天文啟蒙，用最簡單的語言帶你感受最浩瀚的銀河

01

宇宙

宇宙被認為誕生於137億年前的一次大爆炸。一個有力的證據是全天無處不在的微波輻射，被稱為宇宙微波背景。大爆炸之後，宇宙經過拉伸和膨脹，早期的輻射波長也被拉長，因此原來的高能短波輻射，現今變成了低能態的長波輻射——微波。宇宙早期物質密度的極小漲落，就像種子一樣，使得物質聚集成團，並導致了巨大星系團的形成。

第一批恆星被認為出現在大爆炸的2億年之後，它們是巨大的天體——可能是我們太陽的100到1000倍，幾乎全部由氫和氦組成。

第一批星系是巨量恆星的集合，人們認為第一批星系形成於大爆炸後的5億年。這些早期的星系看上去不同於今天的星系，例如銀河系。

02

行星

在望遠鏡出現之前，古代的天文學家就注意到有一些明亮的星星會歷經多日在天空中移動。古希臘人稱這些星為「行星」，意為「能行走」的星星。

太陽系是以太陽為中心，包括太陽和所有受到太陽重力約束的天體的集合體。它由八大行星、少數的矮行星、包括彗星和小行星在內的無數其他小天體組成。

太陽本身佔據了太陽系物質總量的99.8%。

圍繞太陽的天體分為三類：行星、矮行星和小天體。

太陽和太陽系中的所有其他天體都是由一團稱作太陽雲的巨大塵埃和氣體雲形成的。

03

恆星是什麼？

恆星在一生中會經過一系列的階段，先後的順序和持續的時間取決於恆星的質量。

在典型的夜空中，我們看到的大約90%的恆星都處於它生命中的主序階段。

恆星是一個主要由氫組成的巨大氣體球。這個恆球的質量都很大，它中心的壓力就可以使氫原子核發生聚變反應，這個過程會產生大量的能量，包括我們在夜空中看到的星光。恆星在核心處聚合氫原子變成氦，通過進一步的核反應逐漸變成更重要的元素——恆星可以創造宇宙k上所有比氦重的元素，如氧、氮和鐵。

恆星在稱為星雲的一大團氣體和塵埃雲中誕生。星雲的溫度越低，越容易受到引力的幹擾，例如來自超新星的衝擊波。

儘管與太陽系的行星相比，太陽質量較大，但比它大幾百倍的恆星在星系中卻有很多。恆星的質量是決定性的，因為這決定了恆星在一生將怎樣演化。大質量的恆星將很快消耗完它的氫，壽命就會較短——可能只有幾百萬年，很快就會死去。當它們死亡的時候，和太陽大小相當的恆星緩慢膨脹成紅巨星，然後崩塌，在形成的行星狀星雲中心留下一顆白矮星。質量很大的恆星死亡的場面非常劇烈，爆炸成一顆超新星，最終一些變成中子星，而質量極大的最後成為黑洞。

04

星雲

銀河系中絕大多數的地方都是極度真空，只有極少的混合著塵埃的氫和氦，遍布在恆星之間的空間中，稱為星際介質。濃密一些的氣體和塵埃就組成了星雲，它們中大多數能在夜空中被看到。

星雲的類型有：發射星雲、暗星雲、反射星雲、行星狀星雲。

05

分光

光是能量的一種電磁輻射形式，像波一樣傳播，能通過透明的材質，例如空氣，當然也能穿過真空。由于波長不同，一束白光通過稜鏡可被分成各種色光。

業餘天文愛好者用肉要眼主要研究的是可見光。然而對於擁有複雜天文臺和望遠鏡的專業天文學家來說，在不同的波長觀測是研究宇宙的關鍵。地球可以接收到來自宇宙的7種電磁輻射，分別是：射電波、紫外線、微波、X射線、紅外線、r射線、可見光。

06

星座

「星座」的概念可以追溯到上萬年以前，法國南部拉斯科巖洞中的壁畫被認為有16000年的歷史了。

今天西方天文學家公認的星座來源於早期希臘人的工作，還有本文水手、航海家和天文學家。但是，世界上其他許多文明都有自己的星座，這其中包括古代中國。中國的星座中還有四象：東方蒼龍（春季）、南方朱雀（夏季）、西方白虎（秋季）、北方玄虛（冬季），用來表示方向和一年四季中的一個季節。

你能看到什麼星座取決於你在地球上所處位置的緯度，比如極南的星座在緯度偏北的地區是看不到的。

07

太陽系

太陽系是由太陽及所有被束縛在它的引力場內的物質組成的，其中包括圍繞太陽公轉的數顆行星、巖石和冰塊的混雜帶以及飛馳的彗星等。

軌道上的行星，毫無疑問，最值得看的3顆行星是火星、木星和土星。太陽系內共有8顆行星處在太陽強大引力的束縛之下。地球是4顆巖質行星中的一個，這些巖質行星的軌道在小行星帶內側，更加靠近太陽。在小行星帶之外是木星，它是4顆氣態巨行星中離太陽最近的一個。

大多數太陽系中的天體都在很靠近同一個平面的軌道上運動，所以偶爾我們可以看到它們恰好位我們於同一個方向上，其中一個從另一個前面穿過。當太陽、地球、水星或者金星連成一條直線時，我們就會看到凌日的現象：水星或者金星從太陽前面經過。其他情形包括月亮從行星前面經過或者一個較大的天體遮擋住較小的天體，稱為掩星現象。

08

水星與金星

水星是一個很小的巖質世界，它荒涼的表面由於數百萬年隕星的撞擊而遍布環形山。金星比水星大得多，離太陽稍遠一些。火山和凝固的熔巖構成了主要的地貌。金星的自轉速度很慢，1金星日竟比1金星年還長，這意味著它繞太陽公轉比它自轉的時間還短。

水星總是出現在地平線附近的低空，只能穿過朦朧的大氣觀測。所以，水星看上去永遠是一個模糊的圓面，邊緣總是不清晰的。

水星本身比較小，它離地球較遠卻離太陽較近，這使得觀測十分具有挑戰性。用肉眼可能看到水星浮在清晨或傍晚的低空中。水星的運動較快，所以可見的天數不是很多的，較好的觀測窗口也很少超過一個星期。

在其最亮的前後一段時間裡，金星比月亮之外的任何星星都要明亮。陽光總是被金星上的雲層反射，加之在東大距到西大距之間金星離我們較近，金星確實與「啟明星」和「長庚星」的特稱相配。金星比水星離太陽遠些，所以運動不是特別快，與它的內側鄰居相比，金星可以在很長的時間裡可見。它可能在早晨或黃昏的天空中出現長達半年之久。因為金星的亮度過強，所以使用望遠鏡觀測金星的最好時間並不是在黑夜裡，而是在日落前後，此時天空剛開始變暗，金星的抬頭較低，效果更好。

09

火星與木星

火星的直徑只有地球的一半，但它卻是太陽系中與地球最為相近的行星。它的表面一片荒涼，點綴著火山、環形山和巨大的裂谷，其中最長的「水手谷」綿延4000千米。火星有2顆衛星——火衛一和火衛二，它們可能原來是太陽系中的小天體，由於某種原因被拉進了火星的引力場並被俘獲。

當火星接近地球時，使用一架小型望遠鏡也能看到火星表面上最顯著的特徵——亮的或者暗的斑紋，其中由水冰和二氧化碳乾冰構成的極冠最易看到。

木星是太陽系內最大的行星，它的直徑是地球的11倍。它是一個巨大的、被強力風暴所環繞的氣態星球。木星巨大的引力場意味著它捕獲和擁有了大量的衛星，並且還有一個暗淡的光環。

木星即使最暗時也比最亮的恆星——天狼星要明亮，所以很容易用肉眼找到。它在軌道上的運動速度較慢，在天空中緩緩移動，一年才會穿過一個星座。木星已知有超過60顆的衛星，實際數量可能接近100顆。大多數只是很小的巖石或者冰塊，除了最大的4顆木衛以外的衛星使用雙筒鏡或者小型望遠鏡不大可能看到。從望遠鏡中看去，這些衛星是排列在木星兩側的光點，並隨著它們圍繞木星的公轉而改變位置。

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土星

太陽系中，土星是第二大的行星。肉眼看去，土星是明亮的米色的亮點；直到望遠鏡指向了這個世界，才發現了光環的蹤跡。

所有的巨行星——木星、土星、天王星和海王星——都有環，但其他行星的光環都比不上土星的光環：它們的光環更暗，而且不像土星的光環那樣密集。土星環很寬、很平整，並且很薄，它的內外邊緣之間有280000千米寬，而平均厚度只有1千米。土星也有至少60顆衛星，其中的土衛六比水星還要大，而且擁有自己的大氣層。

土星環的一個有趣之處是它不斷變化的朝向。在7年半的時間裡，我們見到的光環會從幾乎看不到的正側面一直變化到完全展開的27度傾角，這時在衝日期間我們能夠看到儘可能多的光環細節。

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天王星與海王星

太陽系黑暗寒冷的邊緣深處，是最後兩顆行星——冰冷、藍色的氣態巨行星天王星和海王星的本身之處。

這2顆外行星好像一對搭檔，大小相似，外貌相似，成分相似。天王星表面沒有特徵，是一個昏暗的藍綠色球體；而海王星則是半透明的純淨的藍色世界，奇特的斑點、風暴、由凍結的甲烷形成的縷縷白雲。

天王星最不尋常的特徵是它的自轉軸傾斜得厲害，以至於它就像在地上滾動的球一樣運動。

天王星在軌道周期是84年，海王星的軌道周期長達165年。兩顆行星基本上每隔1年衝日一次，但願因為它們如此遙遠，衝日時的亮度也僅提高零點幾個星等。天王星最亮時可達到5.5等，剛好可以用肉眼看到。海王星的最亮星等只有7.8等，肉眼無法看到。

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矮行星與小行星

在8顆行星之外，太陽還被數不清的小天體所環繞，其中最大的被歸類為矮行星和小行星。

矮行星

冥王星自從1930年被發現後直到2006年，一直是太陽系的第9顆行星。但是，在20世紀末人們已經清楚，在海王星之外的邊緣地帶，冥王星並不是唯一的天體。事實上，冥王星是一個遙遠的小天體帶中的一員，其中的一些天體即使不比冥王星更大也是差不多。為了限制被歸類為行星的天體數量，國際天文學聯合會重新規範定義了行星的特性，同時定義了矮行星和小行星。矮行星中最重要的兩顆——冥王星和鬩神星是非常遙遠的，而曾經被作為最大的小行星、如今被歸類為矮行星的穀神星則是在一個位於火星和木星之間的環繞太陽的巖質天體帶內。

海王星之外，有一大群冰質的天體在圍繞太陽運動，這個區域統稱為柯伊伯帶。在小行星帶內的小天體主要由巖石和金屬組成，而柯伊伯帶內則是因距離太陽過於遙遠而永遠不會融化的冰封世界。

天文學家已經探測到超過1000顆屬於柯伊伯帶的天體，其中的冥王星是最亮的。被確認為矮行星的海外天體叫作類冥矮行星。

要看到冥王星需要使用大型望遠鏡，因為它最亮只能達到暗淡的13.6等。這顆矮行星很小，又離地球很遠，所以看上去只會和一個星點一樣。但是，能看到以前我們所認為的太陽系的邊緣還是能給人帶來一份滿足感。

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太陽

位於太陽系中央的是一個真正令人著迷的天體——太陽。

太陽是距離我們最近的恆星，這是一個巨大的氫氦氣體球，同時也是各種作用力實現平衡的範例：要是沒有引力的約束，炙熱的氣體就會擴張到空間中去；而在策略的作用下，層層的氣體向內壓縮。

現在正值中年的太陽最終會擴張成一顆紅巨星，但還要經過幾十億年太陽的衰老才會對地球產生顯著的影響。

這顆巨大的耀眼天體球難以置信地有-26.7等亮，如果用肉眼直接觀看，過於明亮的光芒會損壞視網膜。

絕對不要用肉眼、雙筒鏡或望遠鏡直接觀察太陽。通過目鏡所匯聚的光立刻就會造成失明！！！

在採取適當的防護措施後觀察太陽，我們實際看到的是太陽光球，它的溫度稍低於550℃。光球上面有太陽黑子，那是溫度較低的區域。它們周期性的出現和消失，持續時間從幾日到幾周。太陽在1個月左右放置一周，所以可以看到黑子在不斷地移動。

太陽黑子是太陽表面的暗斑。黑子是太陽活動性的標誌，出現黑子的地方太陽的磁場受到擾動。

當月亮擋住射向地球的陽光時，日食發生了。它是由地球、月亮和太陽這3個太陽系天體的特殊排列造成的 。三者之中，太陽當然是最大的，比月亮大400倍。但奇特的巧合是，太陽還比月亮遠400倍，因此太陽和月亮在天空中看上去幾乎一樣大，也使得月亮在幾分鐘的全食階段能夠剛好擋住太陽，顯示出壯麗的日冕景象。

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月球

月球是地球唯一的天然衛星。月球的軌道離地球相當近，只有384400千米。月球的大小約是地球的1/4，足以使人認為地球和月球是一對雙行星。像所有的行星和衛星一樣，月球自己並不發光，所謂的月光是反射的太陽光。

在月球運動的過程中，我們可以看到它變化的位相。在新月時，月球位於地球和太陽之間。如果它們剛好排列成一條直線，將會發生日食。但是月球 軌道面是傾斜的，因此大多數時候月球無聲無息地從太陽上面或者下面通過。在新月之後幾天，在太陽落山後的西方夜空可以看到細細的峨眉月。月球一天一天向東運動，離太陽越來越遠，它的位相也經歷上弦、盈凸月，最後在新月之後的14.5天變成滿月。

太陽永遠照亮月球的一半。月球被照亮部分中，我們所能見到的區域大小取決於月球環繞地球運動的軌道位置。

在發生月全食時，沒有直射的陽光照到月球上，但是月面並沒不是全黑的，而是呈現紅色。這是因為陽光經過地球大氣的散射依然能夠間接到達月球。

月球是如何產生的？被廣為接受的一種理論認為一顆火星大小的天體與年輕的地球相撞，產生了大量的熔融的物質。這些熔融物部分來自地球表層，部分來自撞擊者本身，被拋到了環繞地球的軌道上。引力慢慢地將這些物質聚集到一起最終形成了月球。從那時起，月球以每年4釐米的速度離開我們，這是引力潮效應——月球從地月系統中收集的能量使得它慢慢遠離，同時帶造成地球的自轉變慢。不過這個變化並不劇烈，日長每10萬年會增加2.2秒。

15

彗星與流星

當從冰凍的彗星上釋放出來的塵埃顆粒撞入地球的大氣層時，就形成了彗星。

彗星是由冰和塵埃構成的巨大團塊，環繞太陽運動。彗星運動的路徑通常很長，遠至恆星際空間。當彗星靠近太陽時，它開始受熱蒸發，產生出一種戲劇性的景象。在環繞太陽運動的旅途中，彗星不斷地把微小的巖質塵埃顆粒散發出來，形成流星體。當它們進入地球大氣層時就形成了流星。每年有數千噸來自行星際空間的塵埃進入地球大氣層中來。

彗核的大小為1到50千米，是太陽系形成時期所遺留的物質。當太陽開始發光後，它的輻射將較輕的物質吹向行星軌道之外，到達柯伊伯帶，這裡是軌道周期小於200年的短周期彗星的大本營。任何短周期或長周期彗星都可能被行星或者從附近經過的恆星的引力所拖曳，使之轉向太陽，並從彗核上生長出彗發和彗尾，橫貫在夜空中。

在任何晴朗的黑夜都可以看到流星。每個產生這種現象的小顆粒都是在空間中運動的碎片，正好與地球相遇。偶然出現的流星稱為「偶發」的，是由飄蕩的流星體形成的，它們可能是許久以前的彗星遺留下來的，所以可能在任何時間出現在天空中的任何方位。

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太陽系黑暗寒冷的邊緣深處，是最後兩顆行星——冰冷、藍色的氣態巨行星天王星和海王星的本身之處。

這2顆外行星好像一對搭檔，大小相似，外貌相似，成分相似。天王星表面沒有特徵，是一個昏暗的藍綠色球體；而海王星則是半透明的純淨的藍色世界，奇特的斑點、風暴、由凍結的甲烷形成的縷縷白雲。

天王星最不尋常的特徵是它的自轉軸傾斜得厲害，以至於它就像在地上滾動的球一樣運動。

天王星在軌道周期是84年，海王星的軌道周期長達165年。兩顆行星基本上每隔1年衝日一次，但願因為它們如此遙遠，衝日時的亮度也僅提高零點幾個星等。天王星最亮時可達到5.5等，剛好可以用肉眼看到。海王星的最亮星等只有7.8等，肉眼無法看到。

大氣現象

當來自太陽的光線或者帶電粒子直接或者間接地到達地球的大氣層時，在某些條件下，地面上的觀測者能看到一些美妙的景象。其中的某些現象，例如極光只能在特定地區或者特定時間看到，有些則需要完美的天氣條件，但也有一些能在任何地方，任何時間出現。

月暈是大氣中的六角形冰晶所衍射的月光在距離 月亮22° 的地方形成的亮圈。

幻日是在太陽兩側通常成對出現的亮斑，是在捲雲中整齊排列的六角形冰晶衍射太陽光所造成的，相當常見。如果冰晶排列得不是特別一致，那麼幻日可能會出現在環繞太陽的日暈旁。比較罕見的是，還可能同時看到一個在水平方向上環繞太陽的日暈，也穿過幻日，稱為幻日環。

當來自太陽的粒子爆發擾動地球磁場時，帶電粒子被匯集到地球的極區，產生了這種夢幻般的奇景。極光的出現可以持續數小時。通常，開始時是柔柔的綠色圓弧，隨後亮度不斷增加，範圍不斷擴大，直到出現紅色和綠色的光線，最後展開成橫跨天際的長練。