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是先有鸡，还是先有蛋？
——霍金
宇宙论是运用天文学和物理学方法对整个宇宙进行探索的一门学科，研究的是宇宙的结构和演化。几千年的人类文明长河中，人们对宇宙的思索从未停止过。从古希腊哲学家提出的各种宇宙模型，到中世纪占统治地位的地心说，再到哥白尼提出日心说，人类的视野逐渐得到扩展。
17世纪，牛顿开辟了以力学方法研究宇宙学的途径，建立了经典宇宙学。到了20世纪，大量的天文观测和现代物理学的发展，使人们突破了传统的束缚，对宇宙的认知范围也愈加宽广，从而诞生了现代宇宙学。
上下四方曰宇，古往今来曰宙，宇宙即是空间和时间的统一。
古代美索不达米亚发达的天文学
人类对宇宙的认识，随着人类活动范围的不断扩大而逐渐放大。受到自身居住环境的局限，人类最早的宇宙观也局限于地球之上，把高山大海当作宇宙的尽头。古代美索不达米亚人就认为，高山围起了大地，天空悬在高山之上。每天太阳横穿过天空，然后潜入地下隧道，到第二天再一次从东方升起。
但这并不意味着古代人对于宇宙的认识是一味落后无知的，相反地，古代美索不达米亚人拥有着极为发达的天文学。他们已经把行星和恒星区别开来，并取得了相当精确的行星运行数据。他们记载下来的行星会合周期相对误差都在1％以下。
另外，古代两河流域的人已经知道了黄道，并把黄道带划分为十二个星座，每个星座都按神话中的神或动物命名。这套符号一直沿用至今，也就是所谓的黄道十二宫。
古埃及的天文学
在古埃及，人们很早就意识到了季节的变换，并有专门的人负责对天象的观测。古埃及人不仅早已掌握了预报日食和月食的方法，还根据星座的运行制定了历法。
古埃及人发现，每当天狼星于日出前升起在东方地平线上，即所谓的“偕日升”，之后再过两个月，尼罗河就会泛滥。尼罗河水的这种周期性泛滥，使古埃及人产生了“季节”的概念。他们把天狼星在日出前升起的时刻定为一年的开始。开始的四个月正是尼罗河水泛滥之时，叫作泛滥季。之后的四个月定为恢复期，最后四个月定为旱期，也是农作物收获期。
经过长期的观测，公元前4000多年，古埃及人把一年定为365日。这就是现今阳历的来源。
古代文明中的天文学
对于古代人来说，日月星辰的运转、宇宙的变化直接关系到他们的生产和生活。这也促使他们更加注重对于宇宙的观测和探索。从这一点上看，古代人比现代人更贴近宇宙。
黄道十二宫
天狼星周期历法
古希腊人最先把对宇宙的认识和宗教观念分割开来，并力图建立一个统一的宇宙模型去解释天体的复杂运动。
泰勒斯的宇宙模型
泰勒斯是公元前7世纪古希腊著名的自然科学家和哲学家，是“希腊七贤”之一。他曾预言了公元前585年5月在土耳其发生的一次日食。泰勒斯认为，水是世界初始的基本元素。大地从海底升起，并被海水包围着，海水在世界的尽头落入地狱之中。
泰勒斯的门生阿那克西曼德绘制了世界上第一张全球地图。他认为，天空是一个完整的球体，而不是悬在大地上方的半球拱形。天空围绕着北极星运转，而地球则是一个自由浮动的圆柱体，人类处于圆柱体的平坦的一端，而人类的世界只是无数世界中的一个。在大地的周围环绕着空气天、恒星天、月亮天、行星天和太阳天等。
毕达哥拉斯的地圆说
以发现勾股定理而闻名于世的古希腊数学家毕达哥拉斯提出了地球是球形的理论。他认为，地球是球形自转的天体，太阳、月亮、行星等天体的运动都是均匀的圆周运动。他把10作为一个完美的数字，并以此造出宇宙模型。宇宙的中心是中央火，地球、太阳以及其他星球都环绕在中央火周围。地球围绕着中央火转动，而在另一侧则有一个“对地星”与之平衡。这样一来，中央火、地球、对地星、太阳、月亮，再加上当时已知的水星、金星、火星、木星、土星五大行星，刚好是10个天体。
到了公元前2世纪左右，埃拉拖色尼又测量了地球的大小。他选择了同处一条子午线上的西恩纳城和亚历山大城，在正午时分测量两城太阳位置的偏差，并据此及两城之间的距离，算出了地球的半径大约是7300千米。而经过后世人们的测量计算，地球的平均半径约为6371千米。
古希腊人的宇宙模型
对于古代人来说，日月星辰的运转、宇宙的变化直接关系到他们的生产和生活。这也促使他们更加注重对于宇宙的观测和探索。从这一点上看，古代人比现代人更贴近宇宙。
泰勒斯的宇宙模型
毕达哥拉斯的宇宙模型
地心说受到基督教会的推崇，在16世纪“日心说”创立之前，一直是西欧社会基本的宇宙观。
亚里士多德提出地心说
公元前4世纪，古希腊最伟大的哲学家亚里士多德提出了地心说。他认为地是球形的，是宇宙的中心。地球和太阳、月亮等天体由不同的物质组成，地球上的物质是由水、气、火、土四种元素组成，天体则由第五种元素“以太”构成。亚里士多德认为，宇宙是有限的，由以地球为中心的9个球面构成。最外侧的球面紧挨着很多恒星，而太阳、月亮、火星等天体在这9个球面之上围绕地球运转，它们每24小时运行一周。
但是，随着对行星观测的不断发展，这种以地球为中心的天动说出现了破绽。它不能很好地解释行星的“不规则”运行。后来，在公元前2世纪左右，伊巴谷在亚里士多德理论的基础上，提出了本轮、均轮以及偏心圆等理论，并把天球的数量减少到7个。
拖勒密创立地心说
公元140年前后，天文学家克罗狄斯·拖勒密全面继承了亚里士多德的地心说，将宇宙这个有限的球体分为天地两层，著成《天文学大成》，创立了宇宙地心说。
拖勒密认为地球位于宇宙的中心，是静止不动的。太阳、月亮、行星都在一个称为“本轮”的小圆形轨道上匀速转动。而本轮的中心又在称为“均轮”的大圆轨道上绕地球匀速转动。而地球并不在均轮圆心位置，与其圆心有一定的距离。水星和金星的本轮中心位于地球与太阳的连线上。本轮中心在均轮上的运转周期为一年。而恒星都位于“恒星天”之上，太阳、月亮和行星除了上述运动，还要与“恒星天”一起，每天绕地球转一圈。
地心说的创立
对于古代人来说，日月星辰的运转、宇宙的变化直接关系到他们的生产和生活。这也促使他们更加注重对于宇宙的观测和探索。从这一点上看，古代人比现代人更贴近宇宙。
亚里士多德的宇宙模型
拖勒密的地心体系
哥白尼的学说是人类宇宙观的一次彻底的革命，它使人们的整个世界观都发生了重大变化。
阿利斯塔克提出日心说
在古希腊，并非所有的人都相信亚里士多德的地心说。雅典著名的天文学家阿利斯塔克就提出了与之不同的观点，他认为，地球每天在自己的轴上自转，每年沿圆周轨道绕太阳一周，太阳和恒星都是静止不动的，而各行星则是以太阳为中心作圆周运动。这是古代最早的日心说思想，比哥白尼的“日心地动说”还要早上1800多年。
阿利斯塔克的这一学说，完全与当时人们对宇宙的观念相悖。以当时的天文学和力学知识的水平，人们根本无法理解这样的宇宙法则。虽然阿基米德非常拥护这个学说，并加以发展，使之产生了一定的影响。但是后来，这个学说被指责为亵渎神灵，一直受到基督教会的压制。
另外，阿利斯塔克还是最早测定太阳和月球到地球的距离的近似比值的人。
哥白尼创立日心说
随着时间的推移，天文观测的精确度不断提高，人们逐渐发现了地心学说的问题。到文艺复兴时期，拖勒密所提出的均轮和本轮的数目已多达80多个。这时，波兰人哥白尼经过长期的天文观测和研究，创立了更为科学的宇宙结构体系——日心说，从此否定了在西方统治达一千多年的地心说。
1543年，哥白尼的《天体运行论》出版发行，在书中他阐述了日心体系，提出地球只是围绕太阳的一颗普通行星。地球每天自转一周，天穹的旋转正是由此产生的。月球在圆轨道上绕地球转动。太阳在天球上的周年运动是地球绕太阳公转运动的反映。而地球上的人们观测到的行星的“倒退”或“靠近”则是地球和行星共同绕日运动的结果。
日心说的创立
哥白尼的学说是人类宇宙观的一次彻底的革命，它使人们的整个世界观都发生了重大变化。
阿利斯塔克的日心模型
地心说的终结
第谷·布拉赫一直坚持天动说，但他进行的大量的观测，却被开普勒用来证实地球是围绕太阳运转的。
第谷·布拉赫的发现
16世纪，丹麦天文观测家第谷·布拉赫发现了仙后座的一颗新星，他进行了连续十几个月的观察，看到了这颗星从明亮到消失的过程，这打破了历来“恒星不变”的学说。现在我们知道这种情况并非一个新星的生成，而是暗到几乎看不见的恒星在消失前发生爆炸的过程。
第谷通过精确的星位测量，企图发现恒星的视差效应，即由地球运行而引起的恒星方位的改变，结果一无所得。于是他开始反对哥白尼的地动说，并提出了这样一种宇宙体系：地球在宇宙中心静止不动，行星绕太阳运转，而太阳则率领行星绕地球转动。17世纪初，他的学说传入中国后曾一度被接受。
开普勒三大定律
在第谷去世后，他的助手开普勒利用第谷多年积累的观测资料，仔细分析研究后，提出了行星运动的三大定律，即开普勒三大定律，为牛顿万有引力定律打下了基础。
1609年，开普勒在《新天文学》中提出了他的前两个行星运动定律。第一定律是关于围绕太阳运动的行星轨迹的定律，认为每个行星的运行轨道是一个椭圆形，而太阳位于这个椭圆轨道的一个焦点上。第二定律是关于行星运行速度的定律，认为行星与太阳的距离时近时远，在最接近太阳的地方，运行的速度也最快，反之，在最远离太阳的地方速度最慢，行星与太阳之间的连线在等时间内扫过的面积相等。10年后，他又发表了行星运动第三定律，认为行星距离太阳越远，其运转周期越长，它的运转周期的平方与到太阳之间距离的立方成正比。
另外，开普勒还猜测彗星的尾巴总是背着太阳，是因为存在一种太阳风将其吹开，这是第一个牵涉到光压领域的论述。
开普勒三大定律
在第谷去世后，他的助手开普勒利用第谷多年积累的观测资料，仔细分析研究后，提出了行星运动的三大定律，即开普勒三大定律，为牛顿万有引力定律打下了基础。
第谷的宇宙模型
开普勒三大定律
作为哲学家，布鲁诺的理论影响了17世纪的科学和哲学思想。18世纪以来，许多近代哲学家吸收了他的学说。而在19世纪，他作为思想自由的象征，鼓励了欧洲的自由运动。
宗教的叛逆
乔尔丹诺·布鲁诺出生于意大利那不勒斯，15岁时做了一名修道士。布鲁诺在修道院学校学习达10年之久，并获得了神学博士学位和神父的教职。但在读到哥白尼的《天体运行论》后，他为日心说所吸引，逐渐对宗教产生了怀疑。他认为教会关于上帝具有“三位一体”的教义是错误的，传说有一次他甚至还把基督教圣徒的画像从自己房中扔了出去。
布鲁诺离经叛道的言行激怒了教会，他被教会割除教籍。1576年，布鲁诺为躲避宗教裁判所的追捕，开始了四处流浪的生活，先后到过瑞士、法国、英国等地。他四处发表演说，宣扬哥白尼的日心说，与经院哲学家展开了激烈论战。
开放的宇宙
布鲁诺继承、捍卫和发展了哥白尼的日心说，并在此基础上提出了关于宇宙无限性和统一性的新理论。他写下了《论无限性、宇宙和诸世界》《论原因、本原和统一》等著作，其中认为，宇宙无论在空间和时间上都是无限的。宇宙没有固定的中心，也没有界限。地球不是宇宙的中心，而是环绕太阳运转的一颗行星，太阳也不是宇宙的中心，只是太阳系的中心。宇宙中有无数的太阳以及无数像地球一样的行星。在无限的宇宙中，有无数“世界”在产生和消灭，但作为无限的宇宙本身，却是永恒存在的。他还认为宇宙是统一的，物质是一切自然现象和共同的统一基础。
布鲁诺的这一思想被教会斥为“骇人听闻”，而布鲁诺则是极端有害的“异端”和十恶不赦的敌人。1592年布鲁诺被逮捕。1600年，宗教裁判所判处布鲁诺火刑，在罗马的百花广场，布鲁诺被烧死。
现代文化的先驱者
不是像行星那样被太阳照射发光，而是像太阳那样自己发光的星球称之为恒星。恒星也有自己的生命史，它们从诞生、成长到衰老，最终走向死亡。
燃烧的太阳
我们知道，太阳自己会发光。可是太阳究竟是靠燃烧什么来发光呢？其实，关于恒星能量之源，一直是个难解之题。直到20世纪中叶以后，人们才意识到太阳和恒星的能量来自于核能的释放。
太阳释放出的能量非常巨大，它1秒钟所释放出的能量相当于燃烧几百亿吨煤所产生的能量。如果太阳是一个普通燃料做的球体，那么它在数千年内就会燃烧殆尽。可是太阳持续燃烧了数十亿年，要燃烧必需要有氧气，而太阳上是没有氧气的。
科学家对这个问题的认识也经历了一个过程，起先有人提出了收缩学说，认为太阳的半径每年会收缩，以产生一年中辐射的能量。到了20世纪，随着相对论与核物理学的问世，人们才发现，太阳内部氢的含量相当丰富，当氢在高温高压下聚变成氦时，就会释放巨大的核能。因此，太阳才能在100多亿年间持续燃烧。
太阳系的构成
太阳系的中心是太阳，它每隔2.5亿年绕银河系中心运转一圈。在茫茫宇宙之中，太阳只算得上是一颗中小型的恒星，但它的质量已经占据了整个太阳系总质量的99.85％。
太阳系内迄今发现了八大行星，按照与太阳的距离，依次是水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。地球到太阳的距离约为1.496亿千米，我们把它定义为一个天文单位。1930年，距太阳40天文单位的冥王星被发现，起初被认为是太阳的大行星之一，到了2006年，国际天文学联合会通过投票表决作出决定，冥王星被降级为矮行星。
此外，太阳系中还有数百万颗小行星、上千亿颗彗星，以及不计其数的尘埃、冰团、碎块等小天体。
太阳系的结构
太阳系是由太阳以及在其引力作用下围绕它运转的天体构成的天体系统，由八大行星和两条小行星带，以及千亿颗彗星等组成。
比邻星的形成年代与半人马座α星A、B相同，约48.5亿年前，比太阳略早些。天文学家推算它的寿命可达数千亿年以上。
太阳系的尽头
太阳系究竟有多大？太阳系的尽头在哪里？关于这些问题的认识，至今仍停留在猜测的阶段。1950年，天文学家奥尔特统计了当时已经观测到的周期彗星的轨道，发现绝大多数周期彗星都是从距离太阳几万天文单位的地方飞来，于是他猜测可能有一个呈球壳状包住太阳系的彗星巢存在。这个假设的彗星巢叫作“奥尔特云”。
科学家认为，太阳会喷出高能量的带电粒子，称为“太阳风”。太阳风吹刮的范围一直达到冥王星轨道外面，形成一个巨大的磁气圈，叫作“日圈”。日圈外面又有星际风在吹刮，太阳风保护太阳系不受星际风的侵袭，并在交界处形成震波面。日圈的终极处叫作“日圈顶层”，这就是太阳所支配的最远端，可以把这里视为太阳系的尽头。
第三亮星α星
目前离太阳最近的恒星称为比邻星，是半人马座α星C。α星是半人马座最亮的星，中国星名南门二。从地球上看，除了天狼星和老人星，就数它亮了。α星是由A、B、C三颗子星组合而成的三合星，其中的C子星就是比邻星，它距离太阳约4.22光年。这个距离大约是太阳到冥王星距离的7000倍，即使乘坐目前最快的宇宙飞船，要到达比邻星，也需要花上17万年的时间。
如果把太阳想象成一颗苹果的大小，地球就是只有1毫米直径的米粒大小，距离10米左右。以这个模型来计算，半人马座的α星到太阳的距离也在2000千米以上。两颗恒星就像是在太平洋上隔了2000千米的两个苹果。它们似乎永远都不可能会碰撞。
太阳附近的星体
八大行星的数据
比邻星
比邻星离地球大约是4.22光年，也就是270000个天文单位，是离太阳最近的恒星。而离比邻星最近的恒星依次为：半人马座α三合星的其他两颗星（0.21光年）、太阳和蛇夫座巴纳德星（6.55光年）。
目前的天文观测范围已经扩展到200亿光年的广阔空间，它被称为总星系。我们所处的银河系的直径约有10万光年。
天文单位
宇宙广阔无边，我们不能探其深远。因此，就得有一个合适的长度单位，才能描述天体之间非常遥远的距离，不合适的长度单位会让人感到啼笑皆非。例如，有人问你说，你家离单位有多远，你不可能回答说有一千万毫米。一般人都会说，我家离单位大概有10千米。同样的道理，对于广阔的宇宙空间，天文学家必须为它寻一个合适的度量单位。
对于太阳系，天文学家用地球和太阳之间的距离作为一个天文单位，来度量太阳系中天体之间的距离。然而，由于地球和太阳之间的距离时刻都在发生变化，所以天文单位的值只能取平均值。一个天文单位等于149597870千米。
光一年行进的距离
天文单位对于度量太阳系天体之间的距离很合适，但要拿到宇宙的范畴中，测量恒星之间的距离，就又显得蹩脚了。例如，太阳与半人马座α星之间的距离如果用天文单位表示，就是270000天文单位，后面仍需加上好几个0，这还是离太阳最近的恒星。
为此，天文学家定义了一个单位，叫作“光年”。由于光在真空中的速度是恒定不变的，每秒大约30万千米，因此光在一年的时间里行进的距离也是恒定不变的。光年就是光在真空中行进一年的距离。
一光年大约是9.5万亿千米。天文学家就用这样的一把尺子来测量恒星间的距离。比如，太阳与α星之间的距离大约是4.22光年。目前所知的最遥远的恒星离太阳要超过100亿光年。
宇宙用的长度单位
天文单位
光年
秒差距
事实上，我们通过望远镜观测宇宙，只是看到了它的过去，现在发生了什么，我们无从知晓。望远镜就犹如一台时间机器，带我们走入宇宙的过去。我们观测得愈远，就能看到愈加古老的宇宙景象。
远处即是过去
光每秒传播30万千米，从太阳到地球只需要不到8分钟的时间。因此，我们在某个瞬间看到的太阳光，是大约8分钟前由太阳表面发出的。也就是说，那个瞬间所看到的太阳，实际上是大约8分钟前太阳的模样。同样地，地球距离半人马座α星不到4.3光年，所以我们现在看到的比邻星是它4年多前的影像。
数年的时间，与恒星的几百亿年的生命长度相比是微不足道的。但是，宇宙中还有那些距离我们几百万光年、几千万光年甚至几亿光年的天体，当我们看到它的时候，它所发出的光线已经在宇宙中行进了几百万年、几千万年、几亿年的岁月，这才能到达地球。也就是说，我们现在观察到的天体的景象，已经过去了那么长的时间。我们看到的一些恒星，可能早已消亡在宇宙之中了。
因此，天体距离我们越远，我们看到影像就越是古老，远处即是过去。
了解宇宙的进化
人的寿命只有短短数十年，人类的历史也不过几千年，恒星却已存在了数百亿年，宇宙更是不知何时诞生的。我们不可能如观春花秋叶般看到一颗恒星的生灭。而远处即是过去这一理论恰好可以帮助我们探寻天体是如何进化的。也就是说，要了解过去，只要观测更远的天体就可以了。
天文观测
对宇宙充满好奇的天文爱好者要观测天空中的不同天体，需要采取不同的观测工具、观测位置、观测环境等，从而达到最佳的观测效果。
在没有月亮的夏夜，或者冬日的晴朗夜晚，抬头仰望，你会看到星空中横亘着一条不规则的银白色光带，这就是银河，世界上有许多关于这条天河的美丽诗句和动人传说。
伽利略的发现
古代哲学家早就开始思考银河的本质，亚里士多德把银河看作一种大气现象。古希腊哲学家德谟克利特则猜想银河由无数恒星构成，只是因为这些恒星太暗、太密而无法加以分辨，结果便表现为一条模糊的光带。
1609年冬，伽利略用自制的望远镜观测金牛座中有名的“七姐妹星团”，也就是中国古代所说的“昴宿”，肉眼只能看到6颗星，但伽利略通过望远镜看到了36颗之多。他又对银河进行观测，发现在望远镜中的银河呈现为无数个密密麻麻的星星。
伽利略的观测证实了德谟克利特的见解。可惜的是，伽利略并没有就此作出深入的探讨。
恒星的密集分布
我们在地球上，用肉眼看向星空。似乎恒星在夜空中是均匀地分布着，但事实上，我们能够看到的都是比较明亮的恒星。如果把较暗的恒星也包含在内的话，恒星大都密集地分布在一条条银河之中。
也就是说，明亮的恒星看起来是均匀分布的，但如果暗的恒星也能看见的话，就知道恒星的分布呈现特别的形状。比如我们能看见的银河的形状。那么，恒星在什么空间范围内是均匀分布的，远处恒星的分布又是如何排列的呢？这样便产生了星系的概念。
星系是宇宙中庞大的星星“岛屿群”，它也是宇宙中最大的天体系统之一。到目前为止，人们已观测到了约1000亿个星系。地球和太阳所属的星系称为银河系，约有2000多亿颗恒星。
银河的“名”星
昴宿
牛郎与织女
太阳到银河系中心的距离约为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。
初识银河系
1750年，英国人拖马斯·赖特指出，银河和所有的恒星构成了一个巨大的扁平的圆盘状系统，首次对银河系的外形进行了描述。
1785年，英国天文学家、天王星的发现人威廉·赫歇尔通过恒星计数得出，银河系中恒星分布的主要部分为一个扁平圆盘状结构。他用望远镜通过目视方法计数了117600颗恒星。加上若干假设，得出了天文学史上第一个真正意义上的银河系模型。
当时，人们并不知道宇宙空间中存在星际物质，远处恒星发出的光会被星际物质吸收消失。而赫歇尔使用的是48厘米反射望远镜，只能看到较近的星，他的银河系系统就显得小了一些，但他第一次把人类的视野从太阳系扩展到银河系的广袤恒星世界之中。
银河系的真实面目
在赫歇尔的银河系模型中，太阳被放在银河系的中心。直到100多年后，美国天文学家沙普利证实，太阳并不在银河系中心，而是位于比较靠近银河系边缘的地方。
现在，我们知道的银河系是一个旋涡星系，大体上由银盘、核球、银晕和暗晕4个部分组成。银盘是银河系恒星分布的主体，呈扁平圆盘状，直径约为8.2万光年。核球是银河系中恒星分布最密集的区域，大体上呈扁球状。银晕包围着银盘，是一个由稀疏分布的恒星和星际物质组成的区域，大体上呈球形。
在银晕之外有一个范围更大的物质分布区，这就是暗晕，又称银冕。暗晕的组成成分通常认为主要是暗物质。不过，对于暗晕的存在，目前还停留在推测阶段。
我们的银河系及其邻近星系
很早以前，我们就知道仙女座有一片笼罩着淡淡光晕的云。在秋天的夜空，人们用肉眼就能模糊地看见一个旋涡。
梅西耶星表
1758年，法国天文学爱好者梅西耶在巡天搜索彗星的观测中，突然发现一个在恒星间没有位置变化的云雾状斑块。梅西耶根据经验判断，这块斑形态类似彗星，但它在恒星之间没有位置变化，显然不是彗星。这是什么天体呢？在没有揭开答案之前，梅西耶将这类发现详细地记录下来。其中他第一次发现的是金牛座中的云雾状斑块，被列为第一号，即M1，“M”是梅西耶名字的缩写字母。截止到1784年，这种记录达到了103个。
梅西耶的不明天体记录于1781年发表，称为梅西耶星表。他建立的星云天体序列，至今仍然在被使用。其中M31代表仙女座星云，M51是猎犬座星云。后来威廉·赫歇尔将这些云雾状的天体命名为星云（后来发现有的星云是河外星系）。
旋涡星系
1773年，梅西耶在观测一颗彗星时，发现了猎犬座M51，后来，它的伴星系也被发现，因此在梅西耶星表中对M51有这样的描述：“这是个双星云，每部分都有个明亮核心，两者的‘大气’相互连接，其中一个比另一个更暗。”
1845年春，爱尔兰天文学家罗斯爵士制作了口径为184厘米的巨大望远镜，观测了若干个星云。他第一个辨认出了那些云雾般的天体的旋涡状外形。他发现了M51的旋臂结构，还绘制了一幅非常仔细和精确的素描。因此，M51有时也会被称为罗斯星云。对于天文爱好者来说，如果天空足够暗，M51会是一个容易观测到的美丽目标。
旋涡星系的构造
旋涡星系
棒旋星系
初冬的夜晚，人们可以在仙女座内用肉眼找到一个模糊的斑点，俗称仙女座大星云。梅西耶星表中，仙女座星云的编号为M31，它在天文学史上有着重要的地位。
20世纪初的争论
从1885年起，人们就在仙女座大星云里陆续地发现了许多新星，从而推断出仙女座星云不是一团通常的尘埃气体云，而是由许许多多恒星构成的系统，而且恒星的数目一定极大，这样才有可能在它们中间出现那么多的新星。
随着星云观测的进展，对仙女座星云是在银河系中还是更遥远的恒星集团这个问题，学术界分为两大阵营，开始了激烈的争论。20世纪初，美国两名非常资深的天文学家在进行这一场争论。柯提斯认为仙女座星云是银河系之外的天体，而薛普利则认为仙女座星云是银河系内部的天体。
柯提斯研究了仙女座星云爆发的超新星，发现仙女座星云爆发的超新星的亮度非常地暗。这就说明仙女座星云与地球之间的距离非常遥远。他还大致算出了仙女座星云大致离我们有50万光年，这远大于银河系的直径。这就证明仙女座星云不是银河系内部的天体。另一位天文学家列举出一些证据，认为仙女座星云是银河系内部的天体。双方进行了一场著名的争论。
直到1924年，美国天文学家哈勃用当时世界上最大的望远镜在仙女座大星云的边缘找到了被称为“量天尺”的造父变星，利用造父变星的光变周期和光度的对应关系，也就是周光关系才定出仙女座星云的准确距离，证明它确实是在银河系之外，仙女座星云应改称为仙女座星系。关于仙女座星云的争论也就此画上了句号。
仙女座星系
美丽的仙女座
在测量不知距离的星团、星系时，只要能观测到其中的造父变星，利用周光关系就可以将星团、星系的距离确定出来。因此，造父变星被人们誉为“量天尺”。
δ型变星
仙王座紧挨北极星，与北斗星遥遥相对，我们全年都可看到这个星座，特别是秋天夜晚更是引人注目。仙王座中有许多变星，其中最著名的就是于1784年发现的δ星，我国古代称其为造父一。造父一最亮时是3.5星等，最暗时为4.4星等，它的光变周期非常准确，为5天8小时47分钟28秒。星等是一个表示星体亮度的概念，它的数值越大，星体越暗。
天文学家把此类星都叫作造父变星，它们的光变周期有长有短，但大多在1——50天之间，并以5——6天为最多。北极星也是一颗造父变星。天文学家发现这些变星的亮度变化与它们变化的周期存在着一种确定的关系，光变周期越长，亮度变化越大，并得到了周光关系曲线。
测量遥远天体的距离
根据这个性质，天文学家就找到了比较造父变星远近的方法，如果两颗造父变星的光变周期相同则认为它们的光度就相同。因此，只要用其他方法测量了较近造父变星的距离，就可以知道周光关系的参数，进而就可以测量遥远天体的距离。
假设有两颗周期相同、在地球上看起来亮度不同的造父变星，而且到看起来比较明亮的变星的距离是已知的，因为周期相同，所以两个变星的本来的亮度相同，如果较暗的变星的亮度是较亮的变星的亮度的1/100，那么就可以得出到较暗的变星的距离是到明亮的变星距离的10倍。
使用造父变星来测量遥远天体的距离很方便。其他的测量方法还有利用天琴座RR变星以及新星等方法。
造父变星
周光关系
周光关系指的是造父变星的光变周期与光度之间的一种关系。概括地说就是造父变星的光变周期越长，其光度也越大。
造父变星是量天尺
1922——1924年期间，美国天文学家哈勃在分析一批造父变星的亮度以后断定，这些造父变星和它们所在的星云距离我们远达几十万光年，一定位于银河系外。这项于1924年公布的发现使天文学家不得不改变对宇宙的看法。
发现造父变星
1923年，哈勃在威尔逊山天文台用当时最大的2.5米口径的反射望远镜拍摄了仙女座大星云的照片，照片上该星云外围的恒星已可被清晰地分辨出来。为了明确到仙女座星云的距离，他尽量多地发现仙女座星云中的新星，然后决定它的平均亮度。所谓的新星是比超新星稍暗，在最终阶段爆炸发光的恒星。
在拍摄的照片中，哈勃找到了更有用的天体，他确认出第一颗造父变星。在随后的一年内，这样的造父变星哈勃一共发现了12颗。他还在三角座星云M33和人马座星云NGC6822中发现了另一些造父变星。接着，他利用周光关系定出了这三个星云的造父视差，计算出仙女座星云距离地球约90万光年，而银河系的直径只有约10万光年，因此证明了仙女座星云是河外星系，其他两个星云亦远在银河系之外。
河外星系进入视野
1924年底，哈勃在美国天文学会上宣布了关于河外星系这一重要发现。旋涡状星云是否是处于银河系外的天体系统的问题，最终得到解决，由此翻开了探索宇宙的新篇章。
接着，哈勃陆续发现其他河外星系，它们都与银河系一样，拥有自己的星团和新星等天体。哈勃建立起他的“岛宇宙”概念。从1925年起，哈勃开始研究河外星系的结构，并把它们分类。他认为，河外星系中有97％呈椭圆或旋涡状，其余3％为不规则星系。
仙女座“河外”星系
仙女座星云最终被确认是处于银河系之外，与银河系一样由为数众多的恒星组成的河外星系。所以要改称为仙女座星系。
宇宙岛的概念
如果把宇宙比作海洋，星系就是这浩瀚海洋中的一个个岛屿。宇宙空间广袤无垠，我们所在的银河系并非是一座孤岛，宇宙中还有许许多多像银河系一样的岛屿，也就是我们所说的河外星系。河外星系的数量无法估量，它们星罗棋布于宇宙之中，故也被称为“宇宙岛”。
据哈勃考证，宇宙岛这一名称最初出现在19世纪中叶德国博物学家洪保德的著作《宇宙》中，它形象地表达了星系在宇宙中的分布，后来就被广泛采用。从布鲁诺提出无限宇宙论开始，宇宙岛以假说的形式存在了几百年。直到哈勃测定出仙女座星系与地球的距离，才确凿无疑地证明在银河系之外还有其他的与银河系相当的恒星系统，宇宙岛假说也才得到证实。
到仙女座星系的距离
哈勃致力于观测仙女座星系以外的旋涡星系，发现其中的造父变星，并以此为基础推算到这些星系的距离。我们现在知道，哈勃求得的距离并不完全准确。哈勃在仙女座星系发现的变星与在银河系发现的变星属不同种类，得出的结果也就有了偏差。
现在普遍认为，仙女座星系距离地球约220万光年，直径约为16万光年，运用天体摄影技术测得的照相星等约为4.33等。它的自转周期约为1800万年，其中包含有3千亿——4千亿颗恒星，还有明亮的恒星云和暗黑区域，另外还有许多变星、星团和新星等特殊天体。它与附近的河外星系M32以及NGC205，共同构成了“仙女座三重星系”。
仙女座星系距离的测量
宇宙岛
仙女座星系
宇宙中的星系并非都像仙女座星系那样，拥有美丽的旋涡，而是呈现出各种各样的形态。大致划分为旋涡星系、椭圆星系和不规则星系三大类。
星系按形状的分类
在星系世界中，大量的成员与我们所在银河系一样，外观呈旋涡结构，其核心部分表现为球形隆起，即为核球。核球外则为薄薄的盘状结构，从星系盘的中央向外缠卷有数条长长的旋臂，这就是所谓的旋涡星系。
有的星系则呈现椭圆形或正圆形，没有旋涡结构，称为椭圆星系，它们中大多已步入垂暮之年。一般来说，不再有新的恒星诞生。有些介于旋涡星系和椭圆星系之间的星系，有明亮的核球和扁盘，但没有旋臂，形似透镜，称为透镜星系。
还有一类星系既没有旋涡结构，形状也不对称，无从辨认其核心，甚至好像碎裂成几部分，称之为不规则星系，在其内部仍有恒星在不断形成之中。
河外星系的命名
在这众多的河外星系中，只有极少数很亮的才有专门的名字。有的以发现者的名字来命名，如大小麦哲伦星云。有的以所在星座的名称来命名，如猎犬座星云等。绝大多数河外星系是以某个星云、星团表的号数来命名。
星云星系的编号中，M是梅西耶星表的编号。NGC编号则来自于德习尔在1888年发表的星云星团新总表，其中收录了7840个天体，其编排方式是自赤经0时起向西依次编号，经度越少，编号也就越小。IC是继NGC之后追加的5386个星云星团索引。Mel编号主要收录较大型地散开星团，又分CR、TR、ST等。
星系的分类
特殊星系
形态和结构不同于哈勃分类中正常星系的河外星系。它包括类星体、塞佛特星系、N型星系、射电星系、马长良星系、致密星系、蝎虎座BL型天体、有多重核的星系和有环的星系等。
河外星系处于我们所在的银河系之外，银河系本身的直径已达10万光年，河外星系又有多大？它们之间的距离有多大？这么遥远的距离又是怎样测定的呢？
星系的大小和质量
假若知道星系的距离，并通过观测得出河外星系的角半径，就可计算出星系的半径。但是由于星系的亮度从中心向外逐渐减小，其边缘很难和星空背景分开，要确定星系的边界并不那么容易。
各星系的大小相差悬殊，最大的椭圆星系的直径超过30万光年，最小星系的直径则只有300——3000光年。星系的大小相差很大，星系的质量也各有千秋。旋涡星系的质量一般为太阳质量的10亿——1000亿倍。不规则星系的质量比旋涡星系的质量普遍要小一些。椭圆星系，有的比旋涡星系的质量还要大100——10000倍，有的则质量较小，只有太阳质量的百万倍，称为矮星系。
另外，不同类型的星系，光度的差别也非常大。
怎样测定星系距离
天文学家想出了许多方法来测定星系的距离。前面已经提到，利用造父变星的光度和周期关系可以测定出造父变星的距离，从而求出它所在的河外星系的距离。但是造父变星太黯淡了，星系再远些，这种方法就不能用了。
在有些星系中可以观测到如超新星等一些光度很大的恒星，假定星系中的这些星的光度和银河系中的同类恒星的光度是相同的，那么根据它们的光度和视亮度，也能求出它们的距离。用这种方法测量的星系距离可达820万光年。
银河系和仙女座星系的间隔是230万光年，星系与星系的平均间隔是200万——300万光年。
天体的距离测法
星系团是比星系更大、更高一级的天体系统，星系在自成独立系统的同时，又是星系团的一员。星系团和星系群的差别只在数量和规模上，一般把超过100个星系的天体系统称作星系团，100个以下的称为星系群。
本星系群
星系之间的平均距离是200万光年到300万光年，但并不是所有的星系都是以平均距离等间隔地分布。星系会几个聚集在一起形成星系团。例如，银河系与仙女座星系，以及其他40个左右的小星系集结成群，组成了直径约为300万光年的本星系群。
各星系团的大小相差不是很大，就直径来说最多相差一个数量级，一般为1600万光年上下，星系团内成员星系之间的距离，大体上是百万光年或稍多些。已观测到的星系团总数在1万个以上。
本星系群中的各星系没有向中心集聚的趋势。其中的成员三五成群，称为次群。其中包括了以银河系和仙女座星系为中心的两个次群。
本超星系团
本星系群又是本超星系团的一小部分。除了太阳系所在的本星系群之外，本超星系团中还包括有室女星系团、大熊星系团等在内的其他50多个星系团和星系群。室女星系团是离银河系最近的星系团，在春天，即使用非专业的小望远镜也能看见室女星系团的很多星系。
本超星系团的直径大体上在1亿——2亿光年之间，核心处在室女星系团。室女星系团包括2500个以上的星系。银河系在本超星系团的边缘附近。本超星系团的所有成员星系都在围绕着本超星系团中心做公转运动，银河系的公转周期大约是1000亿年。
星系的大集团
所有的星系并非以平均距离等间隔地分布，它们会几个几个地聚集在一起，形成星系团。而星系团又会以同样的方式组成超星系团。
人类不断探索宇宙的奥秘，我们的视野从地球扩张到太阳系、银河系，再到星系团、超星系团。但我们依旧不能了解宇宙的万分之一，宇宙中未解的谜题，要远远多于我们已知晓的现实。
巨大的空洞
1981年，一个天文小组发现在牧夫座和大熊座之间，距银河系约3亿光年的地方，有一处直径约1.5亿光年的空间，其中没有任何天体、星系，甚至没有发现神秘的暗物质。这样的宇宙空间被称为“空洞”。牧夫座空洞是至今已知的最大空洞之一，有时它又被称为超级空洞。
后来，科学家们又在其他多个方向观测到了空洞的存在，这些几乎没有星系存在的区域使得宇宙看上去就像是一个巨大的蜂巢。2007年，美国天文学家又在猎户座西南方向的波江星座中发现一个巨大的空洞，直径竟达10亿光年，这样的体积已远远超过以前发现的任何一个空洞。
目前，我们还无从知晓，空洞到底是如何形成的。
宇宙长城
宇宙中还存在着许多不可思议的结构，是人类的现有理论所无法解释的。1989年，天文学家格勒和赫伽瑞领导的一个小组，就从星系地图上面发现了一个显眼的由星系构成的条带状结构。这个结构长约7.6亿光年，宽达2亿光年，而厚度为1500万光年。这就像是一条宇宙版的万里长城，后来人们把它称为“格勒——赫伽瑞长城”。
2003年，美国普林斯顿大学的一组天文学家发表了一份《宇宙地图》，其中利用全球最新天文观测数据，又绘出了一条长达13.7亿光年的由星系组成的宇宙长城。
不可思议的宇宙结构
空洞
几千年来，人类一直用肉眼来观测天象，直到19世纪，摄影术被引进天文学领域，人类才摆脱肉眼的限制，看到了更美丽的“星”世界。
天体摄影的应用
19世纪40年代，纽约的德雷珀成功完成了一张月亮的银板照相。这是摄影技术第一次应用到天文学的研究中。虽然他得到的照片无法与现代的天体摄影相媲美，但是其意义却是非凡的。
天体摄影最大的优点在于，长时间的曝光时间，可以采集更多的光，利用这一点就能拍摄从远处星系传来的微弱的光线。例如有些星云用肉眼从最大的望远镜中也观测不到，在照片中却很明显。要拍摄一个极其黯淡的天体，需要若干小时的曝光，才能得到一张清晰的图像。
照相还能很好地保存观测结果，以便在需要时自由地利用。常常在一个特别有趣的天体发现以后，天文学家还可以在早先的该部分天空影片中寻找发现之前许多年的历史。
摄影技术的发展
摄影技术的发展也推动了天文学的革命。以前要观测更远距离的星系，只能增大望远镜的口径。1908年，美国制造的望远镜口径达1.5米，到1918年口径增大到2.5米，1946年又制造出口径为5米的望远镜。之后一直到1996年口径为10米的望远镜制造出来以前，都没有制造其他的大望远镜。大望远镜非常重，要支撑望远镜长时间正确地指向天体的方向，在技术上很难办到。
在20世纪80年代，光电耦合器件CCD的应用，使照相底片也成为了历史。C C D照相机与家庭用摄像机的结构基本相同，却能拍摄到望远镜采集的光线的90％。
德雷珀的天体摄影
宇宙中的星系分布的复杂程度是我们难以想象和预测的，现在人们能够观测到的地方达到数亿光年之外，但这与浩瀚无边的宇宙的大小相比，不过只是小小的一步而已。
未解的谜题
人类对于宇宙的好奇促使天文技术不断进步，对于宇宙的观测和探索也不断达至深远。但是，宇宙对于我们而言，还是一个布满了秘密的存在。宇宙是怎样产生、发展的？宇宙的构造到底是什么样的？遍布宇宙的暗物质和暗能量的本质是什么？行星系统是如何形成和演化的？像人类所处的太阳系这样的行星系统在宇宙是普遍存在的吗？地球之外，是否还有生命栖息的星球？等等。
这些似乎都是最基本的问题，然而我们至今无法准确解答，只能不断地观测、猜测、证明。历史上许多学者和天文学家都描绘了关于宇宙模型的蓝图。16世纪，布鲁诺就提出了关于宇宙无限性和统一性的理论。但这些都只是一种假设。而宇宙的过去历史和将来命运究竟如何，即使是现代的宇宙论也无法阐释。
宇宙学的发展
20世纪后半叶，新的发现和新的成果不断出现。伽玛暴的发现，暗物质研究的发展，大型计算机的应用，新的高能卫星的观测发现T e V的辐射，大样本巡天观测，宇宙长城及宇宙空洞的发现，类太阳系的发现等等。这些新的发现和进展为天体物理的发展起到巨大的促进作用。
21世纪将是人类着眼太空的时代，随着世界科技的飞速发展，以及对天文学研究的大量人力、财力的投入，新技术的研制、使用，更先进的天文观测卫星的上天，人类将继续致力于对宇宙的探索，寻找其中的奥秘。
更广阔的未知空间
关于埃及金字塔的建造和用途，有许多大胆的浪漫主义猜测，是古人观天的天文台，还是外星人遗留在地球上的建筑物，抑或是上一个世代的地球人类高度文明的遗产。因为有太多的巧合，这些猜测使金字塔蒙上了一层神秘的面纱。
数据之谜
埃及的金字塔是人类建筑史上的奇迹，对于古代埃及人的建筑技术的精湛、定位技术的精确，即使是建筑技术发达的现代人，也惊叹于这一几千年前的工程。
胡夫金字塔的底部为正方形，边长约230米，各边与平均值相差最大11厘米；四角全为直角，最大误差仅4′左右；四个角分别准确地指向东南西北；四面倾斜度准确地呈51°52′；各个斜面皆呈正三角形的形状；其高度的10亿倍，恰好等于地球到太阳的距离；它的周长和高度之间的比率，恰好等于一个圆周长和半径的比率，即2π；穿过金字塔的子午线，恰好把地球上的陆地与海洋分为均匀的两半；金字塔的重心，正好落在各大陆的引力中心上。
虽然这些数据并非完全精确无误，但其中却可以看出古代埃及人已具备了丰富的天文学和数学知识。
金字塔与天体
天狼星是由甲、乙两星组成的双星。甲星是全天第一亮星，乙星一般称天狼伴星，是白矮星，但因体积小，无法以肉眼看到。1862年，美国天文学家艾尔文·克拉克用当时最大、最新的望远镜发现了它的存在。然而，金字塔经文中却早已存在对于天狼星双重星球系统的记录。
1974年，有学者提出，古阿兹特克冥街上的金字塔与神庙等物正好构成一幅迷你的太阳系模型，这其中甚至包含了直到1930年才发现的冥王星的轨道数据。
有关金字塔的建造，虽然众说纷纭，但为什么建造、什么时候建造、如何建造，以及为何与今天人们观测到的宇宙数据会有那么多惊人的巧合，至今仍是未解之谜。
金字塔的数字之谜
埃及金字塔是世界七大奇迹之一，在那古老年代建起这样的宏伟的建筑，也只能用奇迹两个字来形容。而它至今仍留给人们许多难解的谜团。
