1900年4月24日，随着“发现号”航天飞机的升天，一架口径2.4米的望远镜被送入太空近地轨道，这就是哈勃空间望远镜。27 年来，哈勃望远镜拖着它那日渐衰老的身躯、用它锐利的眼睛为我们揭示了一幅幅拍案叫绝的宇宙奇景，让我们看到了宇宙深处的天体细节，刷新了我们对宇宙的认知。

                                                      图7.1 哈勃空间望远镜

恒星的演化

来自太阳系外的星光到达地球通常需要很长时间，少则数年，多则百亿年。我们看到的一切事物都是过去的某个历史情景，恒星的诞生及演化亦是如此。巨蛇座鹰状星云 M16——创世之柱，（哈勃望远镜拍摄的最美照片之一），距离地球7000 光年（光年是长度单位，即光在真空中沿直线传播一年所走的距离，1光年=94600亿千米），这张照片显示的是就是它的柱状分子氢气和灰尘结构，整个支柱长达数光年，支柱内部包裹着年轻的、炽热的恒星团，也可以称它为“恒星孵化器”。

                                        图7.2 巨蛇座鹰状星云 M16——创世之柱

遗憾的是，当新的恒星诞生时，整个星云会面临坍缩，最终不复存在。也许万年后我们失去了一幅扣人心弦的图景，但随之而来的会是一个鲜活的生命、一颗耀眼的新星。

最初研究恒星演化的是康德和拉普拉斯。那是在18世纪70年代，当时的天文学还主要停留在对太阳系的研究水平上，康德认为：太阳系起源于一片原始星云，星云最初非均匀的散布在空间，由于较大粒子具有较大引力，使周围粒子向他们凝聚，从而形成一些中心天体。大大小小的粒子凝聚时发生碰撞和排斥作用，又使这些中心天体按一定方向转动和运动起来。这样，太阳系在中心形成太阳，周围粒子团则聚集成行星，在一个近似的平面上按椭圆轨道围绕太阳旋转。这就是“康德-拉普拉斯星云说”。

星云说用牛顿力学的原理解决了牛顿所困惑的太阳系初试运动的问题，但它并不是一个完善的学说，缺少了细致的研究。

1914年，美国人罗素通过对恒星光谱和恒星亮度规律的研究，制定了赫罗图。这张图上可以显示不同的恒星序列。有意思的是，绝大多数恒星都分布在一条从左上方到右下方的主序列上，处于主序列的恒星称为主序星；在图上端的水平带上分布着巨星和超巨星，图的左下角散布着少量矮星。

                                                                图7.3 赫罗图

注1：“巨星”和“矮星”是大多数恒星演化的两个阶段。当恒星温度升高时，发出大量光，体积变大，就将其归类为“巨星”。但当其冷却时，它的大气在温度方面经历一个与以前相反的过程，体积会较以前小得多，成为“矮星”。

1950年之后，天文学家们以赫罗图为基础，认为恒星的质量同它的光度和温度存在一定的对应关系，当由恒星内部结构发生变化，即质量发生变化时，恒星的光度和表面温度也会发生变化，恒星在赫罗图上的位置就会沿一定路线移动。由此，他们对恒星的演化过程作了三种不同的详细描述：

①星云→主序星（恒星）→红巨星→白矮星。星际空间的星云由于引力坍缩，经过几十万年甚至更长时间后成为主序星，主序星继续进行收缩，收缩导致了1000万度以上的高温以及高密度、高压的内部环境，所以主序星内部无时无刻不在进行着核聚变反应（由氢转变成氦），通过释放的能量和气体压力的方式来平衡引力收缩，这种平衡会达到10-100亿年之久（理论证明，太阳就可存活100亿年）。当平衡被打破时，核心变密，外部的氢壳向外膨胀，变为红巨星。内部的氦最终聚变为铁，开始发生裂变反应，转化成更轻的元素来释放能量。当铁核心质量小于1.44个太阳质量时，红巨星将会坍缩为白矮星，内部物质紧密聚在一起，温度变低，颜色变白，在几十亿年中逐渐冷却消失。

②星云→主序星（恒星）→红巨星→中子星（脉冲星）。当铁核心的质量为1.44-2.0个太阳质量时，恒星会瞬间坍缩，在极高密度下，电子与质子结合为中子，形成中子星。中子星密度极高，直径几千米的中子星质量就会超过太阳。中子星会飞速旋转，以1秒为周期，向外辐射X射线、γ射线等粒子，所以中子星也叫脉冲星。

③星云→主序星（恒星）→红巨星→黑洞。当铁核心质量在2个太阳质量以上时，会引力坍缩为黑洞。黑洞是一个拥有强大引力、可使外界的物质和辐射只能进入、不能逸出的特殊天体，引力极大，密度极大，体积极小，黑洞并不是黑的，表面存在吸积盘，我们可以看到黑洞外部的吸积盘，但看不到黑洞内部的样子。1995年，天文学家用哈勃望远镜观察M87星云中心时，发现了在其核心处的巨大喷流，这暗示着其内部存在一个超大质量黑洞，经计算，它是太阳质量的260万倍！

                                                         图7.4 恒星的一生

每一颗恒星都有属于它的耀眼的时代，恒星的演化是天文学研究中最基础的部分。当你了解了恒星的一生后，你会对宇宙的一生产生什么想法呢？宇宙有诞生、成长的过程，也许，宇宙最终也会走向消亡呢！

宇宙的尺度

1920年4月26日，在美国国家自然博物馆，举行了一场辩论，辩论的双方是威尔逊山天文台的哈洛·沙普利和加利福尼亚利克天文台的希伯·柯蒂斯，辩论的题目是：宇宙的尺度。柯蒂斯认为银河系之外还存在着十分相似的其他银河系，而沙普利则认为宇宙仅仅是由银河系构成的。这场辩论注定载入史册，那天，关于宇宙的尺度以及人在其中的位置的争论达到了高潮。宇宙究竟是有限的还是无限的？

人们不会把目光只停留在日心说所限定的太阳系之内，况且日心说所认识的太阳系边界是土星。1781年3月13日，英国天文学家赫歇尔用他自制的牛顿式反射望远镜巡视整个天空时，无意中在金牛座群星中发现了一颗既不像恒星也不像彗星的淡蓝色星体，它被确认为是太阳系的新成员，这就是天王星。天王星的发现让赫歇尔意识到太阳系的尺度要比想象中的大得多。

                                                          图7.5 银河（系）

赫歇尔从1783年开始计算天空中恒星分布的密度，最终他发现：银河系是由一层恒星组成的，形状像一只边缘有裂缝的凸透镜，其直径约为厚度的5倍，太阳系位于银河系中央平面上离开银核不远的地方。他的这一发现使人们以往所坚持的太阳为宇宙中心的观点失去依据，但是赫歇尔所描述的太阳系靠近银河中心的位置是不正确的。后来荷兰天文学家奥尔特在1930年做出了更正：银河系直径为10万光年，太阳系只是位于偏旁位置上的一个恒星系，距银河系中心为3万光年。

在1920年大辩论后4年时间里，威尔逊山天文台的一位天文学家用当时世界上最大的反射式光学望远镜（口径为2.5米）测算出仙女座大星云距离地球大约900000光年，这就说明仙女座星云并不属于银河系，而是在银河系之外的独立的星系。这位天文学家就是河外天文学奠基人——埃德温·哈勃。哈勃摧毁了沙普利的宇宙，他的研究让人们认识到，银河系只不过是宇宙的一部分，宇宙中还存在大量的类似于银河系的星系。

                                                图7.6 埃德温·哈勃（摄于1931年）

银河系与宇宙的关系被确定后，天文学家们转向了对星系的观测研究，其中就包括对遥远星系的光谱观测和距离测定。早在1912年，美国天文学家斯里弗就把多普勒效应运用到了对星系的光谱观测工作上。他发现所拍摄的46个星系光谱中的谱线波长，大多数都比实验室中观测到的要长一些（只有仙女座大星云例外）。也就是说星系的光谱都具有多普勒红移，它们在朝远离地球的方向运动，其中最大的星系退行速度为1100km/s。

注2：当你站在路边，恰巧一辆公交车从你身旁驶过，你会发现公交车从远而近时汽笛声变强、音调变尖，而公交车从近而远时汽笛声变弱、音调变低。这是因为公交车与人发生相对运动，公交车的汽笛声的发射频率与人所接收到的声音频率不一样，这就是多普勒效应。将它应用到发光现象上同样适用。而光速（=频率*波长）不变，当处于运动的光源后面时，光波的波长会变长，频率（类似于汽笛音调）降低，整个光谱向红外方向移动，出现红移。波源的速度越快，所产生的效应就越大。这就是河外星系的谱线红移。

了解斯里弗的工作后，哈勃认为星系的退行速度应该和它与地球的距离存在一定的关系，这样，处在宇宙深处的河外星系与地球的距离便可以根据它的红移量而推导出来。1929年，对于哈勃来说是个特殊的年份，他推算出遥远星系的谱线红移速度与该星系到地球的距离成正比关系，即Vf=Hc×D，其中Hc为哈勃常数，这就是哈勃定律。哈勃发现，这些星系中距离地球越远，其谱线红移也越大，离我们远去的速度也就越快。

                                                                图7.7 哈勃定律

61年后，哈勃望远镜的升空，哈勃常数得以修订，最新数据表明，当星系距离我们达到138亿光年时，星系的退行速度将达到光速，这就是我们可观测的宇宙边界了。也就是说，可观测的宇宙的年龄为138亿年。

哈勃的发现告诉我们：宇宙中的恒星系在普遍退行，离我们远去，宇宙在膨胀。按照这种说法，如果将时间倒退，整个宇宙在以前的某个时间点必定被压缩在一个极小的范围里，密度极大，温度极高，这一点就是宇宙的起点。大爆炸宇宙论就是这样诞生的。

百亿年前的大爆炸

现代宇宙学沿着两个方向发展。一是发现宇宙大尺度的观测特征，即观测宇宙学；另一是理论宇宙学，研究宇宙的运动和发展，建立宇宙模型。

在建立宇宙模型方面，爱因斯坦首当其冲。1916年，爱因斯坦建立广义相对论后，他尝试应用广义相对论对整个宇宙进行研究，并建立了现代第一个宇宙模型——体积有限但没有边界的宇宙模型。所谓无边，是一种逻辑上的，指的是这个三维空间并不是一个更大的三维空间中的一部分，它已经包括了全部空间。并且他假定宇宙在整体上是处于静态的，为了保证理论上宇宙是静态的，他在广义相对论的场方程中加入了一个宇宙常数项。

爱因斯坦的想法比较超前，因为当时甚至连宇宙的尺度以及河外星系的存在都没有确定，以至于在1931年——哈勃定律提出两年后——当爱因斯坦前来参观威尔逊山天文台时，他握着哈勃的手，承认自己犯下了“一生中最严重”的错误，并在哈勃定律的基础上，修改了他的引力场方程。

1948年，大爆炸宇宙论模型——20世纪自然科学最重要的模型之一——诞生了，它是由核物理学家伽莫夫提出来的。这个模型在伽莫夫之后经过了一些科学家的完善，指出宇宙可以追溯到100-200亿年前（在90年代后，这一数字才变为138亿年），宇宙大爆炸前的时间无任何意义，宇宙爆炸之初是一个致密炽热的奇点，爆炸之后迅速膨胀，先后经历了普朗克时代、大一统时代、强子时代、轻子时代、核合成时代、物质时代、复合时代等，然后宇宙开始透明，温度和密度很快冷却，形成了原子、分子、气体等，并逐渐形成星云、星系团、恒星和恒星系，成为现在的宇宙。在当时并没有多少科学家相信这个理论，更多的人仅仅把它当作茶余饭后的聊天话。

                                                    图7.8 宇宙大爆炸模型

大爆炸宇宙论预言宇宙爆炸后存在着背景辐射。所谓背景辐射，就是大爆炸后宇宙灰烬的残余辐射。1965年，美国贝尔电话公司的彭齐亚斯和威尔逊在测试一架卫星通信天线改装的喇叭形射电天线时，发现始终存在一种3.5K温度的额外噪声，无论采取什么办法都不能消除，他们为此迷惑不解。一次偶然的机会，他们得知这种噪声就是宇宙背景辐射，并因此获得了1978年诺贝尔物理学奖。宇宙背景辐射的发现和确认，使绝大多数物理学家都相信，大爆炸宇宙论是能描述宇宙起源和演化的最好理论。

在今天看来，大爆炸宇宙论仍然是目前来解释宇宙演化的最有力的模型，但它只是一种假说式的理论，这主要在于人类无法通过实验手段来重演宇宙演化的过程，人类现今看到的一切宇宙图景都是过去时。宇宙是否会一直膨胀下去，至今没有定论；在人类可观测范围之外，是否还是宇宙空间，不可而知。人类探索自然、揭示自然规律的过程是一个认识过程，未来大爆炸理论是否会被修正、完善或被推翻，仍需要实验观测和理论的检验。