一个宇宙大发现的时代才刚刚开启,而探索宇宙的意义,就隐藏在浩渺的星空里。
当30多万年前,最早的人类成员第一次抬头仰望星空时,对宇宙的好奇与探索便永远种在了我们心底。
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02.措学仁玛的星空,摄影师@南卡
从第一台望远镜,到遨游在地球上空的哈勃,我们窥探宇宙深处的瑰丽图景。
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03.今年迎来“30岁生日”的哈勃望远镜,图片来源@NASA
从直径几米的天线,到口径500米的“天眼”,我们接收可能来自地外文明的讯息。
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04.近日宣布开始地外文明探索的“中国天眼”——FAST,摄影师@李子韬
从第一个缓缓升空的热气球,到咆哮着飞天的大火箭,我们拓展着人类的视野。
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05.长征五号B首飞成功,摄影师@陈肖
从第一颗人造卫星,到庞大的国际空间站,我们在开拓着新的家园。
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06.从发现号航天飞机上拍摄的国际空间站,图片来源@NASA
人类本身,也在无数先驱的带领下,不断向太空迈进。
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07.1961-2018年历年进入太空人数,制图@郑伯容/星球研究所
如今,哈勃望远镜迎来自己的“30岁生日”,“中国天眼”FAST正式开启了地外文明的探索,长征五号B火箭成功发射升空,一个宇宙大发现的时代才刚刚开启。
我们为什么要探索宇宙 ?宇宙中又有些什么?
让我们亲自从地表出发,飞向星空的尽头去寻找答案。
<hr/> 01、家园
旅程的起点是我们自己的家园——地球。
从高空俯瞰,一切细节都被抹去,这颗行星显露出它的本色。
板块运动为它带来永不停歇的活力,
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08.俄罗斯千岛群岛马图阿岛上的火山爆发,图片来源@NASA
覆盖地表70%的水是生命活动不可或缺的介质,
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09.卫星影像展示了太平洋加利福尼亚寒流中浮游生物的复杂分布,图片来源@NASA
大气和磁场保卫着我们免受过量辐射的伤害,保持着地表适宜的温度。更重要的是,大气中的21%是氧气,大多数地球生物赖以生存。
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10.上海上空的风暴,摄影师@何炜
大气运动带来了降,水有雨水滋润的地方植被繁茂、动物成群。
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11.坝上草原羊群,摄影师@朱哲
大地表面人类的城市整齐划一。
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12.洛杉矶,摄影师@陈剑峰
38万千米,我们进入月球轨道。荒凉的月面上,阿波罗登陆的遗迹清晰可辨。这里的大气极为稀薄,这些痕迹将孤独地留存数万年。
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13.NASA的月球勘测轨道器在距离月面仅24千米处拍摄到的阿波罗11号登月遗迹,图中LM所指的是登月舱,其周围的月面上可以看到黑色的线条,那些是宇航员移动的痕迹,其它箭头所指为科学仪器放置的位置,图片来源@NASA
7800万千米,地球的“孪生姐妹”火星进入视野。它曾有过泛滥的洪水和剧烈的火山活动,但如今它的大气和水流失殆尽,只剩下陨石坑、火山、沙丘。
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14.火星水手谷,图片来源@Kevin Gill
6-13亿千米,穿越火星和木星之间的小行星带,躲过这里四处乱飞的石块,我们来到了外太阳系,这里是“巨人”的世界。
木星,体积有地球的1300多倍,表面是氢元素组成的大气。大气之下压力增大,氢气变为液态金属氢“海洋”, 最内部是岩石和冰组成的内核。
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15.木星大气,图片来源@NASA
土星,情况和木星相似,气态和液态氢外层占据了大部分体积,使得土星的密度仅有0.69克每立方厘米,比水还要轻。
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16.卡西尼号拍摄的土星及其巨大光环,这个距离上看地球只是一个“黯淡蓝点”,图片来源@NASA
在这两颗巨行星的周边,有着数十颗卫星环绕,俨然是缩小版的太阳系。这些卫星大多表面冻结,但在冰面之下很可能存在液态水。
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17.木卫二地表被冰层覆盖,冰上的纹路在太空中亦可见,仿佛盘根错节的植物根系,而冰面之下很有可能有液态水,图片来源@NASA
有的则拥有浓密的大气,地表形成了充满有机物的甲烷海。
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18.土卫六地表可能存在甲烷海,图片来源@NASA
59亿千米,这里的天体变得越来越陌生。
天王星和海王星,两颗巨大的气态巨行星闯入视野。因为距离太阳过于遥远,它们的表面温度低至零下几百摄氏度,肃穆幽静的巨大星体和同样冷漠的卫星,在黑暗中发出神秘的光芒。
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19.海王星的“微笑”,其中较小的天体是海卫一,照片由旅行者2号拍摄,图片来源@NASA
然而我们才刚刚迈出家门口,整个太阳系有着更加庞大的结构。
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20.太阳系结构,制图@郑伯容/星球研究所
海王星之外,无数的石头、冰块组成了一个宽约1500亿千米的区域,柯伊伯带。
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21.柯伊伯带天体,图片来源@NASA
柯伊伯带之外又数万亿千米,是笼罩整个太阳系的奥尔特云,数千亿颗质量更小的天体在这里游荡。
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22.一颗从奥尔特云飞入内太阳系的彗星,图片来源@NASA
然而在空旷的空间中,我们发现了一个人造物,旅行者1号!它正孤独地向着星辰大海航行,这是迄今为止距离地球最远的人类痕迹。
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23.旅行者1号探测器进入星际空间的想象图,图片来源@NASA
告别旅行者1号,也就意味着离开了太阳系,告别了人类目前唯一的家园。
前方,一个光怪陆离的世界在等待着我们。
<hr/> 02、异星
1-3000光年,太阳系外的空间中充斥着尘埃和星际物质,但这里同时也是一个恒星世界,无数颗与太阳大相径庭的恒星在这里闪耀。(
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24.恒星分类,制图@郑伯容/星球研究所
与太阳质量相当或比太阳质量更小的恒星,按质量从大到小分别属于黄矮星、橙矮星和红矮星(G、K、M型恒星)。
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25.一颗年轻的红矮星及围绕它旋转的行星想象图,图片来源@NASA
比太阳质量大的,则被称为大质量恒星,它们温度更高,发出耀眼的蓝光。
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26.图中央的蓝色恒星是一颗巨星Zeta Ophiuchi,它向外发射的辐射和粒子吹动了周围的尘埃,造成了涟漪,图片来源@NASA
这些恒星并不孤独,它们大部分“两两为伴”,在彼此吸引下共同旋转,被称为双星。(
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27.双星系统开普勒-47想象图,图中发光的两颗为两颗恒星,而在其周围的是围绕双星旋转的行星,左侧最近的行星为开普勒-47c,是一颗气态巨行星,右上角为行星开普勒-47b,图片来源@NASA
更有“三五成群”的、形成多星系统的,可以观赏到三日同辉的景象。
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28.从系外气态巨行星HD 188553 Ab的一颗假想卫星上看到的三星系统,图片来源@NASA/JPL
但是,恒星并非这里唯一的天体。在恒星的光芒中,偶尔会出现一两颗黑色的“斑点”,那是一颗行星的阴影。这些行星围绕恒星旋转,组成了完全不同于我们的恒星系,因此它们也被称为系外行星。
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29.行星开普勒-16b想象图,它是首个被发现的围绕双星系统运转的系外行星,图片来源@NASA/JPL
通过观察恒星前的“黑斑”,我们发现在恒星世界之下是一个更加多样的系外行星世界。
它们有的质量巨大,类似木星或海王星,被称为气态巨行星或冰巨星。
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30.一颗4倍于木星质量的系外气态巨行星想象图,图片来源@NASA
有的质量比地球小,距离恒星距离近,类似水星,表面温度高达700℃。
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31.系外行星Kepler-20e是第一颗被发现的比地球小的系外行星,图片来源@NASA
质量介于地球1~10倍的行星,可能拥有岩石表面以及稳定的大气层,它们被称为超级地球。(
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32.红矮星TRAPPIST-1和它的七颗类地行星想象图,图片来源@NASA
这些行星与其母星的距离不同,有的距离很近,面对母星的一面几乎被烤焦。(
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33.环绕其母恒星绕行的两颗行星TRAPPIST-1b和TRAPPIST-1c,距我们40光年,图片来源@NASA
有的则距母星遥远,像天王星、海王星一样冰冷。
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34.环绕恒星HR 8799的行星,图片来源@NASA
距离适中的凤毛麟角,它们很可能孕育出类似地球上的生命。
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35.系外类地行星开普勒186-f想象图,半径约为地球的1.17倍,且位于红矮星的宜居带内,图片来源@NASA
通过开普勒望远镜的观测,已经被确定的系外行星数量多达4241颗。
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36.开普勒候选行星,图中大的球体是恒星,恒星表面的黑点,是其行星在经过恒星时遮挡部分光线形成的阴影,通过这种方式,我们得以发现系外行星的存在,图右上角是木星经过太阳时留下的阴影以供参考,恒星的颜色越偏蓝其温度越高,越偏黄其温度越低,图片来源@NASA
但是对于整个银河系而言,我们所看到的这个异星世界还只是一个小小的角落。
<hr/> 03、银河
银河系的天体集中在直径8万光年的巨大盘状区域中,被称为银盘。银盘中间是一个长1.3万光年的“棒子”,即星系棒。星系棒两端伸出4条“触手”,即旋臂。
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37.银河系结构以及太阳系的位置,制图@郑伯容/星球研究所
接下来,让我们穿透旋臂直达银河系中心区域。
3000-20000 光年,穿越旋臂十分危险,这里拥挤而混乱,充满气体、尘埃、辐射以及大量恒星。
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38.马头星云,图片来源@Ken Crawford
当旋臂扫过星际空间,其中的物质被压缩,大量新恒星形成。这些年轻的恒星组成松散的集团,称为疏散星团。
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39.昴宿星团,也叫七姊妹星团,摄影师@朱阳
20000-25000 光年,走向星系核心的最后一段路,我们将穿越星系棒。这里恒星数量更大,密度极高。接近星系中心,恒星密度是太阳附近的500倍,恒星以难以想象的速度高速飞驰。
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40.银河系中心的恒星、尘埃和气体景象,图片来源@NASA
25000 光年,银河系的终极核心,一个超大质量黑洞稳居C位,其质量是太阳的四百多万倍,它是整个银河系的王者,地位无法被撼动。
它更是一个吞噬万物的巨兽,如果恒星不幸误入它的引力范围内,将被残忍撕碎、吞噬。
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41.银河系中心的黑洞,图片来源@Gallery of Space Time Travel
银河系中心是名副其实的死亡陷阱,还是赶快逃离吧!
100000光年,我们调转方向离开银盘,但银河系并未结束,它的物质分布在十万光年范围内。
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42.银河系影像,中心黑洞、银盘和星团,图片来源@NASA
银盘之外并非空无一物,那里的每一个球状星团都由数十万颗恒星组成,这些恒星的平均年龄超过100亿岁,彼此间的引力使它们高度聚集成球状。
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43.NGC 2419等球状星团 ,图片来源@ESA/NASA
这个年迈而高密度的世界并不适合行星的生存,有的行星与母星失去引力联系,沦落为“流浪行星”,漂泊在星际空间。
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44.一个类似木星的流浪行星想象图 ,图片来源@NASA/JPL
当我们离开球状星团,就接近了银河系的边缘,现在让我们花点时间转头回望,银河系的千亿颗星星正在黑暗的背景中闪耀。
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45.银河系全景,图片来源@Two Micron All Sky Survey
但我们的旅程尚未结束,银河系之外还有一个更加庞大的星系世界在等待着我们。
<hr/> 04、宇宙
254万光年,此时我们所在的位置,是距离我们最近的大型河外星系,仙女座星系。它拥有多出银河系数倍的恒星。
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46.仙女座星系,摄影师@秦建
银河系、仙女座星系等众多星系组成了本星系群,本星系群又与其它星系群、星系团组成了本星系团,本星系团和其它星系团组成了本超星系团,本超星系团又和其它超星系团组成了可观测宇宙。
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47.宇宙中的星系示意,制图@郑伯容/星球研究所
这个庞大的星系世界,共包含着1000亿个以上的星系,每一个都是一个独立的世界。有的和银河系一样,中央有一个星系棒,为棒旋星系。
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48.NGC 1300,图片来源@NASA
有的则没有星系棒,直接成旋涡状,为旋涡星系。
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49.草帽星系M104,由于侧面对着我们所以呈现出这种特殊的模样,图片来源@Adam Block
有的没有触手一般的悬臂,整体呈椭圆形,为椭圆星系。
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50.NGC 1316,图片来源@NASA
有的则没有固定的外形,为不规则星系。
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51.星系M 82,图片来源@NASA
有的在中心拥有活跃的超大质量黑洞,被称为射电星系。
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52.射电星系Hercules,图片来源@NASA
有的拥有剧烈的恒星形成活动,被称为星暴星系。
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53.半人马座A,中心拥有一个超大质量黑洞,图片来源@ESO
它们涌动、爆发、吸积、喷流、扰动,组成一个个奇异的世界。
465亿光年,这里是我们可观测的宇宙边缘,来自古老星系的光芒在黑暗中闪烁,我们看到的影像来自几百亿年前,它们如今变成了什么样我们一无所知。
旅程在此到达终点,回头寻觅,连巨大的银河系都已经不知所踪,更不用提那颗小小的蓝色星球,以及生活在其上的人类了。
我们在宇宙中的位置,正是如此微不足道。
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54.哈勃超深空场,拍摄到最古老的星系,图片来源@NASA
然而,也正是通过这样的探索,我们认识到地球的不可替代,认识到的生命的珍贵和文明的稀有。
作为宇宙中拥有文明的一个物种,我们又是何其幸运。
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55.德雷克方程,生命和文明的出现需要满足极为严苛的条件,制图@郑伯容/星球研究所
现在让我们返程,走出星系的“迷宫”,回到众星闪烁的银河,通过无数奇特的异星世界,在那条普通的旋臂上找到那颗普通的恒星——太阳。
再经过早已熟悉的海王星、天王星、土星、木星、火星,回到了我们当下唯一的家园,地球。
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56.地球,图片来源@NASA
脚下是坚实的大地,耳边是微风与鸟鸣,你我的生活继续忙忙碌碌、鸡毛蒜皮,
但请记住星空教会我们的事:
谦卑地看待宇宙,谨慎地对待地球
全文完,感谢阅读。
<hr/>本文创作团队
撰稿:成冰纪
编辑:张楠
图片:任炳旭
设计:郑伯容
审校: @云舞空城 @haibaraemily @刘博洋
封面图来源:NASA/JPL
本文主要参考文献:
- [1]苏宜. 天文学新概论[M]. 科学出版社, 2009.
- [2]胡中为,徐伟彪. 行星科学[M]. 科学出版社, 2008.
- [3](英)罗德里·埃文斯. 天体写真[M]. 北京联合出版公司, 2017.
- [4](美)麦克米伦. 太阳系和地外生命探索[M]. 机械工业出版社, 2016.
- [5]田丰. 宜居环境与地外生命[J]. 科学通报, 2016.
- [6]NASA系外行星档案,网址:NASA Exoplanet Archive
- [7]系外行星百科,网址:The Extrasolar Planets Encyclopaedia
- [8]NASA开普勒项目网站,网址:Kepler and K2 Missions
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