了解宇宙是如何运行的第一季

1.恒星

我们的太阳只是银河系超过1000亿颗恒星中微不足道的一颗，论大小也是微不足道——参宿四是太阳的1500万倍大，大犬座VY星（人类截止2010年发现的最大恒星）比太阳大10亿倍。

恒星起源于尘埃和气体构成的星云——万有引力将他们吸入一个巨大的漩涡，中心的气体被压缩成浓密而炽热的球体，气流从中央喷涌而出；随着压力的增加，中央不断吸收着尘埃和气体，它们互相挤压产生更多热量，经过50多万年的演变，中央年轻的恒星越来越小而亮，气体原子开始在1500万华氏度的高温下发生聚变——恒星由此诞生。驱动恒星的能源也来源于万有引力——引力压缩恒星使其产生能够激发核聚变的高温，同时也跟核聚变产生的向外的爆发力形成了动态平衡。

光子从太阳内部逃逸到太阳表面需要成千上万年的时间（会跟其他原子发生碰撞）。巨大的磁环在恒星表面发生碰撞，释放的能量让温度猛增，激发了太阳风，将带电粒子喷射到宇宙中，会对飞船和卫星造成有害影响。

恒星内部的氢元素逐渐消耗，核聚变速度放缓，万有引力向内压缩的能量占了上风，但是聚变让恒星外层升温，使恒星膨胀成为红巨星。红巨星持续膨胀，最后从内到外逐渐崩溃，只剩下一个炽热致密的内核。此时的恒星进入了进入白矮星阶段，已不再进行核聚变。白矮星密度很高，内核是一颗巨大的纯碳晶体——巨大的钻石。比太阳质量大10倍的恒星（如参宿四）在产生铁元素后会引发超新星爆炸。爆炸将新的元素喷射到宇宙中，而这些较重的元素（氢碳氧硅铁等）正是生命诞生的源泉，这些星尘会产生新的恒星和行星；爆炸还会留下恒星的残骸，即密度极高的中子星。

We live in the age of stars, but it will come to an end. 当宇宙中的氢元素都消耗光后，将不会有新的行星诞生；而原有的恒星会逐渐熄灭，宇宙将重新回到黑暗当中。

恒星的诞生

恒星的消亡——从红巨星到白矮星

2.黑洞

黑洞密度极高——相当于把地球压缩到一个高尔夫球那么大。当一个质量相当于太阳100倍的恒星消亡时，引力使恒星坍缩，在内部形成黑洞，在极短的时间内从内到外吞噬了整个恒星，并产生两束强烈的伽马射线爆——幸好这种猛烈的爆发通常发生在银河系外部——这就是黑洞的诞生过程（理论之一）。因此，科学家们可以通过观测宇宙中的伽马射线爆发来估计宇宙中新生黑洞的数量。

黑洞的边界称为“事件视界”[Event Horizon]，外部的观测者永远无法看到物体（比如一个钱包）坠入黑洞通过视界的过程，从外面看，钱包坠向黑洞的速度越来越慢最后停留在了视界边缘。而实际上，钱包可能会坠向其中心“奇点”——在这里一切现有的时间和空间的概念都失去了意义。

大多数星系都围绕着其中心的超大黑洞旋转，包括银河系和我们的邻居仙女座星系。这些超大质量的黑洞可能是宇宙诞生之初形成的——黑洞互相吞噬、吸收周围物质，变得越来越大，周围吸引了无数尘埃和气体，从中诞生了恒星和行星，形成了最初的星系。物质在快速落向中心黑洞的过程中以类似“摩擦生热”的方式释放出巨大的能量，形成了类星体——宇宙中最耀眼的天体。 黑洞吸收气体，而类星体喷射气体——每分钟可以吹走相当于十个地球的物质。诞生恒星的气体用尽后，星系会停止生长，类星体喷射会减弱停止，因此一个星系能形成的最大规模和中心黑洞的质量密切相关。

补充：2019年科学家们首次发布了黑洞的照片。

EHT此次公布的发现，来自梅西耶87（M87）黑洞。黑洞会在周围吸积气体的辐射构成的“背景墙”上投下一个剪影。之所以会形成这样一个“阴影”，是因为黑洞会把从它背后发出并射向观测者的光线全部吞噬。与此同时，从黑洞背后发出又刚好擦过视界的其他光线，会使“阴影”周围增亮而形成一片明亮区域。强大的引力透镜效应会弯折光线，就连处在黑洞正后方的物质发出的光线，都能被弯折到黑暗区域的周围贡献一部分“光亮”。

由此产生的黑色剪影就是所谓的“黑洞大头照”——在这张照片上，黑洞完全是一团漆黑，可谓名副其实。这个阴影不会是一个对称的圆盘，这主要是因为周围气体的旋转速度极高，几乎要接近光速。如此高速运动的物质发出的辐射会发生多普勒频移，辐射方向也会向物质运动的方向汇聚而形成一个狭窄的光锥。因此，在旋转气体朝向我们运动的一侧，辐射会大大增强，而在背向我们运动的另一侧，辐射会大幅减弱。这样一来，出现在圆盘状黑暗剪影周围的就不会是一个完整的亮环，而是一个新月状亮弧。只有在我们的视线恰好与吸积盘旋转轴重合的情况下，这样的不对称才会消失。

星系诞生之初的类星体喷射

M87黑洞照片

3.大爆炸

宇宙大爆炸前是一片虚无吗？我们只知道，奇点爆发后，我们熟知的宇宙才开始形成，时间和空间也在那之后才有了意义。大爆炸发生后的几个普朗特时间内的纯粹能量爆发，其速度比光速还要快（一秒内的普朗克时间的数量是一年的秒数乘以宇宙的寿命137亿年）。

宇宙中的物质都是由大爆炸时爆发的能量转化而来的（E=MC2）——不仅形成了物质，还形成了反物质。在这两者互相湮灭的战争结束后，多出来的那部分物质形成了我们今天的宇宙。

在宇宙刚爆发的几个普朗克时间内，它还是一锅炙热混乱的亚原子浓汤；后来温度逐渐下降，原子开始形成。一开始形成的元素是氢，三分钟后开始形成氦和锂。 随着宇宙膨胀、冷却，离子和电子几乎在瞬间复合形成中性粒子，从此光子开始在宇宙中畅通无阻，而不是不断被等离子体散射。这一事件称为光子退耦，宇宙在这一刻突然变得透明，此时宇宙的年龄是38万年。光子退耦时从混沌中走出来的光子，就带着创世的信息，一直穿行在宇宙中，直到撞上人类的探测器。这种辐射就是“宇宙背景辐射”，就像大爆炸的遗产，所以又被称为或者“遗留辐射”。2003年，美国发射的威尔金森微波各向异性探测器对宇宙微波背景在不同方向上涨落的测量表明，宇宙的年龄是137±1亿年，在宇宙的组成成分中，4%是一般物质，23%是暗物质，73%是暗能量。宇宙目前的膨胀速度是每秒71公里每百万秒差距，宇宙空间是近乎于平坦的，它经历过暴胀的过程，并且会一直膨胀下去。

普朗克卫星绘制的宇宙微波背景辐射图

4.星系

我们的银河系约120亿岁，其直径超过10万光年。隔壁的仙女星系直径超过20万光年；而迄今为止发现的最大星系直径超过600万光年。银河系和仙女星系都是处女座超星系团的一部分。

星系中心一般有超大质量的黑洞，驱动周围的恒星围绕它旋转。但计算显示，仅凭黑洞是无法使星系聚集成形的，暗物质可能也在其中起到了关键作用。

暗物质可以通过引力透镜效应被间接观察到——例如观测星空时一些星系图像出现了扭曲，那正是其光线受到了暗物质的引力影响。

当我们开始以完整规模观察宇宙时，发现了宇宙丝状结构，每个丝状结构中都包括了数百万个星系团，被暗物质束缚在一起。暗物质就像胶水一样维持着整个宇宙的构造。而暗能量是一种将宇宙中的物质向彼此推开的力，将其他星系推得离我们越来越远。

星系不仅会随时间变化，还会移动。两个星系可以发生碰撞和融合。50亿或60亿年后，银河系也会和仙女星系发生碰撞；虽然恒星之间直接撞击的几率几乎相当于0，但它们之间的气体尘埃会升温燃烧，使碰撞的星系发出白热的光芒。经过一场星系碰撞的双人舞后，两个星系会逐渐融合成一个椭圆星系。

5.太阳系

太阳系的行星诞生于由尘埃气体组成的巨大碟状物。真空中的宇宙尘埃会发生碰撞，粘在一起成为更大的尘埃粒子，越滚越大最终形成行星。

46亿年前的太阳系十分动荡，数百个行星互相碰撞，有些成为碎屑，有些会融合成更大的行星。月球就是其他星体撞击地球时产生的碎屑聚集而成的。粉碎的新生行星最终形成了小行星带——大多数撞击都发生在太阳系内圈层（水金地火）。太阳系外层的行星都是气态行星（或冰巨星），由岩石（或冰）核心形成后，气体在其周围聚集形成。再往外是科伊伯带，由围绕太阳旋转的冰块和小行星组成（冥王星属于其中的矮行星）。距离太阳约一光年的奥尔特星云是太阳系的边界。

海王星可能在诞生时比天王星更靠近太阳，它们受到了土星和木星的引力叠加影响（土星绕太阳一周的时间恰好是木星的两倍）而变化了轨道。

形成行星的星云碟状物旋转残留的动量让所有的物质围绕太阳旋转，直至如今。离太阳越远公转周期越长——海王星绕太阳一圈要164年。幸运的是，我们太阳系的行星围绕太阳的公转轨道都近似圆形，因此能维持相对稳定的结构。

太阳系的行星轨道可能依然会发生变化，互相发生碰撞。但不管怎么说，50亿年内，太阳会燃尽燃料变成红巨星，升温膨胀并吞没内层行星（包括地球）。最终，红巨星也会逐渐崩溃，只剩下一个小小的恒星残骸——白矮星。内层行星的残骸会继续围绕白矮星旋转，而外侧的气态行星依然保持完好。

6.行星

有时在梦中，在突然而至的虚空和幻觉里，我所感受到的那种燃烧、那种茫茫然不知所终的冲撞，现在看来说不定是我们还是一颗恒星的内部物质时，所负载的记忆啊！我们人类，和世间万物，和广袤无垠的宇宙中不可计数的星尘，原本是一体的啊……宇宙是一首忧伤的诗，所有的恒星都会消亡，宇宙最终会走向冰冷和黑暗，而我们，正活在宇宙的黄金时代。

一共八集，主题分别是：

1. Big bang

2. Black holes

3. Galaxies

4. Stars

5. Supernova

6. Planets

7. Solar system

8. Moons

下面是自己总结的豆知识。

1. 也许存在多个universe？？

2. 银河系（星系）的中心是黑洞？

3. 地球磁场保护地球大气不被太阳风吹走

4. 太阳系中，水星、金星、地球和火星为rocket planet，木星、土星、天王星和海王星为gas planet

5. 不仅是土星，作为rocket planet的木星、天王星和海王星都有光环，只不过没有土星那么明显

6. 伽利略号木星探测器1989年发射，1995年才到达木星，大气探测器在进入木星大气层1小时后被大气压垮

7. 宇宙结构就像海绵一样，除了星系，还有dark matter，它们像丝一样连接在一起

8. 太阳最终会燃烧殆尽，变成supernova

9. 恒星一般成双出现，当一颗恒星变为白矮星，会从另外一颗偷取物质

10. 地球上所有物质，都是在supernova内部创造的（太阳系的所有iron都来自于一颗50亿年前爆炸的双子超新星）

11. 另外一个行星Theia撞击地球，碎片环绕地球，形成月球

12. 天王星和海王星曾经交换过轨道

13. 木星保护地球不被彗星撞击

北京天文馆

2019年看完的第一部剧是纪录片，希望今年能多看、多学习。

首先我明白这种片子是接受赞助的，也明白它有少量的宣传意味。而视觉震撼+科学家讲述+航天器展示，也确实是一个套路。

即便如此我仍然深深地怀疑自己以前到底接收了多少错误认知，尽管我自诩独立思考、批判性思维、一贯反叛。

网上很流行的一种观点说美苏太空竞赛结束以后，NASA经费大减导致航天事业停滞。很奇怪我竟然对此观点照单全收，完全没有质疑。

经费真的是越多越好的吗，就像军费一样？如何花钱是你三言两语就能评价的，难道美国议员就这么低能吗？这还仅仅是简单的无脑反驳。

真正的经费使用效率显然需要科学评估，甚至不是商业评估。在这方面中文互联网的讨论一贯保持低水准，比如关于加速器建设的讨论。

NASA的许多项目都在物理学领域做出了重大贡献，以下是一些特别重要的项目，这个列表并不严格按照贡献大小进行排名：

1. 哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope）：哈勃太空望远镜的观测结果对我们理解宇宙膨胀，暗物质和暗能量等关键物理问题产生了重要影响。
2. 科学任务指令办公室（Science Mission Directorate）：在天体物理学和太阳物理学领域，该办公室的各项工作推动了我们对这些复杂系统的理解，包括黑洞，中子星，恒星和太阳风等。
3. 激光干涉米波引力波天文台（LIGO）：尽管NASA并非LIGO的主要运营机构，但它在其中扮演了一定的角色。LIGO的重要性在于，它是首个直接探测到引力波的实验设施，从而确认了爱因斯坦广义相对论的关键预言。
4. 费米伽马射线空间望远镜（Fermi Gamma-ray Space Telescope）：费米空间望远镜为我们理解高能粒子物理，包括伽马射线暴，活动星系核和脉冲星等现象提供了重要数据。
5. 旅行者计划（Voyager Program）：旅行者1号和2号探测器提供了人类首次获得的关于太阳系以外空间环境的直接信息，对研究太阳物理和星际介质物理非常重要。
6. 重力探测器B（Gravity Probe B）：这个项目直接测试了爱因斯坦的广义相对论，对于验证和理解重力理论有重大贡献。
7. 朱诺号（Juno）：朱诺号的数据为我们理解气态巨星的内部结构和磁场提供了重要信息。
8. Hubble和Webb空间望远镜：这两个望远镜都对我们理解宇宙的大尺度结构，包括星系的形成和演化，暗物质和暗能量的性质等问题有深远影响。

以上项目的贡献并不全面，还有许多其他NASA的科学项目也对物理学的发展做出了重要贡献。这些项目各有其独特的贡献，不容易进行直接比较，但都在其研究领域产生了重要的影响。

黑洞照片已经看到了呜呜呜 作为一个小小小的一粒沙 很满足 很感恩 我们都是能量爆炸后产生的物质和反物质大战中的残留物 第一氢原子 接着氦原子 大爆炸后38万岁的宇宙宝宝才从混沌中形成星云 再2亿年后第一颗恒星照亮了宇宙 90亿年后太阳系出生 暗物质的作用与主宰维持构造 形成网状宇宙网络 暗能量让万物相互排斥 宇宙诞生只是一瞬间 消亡却永恒持续不断 生即是死 死即是生 银河与仙女座星系共舞呜呜呜 好想再投胎一次到时候看啊 呜呜呜科学家对探究的热爱 不断发问不断探求答案 有他们自己最喜欢的星系 真的眼睛在发光 太动人了 木星：太阳系最大的棒球棒 地球的各种恰到好处 我的各种恰到好处 才存在 感恩 没有一颗行星是一模一样的 就像原料的差异和多少放烤箱里烤出来的蛋糕不一样。直径大于500英里，引力作用下才会变成球 早期地球也被猛烈撞过 地幔的一部分被撞飞 碎片变成了月球 这个说法好妙啊 为什么地球不会受到太阳风的影响呢，因为地球自身存在磁场 内部的铁对流 还保护了大气层和水 强烈的太阳辐射风暴会进入地球磁场 在两极就形成了极光呜呜呜 四个气态巨行星都拥有环 土星最美 环是由数以亿计的冰块和碎石组成的 有的变成小行星有的撕裂 不断的合并又撕裂呜呜呜 为什么土星那么多 可能是一颗冰彗星撞了土星的卫星 卫星和冰彗星被土星引力撕碎 变环绕着土星转了 95年的伽利略探测器飞十四年去看木星 大风闪电 穿回了58分钟的数据呜呜呜 木星磁场是地球的两万倍 扩展到土星 影响到行星木卫一 磁场会发声 气态巨行星磁场太强自身就能产生极光 压力和高温可能让氢转变成了金属性 含水彗星和小行星撞地球才有了水 而且量恰到好处 宇宙靠运气爆炸 银河系恒星行星卫星生命靠运气诞生 “我喜欢卫星，行星留给你们研究吧”卫星千奇百怪但都绕着行星转 帮助行星固定在轨道上 帮助太阳系顺利运行 然后行星还在想方设法吃掉自己的卫星 施加引力（火山潮汐 离得太近的已经都吃掉了 行星靠引力挟持另一个小行星或彗星 引力不足就桃之夭夭了，引力太大 就撞了 刚刚好进入围绕行星旋转的轨道会变成新的卫星 火星的两颗卫星 一颗不断往外逃最终会自己去外面玩了，一颗不断靠近火星旋转最终会撞上火星。 跟在地球后面走的小行星3753蛇形走位 好好笑 海卫一和海王星相反的方向转 超有个性！哦哦不是碎片形成的海卫一 它自己本身是颗矮行星 引力俘获了它 还越来越近了 海王星巨大的引力最终会撕碎它 并成为光环 木卫二 土卫二 都有海洋 地球甲烷是气体 到了其他地方 土卫六就是液态 下甲烷雨了 恒星爆炸成白矮星 再从同伴恒星吸收氢氦碳氧 搞成铁（及其他 爆炸成超新星 巨大恒星内的核反应形成各种金属元素 爆炸 成单颗超新星 坍缩 压缩原子 再爆炸（这时候各种重金属都出现）喷射到宇宙 残骸是密度超大的中子星 转特别特别快会形成脉冲能量 这类中子星就是脉冲星 磁力特别特别大的中子星是磁星 超超新星爆炸不仅压缩原子还压缩时空就会创造出黑洞 吃旁边的恒星 一时吃不下 喷射两股纯能量束 伽马射线（宇宙最亮！（一旦在射线上我们必死！（死就死了 反正也来不及反应！ 140亿年宇宙大爆炸 从比原子还小开始膨胀 现在还在膨胀 且越来越快