【行星移動，星空變化】

2015年1月-2月，太陽系內(nèi)的五個行星在夜空中清晰可見。（? NASA/JPL-CALTECH）

我們古老的祖先依賴星空來追蹤季節(jié)的變化。比如，這樣的變化告訴我們哪些動物可以被獵捕了。當農(nóng)業(yè)發(fā)展成熟時，像古埃及這樣的文明利用恒星來預(yù)測什么時候可以種植農(nóng)作物，以及何時豐收。

星空就像是一個巨大的時鐘，每年為我們報時。當日蝕或彗星出現(xiàn)的時候，他們認為這些無法預(yù)知的事件是神給我們的指示。今天，我們知道這些現(xiàn)象的出現(xiàn)只是因為空間中軌道和引力作用造成的。

【地球，并非宇宙的中心】

藝術(shù)描繪的太陽系，圖中的行星并不是按正確的比例排列的。（? NASA/JPL）

出于宗教的原因，早期的人們很自然的認為地球位處宇宙的中心。當早期的天文學家開始觀測星空的時候，有太多的現(xiàn)象他們無法理解。舉個例子，為什么火星有時候會逆行，過了一段時間又跟其它的行星往相同的方向運行？基于這些現(xiàn)象，天文學家提出了均倫和本輪來解釋太陽和行星在視運動中的速度和方向變化的幾何模型。

直到16世紀，一個更簡單的解決方法由波蘭天文學家哥白尼提出：太陽才是宇宙的中心，地球跟其他的行星同樣繞著太陽旋轉(zhuǎn)。這樣的一個模型解決了本輪的問題，同時也有其他的支持證據(jù)。比如，伽利略在1610年發(fā)現(xiàn)木星的幾個衛(wèi)星，這就表明不是所有的天體都是圍繞地球旋轉(zhuǎn)的。在當時，這樣的想法對宗教是一個巨大的沖擊，但是時間總是偏向科學真理的。

【引力，主宰萬物】

地球的引力場，以及“引力探測B”。（? NASA）

我們能夠看到行星的運動，但什么造成行星的運動卻困擾人類千年。上帝看到我們的煩惱，于是讓蘋果砸向牛頓的腦袋，便有了萬有引力，我們得知兩個天體之間是由引力吸引的。質(zhì)量越大的物體，引力就越大。

到了20世紀初，愛因斯坦重新詮釋了引力。他發(fā)現(xiàn)，時間會隨著不同的參考系而變化，如果你坐在一個接近光速的宇宙飛船內(nèi)，那么你感受到的時間比生活在地球上人要慢的多。時間最終被理解成是第四維，這對我們理解諸如黑洞或其它大質(zhì)量天體的極端引力是非常有助的。引力因此被看做是時空的彎曲。

【土星之外的行星】

2011年，哈勃望遠鏡捕捉到天王星上的極光閃耀。（? NASA/ESA）

望遠鏡的發(fā)明幫助我們觀測到了很多肉眼看不見的天體。1781年，當威廉赫歇爾在給恒星分類的時候，他意外的發(fā)現(xiàn)了太陽系的第七大行星——天王星。緊接著于1801年，天文學家發(fā)現(xiàn)了谷神星（是一個小行星）。海王星于1846年發(fā)現(xiàn)，而冥王星（起初被認為是一顆行星）在1930年被發(fā)現(xiàn)。

太陽系遠比想象中的大，在海王星外有一片充滿冰碎殘骸的區(qū)域——柯伊伯帶，估計是很多彗星的棲居之所。在21世紀初，天文學家發(fā)現(xiàn)了更多像冥王星大小的天體位于柯伊伯帶附近，于是國際天文聯(lián)合會決定把這類行星，比如谷神星和冥王星，都歸于一個新的分類“矮行星”。

【宇宙速度的極限】

光速的限制是我們計劃前往仙女座星系最大的阻礙，她距離地球250萬光年。（? X-RAY：NASA/CXC/SAO; OPTICAL: NOAO/AURA/NSF）

當我們談及宇宙的時候經(jīng)常會提到光速和光年這樣的概念，科學家很早的時候就精確的測量了光的速度，也就是宇宙速度的極限：300,000公里每秒（在真空中）。光從太陽輻射到地球需要8分鐘的時間。離地球最近的恒星系統(tǒng)（半人馬座阿爾法星）距離地球約四光年遠，離我們最近的仙女座星系則有250萬光年。從以上數(shù)據(jù)來看，基于物理限制，目前我們想要實現(xiàn)星系間的旅行是不太可能。

【聽，宇宙大爆炸的回聲】

微波背景輻射是宇宙大爆炸遺留的熱輻射。（? NASA）

如果宇宙是從一個奇點開始，并且迅速的向外膨脹，那么在一開始的時候就會擁有無法想象的巨大能量。但是隨著時間的流逝，宇宙膨脹的越來越大，而其能量也逐漸消散，冷卻，并轉(zhuǎn)化為物質(zhì)，并演化成如今我們所看到的一切。

在1965年，科學家意外的觀測到了宇宙大爆炸后殘留的余輝。這樣的一種背景輻射首先由拉爾夫·阿爾弗在1948年預(yù)言。十多年后，兩位貝爾電話實驗室的研究人員無意之中發(fā)現(xiàn)了他們新造的天線接接收到了一個各向同性的信號。彭齊亞斯和威爾遜無意間的發(fā)現(xiàn)其實正是另一個小組在尋找的微波背景輻射。微波背景輻射是大爆炸理論一個有力的證據(jù)。

【宇宙，正在膨脹】

宇宙大爆炸從起點開始，并不斷的膨脹。（? NASA）

1929年，天文學家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)了宇宙正在膨脹。哈勃是一個兢兢業(yè)業(yè)的觀測者，在加州的威爾遜山天文臺上利用100英尺的望遠鏡做出了許多重大發(fā)現(xiàn)。他通過觀測星系中的新星來估算他們的亮度，并且計算亮度如何隨著距離衰減?；诰S斯托·斯里弗的工作基礎(chǔ)上，哈勃測量了星系運動的速度，并最終發(fā)現(xiàn)了宇宙正在膨脹。查看《探索宇宙的功臣——埃德溫·哈勃》了解更多。

【不可見的宇宙】

在圖片中心顯示出的引力透鏡效應(yīng)。引力透鏡被認為是暗物質(zhì)存在的證據(jù)。（? NASA）

宇宙加速膨脹是天文學的一個重大未解之謎，天文學家提出應(yīng)該存在某種“反引力”在推開宇宙，也就是所謂的暗能量?？茖W家已經(jīng)提出了幾個理論來解釋暗能量，它或許是時空自身的一種性質(zhì)。當宇宙膨脹的時候，這些暗能量就被創(chuàng)造并不斷的使宇宙加速膨脹。另一個可能的解釋來自量子力學，暗能量可能只是粒子的出現(xiàn)和消失，從而創(chuàng)造出的能量。

目前我們已知的宇宙只占有5%，另外的95%便是暗能量和暗物質(zhì)。

【水，并非地球獨有】

卡西尼號在土星的冰月亮——土衛(wèi)二，拍攝到的間歇噴泉噴發(fā)。（? NASA/JPL）

水被認為是生命的必要元素，經(jīng)過長時間的研究我們知道水是太陽系內(nèi)的比較普遍的元素。在1970和1980年代，航天探測器觀測分別在木星、土星以及更遠觀測到了冰衛(wèi)星，這在當時非常意外，因為我們太熟悉于沒有空氣、一片貧瘠的巖石月亮，直到后來我們才開始意識到它們包含著復(fù)雜的化學。

像木衛(wèi)二和土衛(wèi)二等這樣的世界被認為是太陽系內(nèi)陸球外最有可能孕育生命的地方。在這些衛(wèi)星的內(nèi)部也可能有大量的水存在。其中一個例子是土衛(wèi)六，在其上面充滿了碳氫化合物（構(gòu)筑生命的基本元素），該衛(wèi)星在其表面之下可能存在著一片液態(tài)海洋。

【未來，我們期待更多】

詹姆斯韋伯空間望遠鏡的藝術(shù)渲染圖，預(yù)計2018年發(fā)射。（? NASA）

隨著天文望遠鏡不斷的發(fā)展，天文學變得越來越有趣，我們對宇宙的探索進入了一個又一個的黃金時代。比如，NASA預(yù)計在2018發(fā)射的詹姆斯韋伯空間望遠鏡，它是哈勃望空間望遠鏡的后繼者。它的任務(wù)是調(diào)查星系的起源和演化，以及恒星如何誕生等。另外，預(yù)計2024年完成的歐洲極大望遠鏡，將在地球表面直接揭開宇宙的奧秘。它的任務(wù)是尋找地外行星，宇宙的早期時代，星系中央的超大質(zhì)量黑洞，以及暗物質(zhì)和暗能量。這些下一代的望遠鏡同時也將嘗試尋找在其它太陽系系統(tǒng)中的類地行星，包括分析它們的大氣層、軌道以及起源。

最近剛發(fā)現(xiàn)的引力波，也已經(jīng)開啟了天文學的一個新時代：引力波天文學。不依賴于電磁光譜（比如可見光、X射線和紅外線），引力波天文學將直接測量時空本身的漣漪，揭示宇宙中那些不可見的大質(zhì)量物體。