直径超过20万光年；而迄今为止发现的最大星系直径超过600万光年。银河系和仙女星系都是处女座超星系团的一部分。

星系中心一般有超大质量的黑洞，驱动周围的恒星围绕它旋转。但计算显示，仅凭黑洞是无法使星系聚集成形的，暗物质可能也在其中起到了关键作用。

暗物质可以通过引力透镜效应被间接观察到——例如观测星空时一些星系图像出现了扭曲，那正是其光线受到了暗物质的引力影响。

当我们开始以完整规模观察宇宙时，发现了宇宙丝状结构，每个丝状结构中都包括了数百万个星系团，被暗物质束缚在一起。暗物质就像胶水一样维持着整个宇宙的构造。而暗能量是一种将宇宙中的物质向彼此推开的力，将其他星系推得离我们越来越远。

星系不仅会随时间变化，还会移动。两个星系可以发生碰撞和融合。50亿或60亿年后，银河系也会和仙女星系发生碰撞；虽然恒星之间直接撞击的几率几乎相当于0，但它们之间的气体尘埃会升温燃烧，使碰撞的星系发出白热的光芒。经过一场星系碰撞的双人舞后，两个星系会逐渐融合成一个椭圆星系。

5.太阳系

太阳系的行星诞生于由尘埃气体组成的巨大碟状物。真空中的宇宙尘埃会发生碰撞，粘在一起成为更大的尘埃粒子，越滚越大最终形成行星。

46亿年前的太阳系十分动荡，数百个行星互相碰撞，有些成为碎屑，有些会融合成更大的行星。月球就是其他星体撞击地球时产生的碎屑聚集而成的。粉碎的新生行星最终形成了小行星带——大多数撞击都发生在太阳系内圈层（水金地火）。太阳系外层的行星都是气态行星（或冰巨星），由岩石（或冰）核心形成后，气体在其周围聚集形成。再往外是科伊伯带，由围绕太阳旋转的冰块和小行星组成（冥王星属于其中的矮行星）。距离太阳约一光年的奥尔特星云是太阳系的边界。

海王星可能在诞生时比天王星更靠近太阳，它们受到了土星和木星的引力叠加影响（土星绕太阳一周的时间恰好是木星的两倍）而变化了轨道。

形成行星的星云碟状物旋转残留的动量让所有的物质围绕太阳旋转，直至如今。离太阳越远公转周期越长——海王星绕太阳一圈要164年。幸运的是，我们太阳系的行星围绕太阳的公转轨道都近似圆形，因此能维持相对稳定的结构。

太阳系的行星轨道可能依然会发生变化，互相发生碰撞。但不管怎么说，50亿年内，太阳会燃尽燃料变成红巨星，升温膨胀并吞没内层行星（包括地球）。最终，红巨星也会逐渐崩溃，只剩下一个小小的恒星残骸——白矮星。内层行星的残骸会继续围绕白矮星旋转，而外侧的气态行星依然保持完好。

6.行星