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世界上还有什么可以与晴朗的夜空之美匹敌的吗？数学家托勒密用富有诗意的语句描述了人类仰望苍穹时那种原始的敬畏目光：“我知道我天生就是凡人，并且生命是短暂的。但是，当我高兴地追寻天体时，我不再需要用脚接触地球——我站在宙斯面前，充满了欢乐。”我们凝视宇宙，以便更好地了解我们在宇宙中的位置，规划未知领域的路线，确定我们与其他天体的距离，或者只是在美丽而无边无际的太空之谜中畅游，夜空是永恒奇观的目的地。
如今，我们使用双筒望远镜、地面天文台和太空天文台观测宇宙，通过智能手机中的简单应用确定恒星和星系的大致位置。当然，我们可以用手机软件对地球大气层之外的卫星进行定位。但是，在人类历史的大部分时间里，任何一位业余观测者都可以毫无障碍地用肉眼观测天空。一些古老文明会使用天上的星星进行导航，还有一些文明使用夜空中的星星来标记它们的神话传说，绘制大量带有文化价值的插图。早期科学家创作的星图，即使是从古代流传而来，也会吸引现代人的目光。据我们所知，第一幅星图创作于公元650年，来自中国西部丝绸之路上的一个小镇。它似乎被小心地刻在一张纸上，并于1907年在一座寺庙中被发现。当时，一位道士不小心撞到了一堵墙，偶然发现了其中藏着的古老文献和雕塑。
这张30秒曝光的图像记录了西弗吉尼亚州云杉岭上流星划过夜空的瞬间。进入大气层后，流星会将其前方的空气压缩，从而将流星加热到1650℃。大多数流星都被高温蒸发了，也就产生了我们在天空中看到的流星。每年的英仙座流星雨在黎明之前最为显著，这是因为在清晨时分，地球面向太阳的一侧会被更多的陨石碎片撞击。观测英仙座流星雨的最佳方法是让你的眼睛适应大约45分钟的黑暗环境，然后躺在地上抬头注视天空。
最早的望远镜发明于17世纪。从伽利略和艾萨克·牛顿等人使用的较早形式的望远镜，演变为约翰·赫维留设计的46米长的望远镜（约翰·赫维留被认为是月球地形的发现者）。1609年，伽利略第一次使用望远镜记录夜空，他的第一个重大发现是天空中的某些“恒星”实际上是围绕木星运行的卫星。
遗憾的是，早期望远镜由于玻璃质量较差，其放大能力并不强。在研制出更强大的望远镜之前，科学家们还无法证实他们关于恒星的理论。直到18世纪70年代，音乐家威廉·赫歇尔开始将注意力转向设计望远镜，这种情况才有所改善。通过反复试验，以及对英格兰巴斯夜空的仔细观测，他发现了一些重要的东西：天王星不是恒星，而是行星。
从那时起，我们对宇宙的理解发生了变化。天王星就是第一个被“发现”的行星。在被乔治三世国王提升为宫廷天文学家之后，赫歇尔继续调试他的望远镜，并深入研究宇宙的奥秘。他曾自豪地说：“我比过去的人类看得更远，我可以观察其他恒星，可以证明光必须花200万年才能到达地球。”
随着19世纪晚期天文摄影的出现，对夜空的研究经历了一场复兴。肉眼和望远镜已不再是天空观察者的唯一工具。现在，拍摄天文现象已成为一门严肃的学科，尤其是在干板摄影技术创新之后，这项技术能帮助科学家和摄影师更多地了解深空。1871年以后，天文学家开始对星云、星团和星系进行成像观测，更长的曝光时间也帮助我们捕捉到了昏暗、遥远的恒星以及各种宇宙现象的画面。
1923年，天文学家爱德文·哈勃使用天文摄影技术对仙女座星系进行了定位，同时也确定了许多造父变星与地球的距离。造父变星是极为明亮的恒星，存在可预测的振动周期。如果没有天文摄影技术，哈勃就无法记录造父变星随时间变化的位置和亮度，也就无法测量距离。基于天文摄影技术，哈勃发现了仙女座星系其实是个大星系，存在于银河系之外。这一发现彻底改变了我们对宇宙空间的理解。哈勃证明，在夜空中可见的光云其实是星系。星系存在的距离很远，远超出银河系，并且科学家认为宇宙中有无数的星系。哈勃通过天文摄影技术显著地扩展了我们对宇宙距离的认识。
如今，随着哈勃望远镜等太空望远镜和地面天文台越来越先进，科学家们能够对更加遥远的宇宙进行研究，这完全超出了过去大多数科学家的想象。但是，仍然有许多天文学家在继续制作星图，并在我们的夜空中找到更加遥远、昏暗的天体，并且将庞大的宇宙缩小到可视的程度。
地球的运动和季节的变化总是会改变我们观测天空的角度，你不必成为地图集制造商或科学家，就可以欣赏从星座到流星雨等所有天象。在我们很小的时候，我们中的许多人就学会了简单识别星座的方法，例如，寻找北斗七星。你只需找到明亮的北极星，北极星位于地平线往天穹顶方向大约三分之一的位置，如果你从北极星向下追踪，就会在北斗七星的手柄末端找到两颗亮星。北极星也是小北斗七星中最亮的恒星，位于七颗亮星的末端。猎户座腰带是另一个易于观测的星座，其中包含三颗明亮的恒星。如果你沿着猎户座腰带的右下角搜寻，就会看到一排垂直且模糊的恒星，这些恒星组成了猎户座的宝剑。中间的“恒星”实际上是猎户星云，它是夜空中最亮的星际气体和尘埃云之一。
不过，当你在南半球，这些观测规则就会发生改变！虽然在北半球，北极星高高耸立在天穹，位于赤道附近的地平线上方，但是当你沿着赤道向南半球旅行时，却完全看不见北极星。由于南半球受光污染的影响比北半球少，因此，在这里可以用肉眼看到北半球看不到的众多天体，其中包括太阳系附近的恒星、矮星系和宏伟的星团等。此外，在北半球常见的星座，比如，北斗七星、仙后座和仙王座等，在赤道以南是“倒置”的，有些则看不见。
这张明亮的仙女座星系图像展示了该星系的整体轮廓，由新墨西哥天空天文台拍摄，曝光时间长达10分钟。我们可以在黑暗的夜晚通过双筒望远镜观测到仙女座星系，它的视直径是满月的6倍。如果我们用肉眼观察，可见部分为与月球大小相近的星系中心隆起结构及其周围的星系盘；如果我们借助设备观测仙女座星系周围的巨大旋臂，那么此时该星系可占据约20度的夜空，相当于40个满月。仙女座星系非常庞大，拥有约1万亿颗恒星，与之相比，我们的银河系就小了一些，只有1000亿~4000亿颗恒星。但是，银河系比仙女座星系的质量更大，这是因为银河系的暗物质质量更多。
在本书中，你会看到许多天体现象的照片，包括月食、日食、夜光云、闪电和地球南北极充满活力的极光等。这些图像是从地球或者国际空间站拍摄的，国际空间站是围绕地球公转的人造航天器，运行高度距离地面400千米左右。此外，你还将发现从地面以及太空望远镜拍摄的深空图像，这些图像显示，宇宙中几乎没有望远镜看不到的现象，连黑洞都可以直接成像。不过仙女座星系是一个例外，它是我们可以用肉眼观察到的最遥远天体，距离我们253.7万光年。
除了深空天体，你还会看到几张流星雨的图像，例如，狮子座流星雨（由坦普尔—塔特尔彗星碎片形成）或英仙座流星雨（由斯威夫特—塔特尔彗星碎片形成）。当地球经过彗星的轨道时，彗星的尾部会留下一些碎片，流星雨就出现了。虽然流星雨有时可能会被光污染或满月的亮度所掩盖，但它们可以在空中持续出现数小时。彗星也是非常罕见的天体奇观，我们通常不用望远镜就可以看到。比如，哈雷彗星是唯一一颗经常回归地球的彗星，许多人一生中可以看见一次，运气好可以看见两次。哈雷彗星最近一次回归是在1986年，它每隔76年回归一次。
在一年中大部分时间内，夜空中还有一些可见的行星，比如，水星、金星（天空中第三明亮的天体，仅次于太阳和月亮）、火星、木星和土星等。如果你想知道如何区分恒星和行星，答案其实很简单。恒星发出核聚变产生的光，而行星只能反射恒星的部分光。如果我们判断夜空中的某个天体是行星，主要依据是它的位置相对于背景恒星会发生移动，并且其亮度根据与地球的距离不同而变化。恒星则相反，由于地球大气中的湍流作用，恒星似乎也会不断闪烁，那些距离地球更近，且相对较大的恒星会发出更稳定的光。如果你可以识别出天空中的两颗行星，并将它们用一条看不见的线连接，那么你已经找到了黄道面的一部分，黄道面也是太阳每天升起和落下的轨迹。实际上，如果你沿着黄道面观测，就可以发现更多行星。
本书还为你展示了超新星爆发的图像。超新星是我们已知的宇宙中最大的爆发之一，一颗大质量恒星在演化末期可形成1型超新星（恒星从伴星吸积物质时，引发大规模的核反应）或2型超新星（当恒星的核燃料储备减少之后，在其自身引力作用下坍缩）。尽管我们无法准确估计超新星爆发出现的频率，但科学家推测，它们每20年到200年发生一次。由于空间中的气体和尘埃云阻碍了观测，所以我们看不到宇宙中许多的超新星爆发。自有记录以来，最后一个在白天都能看到的超新星爆发是在1572年。1006年，我们发现了有史以来最明亮的超新星爆发，它位于更遥远的宇宙，爆发的亮度超过了金星的16倍，这次事件同时被中国、日本、伊拉克、埃及和东欧的观察者所记录。
超新星爆发是一种比较少见的高能天体事件，本书也有我们日常能见到的天体景象，如银河。在北半球，银河在夏季时高挂于天空，冬季时在天空的位置就没有那么高了；在南半球，冬季时银河则高高挂在我们的头顶。世界各地一览银河的最佳时节是3月中旬至10月中旬，在这段时间内，太阳不会遮挡明亮的银河系中心（银河系的核心）。在北半球，你可以在南部的天空看到银河系中心；在南半球，你需要往北观测才能找到。大多数情况下，银河就像一条横跨天空的云带。银河系中心附近的区域非常厚实并呈隆起状，因为这里有成千上万颗恒星，它们与我们相距数光年。许多天文学家和天文摄影师建议在黑暗的环境中观测银河，具体说来，需要半径30千米内没有路灯，如果你在北半球，夏季的晚上11点左右就是一个理想的观测时间。
虽然我们可以看到遥远的宇宙天体，但我们也能识别离地球更近的天体现象。比如，白天或晚上你都可以看到轨道上国际空间站，这个人造物体距离地球表面大约400千米，以每小时2.8万千米的速度运行。NASA甚至开设了一个追踪国际空间站的网站，并告知观测空间站的特定时间和地点。在某些时候，国际空间站是夜空中第三亮的物体，这取决于其位置——比如，在靠近地平线或距离地平线较远的位置时，国际空间站显得更亮。
天文学家经常建议我们要学会用肉眼识别行星和星座，并了解它们一年四季的位置变化。用这种方式观测天空，会让使用望远镜观测变得更加容易。天文学家还建议在寒冷、晴朗的冬夜观察天空，因为夏天的大气湿度更高，会产生朦胧的水汽遮挡，对观测造成干扰。最好是在新月时观测夜空，这样可避免满月的光芒对观测夜空造成干扰。如果你想使用天文望远镜或双筒望远镜观察月球，最好在蛾眉月时期进行观测，因为这时月球的阴影会提供更多的细节和月面地貌。
尽管你所处的位置、天气条件和光污染水平将极大影响你对夜空的观测，但天文望远镜和双筒望远镜会帮助你识别宇宙天体，例如，星团或土星环。借助望远镜等设备，我们可以看到超过9000颗恒星；在不使用望远镜的情况下，肉眼只能看到约2000颗恒星。在这些恒星中，只有少数在亮度和大小上与我们的太阳类似，即处于中年的黄矮星。其余恒星比我们的太阳要大得多，亮度通常是太阳的数千倍。在城市地区，大约可观测到400颗恒星，天空中最亮的50颗恒星中，半人马座阿尔法星（距地球4.367光年）是最暗的，它的亮度仅为太阳的1.5倍！一些观星者报告说，他们在白天的天空中看到了特别明亮的恒星，但这并不寻常，除非在日食期间才有可能。
与夜空一样令人惊叹和震撼的是城市中的光污染，全球众多地区都被光污染所影响。实际上，由于光污染，北美80％的人口和欧洲60％的人口都无法看清天上的银河，夜间的光照强度太大不仅会给天空观察者带来麻烦，还会影响鸟类的飞行，甚至破坏动物的栖息方式。由于光污染传播距离太远，也影响到本该黑暗的天空和自然保护区。据有关媒体报道，光污染最少的地区是乍得、中非共和国和马达加斯加。
可悲的是，随着时间的流逝，夜空产生的奇观可能变得越来越稀少。即使是从外太空看，光污染产生的持续雾霾也笼罩了全球。在未来的数十年内，我们如今在晴朗的夜晚能够欣赏到的景象可能不再可见。自20世纪工业兴起，适宜的观测条件也大大减少，甚至可能成为过去，这使得本书收藏的图像多了几分凄美，且令人敬畏。
天文学家卡尔·萨根曾感慨地指出人类最古老的爱好能够延续至今的奥秘：“在我们创造文明之前，我们的祖先就生活在这片没有被污染的苍穹之下。在灯光被发明、大气被污染、夜间娱乐活动普及之前，我们先看到了天上的星星。我们之所以无法看到各种天象，其中许多是时间周期上的问题，当然也有其他的原因。即使是今天，如果生活在快节奏城市中的居民看到满天星辰，也绝对会因此感动，即便发生在我们这些天空观测者的身上，也仍然会屏住呼吸。”