走！去星空的尽头

中科院物理所 今天

以下文章来源于星球研究所 ，作者星球研究所

星球研究所
星球研究所

一群国家地理控，专注于探索极致世界




当30多万年前

最早的人类成员

第一次抬头仰望星空时

对宇宙的好奇与探索

便永远种在了我们心底

（措学仁玛的星空，摄影师@南卡）
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从第一台望远镜
到遨游在地球上空的哈勃
我们窥探宇宙深处的瑰丽图景
（今年迎来“30岁生日”的哈勃望远镜，图片来源@NASA）
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从直径几米的天线
到口径500米的“天眼”
我们接收可能来自地外文明的讯息
（近日宣布开始地外文明探索的“中国天眼”——FAST，摄影师@李子韬）
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从第一个缓缓升空的热气球
到咆哮着飞天的大火箭
我们拓展着人类的视野
（长征五号B首飞成功，摄影师@陈肖）
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从第一颗人造卫星
到庞大的国际空间站
我们在开拓着新的家园
（从发现号航天飞机上拍摄的国际空间站，图片来源@NASA）
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人类本身
也在无数先驱的带领下
不断向太空迈进
（1961-2018年历年进入太空人数，制图@郑伯容/星球研究所）
▼

如今
哈勃望远镜
迎来自己的“30岁生日”
“中国天眼”FAST
正式开启了地外文明的探索
长征五号B火箭
成功发射升空
一个宇宙大发现的时代
才刚刚开启

我们为什么要探索宇宙
  宇宙中又有些什么？
让我们亲自从地表出发
飞向星空的尽头
去寻找答案


 01 
家园

旅程的开始
是我们自己的家园——地球
从高空俯瞰
一切细节都被抹去
这颗行星显露出它的本色

板块运动
为它带来永不停歇的活力
（俄罗斯千岛群岛马图阿岛上的火山爆发，图片来源@NASA）
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覆盖地表70%的水
是生命活动不可或缺的介质
（卫星影像展示了太平洋加利福尼亚寒流中浮游生物的复杂分布，图片来源@NASA）
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大气和磁场
保卫着我们
免受过量辐射的伤害
保持着地表适宜的温度
更重要的是
大气中的21%是氧气
大多数地球生物赖以生存
（上海上空的风暴，摄影师@何炜）
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大气运动带来了降水
有雨水滋润的地方
植被繁茂、动物成群
（坝上草原羊群，摄影师@朱哲）
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大地表面
人类的城市
整齐划一
（洛杉矶，摄影师@陈剑峰）
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38万千米

我们进入月球轨道
荒凉的月面上
阿波罗登陆的遗迹清晰可辨
这里的大气极为稀薄
这些痕迹将孤独地留存数万年
（NASA的月球勘测轨道器在距离月面仅24千米处拍摄到的阿波罗11号登月遗迹，图中LM所指的是登月舱，其周围的月面上可以看到黑色的线条，那些是宇航员移动的痕迹，其它箭头所指为科学仪器放置的位置，图片来源@NASA）
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7800万千米

地球的“孪生姐妹”——火星
进入视野
它曾有过泛滥的洪水
和剧烈的火山活动

但如今
它的大气和水流失殆尽
只剩下陨石坑、火山、沙丘
（火星水手谷，图片来源@Kevin Gill）
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6-13亿千米

穿越火星和木星之间的小行星带
躲过这里四处乱飞的石块
我们来到了外太阳系
这里是“巨人”的世界

木星
体积有地球的1300多倍
表面是氢元素组成的大气
大气之下压力增大
氢气变为液态金属氢“海洋” 
最内部是岩石和冰组成的内核
（木星大气，图片来源@NASA）
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土星
情况和木星相似
气态和液态氢外层占据了大部分体积
使得土星的密度仅有0.69克每立方厘米
比水还要轻
（卡西尼号拍摄的土星及其巨大光环，这个距离上看地球只是一个“黯淡蓝点”，图片来源@NASA）
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在这两颗巨行星的周边
有着数十颗卫星环绕
俨然是缩小版的太阳系

这些卫星大多表面冻结
但在冰面之下
很可能存在液态水
（木卫二地表被冰层覆盖，冰上的纹路在太空中亦可见，仿佛盘根错节的植物根系，而冰面之下很有可能有液态水，图片来源@NASA）
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有的则拥有浓密的大气
地表形成了充满有机物的甲烷海
（土卫六地表可能存在甲烷海，图片来源@NASA）
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59亿千米

这里的天体变得越来越陌生
天王星和海王星
两颗巨大的气态巨行星闯入视野
因为距离太阳过于遥远
它们的表面温度低至零下两百多摄氏度
肃穆幽静的巨大星体和同样冷漠的卫星
在黑暗中发出神秘的光芒
（海王星的“微笑”，其中较小的天体是海卫一，照片由旅行者2号拍摄，图片来源@NASA）
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然而
我们才刚刚迈出家门口
整个太阳系
有着更加庞大的结构
（太阳系结构，制图@郑伯容/星球研究所）
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海王星之外
无数的石头、冰块
组成了一个宽约1500亿千米的区域
柯伊伯带
（柯伊伯带天体，图片来源@NASA）
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柯伊伯带之外又数万亿千米
是笼罩整个太阳系的奥尔特云
数千亿颗质量更小的天体
在这里游荡
（一颗从奥尔特云飞入内太阳系的彗星，图片来源@NASA）
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然而在空旷的空间中
我们发现了一个人造物
旅行者1号！
它正孤独地向着星辰大海航行
这是迄今为止
距离地球最远的人类痕迹
（旅行者1号探测器进入星际空间的想象图，图片来源@NASA）
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告别旅行者1号
也就意味着离开了太阳系
告别了人类目前唯一的家园
前方
一个光怪陆离的世界在等待着我们


 02 
异星

1 -3000光年

太阳系外的空间中
充斥着尘埃和星际物质
但这里同时也是一个
恒星世界
无数颗与太阳大相径庭的恒星
在这里闪耀
( 恒星分类，制图@郑伯容/星球研究所）
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与太阳质量相当
或比太阳质量更小的恒星
按质量从大到小分别属于
黄矮星、橙矮星和红矮星（G、K、M型恒星）
(一颗年轻的红矮星及围绕它旋转的行星想象图，图片来源@NASA）
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比太阳质量大的
则被称为大质量恒星
它们温度高
发出耀眼的蓝光
(图中央的蓝色恒星是一颗巨星Zeta Ophiuchi，它向外发射的辐射和粒子吹动了周围的尘埃，造成了涟漪，图片来源@NASA）
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这些恒星并不孤独
它们大部分“两两为伴”
在彼此吸引下共同旋转
被称为双星
( 双星系统开普勒-47想象图，图中发光的两颗为两颗恒星，而在其周围的是围绕双星旋转的行星，左侧最近的行星为开普勒-47c，是一颗气态巨行星，右上角为行星开普勒-47b，图片来源@NASA）
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更有“三五成群”的
形成多星系统的
可以观赏到三日同辉的景象
(从系外气态巨行星HD 188553 Ab的一颗假想卫星上看到的三星系统，图片来源@NASA/JPL）
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但是
恒星并非这里唯一的天体
在恒星的光芒中
偶尔会出现一两颗黑色的“斑点”
那是一颗行星的阴影
这些行星围绕恒星旋转
组成了完全不同于我们的恒星系
因此它们也被称为
系外行星
( 行星开普勒-16b想象图，它是首个被发现的围绕双星系统运转的系外行星，图片来源@NASA/JPL）
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通过观察恒星前的”黑斑“
我们发现在恒星世界之下
是一个更加多样的
系外行星世界

它们有的质量巨大
类似木星或海王星
被称为
气态巨行星或冰巨星
(一颗4倍于木星质量的系外气态巨行星想象图，图片来源@NASA）
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有的质量比地球小
距离恒星距离近
类似水星
表面温度高达700℃
(系外行星Kepler-20e是第一颗被发现的比地球小的系外行星，图片来源@NASA）
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质量介于地球1~10倍的
可能拥有岩石表面
以及稳定的大气层
它们被称为
超级地球
( 红矮星TRAPPIST-1和它的七颗类地行星想象图，图片来源@NASA）
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这些行星与其母星的距离不同
有的距离很近
面对母星的一面
几乎被烤焦
( 环绕其母恒星绕行的两颗行星TRAPPIST-1b和TRAPPIST-1c，距我们40光年，图片来源@NASA）
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有的则距母星遥远

像天王星、海王星一样冰冷

（环绕恒星HR 8799的行星，图片来源@NASA）
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距离适中的凤毛麟角

它们很可能孕育出

类似地球上的生命

( 系外类地行星开普勒186-f想象图，半径约为地球的1.17倍，且位于红矮星的宜居带内，图片来源@NASA）
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通过开普勒望远镜的观测
已经被确定的系外行星数量
多达

4241颗

（开普勒候选行星，图中大的球体是恒星，恒星表面的黑点，是其行星在经过恒星时遮挡部分光线形成的阴影，通过这种方式，我们得以发现系外行星的存在，图右上角是木星经过太阳时留下的阴影以供参考，恒星的颜色越偏蓝其温度越高，越偏黄其温度越低，图片来源@NASA）
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但是对于整个银河系而言
我们所看到的这个异星世界
还只是一个小小的角落


 03 
银河

银河系的天体
集中在直径8万光年的巨大盘状区域中
被称为银盘
银盘中间是一个长1.3万光年的“棒子”
即星系棒
星系棒两端伸出4条“触手”
即旋臂
（银河系结构以及太阳系的位置，制图@郑伯容/星球研究所）
▼

‍
接下来
让我们穿透旋臂
直达银河系中心区域

3000-20000 光年

穿越旋臂十分危险
这里拥挤而混乱
充满气体、尘埃、辐射
以及大量恒星
（马头星云，图片来源@Ken Crawford）
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当旋臂扫过星际空间
其中的物质被压缩
大量新恒星形成
这些年轻的恒星组成松散的集团
称为疏散星团
( 昴宿星团，也叫七姊妹星团，摄影师@朱阳）
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20000-25000 光年

走向星系核心的最后一段路
我们将穿越星系棒
这里恒星数量更大，密度极高
接近星系中心
恒星密度是太阳附近的500倍
恒星以难以想象的速度高速飞驰
（银河系中心的恒星、尘埃和气体景象，图片来源@NASA）
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25000 光年

银河系的终极核心
一个超大质量黑洞稳居C位
其质量是太阳的四百多万倍
它是整个银河系的王者
地位无法被撼动

它更是一个吞噬万物的巨兽
如果恒星不幸误入它的引力范围内
将被残忍撕碎、吞噬
（银河系中心的黑洞，图片来源@Gallery of Space Time Travel）
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银河系中心
是名副其实的死亡陷阱
还是赶快逃离吧！

100000光年

我们调转方向
离开银盘
但银河系并未结束
它的物质分布在十万光年范围内
（银河系影像，中心黑洞、银盘和星团，图片来源@NASA）
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银盘之外并非空无一物
那里的球状星团
每一个都由数十万颗恒星组成
这些恒星的平均年龄超过100亿岁
彼此间的引力
使它们高度聚集成球状
(NGC 2419等球状星团 ，图片来源@ESA/NASA）
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这个年迈而高密度的世界
并不适合行星的生存
有的行星与母星失去引力联系
沦落为“流浪行星”
漂泊在星际空间
(一个类似木星的流浪行星想象图 ，图片来源@NASA/JPL）
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当我们离开球状星团
就接近了银河系的边缘
现在
让我们花点时间转头回望
银河系的千亿颗星星
正在黑暗的背景中闪耀
（银河系全景，图片来源@Two Micron All Sky Survey）
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但我们的旅程尚未结束
银河系之外
还有一个更加庞大的星系世界
在等待着我们


 04 
宇宙

254万光年

此时我们所在的位置
是距离我们最近的大型河外星系
仙女座星系
它拥有多出银河系数倍的恒星
（仙女座星系，摄影师@秦建）
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银河系、仙女座星系等众多星系
组成了本星系群
本星系群又与其它星系群、星系团
组成了本星系团
本星系团和其它星系团
组成了本超星系团
本超星系团又和其它超星系团
组成了可观测宇宙
（宇宙中的星系示意，制图@郑伯容/星球研究所）
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这个庞大的星系世界
共包含着1000亿个以上的星系
每一个都是一个独立的世界

有的和银河系一样
中央有一个星系棒
为棒旋星系
（NGC 1300，图片来源@NASA）
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有的则没有星系棒
直接成旋涡状
为旋涡星系
（草帽星系M104，由于侧面对着我们所以呈现出这种特殊的模样，图片来源@Adam Block）
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有的没有触手一般的旋臂
整体呈椭圆形
为椭圆星系
（NGC 1316，图片来源@NASA）
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有的则没有固定的外形
为不规则星系
（星系M 82，图片来源@NASA）
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有的在中心
拥有活跃的超大质量黑洞
被称为
射电星系
（射电星系Hercules，图片来源@NASA）
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有的拥有剧烈的恒星形成活动
被称为
星暴星系
（半人马座A，中心拥有一个超大质量黑洞，图片来源@ESO）
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它们涌动、爆发、吸积、喷流、扰动
组成一个个奇异的世界

465亿光年

这里
是我们可观测的宇宙边缘
来自古老星系的光芒在黑暗中闪烁
我们看到的影像来自几百亿年前
它们如今变成了什么样
我们一无所知

旅程在此到达终点
回头寻觅
连巨大的银河系都已经不知所踪
更不用提那颗小小的蓝色星球
以及生活在其上的人类了
我们在宇宙中的位置
正是如此微不足道
（哈勃超深空场，拍摄到最古老的星系，图片来源@NASA）
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然而
也正是通过这样的探索
我们认识到地球的不可替代
认识到的生命的珍贵
和文明的稀有
作为宇宙中拥有文明的一个物种
我们又是何其幸运
（德雷克方程，生命和文明的出现需要满足极为严苛的条件，制图@郑伯容/星球研究所）
▼

现在
让我们返程
走出星系的“迷宫”
回到众星闪烁的银河
通过无数奇特的异星世界
在那条普通的旋臂上
找到那颗普通的恒星——太阳
再经过早已熟悉的
海王星、天王星、土星、木星、火星
回到了我们当下唯一的家园
  地球！
（地球，图片来源@NASA）
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脚下
是坚实的大地
耳边
是微风与鸟鸣
你我的生活继续
忙忙碌碌、鸡毛蒜皮
但请记住星空教会我们的事
谦卑地看待宇宙
谨慎地对待地球



本文创作团队
撰稿：成冰纪
编辑：张楠
图片：任炳旭
设计：郑伯容
审校：云舞空城、haibaraemily、刘博洋
封面图来源：NASA/JPL



P.S. 本文主要参考文献：
[1]苏宜. 天文学新概论[M]. 科学出版社, 2009.
[2]胡中为，徐伟彪. 行星科学[M]. 科学出版社, 2008.
[3]（英）罗德里·埃文斯. 天体写真[M]. 北京联合出版公司, 2017.
[4]（美）麦克米伦. 太阳系和地外生命探索[M]. 机械工业出版社, 2016.
[5]田丰. 宜居环境与地外生命[J]. 科学通报, 2016.
[6]NASA系外行星档案，网址：https://exoplanetarchive.ipac.caltech.edu/index.html
[7]系外行星百科，网址：http://exoplanet.eu/
[8]NASA开普勒项目网站，网址：https://www.nasa.gov/mission_pages/kepler/main/index.html

来源：星球研究所

编辑：GUOmazing

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