孙承政个人资料简介（【人物】孙承志：打造天空“摄像头”，瞄准地球拍“3D大片”）
2020年7月25日，我国资源三号03卫星发射升空，与在轨的资源三号01、02卫星等组网运行，为新型基础测绘等工作提供数据支撑，同时兼顾生态环境监测、防灾减灾救灾等多领域应用需求。作为我国资源三号卫星应用系统工程总指挥、“国家高分辨率对地观测系统”重大科研专项（民用部分）工程副总指挥，孙承志终于松了一口气：“资源三号卫星工程建设任务完成了，我国对地遥感观测能力将显著提升，我也有更多时间做其他工作了。”
资源三号03卫星发射升空
一年后，孙承志换了一个身份——南信大遥感与测绘学科领军人才，遥感与测绘工程学院研究员。“卫星测绘是一个长期任务，需要一代又一代人持续奋斗。”孙承志说，卫星事业的重要意义在于，让大家不仅看到今天，还要看到明天。“加入南信大，除了利用自己多年业界经验，促进推动学校科研资源与民用遥感领域融合发展，更重要的是培养更多相关人才，推动卫星测绘事业不断向前。”
孙承志
01助力“资源三号”发射，填补我国自主民用立体测绘卫星空白
2012年1月9日，资源三号01卫星成功发射，我国拥有了第一颗民用高分辨率光学立体测绘卫星，填补了自主民用立体测绘卫星的空白。该卫星实现了我国1:50000测图从依赖国外卫星到使用国产卫星的根本性变革，使中国一举成为国际上少数几个掌握成套卫星测绘技术的国家之一，具有开创性和里程碑意义。
2012年1月9日，资源三号01卫星成功升空
八年后的7月，资源三号03卫星成功发射。与目前在轨的资源三号01、02卫星共同组成了我国立体测绘卫星星座，更进一步增强中国独立获取空间地理信息的能力，提升了中国测绘服务保障水平。
卫星上天，重点在于应用。“为了使得卫星能够在新型基础测绘、地理国情监测、应急测绘、智慧城市等方面开发出多样化的产品，建立覆盖全国的卫星测绘业务流程，团队当年的科研攻关历经坎坷。”孙承志全程参与了资源三号卫星01号星到03号星的应用系统开发，说起背后的故事如数家珍。
资源三号卫星研制分三个阶段：方案设计阶段、初样研制阶段、卫星正样生产与发射准备阶段。“就在第一阶段，大家就已经‘吵’得不可开交了”，孙承志笑着说。比如，在拟定“卫星研制总要求”文件时，测绘团队和卫星团队就出现了一定的分歧。“在讨论‘平台稳定度’指标时，测绘团队依据测绘规范推算出的指标和卫星团队现有研制能力可实现的指标之间有差距，团队之间各持己见，很难轻易妥协。”这样“间歇性争执”长达一年，通过“争吵”，测绘团队对卫星研制以及卫星团队对测绘产品都有了更深的理解，“卫星研制总要求”文件也从最开始的四五页扩展到最终版的二十来页，“每个系统指标都被详细敲定，也彻底理清了对各系统的技术要求。研制总要求文本也成了后面卫星研制要求文件编写的‘范本’了。”
2012年2月，国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心在河北安平开展资源三号卫星首次在轨几何检校工作
“‘资源三号’系列卫星还有一个明显特点，就是它改变了我国测绘依赖航空摄影的方式。”孙承志说，这其中，团队开发的三线阵立体拍摄是独特之处。所谓立体拍摄，就是三台线阵相机按照前视、正视、后视方式排列（一台朝前、一台朝下、一台朝后），这样沿着一条轨道上卫星飞行的每个位置都有三台相机跟踪拍摄三个位置，模拟人的眼睛看，前、正、后视组合之后可形成多个立体的影像，由于把测绘相机从飞机平台提升到卫星平台，测绘带宽从原来的公里级提高到了50公里，因此测绘效率得到了极大的提高。
“过去采用航拍测绘，全国全年的总成像能力在70万至100万平方公里，而通过测绘卫星，在不考虑云层的情况下，59天就可以对全球测绘一遍，而且精度非常高。”孙承志说，再到如今资源三号的三颗卫星实现三星组网运行，重访周期可从原来双星的3天缩短到1天，2米分辨率光学立体影像和平面影像对全国或重点区域的年度、季度、月度覆盖能力大大提高。
02打造飞行在宇宙的“摄像头”，瞄准地球拍出“3D大片”
新冠肺炎疫情之下，如何利用遥感图像，监测武汉火神山医院和雷神山医院的施工进度；汛期来临之际，如何全天候无死角跟踪拍摄湖区，为抗洪救灾提供实时洪灾数据；精准扶贫方面，如何精准调查贫困地区资源实况，分析区域贫困特征及成因……高分辨率系列卫星的广泛应用，都让这些变得顺利。
作为高分专项工程副总指挥，孙承志一直致力于更进一步研制我国高分辨率对地观测系统。“不少工作我都有参与，尤其是高分七号卫星的研制，依旧历历在目。”孙承志说，高分七号的全称是“高分辨率国土测绘卫星”，于2020年11月3日成功发射，它标志着我国跨入1:10000比例尺航天测绘新时代，已达到国际先进水平。
那么，高分辨率具体是什么含义？孙承志解释说，高分七号能达到1:10000比例尺，对地物的平面定位精度优于7米，高程精度优于1.5米。“因此，高分七号能够更准确地定位地物的位置、识别更多细节。打个比方，以往我们只能够定位比较宽阔的高速公路，现在则能够精确定位乡间小路的位置。”
2014年2月，孙承志在澳大利亚辐射定标靶标铺设作业现场
又如何实现这个高分辨率？“这要归功于它上面配置的拍照和测绘‘神器’，准确来说它搭载了双线阵立体相机、激光测高仪等有效载荷，突破了亚米级立体测绘相机技术。”孙承志说，这也是团队的发明创造，国外这种卫星都是只拥有其中一项技术，团队经过一轮轮攻关，把这两项技术合并到一颗卫星上，这样卫星就能够获取高空间分辨率光学立体观测数据和高精度激光测高数据，“与一般光学遥感卫星只能拍摄平面图像不同，高分七号绘制的图像是立体的，用它测量的地图上，建筑物不再只是一个个方格，而是一个个立体模型。”
成功的背后，总有不为人知的挑战与困难。当时高分七号决心配置国内首台长焦距、大口径、无畸变测绘相机，“但仅是制造相机的材料就让我们犯了难。”孙承志说，相机在轨成像期间的图像质量和几何稳定性，有一部分是由相机材料确定的，“卫星材料要求轻的同时，也要热稳定性能好，膨胀小，而且刚度高，卫星团队按序按标依次进行检验，长达好几个月的试验后，才最终确定碳碳化硅材料。”
03在培养新时代航天遥感力量的同时，尽最大可能服务社会“未来一段时期，我国航天测绘科技将迎来发展的黄金期，需要大量的人才资源。”孙承志说，回到校园站上讲台，一切是为了新一代成长。在前工作单位，当有年轻同事提出问题需要帮助时，我们只要有空都会放下手头工作耐心指导。“这些年，我内心对老师这个职业一直充满了一种向往，加入南信大就算是圆梦了。”
“目前，我国遥感卫星已经迈出了商业化的步伐。在商业航天领域，需要众多高校、科研单位和研究人员参与。”孙承志说，无论我们国家处在什么经济发展阶段，要发展都离不开人才。所以，下一步自己需要进一步在教育创新、加快培养卫星应用人才这方面下功夫。“如何将高校的教育优势转化为航天测绘的人才优势，需要全盘考虑。同时，如何实现企业与科研单位的无缝对接，将原创性技术直接转化为市场产品，这也是需要认真对待和考虑的。”
孙承志参加学校省级工程中心建设论证会议
“如沐春风——这是和孙老师交往互动中，我最直接的感受。”说这话的是2021级遥感与测绘工程学院资源与环境专业的研究生赵光辉，去年9月他成为孙承志进校后带的第一位研究生。“孙老师非常注重学习能力的培养，我跟着孙老师虽然时间不久，但是孙老师深厚的知识储备和卓越的科研学术能力，让我无论理论还是实践都取得了很大的进步。”赵光辉说，除了学习，孙承志在生活上对学生也分外关心。“之前在北京实习时孙老师亲自安排我的住处，同时也注重学习方面的交流与沟通，让我感到他像家人一样陪在我身边。”
研究生赵光辉在北京实习
“做导师基本上是跟学生朝夕相处，在我看到他们取得进步的时候我也很高兴。”今年孙承志又带了5名硕士生和1名博士生，谈到对学生的期待，他说，“我希望我的学生能懂得严谨、认真和精益求精对科研工作的重要性。同时大家要珍惜在校时间，因为进入社会后可能再没有像大学一样系统的时间去学习新知识和技能了。”
当前，测绘技术与以移动互联网、大数据、云计算为代表的新一代信息技术正加速融合，并催生各种地理信息新应用、新产品和新服务。“所以我希望以后在南信大能够和更多勤奋、上进、优秀的学生一起参与到更多的项目当中去，利用学校优质的科研资源去解决一些关键技术问题。”孙承志说，我们还可以积极探索大学与企业互动的新模式，抓住当前商业航天产业高速发展的战略机遇期，尽最大可能让学校的优质资源和能力服务于社会。
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来源：南京信息工程大学
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7亿年前之间的一次难以置信的大爆炸。这是一次不可想像的能量大爆炸，宇宙边缘的光到达地球要花120亿年到150亿年的时间。大爆炸散发的物质在太空中漂游，由许多恒星组成的巨大的星系就是由这些物质构成的，我们的太阳就是这无数恒星中的一颗。原本人们想象宇宙会因引力而不在膨胀，但是，科学家已发现宇宙中有一种 “暗能量”会产生一种斥力而加速宇宙的膨胀。 2.宇宙学说认为，我们所观察到的宇宙，在其孕育的初期，集中于一个体积极小、温度极高、密度极大的奇点。在141亿年前左右，奇点产生后发生大爆炸，从此开始了我们所在的宇宙的诞生史。 3.宇宙大爆炸后0.01秒，宇宙的温度大约为1000亿度。物质存在的主要形式是电子、光子、中微子。以后，物质迅速扩散，温度迅速降低。大爆炸后1秒钟，下降到100亿度。大爆炸后14秒，温度约30亿度。35秒后，为3亿度，化学元素开始形成。温度不断下降，原子不断形成。宇宙间弥漫着气体云。他们在引力的作用下，形成恒星系统，恒星系统又经过漫长的演化，成为今天的宇宙。 宇宙是什么?宇宙有多大?宇宙年龄是多少? 宇宙是万物的总称，是时间和空间的统一。从最新的观测资料看，人们已观测到的离我们最远的星系是130亿光年。也就是说，如果有一束光以每秒30万千米的速度从该星系发出，那么要经过130亿年才能到达地球。根据大爆炸宇宙模型推算，宇宙年龄大约200亿年。宇宙有多少个星系?每个星系有多少颗恒星? 在这个以130亿光年为半径的球形空间里，目前已被人们发现和观测到的星系大约有1250亿个，而每个星系又拥有像太阳这样的恒星几百亿到几万亿颗。因此只要做一道简单的数学题，你就不难了解到，在我们已经观测到的宇宙中拥有多少星星。地球在如此浩瀚的宇宙中，真如沧海一粟，渺小得微不足道。天文学的基础知识（一） 太阳和地球的年龄? 据估计太阳的年龄比地球大1000万-2000年年，而通过放射性计年，地球的年龄是45亿年，因此太阳的年龄是45.1亿年。银河系简介 是地球和太阳所属的星系。因其主体部分投影在天球上的亮带被我国称为银河而得名。银河系呈旋涡状，有4条螺旋状的旋臂从银河系中心均匀对称地延伸出来。银河系中心和4条旋臂都是恒星密集的地方。从远处看，银河系像一个体育锻炼用的大铁饼，大铁饼的直径有10万光年，相当于946080000亿公里。中间最厚的部分约3000～12000光年。银河系整体作较差自转，太阳位于一条叫做猎户臂的旋臂上，距离银河系中心约2.5万光年。在银河系里大多数的恒星集中在一个扁球状的空间范围内，扁球的形状好像铁饼。扁球体中间突出的部分叫“核球”，半径约为7千光年。核球的中部叫“银核”，四周叫“银盘”。在银盘外面有一个更大的球形，那里星少，密度小，称为“银晕”，直径为7万光年。银河系是一个旋涡星系，具有旋涡结构，即有一个银心和两个旋臂，旋臂相距4500光年。其各部分的旋转速度和周期，因距银心的远近而不同。1971年英国天文学家林登·贝尔和马丁·内斯分析了银河系中心区的红外观测和其他性质，指出银河系中心的能源应是一个黑洞，但是由于目前对大质量的黑洞还没有结论性的证据。银河系如何运转?太阳绕银河系公转是多少年?银河系的年龄是多少? 银河系是一个巨型旋涡星系，Sb型，共有4条旋臂。包含一、二千亿颗恒星。太阳距银心约2.3万光年，以250千米/秒的速度绕银心运转，运转的周期约为2.5亿年。关于银河系的年龄，目前占主流的观点认为，银河系在宇宙诞生的大爆炸之后不久就诞生了，用这种方法计算出，我们银河系的年龄大概 在145亿岁左右，上下误差各有20多亿年。而科学界认为宇宙诞生的“大爆炸”大约发生 ... 什么叫星系?宇宙有多少个星系和恒星? 天穹上的大多数光点是银河系的恒星，但也有相当大量的发光体是与银河系类似的巨大恒星集团，历史上曾被误认为是星云，我们称它们为河外星系，现在已知道存在1000亿个以上的星系，著名的仙女星系、大小麦哲伦星云就是肉眼可见的河外星系。星系的普遍存在，表明它代表宇宙结构中的一个层次，从宇宙演化的角度看，它是比恒星更基本的层次。宇宙中有1000亿～2000亿个像银河系这样的星系。如果银河系的恒星数量以最低的2000亿(有人推算是10000亿)颗计算，由此推算出的宇宙中的恒星数量为2×1022～4×1022颗，即20万亿亿～40万亿亿颗(也有人推出文学上把我们感受到的这1天的24小时称为太阳日。地球自转产生了昼夜更替。昼夜更替使地球表面的温度不至太高或太低，适合人类生存。 月球基本概况? 1.它每年以三厘米的速度远离的处。金星的半径约为6073公里，只比地球半径小300公里，体积是地球的0.88倍，质量为地球的4/5；平均称之为 宙斯(众神之王，奥林匹斯山的统治者和罗马国的保护人，它是Cronus（土星)的儿子。 2.木星是天空中第四亮的物体（次于太阳，月球和金星；有时候火星更亮一些），早在史前木星就已被人类所知晓，伽利略1610年对木星四颗卫星（现常被称作伽利略卫星）进行观察。我们得到的有关木星内部结构的资料（及其他气态行星）来源很不直接，并有了很长时间的停滞，（来自伽利略号的木星大气数据只探测到了云层下150千米处），“先驱者11号”于1974年12月飞掠木星时，测得的木星表面温度为零下148摄氏度，木星由90％的氢和10％的氦（原子数之比， 75/25％的质量比）及微量的甲烷、水、氨水和“石头”组成。这与形成整个太阳系的原始的太阳系星云的组成十分相似。土星有一个类似的组成，但天王星与海王星的组成中，氢和氦的量就少一些了。气态行星没有实体表面，它们的气态物质密度只是由深度的变大而不断加大（我们从它们表面相当于1个大气压处开始算它们的半径和直径）。我们所看到的通常是大气中云层的顶端，压强比1个大气压略高。木星可能有一个石质的内核，相当于10－15个地球的质量。 3.宇宙飞船发回的考察结果表明，木星有较强的磁场，表面磁场强度达3～14高斯，比地球表面磁场强得多（地球表面磁场强度只有0.3～0.8高斯）。木星磁场和地球的一样，是偶极的，磁轴和自转轴之间有 10°8′的倾角。木星的正磁极指的不是北极，而是南极，这与地球的情况正好相反。木星的四个大卫星都被木星的磁层所屏蔽，使之免遭太阳风的袭击。 4.木星有一个同土星般的环，不过又小又微弱，它们由许多粒状的岩石质材料组成。在宇宙飞船探测木星之前，人们知道木星有13颗卫星。科学家们从“旅行者2号”发回的照片上又发现了3颗，共有16颗木卫（可能有无数卫星，最新数量61颗）。其中靠近内侧的地方有４颗特别大是伽利略卫星，(伽利略卫星即木卫一、木卫二、木卫三和木卫四分别叫伊奥、欧罗巴 、加尼美德、卡利斯托)。按距离木星中心由近及远的次序为：木卫十六、木卫十四、木卫五、木卫十五、木卫一、木卫二、木卫三、木卫四。它们都围绕着木星公转，离木星最远的木卫九与木星的距离比地球和月亮的距离远60倍，它绕木星公转一周需要758天。木星的大小与卫星差异之大。除了欧罗巴以外，每颗伽利略卫星都比月球大，加尼美德的半径大约为2600公里，是太阳系中所有卫星中最大的一个，甚至比九大行星中的水星还要大。伊奥的大小和月球差不多，却拥有众多的活火山，地壳运动频繁。 5.从化学组成上来讲，木星更像太阳。虽然木星也和地球一样有铁核，可是它的85%是氢元素，其余15%主要是氦元素。其它元素只占1%。这是因为木星有强重力场，它保持了太阳系刚形成时期的大气组成。而地球的较弱的重力让它失去了大多数的原初元素。天文学的基础知识（二）6.木星上的云五彩斑斓。和地球上只有白色的云不一样，木星上的云五颜六色。这主要是因为木星大气中复杂的化合物造成的 7.木星会变成恒星吗？木星如果想变成一颗恒星，它的核心温度必须达到100万度，这才足以点燃热核反应（氢聚变成氦的反应），释放出巨大的能量。而要达到那么高的核心温度，木星的质量至少要比现在大100倍，而它没法从其他地方获得这么大的质量，所以它不可能成为一颗恒星。 土星基本概况? 1.土星古称镇星或填星，轨道距太阳14亿公里。土星直径119300公里（为地球的9.5倍），是太阳系第二大行星，公转周期相当于29.5个地球年，土星的自转很快是9.6公里／秒，仅次于木星。另外，英文的星期六（Saturday）也是以土星的英文名（Saturn）来命名的。在太阳系的行星中，土星的光环最惹人注目，它使土星看上去就像戴着一顶漂亮的大草帽，是最美丽的行星。土星环位于土星的赤道面上。在空间探测以前，从地面观测得知土星环有五个，其中包括三个主环（A环、B环、C环）和两个暗环（D环、E环）。土星光环中间有一条暗缝，后称卡西尼环缝。观测表明构成光环的物质是碎冰块、岩石块、尘埃、颗粒等，它们排列成一系列的圆圈，绕着土星旋转。它与邻居木星十分相像，表面也是液态氢和氦的海洋，上方同样覆盖着厚厚的云层。土星上狂风肆虐，沿东西方向的风速可超过每小时1600公里。土星上空的云层就是这些狂风造成的，云层中含有大量的结晶氨。土星还是太阳系中卫星数目最多的一颗行星，目前已发现的土星卫星就已经超过了60颗。土星卫星的形态各种各样，五花八门，使天文学家们对它们产生了极大的兴趣。最著名的“土卫六”上有大气，是目前发现的太阳系卫星中，唯一有大气存在的天体，土卫六与土星的平均距离为122万公里，沿着近乎正圆形的轨道绕土星运动。它像月球一样，总以同一面向着自己的行星——土星。也就是说，如果在土星上看土卫六的话，永远只能看到土卫六的同一个半面。它的轨道基本上在土星赤道面内。你可以想一想，土卫六这么大的天体，沿着大约122万公里的半径，居然运动在近乎正圆的轨道上，这真是有点难以想象的事。如果让我们专门画这样一个圆，恐怕也是不容易办到的。足见天体演化中的自然奇观。天文学的基础知识（二）2.土星大气以氢、氦为主，并含有甲烷和其他气体，大气中飘浮着由稠密的氨晶体组成的云。根据红外观测得知，云顶温度为-170℃，比木星低50℃。土星表面的温度约为-140℃，支顶温度为-180℃，比木星低50℃。在太阳系的行星中，土星的质量和大小仅次于木星。土星的平均密度是太阳系诸行星里最小的，平均密度为0.69（少于水的密度），这是因为土星核心的密度虽然要比水大一些，但有着高气体比例、低密度的大气层。由于土星的密度太小，其表面重力加速度和地球差不多 （为地球的1.07）。天文学的基础知识（二） 天王星基本概况? 1.天王星是从太阳向外的第七颗行星，在太阳系的体积是第三大（比海王星大），质量排名第四（比海王星轻），表面积相当于15.91 个地球表面积，质量等于14.536 个地球，自转周期17时 14分24秒，轴倾斜97.77°，远日点距离约30亿公里，近日点距离约27亿公里，轨道周期84.323326 年，阳光的强度只有地球的1/400。他的名称来自古希腊神话中的天空之神尤拉纳斯（Ο?ραν??），是克洛诺斯（农神）的父亲，宙斯（朱比特）的祖父。天王星在被发现是行星之前，已经被观测了很多次，但都把它当作恒星看待。最早的纪录可以追溯至1690年，约翰·佛兰斯蒂德在星表中将他编为金牛座34，并且至少观测了6次。天王星是第一颗在现代发现的行星，虽然他的光度与五颗传统行星一样，亮度是肉眼可见的，但由于较为黯淡而未被古代的观测者发现。威廉·赫歇耳爵士在1781年3月13日宣布他的发现，在太阳系的现代史上首度扩展了已知的界限。这也是第一颗使用望远镜发现的行星。目前已知天王星有27颗天然的卫星。 2.天王星和海王星的内部和大气构成不同于更巨大的气体巨星--木星和土星。同样的，天文学家设立了不同的冰巨星分类来安置她们。天王星大气的主要成分是氢和氦，还包含较高比例的由水、氨、甲烷结成的“冰”，与可以察觉到的碳氢化合物。他是太阳系内温度最低的行星，最低的温度只有49K，还有复合体组成的云层结构，水在最低的云层内，而甲烷组成最高处的云层。根据旅行者2号的探测结果，科学家推测天王星上可能有一个深度达10000公里、温度高达摄氏6650度，由水、硅、镁、含氮分子、碳氢化合物及离子化物质组成的液态海洋。由于天王星上巨大而沉重的大气压力，令分子紧靠在一起，使得这高温海洋未能沸腾及蒸发。反过来，正由于海洋的高温，恰好阻挡了高压的大气将海洋压成固态。天文学的基础知识（三）3.如同其他的大行星，天王星也有环系统、磁层和许多卫星。天王星的系统在行星中非常独特，因为它的自转轴斜向一边，几乎就躺在公转太阳的轨道平面上，因而南极和北极也躺在其他行星的赤道位置上。当天王星在至日附近时，一个极点会持续的指向太阳，另一个极点则背向太阳，每一个极都会有被太阳持续的照射42年的极昼，而在另外42年则处于极夜。天王星有一个暗淡的行星环系统，由直径约十米的黑暗粒状物组成。他是继土星环之后，在太阳系内发现的第二个环系统。目前已知天王星环有13个圆环，其中最明亮的是ε环。 海王星基本概况? 1.海王星是环绕太阳运行的第八颗行星，也是太阳系中第四大天体（直径上）。海王星的轨道周期(年)大约相当於164.79地球年，自转周期（日）大约是16.11小时，海王星直径上小于天王星，但质量比它大。海王星距太阳45亿公里，直径49.5万公里。1989年8月25日，旅行者2号探测器飞越海王星，这是人类首次用空间探测器探测海王星。它在距海王星4827千米的最近点与海王星相会，从而使人类第一次看清了远在距离地球45亿千米之外的海王星面貌，它发现了海王星的6颗新卫星(海王星有9颗已知卫星：8颗小卫星和海卫一。其中海卫一是太阳系质量最大的卫星)。首次发现海王星有5条光环，其中3条暗淡、2条明亮。由于冥王星的轨道极其怪异，因此有时它会穿过海王星轨道，自1979年以来海王星成为实际上距太阳最远的行星，在1999年冥王星才会再次成为最遥远的行星，通过双目望远镜可观察到海王星，但假如你要看到行星上的一切而非仅仅一个小圆盘，那么你就需要一架大的天文望远镜。 2.海王星的外观呈蓝色是大气中甲烷吸收了日光中的红光造成的。作为典型的气体行星，海王星上呼啸着按带状分布的大风暴或旋风，海王星上的风暴是太阳系中最快的，时速达到2000千米。和土星、木星一样，海王星内部有热源－－它辐射出的能量是它吸收的太阳能的两倍多。海王星的组成成份与天王星的很相似：各种各样的“冰”和含有15％的氢和少量氦的岩石。海王星相似于天王星但不同于土星和木星，它或许有明显的内部地质分层，但在组成成份上有着或多或少的一致性。但海王星很有可能拥有一个岩石质的小型地核（质量与地球相仿）。它的大气多半由氢气和氦气组成。还有少量的甲烷。天文学的基础知识（三）3.海王星也有光环。在地球上只能观察到暗淡模糊的圆弧，而非完整的光环。但旅行者2号的图像显示这些弧完全是由亮块组成的光环。其中的一个光环看上去似乎有奇特的螺旋形结构。海王星的磁场和天王星的一样，位置十分古怪，这很可能是由于行星地壳中层传导性的物质（大概是水）的运动而造成的。 什么是小行星带?什么是小行星? 1.小行星带是位于火星和木星轨道之间的小行星的密集区域，估计此地带存在着50万颗小行星。关于形成的原因，比较普遍的观点是在太阳系形成初期，由于某种原因，在火星与木星之间的这个空挡地带未能积聚形成一颗大行星，结果留下了大批的小行星。 2.在太阳系中，除了九颗大行星以外，还有成千上万颗我们肉眼看不到的小天体，它们像九大行星一样，沿着椭圆形的轨道不停地围绕太阳公转。与八大行星相比，它们好像是微不足道的碎石头。这些小天体就是太阳系中的小行星。 3.小行星，顾名思义，它们的体积都很小。最早发现的“谷神星”（Ceres 1)、“智神星”(Pallas 2)、“婚神星”(Juno 3) 和“灶神星”(Vesta 4)是小行星中最大的四颗，被称为“四大金刚”。“四大金刚”中最大的谷神星直径约为1000千米，最小的婚神星直径约为200多千米；如果能把它们从天上“请”到地球上来，中国的青海省刚好可以让谷神星安家。除去“四大金刚”外，其余的小行星就更小了，据估计，最小的小行星直径还不足1千米。虽然它们的体积比卫星还小得多，但是在太阳系这个家庭中，却要和九大行星论资排辈。 4.大多数小行星是一些形状很不规则、表面粗糙、结构较松的石块，表层有含水矿物。它们的质量很小，按照天文学家的估计，所有小行星加在一起的质量也只有地球质量的4／10000。这些小行星和它们的大行星同伴一起，一面自转，一面自西向东地围绕太阳公转。尽管拥挤，却秩序井然，有时它们巨大的邻居--木星的引力会把一些小行星拉出原先的轨道，迫使它们走上一条新的漫游道路。在近年对小行星观测中，还发现一个有趣的现象，有些小行星竟然也有自己的卫星。 四大小行星是哪四个?它们的基本概况? 1.据统计，太阳系中约有50万颗小行星和八大行星一样绕着太阳公转，目前已登记在册的超过8000颗。它们大多体积很小，最早发现的四大小行星(谷神星(Ceres)、智神星(Pallas)、婚神星(Juno)和灶神星(Vesta))中，谷神星是最大的一颗，通常被称作『伟大的母亲』。这种称呼，就是来自那些遥远的罗马神话。 2.谷神星（1 Ceres）又称榖神星，是火星与木星之间的小行星带中，人们最早发现的第一颗小行星，由意大利人皮亚齐于1801年1月1日发现。其平均直径为952公里，等于月球直径的1/4，质量约为月球的1/50，又被称为1号小行星。是小行星带中最大最重的天体。有趣的事，很多国际上的环保主题网站，都采用谷神星的标志来表示自己环保的决心。 3.婚神星是处在火星跟木星的小行星带之间，它在数千万小行星里面体积第四大，直径240公里长。 4.智神星（2 Pallas）是第二颗被发现的小行星，由德国天文学家奥伯斯于1802年3月28日发现。其平均直径为520千米。该天体以希腊神话中海神波赛冬的孙女Pallas Athena（即雅典娜的别称）来命名。 5.灶神星，又称第4号小行星，是德国天文学家奥伯斯于1807年3月29日发现的。灶神星是第二大的小行星，仅次于谷神星。天文学的基础知识（三）什么是近地小行星? 近“地”指接近地球，批的是那些轨道与地球轨道相交的小行星。这类小行星可能会带来撞击地球的危险。同时，它们也是相对容易使用地頢发射太空梭访问的。事实上，访问近地小行星所需的delta-v比访问月球还小。NASA的近地小行星约会探测器已经访问过这些小行星中最著名的小行星433 号(爱神星)。目前已知的大小4千米的近地小行星已有数百个。可能还存在成千上万个直径大于1千米的近地小行星数量估计超过2000个。天文学家相信已经在它们的轨道上运行了1000万至1亿年。它们要最终与内行星碰撞要么就是在接近行星时被弹出太阳系。 什么是特洛依小行星? 特洛依小行星指的是与木星有着相同的轨道，在木星轨道前后60°的拉格朗日点附近一片拉长的扁平区域，半长轴在5.05AU至5.40AU的小行星， 现在它的概念已经不单单限于木星了.而的泛指有着相似关系的天体。 什么是天狼星? 天狼星冬季夜空里最亮的恒星，属一等星，目视星等为-1.45等，绝对星等为+1.3等。它在天球上的坐标是赤经06h 45m 08.9173s赤纬-16°4258.017"(历元2000.0)。它是大犬座中的一颗双星。双星中的亮子星是一颗比太阳亮23倍的蓝白星，体积略大于太阳，直径是太阳的1.7倍，表面温度是太阳表面温度的2倍，高达10000℃。它距太阳系约8.6光年，只有除太阳以外最近恒星距离的两倍。古代埃及人认识到若该星偕日升起，即正好出现在太阳升起之前时尼罗河三角洲就开始每年的泛滥。而且他们发现，天狼星两次偕日升起的时间间隔不是埃及历年的365天而是365.25天。天狼星是大犬座α，是全天最亮的星星。天狼星是由甲、乙两星组成的目视双星。甲星是全天第一亮星，属于主星序的蓝矮星。乙星一般称天狼伴星，是白矮星，质量比太阳稍大，而半径比地球还小，它的物质主要处于简并态，平均密度约3.8×106/立方厘米。天文学的基础知识（三） 什么是织女星? 织女星是天琴座中的一颗亮星，学名叫天琴座α。它是夏夜星空中最著名的亮星之一。平时，人们都叫它织女星。在西方，称为Vega。赤径18h47m，赤纬38度47分。织女星的直径是太阳直径的3.2倍，体积为太阳的33倍，质量为太阳2.6倍，表面温度为8900摄氏度，呈青白色。它是北半球天空中三颗最亮的恒星之一，距离地球大约26.5光年。在织女星的旁边，有四颗构成一个小菱形。传说这个小菱形是织女织布用的梭子，织女一边织布，一边抬头深情地望着银河东岸的牛郎（河鼓二）和她的两个儿子（河鼓一和河鼓三）。在1.3万多年以前，织女星曾经是北极星，由于地轴的进动，现在的北极星是小熊座a星。然而，再过1.2万年以后，织女星又将回到北极星的显赫位置上。现代天文观测表明，整个太阳系正以每秒19公里的速度向着织女星附近的方向奔去。织女星是天琴座最亮的恒星（天琴座α星），也是全天第五亮星，在大角星之后。在北半球的夏天，织女星多可在天顶附近的位置见到，由于织女星的视星等接近零，因此不少专业天文学家会以织女星来作光度测定的标准。织女星与位于天鹰座的河鼓二（牛郎星），及天鹅座的天津四，组成著名的“夏季大三角”。如果把它看作是一个直角三角形，那织女星便是构成直角的星星。 什么是牛郎星? 河鼓二即天鹰座α星，俗称“牛郎星”。在夏秋的夜晚它是天空中非常著名的亮星，呈银白色。距地球16.7光年，它的直径为太阳直径的1.6倍，表面温度在7000℃左右，发光本领比太阳大8倍，目视星等为0.77等。它与“织女星”隔银河相对。古代传说牛郎织女七月七日鹊桥相会。实际上牛郎织女相距16光年。即使乘现代最强大的火箭，几百年后也不曾相会。牛郎星两侧的两颗较暗的星为牛郎的一儿一女——河鼓一、河鼓三。传说牛郎用扁担挑着一儿一女在追赶织女呢。 什么是北斗星? 北斗星相对于北极星，位置也是基本不变的，但地球的自转会让人感到北斗星在绕着北极星转（其实是绕着地轴转），如果你在一个晚上持续地看北斗星，会发现它也是从东往西转，到了白天太阳出来就看不见它了。而当地球公转到其他位置的时候，比如转过半个公转轨道，这时候的晚上正好是半年前的晚上看到的宇宙空间的另一半，所以看到北斗星的指向就相当于半年前北斗星在白天的形式。在北天有排列成斗（杓）形的七颗亮星。我们常称它们为北斗七星。北斗七星属大熊星座的一部分，从图形上看，北斗七星位于大熊的背部和尾巴。这七颗星中有6颗是2等星，一颗是3等星。通过斗口的两颗星连线，朝斗口方向延长约5倍远，就找到了北极星。认星歌有：“认星先从北斗来，由北往西再展开。”初学认星者可以从北斗七星依次来找其它星座了。北斗七星从斗身上端开始，到斗柄的末尾，按顺序依次命名为α、β、γ、δ、ε、ζ、η，我国古代分别把它们称作：天枢、天璇、天玑、天权、玉衡、开阳、摇光。从“天璇”通过“天枢”向外延伸一条直线，大约延长5倍多些，就可见到一颗和北斗七星差不多亮的星星，这就是北极星。道教称北斗七星为七元解厄星君，居北斗七宫，即：天枢宫贪狼星君、天璇宫巨门星君、天玑宫禄存星君、天权宫文曲星君、玉衡宫廉贞星君、开阳宫武曲星君、摇光宫破军星君。天文学的基础知识（三） 什么是红巨星? 当一颗恒星度过它漫长的青壮年期——主序星(main sequence)阶段，步入老年期时，它将首先变为一颗红巨星。称它为“巨星”，是突出它的体积巨大。在巨星阶段，恒星的体积将膨胀到十亿倍之多。称它为“红”巨星，是因为在这恒星迅速膨胀的同时，它的外表面离中心越来越远，所以温度将随之而降低，发出的光也就越来越偏红。不过，虽然温度降低了一些，可红巨星的体积是如此之大，它的光度也变得很大，极为明亮。肉眼看到的最亮的星中，许多都是红巨星。 什么是红矮星? 在众多处于主序阶段的恒星当中，其大小及温度均相对较小和低，在光谱分类方面属于K或M型。它们在恒星中的数量较多，大多数红矮星的直径及质量均低于太阳的三分一，表面温度也低于3，500 K。释出的光也比太阳弱得多，有时更可低于太阳光度的万分之一。又由于内部的氢元素核聚变的速度缓慢，因此它们也拥有较长的寿命。红矮星的内部引力根本不足把氦元素聚合，也因此红矮星不可能膨胀成红巨星，而逐步收缩，直至氢气耗尽。也因为一颗红矮星的寿命可多达数百亿年，比宇宙的年龄还长，因此现时并没有任何垂死的红矮星。人们相信，宇宙众多恒星中，红矮星占了大多数，大约75%左右。例如离太阳最近的恒星，半人马座的南门二比邻星，便是一颗红矮星，其光谱分类为M5，视星等11.0。 什么是白矮星? 是一种低光度、高密度、高温度的恒星。因为它的颜色呈白色、体积比较矮小，因此被命名为白矮星。白矮星是一种很特殊的天体，它的体积小、亮度低，但质量大、密度极高。比如天狼星伴星（它是最早被发现的白矮星），体积比地球大不了多少，但质量却和太阳差不多！白矮星是一种晚期的恒星。根据现代恒星演化理论，白矮星是在红巨星的中心形成的。 什么是褐矮星? 是构成类似恒星，但质量不够大，不足以在核心点燃聚变反应的气态天体。其质量在恒星与行星之间。 什么叫黄道? 是在一年当中太阳在天球上的视路径，看起来它在群星之间移动的路径，太阳在地球上沿着黄道一年转一圈，为了确定位置的方便，人们把黄道划分成了十二等份(每份相当于30°），每份用邻近的一个星座命名，这些星座就称为黄道星座或黄道十二宫。这样，相当于把一年划分成了十二段，在每段时间里太阳进入一个星座。在西方，一个人出生时太阳正走到哪个星座，就说此人是这个星座的。 什么是白道? 是月球绕地球公转的轨道平面与天球相交的大圆。白道与黄道相交于两点。月球沿白道从黄道以南运动到黄道以北通过的那个交点称为升交点，与此相对的另一交点称为降交点。白道与黄道的交角在4°57′～5°19′之间变化，平均值约为 5°9′，变化周期约为173 天。由于太阳对月球的引力，两个交点的连线沿黄道与月球运行的相反方向向西移动，这种现象称为交点退行。交点每年移动19°21′，约18.6年完成一周。这一现象对地球的章动和潮汐起重要影响。 什么是星座? 星座的定义：星座是投影在天球上一块区域的天体空间的总合，因此，说某某星座在银河系以内/以外都是不准确的说法。星座是指天上一群群的恒星组合。在三维的宇宙中，这些恒星其实相互间没有实际的关系，不过其在天球这一个球壳面上的位置相近。自古以来，人对于恒星的排列和形状很感兴趣，并很自然地把一些位置相近的星联系起来，组成星座。一些星座是古代的，还有一些是现代的。一些星座如狮子座可以追溯到古埃及的法老时代。另外一些星座是1600年左右有两名荷兰旅行家 Pieter?Keyser 和 Frederik?de Houtman 命名的，这些星座主要分布在南半球。当时他们在作环球旅行，看到了在欧洲不曾 见过的星空，然后创造了一系列极具想象力的动物的名字给这些星座命名。一个多世纪后Nicolas de Lacaille 为了纪念一些在工业革命中发明的工具，把南天一些零散的星组成了 新的星座：熔炉座、唧筒座和显微镜座。当然，很早以前南半球的土著民对自己头顶的星空 也有自己想象的图案，那是他们的星座。 星座的来源?如何辨认星座? 星座起源于四大文明古国之一的古巴比伦，古代巴比伦人将天空分为许多区域，称为“星座”，不过那时星座的用处不多，被发现和命名的更少。黄道带上的12星座初开始就是用来计量时间的，而不像现在用来代表人的性格。在公元前1000年前后已提出30个星座。两河流域文化传到古希腊以后，公元2世纪，古希腊天文学家托勒密综合了当时的天文成就，编制了48个星座。希腊神话故事中的48个星座大都居于北方天空和赤道南北。16世纪麦哲伦环球航行时，不仅利用星座导航定向，而且还对星座进行了研究。1922年，国际天文学联合会大会决定将天空划分为88个星座，其名称基本依照历史上的名称。1928年，国际天文联合会正式公布了88个星座的名称。这88个星座分成3个天区，北半球29个，南半球47个，天赤道与黄道附近12个。人类肉眼可见的恒星有近六千颗，每颗均可归入唯一一个星座。每一个星座可以由其中亮星的构成的形状辨认出来。 中国如何分星座? 中国在观星上的成就要比西方早，中国人说三垣２８宿，把天上星座分成三大块28类，而不是只有西方的12星座。其中最重要的就是紫微垣。中国的观星术，现在统称紫微星座，与西方的十二星座相区别。紫微星座共有十四主星，分别是紫微、天机、太阳、武曲、天同、廉贞、天府、太阴、贪狼、巨门、天相、天梁、七杀、破军。黄道有哪十二星座? 黄道星座大概是做著名的一组星座了。在西方传统中，黄道星座是环绕天球一整圈的 一组共12个星座。黄道十二星座包括：双鱼座、白羊座、金牛座、双子座、巨蟹座、狮子 座、室女座、天秤座、天蝎座、射手座、摩羯座和宝瓶座。英语中 Zodiac（黄道）一词来 自希腊语，意思是“动物的带”。黄道十二星座中大部分为动物，但双子、室女、天秤、宝 瓶都不是动物，而射手座通常也绘成半人半兽。黄道十二星座对天文学家和占星学家都是很有意义的。黄道星座十分著名就是引文太 阳、月球、和可见的行星都在这一区域内运行。天文学的基础知识（三） 88个星座的总名单? 对天文学家而言，星座更 像是国家的疆界。星座本身并不包含科学知识， 它们只是人为强制划出的边界。全天一共88个星座，星座是古人把天上的星星用假想的线连在一起想象成的形象。但地球是个球体，所以在北极点上永远看不到天赤道以南的星座，在南极点永远看不到天赤道以北的星座。换句话说，越靠近两极，能看到的星座就越少，在赤道上可以看到全部88个星座。星座的具体名字如下：仙女座、唧筒座、天燕座、宝瓶座、天鹰座、天坛座、白羊座、御夫座、牧夫座、雕具座、鹿豹座、巨蟹座、猎犬座、大犬座、小犬座、摩羯座、船底座、仙后座、半人马座、仙王座、鲸鱼座、堰蜓座、圆规座、天鸽座、后发座、南冕座、北冕座、乌鸦座、巨爵座、南十字座、天鹅座、海豚座、剑鱼座、天龙座、小马座、波江座、天炉座、双子座、天鹤座、武仙座、时钟座、长蛇座、水蛇座、印地安座、蝎虎座、狮子座、小狮座、天兔座、天秤座、豺狼座、天猫座、天琴座、山案座、显微镜座、麒麟座、苍蝇座、矩尺座、南极座、蛇夫座、猎户座、孔雀座、飞马座、英仙座、凤凰座、绘架座、双鱼座、南鱼座、船尾座、罗盘座、网罟座、天箭座、人马座、天蝎座、玉夫座、盾牌座、巨蛇座、六分仪座、金牛座、望远镜座、三角座、南三角座、杜鹃座、大熊座、小熊座、船帆座、室女座、飞鱼座、狐狸座。这个顺序是按照88个星座的英文名字首字母排列的。最后再说一句，现行的星座主要起源于古希腊神话，而希腊是看不到南天的部分星空的。因此北天的星座以希腊神话中的英雄、怪物等命名的较多，例如狮子座、猎户座等；而南半球的星空是在进入航海时代后才为北半球的人所知，因此多以那时刚出现的仪器命名，例如望远镜座、显微镜座等。 出生月份、农历与太阳星座的如何对应? 出生月份与太阳星座的对应如下，由于天体运行的轨道与公历历法有差异，不同年份会前后相差1-2天，与中国农历的二十四节气各个“节”之间的距离吻合，节气时间的计算准确至分钟（并非子时开始），亦是星座的界线，每年均有差异。 星座名称 黄道带时间（一般认知） 恒星时间 太阳所在星座时间 对应的农历节气 白羊座 03月21日-04月19日 04月15日-05月15日 04月19日-05月13日 春分-谷雨前一天 金牛座 04月20日-05月20日 05月16日-06月15日 05月14日-06月19日 谷雨-小满前一天 双子座 05月21日-06月21日 06月16日-07月15日 06月20日-07月20日 小满-夏至前一天 巨蟹座 06月22日-07月22日 07月16日-08月15日 07月21日-08月09日 夏至-大暑前一天 狮子座 07月23日-08月22日 08月16日-09月15日 08月10日-09月15日 大暑-处暑前一天 处女座 08月23日-09月23日 09月16日-10月15日 09月16日-10月30日 处暑-秋分前一天 天秤座 09月24日-10月23日 10月16日-11月15日 10月31日-11月22日 秋分-霜降前一天 天蝎座 10月24日-11月21日 11月16日-12月15日 11月23日-11月29日 霜降-小雪前一天 蛇夫座 － － 11月30日-12月17日 射手座 11月22日-12月21日 12月16日-01月14日 12月18日-01月18日 小雪-冬至前一天 摩羯座 12月22日-01月19日 01月15日-02月14日 01月19日-02月15日 冬至-大寒前一天 水瓶座 01月20日-02月18日 02月15日-03月14日 02月16日-03月11日 大寒-雨水前一天 双鱼座 02月19日-03月20日 03月15日-04月14日 03月12日-04月18日 雨水-春分前一天 这只是时间表，12星座一般指的是黄道12星座（黄道带时间），即没有蛇夫座。 什么是彗星? 是星际间物质，俗称“扫把星”。在《天文略论》这本书中写道：彗星为怪异之星，有首有尾，俗象其形而名之曰扫把星。彗星是由冰和少量岩石组成的小天体，平均物质密度只有10-1000千克/立方米，天文学家们把彗星形象地称为“脏雪球”。在一般的情况下，彗星都在太阳系的边缘地区，这时即使被观测到，也与极其微弱的恒星相似，看不出细致的结构。但当其逐渐接近太阳的时候，由于太阳的热辐射、太阳风和太阳光压作用的加大，尤其当它进入火星轨道区域以后，表面物质挥发形成彗尾，表现出其独特的结构。 彗星有多少颗?有什么作用? 迄今发现的彗星共有1800多颗，它们中的大部分和我们仅有一面之缘，匆匆绕过太阳后，便沿着抛物线或双曲线一去不返了。科学家们一直对彗星感兴趣，因为彗星被认为是我们太阳系里最古老最原始的天体，其物质构成与太阳系形成前的星云类似。这种星云后来坍塌形成太阳和行星，因此它含有46亿年前太阳和行星形成时的尘埃和气体。科学家们认为，形成地球生命的原始物质很可能是在彗星撞击地球时带到地球上来的，彗星为科学家研究太阳系和地球上生命的形成提供了一个窗口。 彗星的起源? 彗星的起源是个未解之谜。有人提出，在太阳系外围有一个特大彗星区，那里约有1000亿颗彗星，叫奥尔特云，由于受到其它恒星引力的影响，一部分彗星进入太阳系内部，又由于木星的影响，一部分彗星逃出太阳系，另一些被“捕获”成为短周期彗星；也有人认为彗星是在木星或其它行星附近形成的；还有人认为彗星是在太阳系的边远地区形成的；甚至有人认为彗星是太阳系外的来客。 什么是哈雷彗星?多少年能观察一次彗星? 是以英国天文学家哈雷命名的，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，第一次看到它是在牙牙学语的幼年，而第二次看到它就到了步履蹒跚的晚年了。1910年哈雷彗星非常亮，达-3.3等;1986年哈雷彗星星很暗，几乎看不到。 彗星的公转周期是多少? 哈雷彗星的平均公转周期为76年， 但是你不能用1986年加上几个76年得到它的精确回归日期。主行星的引力作用使它周期变更，陷入一个又一个循环。非重力效果（靠近太阳时大量蒸发）也扮演了使它周期变化的重要角色。在公元前239年到公元1986年，公转周期在76.0（1986年）年到79.3年（451和1066年）之间变化。最近的近日点为公元前11年和公元66元。哈雷彗星在众多彗星中几乎是独一无二的，又大又活跃，且轨道明确规律。这使得Giotto飞行器瞄准起来比较容易。但是它无法代表其他彗星所具有的公性。 简述天文学发展的历史? 1.许多早期的关于宇宙的看法都是将地球摆在所有物体的中心。从古希腊到印度和中国，许多文化发展了地心说或者被称之为地球中心论这样的对宇宙的观点。这个幻想毕竟很强烈。地球感觉上非常像是固定的，天上的光每天每夜都绕着它转。 2.最先受亚里士多德影响，许多古希腊人区分了天地的领域：天在上面地在下面。对于亚里士多德来说，地球上的所有东西都由四种元素组成：土地，空气，火和水。天上的太阳，月亮和已知的五大行星也被装在了水晶球里。这些球体被包含所有恒星的天球包含。它们都绕着地球转圈。它们必须作圆轨道运动，亚里士多德说，因为圆是完美的。而天上的东西都是以完美的方式运动。这些天体和它们的水晶球是由五种元素组成的，或称为五种精华。在它们下面属于地球的领域。有一条恒定的规律，就是出生，死亡和腐烂。但是在天空的领域，所有的东西的都是纯净的，无瑕疵的，永恒不变的。天上在外表上看永远是平静的，不变的。一切都是完美的。 3.亚里士多德的宇宙图是优雅的，但是不够精确。古中国的天空观测者不知道亚里士多德的这些论断，因此也没有受到亚里士多德的影响。他们观测并且记录下了天空的变化。这些包括被假设为无瑕疵的太阳上的黑子的出现和消失。彗星像扫把一样划过天空，客星突然间发光，以至于白天也能看到。（西方人肯定也看到过这种现象，但是当时最好的做法是保持沉默，不要让自己的言论与哲学的伟人们矛盾）如果出现一次观测，非常明显并且非常持久，那么就不可能忽略掉它。 4.一些行星的表现不够“规矩”。经常搞观测的人都知道在一定的时间在自己轨道上运行的火星，木星，土星会停止它们一贯的向东行进而改为一个U形的弯运动。即有的时候向西运动，然后再作一个U型弯运动。最后才改回到原来的向东行进。更糟糕的是，这些退行，环形或者Z型运动几乎没有相同的形状和大小。为了保留亚里士多德的天体运动的假设，大量的天文学家，哲学家和数学家在试图保留亚里士多德的“宗教”假设（天上的物体必须做完美的圆轨道运动）的前提下试图解释这个复杂的运动。 5.托勒密的复杂天球机器。公元二世纪，一位希腊的数学家，天文学家托勒密继承了亚里士多德的理论体系，并且在外层行星的大球上加了一些小球（本轮）。这样表示外层的行星在小球上运动，而它们的中心又在主水晶球上绕着地球转动。加上的这些小球（总共有80个）是为了解决观测上出现的退行现象。用这种聪明的方法，托勒密和他的同事们就既能解释外层行星的退行现象又能使它们符合圆周运动。这种模型在西方整整统治了14个世纪。 6.在16世纪，一个羞涩的波兰传教士发起了革命，并且改变了宇宙。在接下来的几个世纪里，仍然有人对托勒密的大环套小环的复杂模型不满意。尼古拉斯哥白尼有着数学功底和敏锐的洞察力，他准备做点什么。他意识到他可以去除掉托勒密系统中的本轮，只要通过一点点改变就能使这个复杂的系统变得简单得多。这个办法就是把地球从中心的位置剔除，把太阳放在那里，并且让地球也像其他行星一样绕着太阳转。这样的解决办法很简单，但是要借助大量的数学。这就是所谓日心说的宇宙模型。 7.托勒密体系之所以很长的时间内都有很高的地位是因为宗教原因。哥白尼很小心，他没有立即站出来说他的新观念是正确的。因为那样只能使当权者不高兴，甚至威胁到自己的健康。他只是简单的把它带给世界，作为一本“数学练习”带个罗马教皇统治下的世界。因为不准备去冒险，哥白尼直到去世的时候才将它发表。 8.意大利天文学家伽利略找到了支持哥白尼模型的证据。对亚里士多德和他的追随者们，科学顶多是建立在科学实验的纯粹推理上。而对于伽利略来说，证据就在布丁里，如果你想知道天空的机制是什么，你的布丁就在天上。听说了一种可以使远处物体在近处看的很清楚的装置（望远镜）之后，伽利略造了许多自己设计的望远镜，并且把它们对准了天空。他记录下月亮其实很不完美，不像众多哲学家相信的那样，月亮上既有高山又有深谷。伽利略还记录了太阳的黑子。并且发现了木星的四颗卫星。最后，他观测了金星，它像地球的卫星月亮，并且也有相的变化。这个发现听起来就是亚里士多德和托勒纳米体系的丧钟。因为能看到金星的相的变化，金星就必须绕着太阳转，而不是地球。然而伽利略的发现在他的那个年代并不受欢迎。更喜欢亚里士多德和托勒密体系的教廷迫使他放弃自己的观点，并且在他的后半生软禁了他。 9.两位与伽利略同时代的人也帮助摧毁了亚里士多德的水晶球系统。伽利略有力的打击了亚里士多德的宇宙体系，并且证明了哥白尼的理论是正确的。但是即使是哥白尼也没有完全抛弃宇宙中所有的运动都是圆运动的观念。第谷，伽利略同时代的一个人，在他的工作里没有使用望远镜，但却给出了那个年代行星运动最精确的测量法。他的合作人，稍微有点神秘兮兮但却是一位精明数学家的开普勒，通过观测来检查行星运动。他的工作比任何前人做的都要好。 10.开普勒首先提出行星绕太阳作椭圆轨道运动。当他检查第谷数据的时候，他意识到行星不能像人们想象的那样绕着太阳作圆轨道运动，取而代之的应该是椭圆轨道运动。开普勒还提出了今天所有行星遵循的行星运动三大定律。下面是开普勒的行星运动的三大定律： 1)行星绕太阳作椭圆轨道运动，太阳在椭圆的一个焦点上。 2)行星不是以恒定速度绕太阳运动的，行星距离太阳越近，运动的越快。 3)距离太阳越近的行星，它绕太阳转一圈所用的时间就越短。 11.一个叫伊萨克牛顿的天才把开普勒的工作推进了一步。在伽利略去世的那年，伊萨克牛顿出生了。开普勒提出了行星绕太阳作椭圆轨道运动而不是圆轨道运动，这符合事实，但他自己却不知道为什么。牛顿发明了数学的一个分支——微积分学，并且以它为工具，以一种今天我们称之为引力的力来解释物体的运动。 12.牛顿很可能从来没有像传奇中说的那样被苹果砸到。但是他很可能确实看到过苹果从树上掉下来，这激发了他对引力的思考。那么这种看不见的力既然能到达树上把苹果拉到地上，为什么它不能到达月球把月球拉到地球上来呢？用数学描述引力的行为，牛顿可以证明相同性质的力确实控制着苹果，月球以及宇宙中其他所有运动物体。通过极其敏锐的洞察力，牛顿说明了引力是普遍存在的力，并且用数学语言给出了这个统治宇宙中所有运动物体的力的精确表达式。他不只说明了我们在地球上经受的物理现象与宇宙中其他地方也是一样的，还表明了人类有能力了解这种力。 13.除了万有引力定律，牛顿还描述了三大运动定律。 1)如果没有外力作用，一个物体将保持静止或匀速直线运动。 2)如果一个拉力或推力作用在一个物体上，它将改变物体的速度或速度的方向。 3)如果一个物体对另一个物体施加力的作用，那么它将受到等量的反向的力的作用。 这些定理控制一切，从曲棍球到赛车，从宇宙飞船到绕太阳运动的行星。 14.在20世纪初期，爱因斯坦又突破了牛顿的体系。在1913年，阿尔伯特爱因斯坦出版了他的狭义相对论。在书中，他表示牛顿定律在平时的低速世界里是适用的，但在高速世界里它就被破坏了，即当速度接近光速的时候。这个理论的一个基本假定是光速是不变的。光速与光源的运动速度和观测者的运动速度无关。这看似荒谬，但已经被大量的独立实验证实。并且它引出了三个与观测者速度相关的物理量---质量，长度和时间。举例来说，一个以接近光速的飞船朝你飞来的时候，它的质量变大，在行进方向的长度变短，并且飞船上的时间与停在你旁边的飞船相比慢很多。尽管同样的奇怪，但这也被证实了，并且应用于现实的计算中。 15.几年过后，爱因斯坦出版了他的广义相对论。广义相对论解决牛顿力学里引力的问题，并且指出一个物体影响它旁边另一个物体的运动，不仅仅是因为引力，它的质量也弯曲了它周围的空间。更进一步的还有，物体的质量不止影响空间，还会影响时间，使时间变慢。这同样使人很困惑，但这已经被证实是一个很有效的理论。 116天文学的进步是很多人努力的结果。对于他的成就，牛顿说：“如果我比别人看得更远，是因为我站在了巨人的肩膀上。”比牛顿早的时代和晚的时代里都有很多科学巨人，你可以阅读他们的传记或书籍来了解我们这个神奇的宇宙。天文学的基础知识 什么叫原子? 最基本的物质形式叫做原子。世界上有从水到特氟纶的数十亿种自然的和人造的物质，但是所有的这些都可以在化学实验室中分解成更简单的物质。例如利用电流水可以分解成两种气体，即氢气和氧气，或者其它的，普通的食盐（氯化钠）可以分解成金属钠，和一种有毒气体叫做氯气。这四种物质中的每一个——氢气、氧气、纳和氯气——有这独一无二的性质。没有哪一种能够进一步分解而不丢失它们的性质，还是氢气、氧气、纳和氯气。它们是最基本的物质因此被叫做元素。依然保持这种元素性质的最小单元叫做原子。尽管如此，原子被认为是由更小的叫做质子、中子和电子的粒子组成的。通常，质子和中子紧密结合在原子的中心，电子以一定距离绕核旋转。实际上又一个整个的亚原子粒子家族，除了极少例外，本书不会接触它们。 什么叫分子? 当原子组合在一起，它们组成了分子。两个或更多原子结合在一起，形成了分子。例如，一个碳原子和一个氧原子组成一个一氧化碳分子。一个碳原子和两个氧原子组成一个二氧化碳分子。分子只含有很少几个原子的通常叫做简单分子，含有很多原子的分子叫做复杂分子。究竟几个原子从简单变为复杂决定于你谈话的对象。当射电天文学家在星际空间找到6到8个原子的分子时，他们把它叫做复杂分子，因为没有人会想到在险恶的宇宙空间可以找到这种东西。但是生化学家可能会把这种分子称为很简单的分子。 什么叫元素? 在整个宇宙，只有92种自然产生的元素。唯一的决定这种特定的元素是这种元素而不是其它的元素的是在原子核里的质子数量。例如，在宇宙中每个原子核里有一个质子的原子是氢，每个核里有两个质子的原子是氦而不会是其他。碳原子有6个质子，氧原子有8个质子等等。一直到核里有92个质子的铀。原子核里有相同质子和电子数的元素具有相似的化学性质，为了简便，科学家们按照质子数目把元素进行了分组，这就是元素周期表。世界上每个化学实验室里或课堂上通常会有这么一张。这是世界的蓝本，因为就92个基本的元素构成了我们的世界。Armand Deutsch许多年前写过精彩的科学小说。一组未来的考古学家在开凿古火星人的文明遗迹，发现了一所大学。他们正为无法破解火星语言而感到困惑的时候来到一个化学实验室，在实验室的墙上发现了元素周期表---一个马上被他们识别的东西。因为它代表了通用的，超越文化甚至是种族的东西。所以，元素周期表成了破解火星语言的敲门砖。核中具有少量质子的元素有时被称为轻元素或简单元素；有大量原子的就叫重元素或复杂元素。 物质有多少种状态? 物质典型存在于三种态。我们知道三态分别是：固态，液态和气态。在特定的时间特定的地点物质处于什么态取决于物质的化学本质，环境的温度和压强。在地球上，我们找一个事物为例，我们能看到它的三个态。它由两个氢原子和一个氧原子组成：。在一般情况下，当温度低于华氏32度时我们称之为冰，当温度在华氏32度到212度之间时我们称之为水，高于华氏212度时，我们称之为水蒸气。（在非常高的温度下，氢和氧原子之间的键被打破，它的本质就不再是水蒸气，就是氢气和氧气的混合气体 反物质 反物质是物质的镜像。物质由原子组成，原子又由质子、中子和电子组成。质子带正电，电子带...通常物质中没有发现过反物质，即使在实验条件下，反质子也一瞬即逝。 当你照镜子时，看一看在镜子中的那个你，如果那个镜子里的家伙真的存在，并出现在你的面前，会怎么样呢？ 科学家们已经考虑过这个问题，他们把镜子中的那个你叫做“反你”。他们甚至想象很远的地方有一个和我们现在的世界很象的世界，或者说是我们的世界在镜子里的像。它将是一个由反恒星、反房子、反食物等所有的反物质构成的反世界。但是反物质是什么，这一切又可能是真实的吗？ 对于“反物质是什么”这个问题，并没有恶作剧的意味。反物质正如你所想象的样子——是一般物质的对立面，而一般物质就是构成宇宙的主要部分。直到最近，宇宙中反物质的存在还被认为是理论上的。在1928年，英国物理学家PaulA.M.Dirac修改了爱因斯坦著名的质能方程（E=mc2）。Dirac说爱因斯坦在质能方程中并没有考虑“m”——质量——除了正的属性外还有负属性。Dirac的方程（E=+或者-mc2）允许宇宙中存在反粒子。而且科学家们也已经证明了几种反粒子的存在。这些反粒子，顾名思义，是一般物质的镜像。每种反粒子和与它相应的粒子有相同的质量，但是电荷相反。以下是20世纪发现的一些反粒子。 正电子——带有一个负电荷而不是带有一个正电荷的电子。由CarlAnderson在1932年发现，正电子是反物质存在的第一个证据。反核子——带有一个负电荷而不是通常带有一个正电荷的核子。由研究者们在1955年的伯克利质子加速器上产生了一个反质子。 反原子——正电子和反质子组合在一起，由CERN的科学家制造出第一个反质子（CERN是欧洲核子研究中心的简称）。共制造了九个反氢原子，每一个的生命只有40纳秒。到1998年CERN的研究者把反氢原子的产量增加到了每小时2000个。当反物质和物质相遇的时候，这些等价但是相反的粒子碰撞产生爆炸，放射出纯的射线，这些射线以光速穿过爆炸点。这些产生爆炸的粒子被完全消灭，只留下其它亚原子粒子。物质和反物质相遇所产生的爆炸把两种粒子的质量转换成能量。科学家们相信这种方法产生的能量比任何其它推进方法产生的能量强的多。所以，为什么我们不能建一个物质——反物质反应机呢？建造反物质推进机的困难之处在于宇宙中反物质的缺乏。如果宇宙中存在相等数量的物质和反物质，我们将可能看到围绕我们的这些反应。既然我们的周围并不存在反物质，我们也不会看到物质和反物质碰撞所产生的光。 在大爆炸产生时粒子数超过反粒子数是可能的。如上所述，粒子和反粒子的碰撞把两者都破坏掉了。并且因为开始的时候有更多的粒子存在，所以现在的粒子是所有留下来的那些。今天在我们的宇宙中可能已经没有留下任何天然的反粒子。但是，在1977年科学家们发现在银河系中心附近有一个可能的反物质源。如果那个地方真的存在，也意味着存在天然的反物质，所以我们将不再需要制造反物质。 但是目前，我们将不得不创造我们自己的反物质。幸运的是，通过使用高能粒子对撞机（也叫做离子加速器）这种技术制造反物质是可行的。离子加速器，象CERN，是沿很强的环绕的超磁场排列的一些巨大的隧道，超磁场可以使原子以接近光速的速度推进。当原子通过加速器出来时，它轰击目标，创造出粒子。这些粒子中的一些就是用磁场分离的反粒子。这些高能离子加速器每年只能产生几个毫微克的反核子。一毫微克是一克的十亿分之一。所有一年之内在CERN产生的反核子只够一个100瓦的电灯泡亮3秒钟。如果要用反核子进行星际旅行将需要消耗几吨才能实现。 暗物质 什么是暗物质？暗物质(包括暗能量)被认为是宇宙研究中最具挑战性的课题，它代表了宇宙中90%以上的物质含量，而我们可以看到的物质只占宇宙总物质量的10%不到(约5％左右)。暗物质无法直接观测得到，但它却能干扰星体发出的光波或引力，其存在能被明显地感受到。科学家曾对暗物质的特性提出了多种假设，但直到目前还没有得到充分的证明。 几十年前，暗物质(dark matter)刚被提出来时仅仅是理论的产物，但是现在我们知道暗物质已经成为了宇宙的重要组成部分。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍，在宇宙能量密度中占了1/4，同时更重要的是，暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质现在还是个谜，但是如果假设它是一种弱相互作用亚原子粒子的话，那么由此形成的宇宙大尺度结构与观测相一致。不过，最近对星系以及亚星系结构的分析显示，这一假设和观测结果之间存在着差异，这同时为多种可能的暗物质理论提供了用武之地。通过对小尺度结构密度、分布、演化以及其环境的研究可以区分这些潜在的暗物质模型，为暗物质本性的研究带来新的曙光。 大约65年前，第一次发现了暗物质存在的证据。当时，弗里兹·扎维奇发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。 在引入宇宙膨胀理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。 当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。 暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正时宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。 不过，我们忽略了极为重要的一点，那就是正是暗物质促成了宇宙结构的形成，如果没有暗物质就不会形成星系、恒星和行星，也就更谈不上今天的人类了。宇宙尽管在极大的尺度上表现出均匀和各向同性，但是在小一些的尺度上则存在着恒星、星系、星系团、巨洞以及星系长城。而在大尺度上能过促使物质运动的力就只有引力了。但是均匀分布的物质不会产生引力，因此今天所有的宇宙结构必然源自于宇宙极早期物质分布的微小涨落，而这些涨落会在宇宙微波背景辐射（CMB）中留下痕迹。然而普通物质不可能通过其自身的涨落形成实质上的结构而又不在宇宙微波背景辐射中留下痕迹，因为那时普通物质还没有从辐射中脱耦出来。 另一方面，不与辐射耦合的暗物质，其微小的涨落在普通物质脱耦之前就放大了许多倍。在普通物质脱耦之后，已经成团的暗物质就开始吸引普通物质，进而形成了我们现在观测到的结构。因此这需要一个初始的涨落，但是它的振幅非常非常的小。这里需要的物质就是冷暗物质，由于它是无热运动的非相对论性粒子因此得名。 在开始阐述这一模型的有效性之前，必须先交待一下其中最后一件重要的事情。对于先前提到的小扰动（涨落），为了预言其在不同波长上的引力效应，小扰动谱必须具有特殊的形态。为此，最初的密度涨落应该是标度无关的。也就是说，如果我们把能量分布分解成一系列不同波长的正弦波之和，那么所有正弦波的振幅都应该是相同的。暴涨理论的成功之处就在于它提供了很好的动力学出发机制来形成这样一个标度无关的小扰动谱（其谱指数n=1）。WMAP的观测结果证实了这一预言，其观测到的结果为n=0.99±0.04。 但是如果我们不了解暗物质的性质，就不能说我们已经了解了宇宙。现在已经知道了两种暗物质--中微子和黑洞。但是它们对暗物质总量的贡献是非常微小的，暗物质中的绝大部分现在还不清楚。这里我们将讨论暗物质可能的候选者，由其导致的结构形成，以及我们如何综合粒子探测器和天文观测来揭示暗物质的性质。 最被看好的暗物质候选者 长久以来，最被看好的暗物质仅仅是假说中的基本暗性粒子，它具有寿命长、温度低、无碰撞的特殊特性。寿命长意味着它的寿命必须与现今宇宙年龄相当，甚至更长。温度低意味着在脱耦时它们是非相对论性粒子，只有这样它们才能在引力作用下迅速成团。无碰撞指的是暗物质粒子（与暗物质和普通物质）的相互作用截面在暗物质晕中小的可以忽略不计。这些粒子仅仅依靠引力来束缚住对方，并且在暗物质晕中以一个较宽的轨道偏心律谱无阻碍的作轨道运动。 低温无碰撞暗物质（CCDM）被看好有几方面的原因。第一，CCDM的结构形成数值模拟结果与观测相一致。第二，作为一个特殊的亚类，弱相互作用大质量粒子（WIMP）可以很好的解释其在宇宙中的丰度。如果粒子间相互作用很弱，那么在宇宙最初的万亿分之一秒它们是处于热平衡的。之后，由于湮灭它们开始脱离平衡。根据其相互作用截面估计，这些物质的能量密度大约占了宇宙总能量密度的20-30%。这与观测相符。CCDM被看好的第三个原因是，在一些理论模型中预言了一些非常有吸引力的候选粒子。 其中一个候选者就是中性子（neutralino），一种超对称模型中提出的粒子。超对称理论是超引力和超弦理论的基础，它要求每一个已知的费米子都要有一个伴随的玻色子（尚未观测到），同时每一个玻色子也要有一个伴随的费米子。如果超对称依然保持到今天，伴随粒子将都具有相同质量。但是由于在宇宙的早期超对称出现了自发的破缺，于是今天伴随粒子的质量也出现了变化。而且，大部分超对称伴随粒子是不稳定的，在超对称出现破缺之后不久就发生了衰变。但是，有一种最轻的伴随粒子（质量在100GeV的数量级）由于其自身的对称性避免了衰变的发生。在最简单模型中，这些粒子是呈电中性且弱相互作用的--是WIMP的理想候选者。如果暗物质是由中性子组成的，那么当地球穿过太阳附近的暗物质时，地下的探测器就能探测到这些粒子。另外有一点必须注意，这一探测并不能说明暗物质主要就是由WIMP构成的。现在的实验还无法确定WIMP究竟是占了暗物质的大部分还是仅仅只占一小部分。 另一个候选者是轴子（axion），一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了重要的作用。轴子间通过极微小的力相互作用，由此它无法处于热平衡状态，因此不能很好的解释它在宇宙中的丰度。在宇宙中，轴子处于低温玻色子凝聚状态，现在已经建造了轴子探测器，探测工作也正在进行。 暗物质和暗能量是世纪谜题 21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。它们的存在，向全世界年轻的科学家提出了挑战。暗物质存在于人类已知的物质之外，人们目前知道它的存在，但不知道它是什么，它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中，暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。 暗能量更是奇怪，以人类已知的核反应为例，反应前后的物质有少量的质量差，这个差异转化成了巨大的能量。暗能量却可以使物质的质量全部消失，完全转化为能量。宇宙中的暗能量是已知物质能量的14倍以上。 宇宙之外可能有很多宇宙 围绕暗物质和暗能量，李政道阐述了他最近发表文章探讨的观点。他提出“天外有天”，指出“因为暗能量，我们的宇宙之外可能有很多的宇宙”，“我们的宇宙在加速地膨胀”且“核能也许可以和宇宙中的暗能量相变相连”。 暗物质是谁最先发现的呢？ 1915年，爱因斯坦根据他的相对论得出推论：宇宙的形状取决于宇宙质量的多少。他认为，宇宙是有限封闭的。如果是这样，宇宙中物质的平均密度必须达到每立方厘米5×10的负30次方克。但是，迄今可观测到的宇宙的密度，却比这个值小100倍。也就是说，宇宙中的大多数物质“失踪”了，科学家将这种“失踪”的物质叫“暗物质”。 一些星体演化到一定阶段，温度降得很低，已经不能再输出任何可以观测的电磁信号，不可能被直接观测到，这样的星体就会表现为暗物质。这类暗物质可以称为重子物质的暗物质。 还有另一类暗物质，它的构成成分是一些带中性的有静止质量的稳定粒子。这类粒子组成的星体或星际物质，不会放出或吸收电磁信号。这类暗物质可以称为非重子物质的暗物质。 Abell 2390星系团(上半图)和MS2137.3-2353星系团(下半图)，距离我们约有20亿光年远。上图右半方的影像，是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片，而相对应的左半方影像，是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中，可以看到数量众多的星系，但在X射线影像里，这些星系的踪影却无处可寻，只见到一团温度有数百万度，而且会辐射出X射线的炽热星系团云气。除了表面上的差异外，这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中星系的总质量加上左方云气的质量，它们所产生的重力，并不足以让这团炽热云气乖乖地留在星系团之内。事实上再怎么细算，这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已！在右方哈伯望远镜的深场影像里，重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量，大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为，星系团内大部分的物质，是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“ 暗物质”。 1930年初，瑞士天文学家兹威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。不过，兹威基的结果许多人并不相信。直到1978年才出现第一个令人信服的证据，这就是测量物体围绕星系转动的速度。我们知道，根据人造卫星运行的速度和高度，就可以测出地球的总质量。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离，就可以测出太阳的总质量。同理，根据物体（星体或气团）围绕星系运行的速度和该物体距星系中心的距离，就可以估算出星系范围内的总质量。这样计算的结果发现，星系的总质量远大于星系中可见星体的质量总和。结论似乎只能是：星系里必有看不见的暗物质。那么，暗物质有多少呢？根据推算，暗物质占宇宙物质总量的20—30%才合适。 天文学的观测表明，宇宙中有大量的暗物质，特别是存在大量的非重子物质的暗物质。据天文学观测估计，宇宙的总质量中，重子物质约占2%，也就是说，宇宙中可观测到的各种星际物质、星体、恒星、星团、星云、类星体、星系等的总和只占宇宙总质量的2%，98%的物质还没有被直接观测到。在宇宙中非重子物质的暗物质当中，冷暗物质约占70%，热暗物质约占30%。 标准模型给出的62种粒子中，能够稳定地独立存在的粒子只有12种，它们是电子、正电子、质子、反质子、光子、3种中微子、3种反中微子和引力子。这12种稳定粒子中，电子、正电子、质子、反质子是带电的，不能是暗物质粒子，光子和引力子的静止质量是零，也不能是暗物质粒子。因此，在标准模型给出的62种粒子中，有可能是暗物质粒子的只有3种中微子和3种反中微子。 20世纪80年代初期，美国天文学家艾伦森发现，距我们30万光年的天龙座矮星系中，许多碳星(巨大的红星)周围存在着稳定的暗物质，即这些暗物质受到严格的束缚。高能热粒子和能量适中的暖粒子是难以束缚住的，它们会到处乱窜，只有运行很慢的“冷粒子”才能束缚住。物理学家认为那是“轴子”，它是一种非常稳定的冷“微子，质量只有电子质量的数百万分之一。这就是暗物质的轴子模型。 轴子模型是否成立，最终得由实验裁决。最近，还有人提出，暗物质可能是一种称做“宇宙弦”的弦状物质，它产生于大爆炸后的一秒期间内，直径为1万亿亿亿分之一厘米，质量密度大得惊人，每寸长约1亿亿吨。这种理论是否成立，同样有待科学家进一步研究。 为探索暗物质的秘密，世界各国的粒子物理学家正在这个领域努力工作，相信揭开暗物质神秘面纱的那一天不会太遥远了。 在引入宇宙暴涨理论之后，许多宇宙学家相信我们的宇宙是平直的，而且宇宙总能量密度必定是等于临界值的（这一临界值用于区分宇宙是封闭的还是开放的）。与此同时，宇宙学家们也倾向于一个简单的宇宙，其中能量密度都以物质的形式出现，包括4%的普通物质和96%的暗物质。但事实上，观测从来就没有与此相符合过。虽然在总物质密度的估计上存在着比较大的误差，但是这一误差还没有大到使物质的总量达到临界值，而且这一观测和理论模型之间的不一致也随着时间变得越来越尖锐。 当意识到没有足够的物质能来解释宇宙的结构及其特性时，暗能量出现了。暗能量和暗物质的唯一共同点是它们既不发光也不吸收光。从微观上讲，它们的组成是完全不同的。更重要的是，像普通的物质一样，暗物质是引力自吸引的，而且与普通物质成团并形成星系。而暗能量是引力自相斥的，并且在宇宙中几乎均匀的分布。所以，在统计星系的能量时会遗漏暗能量。因此，暗能量可以解释观测到的物质密度和由暴涨理论预言的临界密度之间70-80%的差异。之后，两个独立的天文学家小组通过对超新星的观测发现，宇宙正在加速膨胀。由此，暗能量占主导的宇宙模型成为了一个和谐的宇宙模型。最近威尔金森宇宙微波背景辐射各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotrope Probe，WMAP）的观测也独立的证实了暗能量的存在，并且使它成为了标准模型的一部分。 暗能量同时也改变了我们对暗物质在宇宙中所起作用的认识。按照爱因斯坦的广义相对论，在一个仅含有物质的宇宙中，物质密度决定了宇宙的几何，以及宇宙的过去和未来。加上暗能量的话，情况就完全不同了。首先，总能量密度（物质能量密度与暗能量密度之和）决定着宇宙的几何特性。其次，宇宙已经从物质占主导的时期过渡到了暗能量占主导的时期。大约在“大爆炸”之后的几十亿年中暗物质占了总能量密度的主导地位，但是这已成为了过去。现在我们宇宙的未来将由暗能量的特性所决定，它目前正时宇宙加速膨胀，而且除非暗能量会随时间衰减或者改变状态，否则这种加速膨胀态势将持续下去。 暗物质的踪迹 暗物质是相对可见物质来说的。所谓可见物质，除发射可见光的物质外，还包括辐射红外线等其他电磁波的物质。虽然宇宙中的可见物质大部分不能用肉眼直接看到，但探测它们发出的各种电磁波就可以知道它们的存在。暗物质不辐射电磁波，但有质量。 科学家为什么会提出“暗物质”这个概念？宇宙中有没有暗物质？ 在物理学中，把状态变化的“转折点”成为“临界点”，比如水变成冰，温度临界值（或者说“临界点”）为0℃。宇宙学的研究认为，宇宙中物质的平均密度，与决定宇宙是膨胀还是收缩的临界值，相差不会超过百万分之一。可是，宇宙中发可见光的恒星和星系的物质总量不到临界值的1%，加上辐射其他电磁波的天体，如行星、白矮星和黑洞等，最多也只有临界值的10%。 现已知道，宇宙的大结构呈泡沫状，星系聚集成“星系长城”，即泡沫的连接纤维，而纤维之间是巨大的“宇宙空洞”，即大泡泡，直径达1~3亿光年。如果没有一种看不见的暗物质的附加引力“帮忙”，这么大的空洞是不能维持的，就像屋顶和桥梁的跨度过大不能支持一样。 我们的宇宙尽管在膨胀，但高速运动中的个星系并不散开，如果仅有可见物质，它们的引力是不足以把各星系维持在一起的。 我们知道，太阳系的质量，99.86%集中在太阳系的中心即太阳上，因此，离太阳近的行星受到太阳的引力，比离太阳远的行星大，因此，离太阳近的行星绕太阳运行的速度，比离太阳远的行星快，以便产生更大的离心加速度（离心力）来平衡较大的太阳引力。但在星系中心，虽然也集中了更多的恒星，还有质量巨大的黑洞，可是，离星系中心近的恒星的运动速度，并不比离得远的恒星的运动速度快。这说明星系的质量并不集中在星系中心，在星系的外围区域一定有大量暗物质存在。 天体的亮度反应天体的质量。所以天文学家常常用星系的亮度来推算星系的质量，也可通过引力来推算星系的质量。可是，从引力推算出的银河系的质量，是从亮度推算的银河系质量的十倍以上，在外围区域甚至达五千倍。因而，在那里必然有大量暗物质存在。 那么，暗物质是些什么物质呢？ 宇宙学研究发现，在宇宙大爆炸初期产生的各种基本粒子中，有一种叫做中微子的粒子不参与形成物质的核反应，也不与任何物质作用，它们一直散布在太空中，是暗物质的主要“嫌疑人”。 但中微子在1931年被提出来以后，一直被认为质量为零。这样，即使太空是中微子的海洋，也不会形成质量和引力。曾有人设想存在一种“类中微子”，它的性质与中微子类似，但有质量。可是一直没有发现“类中微子”的存在。 极小的中微子运动速度极高，可自由穿透任何物质，甚至整个地球，很难被捕找到。但中微子与物质原子和亚原子粒子碰撞时，会使他们撕裂而发出闪光。探测到这种效应就是探到了中微子。但为了避免地面上的各种因素的干扰，必须把探测装置（如带测量仪器并装有数千吨水的水箱）放在很深（如1000米）的地下。 1981年，一名苏联科学家在试验中发现中微子可能有质量。近几年，日、美科学家进一步证实中微子有量。如果这个结论能得到最后确认，则中微子就是人们寻找的暗物质。 寻找暗物质有重大的科学意义。如中子确有质量，则宇宙中的物质密度将临界值，宇宙将终有天转而缩。关于宇宙是
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