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宇宙到底有多大？让我们以人类熟悉的概念来形容一下。飞行最快的一种喷气式战斗机，其速度几近每秒1千米（大约为966米），几乎是音速的3倍。然而，即使以这种速度，想要到达除太阳之外距地球最近的星座半人马座（比邻星），也要花费一百万年！如果把这段距离的大小看作我们早餐中一粒薄薄的麦片，那么距离我们已知的最远的星系就相当于在地球的另一端！面对如此浩瀚的宇宙，天文学家宣称知道很多关于宇宙及其结构的秘密似乎是难以置信的。不过，现代探索家在研究神秘莫测的宇宙时已经拥有了许多可以帮助他们的工具。所以，我们在20世纪所取得的宇宙科学与技术方面的进步，比此前历史中所获得的总和还要多。本书将告诉你宇宙从何而来，以及将如何发展和如何结束。首先，让我们来了解宇宙中到底有些什么，以及天文学家是如何知道他们所宣称的这些宇宙的秘密的。
除太阳外距地球最近的星座——半人马座
无需天文观测设备就能看到的最远、最大的星座——仙女座
在我们生活的地球周围，包围着许许多多各种各样的宇宙物质：行星、彗星、恒星、星系、星云、气体以及尘埃等。在晴朗的夜晚，你可以看见约几千颗恒星、一两颗行星，还有一些模糊的块状物星系，其中一个是叫作“仙女座”的星系。这个星系是人类无需借助天文观测设备就能看到的最远也是最大的星系。仙女座距离我们大约有290万光年，其直径有10万光年。在宇宙中，仙女座已经可以算是我们的“近邻”。因为天文学家衡量距离经常使用的单位是数亿光年。现在让我们一起出发，去看看宇宙深处都有些什么。首先从距离我们最近的星体——行星开始。
星云
像极光一样的散光星云
知识链接
星云的构成
由气体和尘埃构成的云团叫作“星云”。星云内部主要是氢气和氦气，同时也有一些其他气体以及覆盖着冰衣的碳微粒。恒星正是在星云内部形成的。星云的明暗取决于观测的方式以及附近是否有其他恒星的影响。附近恒星发出的光会被星云中的气体反射，形成反射星云，或者使星云中的气体看上去就像极光一样，这样的星云被称为“散光星云”。如果星云周围没有其他恒星，气体不能反射光线，则一般很难被发现。最大的星云是巨分子云团，它们一般会绵延数百光年并包含有足以形成百万颗恒星的物质。
在1 800年以前，人类所知道的行星只有太阳系九大行星中的六个。但是现在，天文学家已经明白行星是很普遍的，在宇宙中几乎到处存在。行星分为两类：体积小的叫作“类地行星”，它们几乎全都由岩石和金属构成，表面非常粗糙，可能存在于大气层。水星、火星、地球、金星都是属于这一类的。其他的行星如木星、土星、海王星、天王星以及迄今为止发现的所有围绕其他恒星的行星体积都数倍于类地行星，被称为“气巨星”。气巨星并不是由气体构成的，而是由氢、氦构成的，这两种元素在地球上通常呈气态。然而在气巨星内，它们却是以液态存在的。所以气巨星是可以旋转的液体星球。这些行星上存在着混合的大气，或许也有一个固态的核。
大部分的行星都是围绕恒星运行的，就像地球围绕着太阳旋转一样。即使使用最先进的望远镜，我们所能观察到的恒星看上去都不会比大头针的针尖大。
事实上，恒星是直径数十万千米的巨大、灼热的气态球体。它们的形状与色彩各异，有的甚至是成对出现且互为中心旋转，这样的恒星叫“双星”。在恒星中最普通、最小、等级最低的就是“红矮星”。红矮星的体积一般为太阳的一半，表面温度高达4 000℃（7 000°F）。类太阳恒星的温度则较高，呈现黄色，体积更大，不太常见。最高等级的恒星是发出耀眼光芒、比太阳大数十倍的蓝巨星。这种恒星非常稀少，并且其温度可高达5 0000℃（90 000°F）。但是，所有这些恒星终其一生都以同样的方式燃烧。当恒星变老后，会发生一些剧烈变化。以太阳为例，当太阳开始死亡时，会先成为一个庞然大物——红巨星，比一般的恒星大几百倍。之后，红巨星开始收缩，形成一个比一般恒星小100倍的白矮星。
最低级别的恒星——红矮星
庞大的红巨星
正如恒星在引力作用下会形成更大的星系一样，星系也会在引力作用下聚合成巨大的星团。最大的星团如处女座星团，是由成千上万独立的星系构成的，其范围大约有2 000万光年。但是一些小的星团如银河系、处女座所在的本星系团，则容纳了大约30个的小型星系，其范围约在500万光年。一般来说，和星系一样，容量最大的星系星团有不同的类型，当星团中心是庞大的星系时，其形状一般为椭圆状。星团的中心非常拥挤，星系之间距离很小，比恒星要拥挤得多。但是在离星团核心比较远的地方，该密度开始降低，星系变得比较小、不规则，且包含的恒星越来越少、占据的空间越来越大。
星系星团并不是已知最大的结构。和星系聚合一样，星团也会形成庞大的超星团。从规模最大的层面来讲，宇宙就像一个“泡沫”状的结构，那些巨大的星团和超星团就是形成“泡沫”中一个个“气泡”的丝状物。在“气泡”里面是接近“真空”的巨大空间，其直径可能有1.5亿至2亿光年。几乎宇宙中所有的可见物质都被封锁在这个巨大的“气泡”里面。
星团
除了这些成千上万的星系，宇宙的大部分地区看上去空旷得令人难以置信。而事实上，还有一个物体比超星系大，那就是宇宙本身。浩瀚的宇宙与最大的小行星相比就像小行星与被叫作“夸克”的最小亚原子结构相比。
夸克模型 |
旋涡星系 |
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星系存在的基本方式
星系内部包含有星云、恒星和行星。星系存在的基本方式有三种：旋涡星系、椭圆星系和不规则星系。银河系就是一个典型的旋涡状星系，包含2 000亿颗行星。和它的名称一样，旋涡星系中的星云和恒星都呈旋涡状，并且通常是一个碟状的平面。但是，旋涡星系的中心是突起的，就像煎鸡蛋一样；最大的星系是椭圆状星系，它的体积是旋涡星系的好几倍，直径可以达到10万光年。椭圆星系就像一个巨大的橄榄球，但它的三个轴长度不同。椭圆星系与旋涡星系的另一个区别就是，前者包含较少的星云物质，所以新诞生的恒星比较少；最后是不规则星系，当然并不是所有的不规则星系都像它们的名称一样没有形状。一些不规则星系也会呈现出碟状的形态，但是它们不像旋涡星系那样有螺旋臂。
天文学中最基本的行为就是观察一个物体的亮度随时间变化的过程。这种科学被称为“光度学”，字面含义就是“测量光”。比如，测量一个在宇宙中旋转的小行星，小行星都是由金属或岩石构成的不规则物体，一个纺锤状的小行星从侧面看要比从两端看更明亮，因为从侧面看的部分更多。因此，通过观察一个小行星亮度的周期变化，天文学家就可以知道它的旋转速度，并了解它的形状。
光谱学 |
光度学 |
现在，想象一个在一定周期内亮度有微弱变化的天体，这可能表明在这个恒星周围有行星在旋转，因为当行星旋转通过恒星前方时，会使恒星亮度减弱。两颗恒星可能会互相旋转，或者一颗恒星表面会有一些斑点，当恒星自转时，它的亮度取决于在观察时的暗区有多少。
这些小的光度变化可用于推断行星、恒星斑点和其他恒星的存在。
光谱线的精确测量
光度学的用途十分广泛，其中一项很有用的技术就是“光谱学”。当光线在通过一系列狭小的裂口时，会被分切成一个光谱。这个光谱由黑色的“光谱线”划分开。这些“线”的存在是因为形成光源的原子吸收了固定波长的光，形成了特定的色彩。一种元素所吸收的光有其固定的波段，比如某段特定的光谱线仅表现出在某恒星上含有氦，而另一段则表示有其他元素的存在。光谱中的不同位置分别反映不同的物质。这种方式让天文学家能够研究出他们所观察的物质中有什么气体存在。而且，每个原子光谱线的波段和强度是随其物理特性而变化的，所以，波谱学不仅能反映出物质的构成，还能反映出其热度和密度。
蓝移 |
红移 |
知识链接
“蓝移”和“红移”
波谱学的另外一个功能就是揭示物体运动的速度。你可以想象一辆救护车正拉响警报向你驶来，此时，警报的声波由于声源的向前移动而被压缩，这使声波波长较短，声调较高。当救护车离你远去时，这些同样的声波被拉伸，所以波长较长，而声调较低，这就是“多普勒效应”。你所听到的声音的频率取决于救护车行驶的速度和方向以及你所处的位置，这在天文学中非常重要，因为光波也有同样的现象发生。当一颗恒星向你移动时，其光波就会被压缩，所以它的光谱线会以比较高的频率出现，比它静止时稍微发蓝一些，这种现象叫作“蓝移”。同样，如果恒星是离你远去的，则会出现“红移”现象。所以，这就是光谱线的波长可以让天文学家了解物体运动方向和速度的原理。
