一、天体运行的法则

当我们远离城市的繁华，避开人世间的灯火霓霞，让我们置身于墨色笼罩的开阔高地，静静仰望天空。在一片黑暗和宁静之间，我们的心灵一定会被那漫天闪亮的星光所击中，生出无限的感慨和遐思。我们惊叹于夜空的苍茫和深邃，困惑于星辰的迷踪和闪烁。我们试图解开这天图之中的密码，追问这深邃和璀璨之间的无穷奥秘。日复一日、年复一年的观察，早已使远古的人类认识到，这漫天的繁星实际上总是保持着恒定的分布方式，它们相互之间的位置在千百年间鲜有变化，因而人们称它们为恒星。在古人的想象中，天空就像是一个具有无穷大半径的球形幕布（称为天球），它包裹着我们的世界，点点恒星镶嵌其上。只有在天球整体发生转动的时候，恒星才会跟随随它一起移动。东汉天文学家张衡提出的浑天说认为“浑天如鸡子、地如鸡中黄”，说的大体就是这个意思。为了方便认识和记忆恒星，古人把天球分割成很多小块，将每个区块中的恒星想象为某种存在关联的图像，并赋予它特定的名称。在古代的中国，我们把这种特定天区内的恒星组合称为星官，又把若干个星官的组合称为星宿。而今天我们则遵从国际通行的做法，将全天分为88个星座，其分区方法的源头可追溯到古希腊乃至古巴比伦时代。88个星座可分为五大部分，包括北天拱极星座5个、北天星座19个、黄道星座12个、赤道带星座10个和南天星座42个。

不同于恒星，太阳和月亮在天球上的投影位置会随时间发生显著的变化。通过长期的观察，人们发现它们的位置变化存在着周期性，并把它们在天球上所划过的轨迹分别称作黄道和白道。前面提到的黄道十二星座便是黄道在天球上所穿越的星座，太阳大约每个月会从其中一个星座移动到与之相邻的另一个星座。这种巧合使得星座和月份产生了关联，衍生出基于出生月份的占星术。太阳位置的周期性变化，显然伴随着地面四季的更替，因而与人们的生产和生活息息相关。古人十分关注这种周期性变化的过程和时长，以帮助他们确定计算时间的系统方法（称为历法）。在实际操作中，人们对太阳位置变化的测量是通过观察物体的影子来实现的，为此发明了日晷和圭表等早期天文设备。通过这些观测活动，人们很早就测定了一年的长度。比如最晚在春秋时期，我国便已确定一年的长度为365.25天，并据此制定了历法。在这个历法中，月份的定义直接根据月亮的盈亏周期（29.5天），而年和月之间的非整数倍关系则通过在十九年中置七个闰月的办法来调和。这种阴阳历法的发明是一项非常了不起的成就。

除了太阳和月亮，古人还发现金、木、水、火、土五颗星在天球中的位置也会随着时间发生明显的变化，因而称它们为行星。古希腊的哲学家们认为五大行星和日月一起各自以完美的圆轨道绕着地球运行，其位置介于天球和地球之间。不过，这种简单的模型很快与行星的观察产生了矛盾，因为行星在天球上的运动并非单向，而是会出现逆行的情况。为此，以托勒密为代表的古希腊天文学家提出了在大圆轨道上添设多重小圆轨道的方法来解释行星的运动。这既延续了毕达哥拉斯学派对正圆的哲学信仰，同时又可与观测相吻合。这套极其精巧且成功的理论设计被后世称为托勒密的“地心说”，它在十五个世纪的时间里被西方知识界奉为圭臬。直到1543年，波兰天文学家哥白尼在他的伟大著作《天体运行论》中首次提出，可将太阳代替地球作为宇宙的中心，让地球和其它行星一样绕着太阳运行，这便是“日心说”。这种改变既可以自然解释行星的逆行现象，同时又可以大大简化模型的繁杂程度。因此，从一定程度上讲，日心说是对地心说的继承和发展，而非颠覆。当然，日心说的理念最终能够被人们所接受，还需得益于伽利略・伽利雷、第谷・布拉赫、约翰尼斯・开普勒等人的重要工作。其中，伽利略率先将望远镜引入到天文观测中，而第谷和开普勒则相继通过对行星运动的长期观察和对观测数据的细致总结归纳揭示了行星运动所遵循的三大定律。在开普勒行星运动定律的基础上，艾萨克·牛顿于1687年推导得出了万有引力的平方反比定律，从而使人们不仅认识到了太阳系的存在，更掌握了支配太阳系长期运动法则的根本力量。这是人类世界观发展的一次伟大飞跃，充分展现了理性思想的伟大光辉！

二、燃烧的火球

在万有引力定律发现之后，人们又经过了近一个世纪的努力，测定了地球和太阳之间的距离（1.5亿公里），进而确定了太阳的半径和质量以及它和其它行星之间的距离。日地距离的测量主要是通过观察金星凌日（即金星从太阳圆面上穿行而过的现象）来实现的，它利用的是不同观测者和金星、太阳之间的几何关系。根据日地距离，人们可以推算得到太阳的光度，正好对应其光谱观测给出的约5700开尔文的黑体辐射温度。与此同时，人们也发现，不同地点的观测会导致若干恒星出现微小的位置偏差（称为视差）。这意味着它们并非真的无穷远，而是具有有限的可测量的距离。并且，不同的恒星具有不同的视差，也就是具有不同的距离，离太阳系最近的恒星至少在数倍光年之外。根据这个距离，我们可以知道，那些看上去只是一个小亮点的天体实际上极其明亮，具有与太阳相当甚至更高的光度。这说明恒星其实也就是“太阳”，或者说我们的太阳不过是众多恒星中的普通一员，宇宙远比我们认识的太阳系大得多。由此也可见，距离的测量对于确定天体的性质具有至关重要的作用，是天文学研究最基本的任务之一。

恒星，包括太阳，它们所释放的巨大能量究竟来自何处，是什么过程使它们能够长期维持如此高的温度？人们首先猜测，它们可能是一个如煤球或天然气球一样的球体，正在进行着普通的化学燃烧。但是，这种方案仅能使它们燃烧数千年到上万年的时间，显然不足以解释太阳系数十亿年的存在（这一点可根据地质考古做出限定）。并且，人们通过观察太阳光谱中的大量吸收线知道，太阳其实主要由氢和氦两种元素组成，它们之间显然不存在重要的化学反应。于是，又有人提出，太阳可能一直经历着缓慢的引力收缩，其收缩过程中释放的引力势能才是维持其高温的原因。不过，通过简单的计算很容易发现，这种方案最多也只能维持恒星数千万年的高光度辐射。1938年，美国物理学家汉斯·贝蒂意识到，对于组成太阳的氢和氦这两种元素，它们之间可以发生如下核聚变反应：即4个氢原子核（质子）聚集到一块组成为氦原子核，其中两个质子转化为中子，同时放出2个正电子、2个伽马光子和2个电子中微子。这里的伽马光子便是太阳辐射的真正能量来源，它归根结底来自氦原子核的结合能释放，具体可根据爱因斯坦的质能转换方程计算得到。根据该反应中的质量亏损，我们可以知道，只要占太阳质量10%的氢能够满足热核聚变所要求的高温条件，太阳燃烧总时长便可以达到100亿年之久。这一点被后来更加精细严格的计算和多方面的观测限制所证实。当然，上述核反应过程实际上并非唯一。比如，在一定条件下，两个⁴He核将先结合形成⁸Be，而⁸Be很不稳定，又会迅速与另一个⁴He核结合形成¹²C，这个过程称为“3alpha过程”。之后，¹²C还可以继续捕获⁴He核形成¹⁶O等。随着恒星核心温度和压力的不断升高，恒星内部还会依次发生碳燃烧、氧燃烧、硅燃烧等核反应，进而合成镁、硅、硫、氩等中等质量的元素。所以，恒星内部的核聚变实际上也为我们理解宇宙中各种元素的起源提供了重要的依据。基于这些核反应过程，我们可以推断恒星内部越往里面，形成的元素越重，最大质量的恒星核心将出现铁核。核反应之所以止步于铁，是因为铁是最稳定的元素。若要形成比铁更重的元素则需要额外吸收能量而不是释放能量，因而在没有外部能量供给的情况下无法自动发生。

实际上，无论恒星的能量来自何处，其供给总是有限的。当恒星内部能够发生的核聚变都结束后，它必然会因为辐射的持续存在而不断冷却。而我们知道，恒星实际上是一个通过万有引力束缚在一起的气体团，其既有的体积得以维持的原因完全是因为其内部上千万度的高温。当温度下降后，气体的压强必然随之减小，不再能够抵抗引力的收缩，因此恒星也就走到了生命的终点。引力坍缩将首先发生在恒星的核心，因为这里密度最高、引力场最强，而物质下落的时间也最短。急剧的收缩将使恒星核心的密度迅速升高，同时温度也会由于引力势能的释放而升高，因而能量的向外输出也会被增强。此时，尚未来得及下落的恒星包层物质将会由于这些能量的注入而膨胀。对于外部观察者而言，我们并不能看到恒星核心的收缩，而只会看到一颗体积正在逐渐变大的恒星，它可能是红巨星、红超巨星乃至蓝超巨星。这些演变的最终结局主要取决于核心坍缩的最终产物，它可能是白矮星、中子星或黑洞。

三、恒星生命的轮回

在天文观测中，白矮星是一种温度较高因而颜色偏“白”、光度较低因而可称为“矮”的星体，这两个性质表明它们的辐射半径大约跟地球差不多（即数千公里）。但是，它们的质量却可以达到和太阳相当的程度。因此，白矮星的密度可以高达每立方厘米数吨的量级。在如此高密条件下，原子已经被高度电离，大量的自由电子将充斥于由离子组成的固体晶格结构中。这种电子气体是一种典型的量子气体，其高简并性可使电子具有远高于热运动的速度，甚至接近光速。由此产生的电子简并压正是白矮星能够抵抗引力收缩而稳定存在的关键原因。不过，电子的费米速度一定受到光速极限的约束，因而电子简并压并不能总随着密度的增长而快速增长。这将导致白矮星的质量存在上限，即钱德拉塞卡极限（约1.44倍太阳质量）。对于一颗小质量（小于8-10倍太阳质量）的恒星，其核心的质量不会超过钱德拉塞卡极限，因此它的坍缩将终止于白矮星的状态。核心坍缩释放的引力势能可以使白矮星内部达到上亿度的高温，这些内能将在数万年的时间内逐渐释放，从而使恒星外部的包层物质缓慢膨胀，最终演变为弥散的行星状星云。      

对于质量更大的恒星，它们的核心坍缩将越过白矮星状态，进一步使所有电子电离乃至所有原子核被压碎。这个时候，星体将主要由自由的中子、质子和电子组成（一定程度上可视为一个巨大的原子核），其中比重最大的成分是中子，抵抗引力收缩的主要力量是中子的简并压。因而，人们称这样的致密天体为中子星。不同于白矮星，中子星概念最早完全是基于物理理论而作出的推论，因此其内涵也因基础物理理论的不确定而充满开放性。比如，人们后来发现中子和质子实际上还可以继续分裂为夸克或转化为超子等，因此所谓中子星的物质组分和内部结构远比最初的设想来的复杂。只是简便起见，在名称上人们常把夸克星或超子星等其它可能性仍归属于广义的中子星范畴。更为重要的问题是：如何在天文观测上发现中子星并进而利用中子星观测来推断和限制极高密情况下的强相互作用理论。由于中子星的半径只有十几公里，要像看到恒星一样“看到”它们几乎不可能，因为它们的表面热辐射也并不处于可见光波段。20世纪60年代，随着射电观测技术的发展，英国天文学家乔丝琳・贝尔和安东尼・休伊什发现了一种具有秒和亚秒乃至毫秒辐射周期的射电脉冲星，被认定为是中子星的一种重要观测表现。后来，人们在其它电磁波段也发现了脉冲星，并且发现有些脉冲星经常会发生不可预期的剧烈爆发（如X射线暴、软伽马射线暴或者是快速射电暴等）。这些现象为人们更好地了解中子星的属性创造了机会，比如它们应具有比太阳强数亿倍到数万亿倍的磁场。

无论如何，中子星的质量必然存在上限，所以对于质量特别巨大的恒星来说，它们核心坍缩的最终产物将很可能具有远超过原子核的密度。此种条件下的物质状态是我们完全不了解的，实际上可能也无法被我们了解。因为根据广义相对论，极高的密度将导致极度弯曲的时空，当物质分布的范围小于对应的史瓦西半径时，它们就形成了一个不可见的黑洞。因为在史瓦西半径处，时间将被无限停滞，所以即使是光也无法从中逃逸。当恒星核心形成黑洞后，其外部的包层物质将继续下落。但需注意到，这些物质在最开始的时候并不是完全静止的，因此当它们试图向黑洞聚集的时候，其角动量并不会真的允许它们直接下落，就好比月球并不会在地球引力的作用下掉到地面上。只有通过内部的“摩擦”来逐渐消耗掉这些物质的轨道能量和轨道角动量，它们才可能最终进入黑洞，这个过程十分漫长。在此期间，这些难以径向下降的物质将更容易沿着角向聚集，形成一个盘面，然后再沿着盘面向黑洞螺旋旋进。人们通常称这个盘为吸积盘。可以想见，吸积盘将由于“摩擦”而变得非常炽热，相应的热压将驱动物质沿着垂直盘面的方向向外流出，在最中心的位置可能由于磁场的影响还会出现具有集束特征的喷流。

恒星核心收缩到中子星半径所释放的引力势能要比收缩到白矮星半径大1000多倍，而能量释放的时间却要短得多。因此，当恒星的包层物质在短时间内受到巨大的能量注入后，它将不再只是发生缓慢的膨胀，而是会产生急剧的爆发，称为超新星爆发。在包层物质被急剧向外推出的过程中，它同时会被显著地热化，因而使某些吸热核聚变得以发生（如发生⁵⁶Fe向⁵⁶Ni的转变）。这些放射性重元素将在后续的衰变过程中逐渐释放其储存的结合能，因而使超新星爆发产生的抛射物受到持续的加热，在数月时间内保持数千到上万度的温度。这个时期，抛射物便能够产生十分明亮的热辐射，表现为超新星辐射。历史上最著名的超新星爆发事件发生于公元1054年（宋代至和元年）。据宋史记载，当时的景象是“昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日”，也就是说白天看上去跟金星一样亮，并且持续23天都可以在白天看到它，可见其爆发的剧烈程度。在一些极特殊的情况下，恒星核心产生的中子星或黑洞可能会具有接近开普勒极限的旋转速度和可导致朗道量子化的磁场强度。此时，中子星或黑洞自身的旋转以及围绕其周围的高吸积率吸积盘和接近光速的喷流将使得恒星的爆发过程变得更为剧烈和复杂。当前，人们特别关注的伽马射线暴、超亮超新星、快速X射线暂现源等奇特的天文现象，都可能与这些极特殊爆发过程有关。

总的来说，在恒星死亡之后，除了少量物质聚集为致密天体外，它的绝大部分物质都将被抛撒到星际空间中成为弥漫星际介质的一部分。分布于广袤星际空间的星际介质，其密度通常只有每立方厘米1个左右的粒子，更少可以少到千分之一乃至万分之一，而多则可以达到上千个粒子。对于能够实现有效冷却的介质（比如由分子组成的介质），其聚集程度可以更高，密度可达10⁴-10⁶cm^-3，这样的区域一般被称为分子云。尽管密度极低，但星际空间的巨大体积仍使得星际介质的总质量相当可观。尤其对于分子云，其典型质量可达10⁴-10⁶倍太阳质量。在一定条件下，分子云中的物质可能发生进一步聚集，若其产生的内能在开始的阶段能够被有效损失掉，则聚集过程将变得不可逆转，并伴随着云团的不断分裂。当这种引力聚集从等温过程转化为绝热过程后，分裂将不再发生，每一块独立的云团将不断收缩直至其内部的温度达到热核聚变的点火条件。此时，这个云团便成为了一颗新诞生的原恒星。如同前面我们对黑洞形成过程的描述，云团坍缩为原恒星的过程也会导致原恒星的周围形成吸积盘。当然，因为恒星的半径远远大于黑洞，所以这个吸积盘并不会特别的热，也不会特别的厚。它经过长期的演化，会逐渐分裂为几个环，进而聚集为几个球，这也就是行星。所以，原恒星的吸积盘也被称为行星盘。基于这些认识，人们知道每一颗恒星周围总会有一定数量的行星存在，所以对寻找太阳系外的行星充满了信心和兴趣。

从恒星的死亡到诞生，我们可以看到宇宙中的物质实际上在不断地经历着聚集、燃烧、爆发、弥漫这样的循环过程，任何一个阶段都不是永恒的。在无数个循环中，一代又一代的恒星生而死、死而生，恰如这世间的其它生命循环一般。并且，由于恒星的诞生往往是大批量的，所以恒星的生命之旅往往也会伴随着与其它恒星的相互作用。相当多的恒星都会和另外一颗恒星组成双星系统，在这种系统中两颗星之间可以发生物质的转移或是共享，即使在其中一颗已然变成致密天体之后。这种系统恰恰为人们观测极难被发现的中子星乃至黑洞提供了宝贵的机会。尤其是当两颗星都演变为致密天体后，两个天体之间的绕转和它们最终的并合将发出宇宙中最为显著的引力波辐射。2015年，人类第一次实现对引力波的探测，并据此第一次发现了双黑洞系统。最后，需要强调，恒星的代际循环其实并非简单的重复，因为每增加一次生命的周期，致密天体的数量就会有所增加，而宇宙中重元素的比例也会被不断提高。所以从宇宙整体的角度来讲，这些演化的进程仍然是单向的、非平庸的。当然，若论宇宙的演化，我们还需先讲清楚究竟什么是宇宙，这其实是一个非常复杂的问题。

四、宇宙岛的秘密

什么是宇宙？人类在不同的时期有着不同的答案。最初，大家可能觉得太阳系便是宇宙。后来，人们了解的宇宙包括非常非常多的恒星。18世纪，英国天文学家威廉·赫歇尔对天上117600颗恒星进行了精确的测量，绘制出了他所观察到的宇宙。这些恒星绝大多数处于天上那条牛奶色的银河之中，所以宇宙似乎就是这样一个具有扁平盘状结构的恒星集团，称为银河系。当然，赫歇尔所看到的其实只是真正银河系的很小一部分。就目前所知，银河系的直径约为10万光年，厚度为上千光年，中间有一个直径约为1万光年的球形区域（称为核球）。整个银河系大概包括了千亿颗恒星，太阳处在距离银河系中心大约2.6万光年的位置。除了恒星，银河系中还广泛存在着各种具有弥漫结构的天体，如前文提到的行星状星云、超新星的遗迹、巨分子云以及星团等。18世纪晚期，法国天文学家查尔斯・梅西耶对天上这些云雾状的星云进行了仔细地梳理，制作了第一张星云星表。对于其中一些具有螺旋状结构的星云究竟是什么，人们产生了很大的分歧。德国哲学家伊曼努尔・康德提出，如果把整个宇宙比作一个无边无际的大海，那么这些螺旋状星云就是分布在这个大海中的岛屿，而我们的银河系只是其中的一个岛。显然，对这个假说的检验关键在于对这些“岛”的距离的测量，看它们有没有远远超过银河系10万光年的尺度范围。但这一点并不容易实现，因此天文学家们对是否真的存在“宇宙岛”始终莫衷一是。直到20世纪初，埃德温・哈勃在仙女座星云中发现了造父变星，从而实现了对这个星云距离的测量。造父变星是一种明亮程度会发生周期性变化的恒星，变化的周期和恒星的光度之间存在很好的相关性。哈勃便是利用这种周光关系实现了距离的测量，证实了康德的“宇宙岛”假说。自此，人们认识到，宇宙就像是一团以星系为“分子”的气体，其尺度远远大于星系本身，但对于星系的认知仍将构成我们认知宇宙的基础。

星系，虽然依然是一种通过引力实现自束缚的恒星集团，但总体上处于分散旋转的状态，因而星系的结构从对称性的角度来讲远比恒星复杂。根据哈勃最初的形态学分类，星系大致可以分为旋涡星系、椭圆星系和不规则星系三种类型，其中旋涡星系根据核球的结构又可以继续分为正常的旋涡星系和棒旋星系。银河系是一个典型的旋涡星系，具有多条旋臂，旋臂上聚集着大量的恒星。对于银河系内每一颗恒星，作为单一的个体，它们实际上都只是围绕着银河系的中心在进行着各自的轨道运动。但由于恒星之间相互的引力影响，它们的轨道会出现集体的调适（称为密度波），从而导致聚集形成旋臂的情况。因而对于星系而言，旋转是它们非常重要的一个属性，既决定它们的结构，也可以帮助人们测量它们的质量和光度进而确定它们的距离。因此，天文学家经常会很细致地描绘星系旋转速度随着它半径的分布情况。据此，薇拉・鲁宾和肯特・福特在20世纪70年代发现，在十分远离星系中心的区域，星系仍然可能维持非常高速的旋转，意味着这些地方仍然具有强劲的引力来提供天体轨道运动的向心力。但问题在于，这些地方几乎已无物质分布，那么引力场为何没有因为距离的增大而衰减呢？实际上早在1933年，弗里茨・兹威基便已经发现，发座星系团中的发光物质质量不足以解释该星系团的引力需求，并提出了暗物质的概念。因此，大家逐渐形成一种共识，即在星系的周围应存在一个由大量暗物质组成的晕，其总质量远远超过星系中正常物质的质量。暗物质可以产生引力但不能辐射电磁波（即不具备电磁相互作用），所以并非由中子、质子和电子组成。那么，暗物质究竟是怎样的一种物质，我们如何能在人类实验室里捕捉到它们，成为了当前物理学研究面临的最重大的科学疑难问题之一。

因为星系是由大量恒星和星际介质组成的，因此星系的光谱原则上就是一个简单的叠加复合谱。但是，在一类被称为塞弗特星系的特殊星系中，人们却可以看到非常显著的发射线，这是恒星辐射所不能产生的。另一方面，随着射电观测技术的发展，人们还在一些星系附近发现了很强的射电辐射，其来源也令人困惑。20世纪50年代、60年代，英国剑桥大学编制了一个《剑桥射电源表》（3C星表），收录了他们发现的一批具有强射电辐射的源，其中有不少强射电星系，但也有一些源并没有已知的光学对应体。后来，美国天文学家艾伦・桑德奇在射电源3C 48的位置观测到一个光学点源，看上去像一颗暗弱的恒星，但它的光谱却又完全不同于恒星，因此被人们称为类星体。随着观测的不断深入，人们逐渐认识到塞弗特星系、强射电星系和类星体之间存在诸多共性，它们实际上都是处于星系中心的一个超大质量黑洞在大量吞噬周围物质的表现。这些黑洞的质量可以高达百万倍到百亿倍的太阳质量，它们对周围物质的吸积将产生一个炽热的吸积盘，并在垂直盘方向产生速度超过0.99倍以上光速的喷流。这些吸积盘、喷流以及喷流与星系际介质的激烈碰撞都将导致普通星系所没有的电磁辐射成分，再加上距离的远近和观测方向的不同，导致人们看到了各种截然不同的观测表现。所以，人们现在一般把这些天体都统称为活动星系核。近年来，詹姆斯・韦布望远镜（JWST）还发现一类尺度很小、辐射很亮、颜色很红的特殊天体（称为“小红点”），也被认为是活动星系核的一种特殊类型。

不过，人们不禁要问：这样一些奇特的黑洞真的存在吗？我们银河系是否也拥有这样的黑洞呢？其实早在1932年卡尔・央斯基开启射电天文学序幕的时候，他便已发现银河系中心存在很强的射电辐射，后来人们将这个射电源称为人马座A*（Sgr A*）。不过，因为这个地方充斥着大量的物质，且尺度非常微小，所以要看清楚里面的细节其实非常困难。在20世纪90年代，人们想了很多办法去观测这个核心区域的恒星，记录下它们的运动轨迹。经过近20年的努力，天文学家终于发现这些恒星都围绕着中心一个不可见的天体在做轨道运动，并据此推算出该天体的质量约为400万倍太阳质量，黑洞是它的唯一合理解释。本世纪以来，天文学家们又不断提升射电观测技术，将全世界最主要的一些射电望远镜联合起来，组成了一架相当于地球大小的“事件视界望远镜”。据此，人们终于在2022年为Sgr A*拍摄了首张直接图像，呈现出黑洞阴影与吸积环，提供了银心黑洞存在的直接视觉证据，也证明了超大质量黑洞存在于星系中心的普遍性。只不过，有些星系它们的黑洞正处于吞噬物质的状态，所以表现为活动星系，而有些星系的黑洞则处于宁静的状态，所以表现为正常星系（就像银河系一样）。当然，即使是这些宁静的黑洞，它们偶尔也会撕裂一两个从它身边经过的恒星，产生一些短暂的爆发现象。这种超大质量黑洞潮汐瓦解恒星的事件近年来时常被天文学家观测到。

五、从何而来、向何而去

哈勃在测量银河系外其它星系的距离时，还发现这些星系的光谱与人类实验室的光谱相比存在整体向红端的偏离（即红移），表明它们在向着背离银河系的方向运动。并且，哈勃还发现，距离越远的星系远离的速度也越大，这种相关性现在被称作哈勃-勒梅特定律。这似乎表明银河系有着某种特殊性，又似乎存在一种看不见的巨大力量在操纵着宇宙中的天体，这当然是难以理解的。更为自然的一种解释是，所有星系所共处的这个空间在整体变大。就好比一个面包，它的里面嵌入了很多果干。当这块面包被加热膨胀时，它内部的这些果干就都会相互远离。从任何一颗果干的角度来看，它周围的其它果干都在远离它，且离得越远的跑得越快。所以，哈勃-勒梅特定律表明，我们的宇宙空间正在发生着膨胀。据此，我们可以合理推断，在更早的时期，宇宙比现在小得多。在最开始的时候，宇宙中所有的物质都被聚集在一个极小的空间范围内（勒梅特称之为原生原子）。这也就意味着宇宙存在一个诞生的过程，这一点可能出乎很多人的意料。

长期以来，在人类朴素的认知中，宇宙总是无边无际、无始无终的。不过，实际上早在几百年前，一些天文学家就在探讨一个似乎非常平庸的问题：夜晚的天空为什么是黑的？基于最基本的天文学认知，大家马上会说这是因为太阳到了地球的另一面。可是，我们又知道，天上的恒星其实都是太阳。所以，如果宇宙果真是无边无际、无始无终的，那么当恒星和星系广泛分布在宇宙中，我们将在任何方向都可以接收到星光，那么夜晚将变得无比明亮而不是黑暗。所以，从“夜晚天会黑”这样一个常识我们可以得到一个惊人的推论，要么天体只分布在有限的空间中或者说空间本身是有限的，要么宇宙的时间是有限的，在有限的时间里我们只能看到有限的宇宙。在中文的语境中，我们说“上下四方曰宇，古往今来曰宙”。所以，“宇宙”这个词非常精准地表达了它所要表达的内涵：宇宙不仅仅是指宇宙中所有天体的集合，而是包含了时间和空间本身，宇宙包含了我们所知晓的一切事物。所以，哈勃-勒梅特定律预示，宇宙是有限的。这个“有限”既是指时间，也是指空间，因为爱因斯坦的广义相对论告诉我们时间和空间本就是耦合在一起相互关联的。

但是，当我们谈论一个有限的宇宙时，我们该如何去定义它的开始呢？它开始时那种物质无限聚集的状态又如何描述？以及宇宙是如何从这种初始的状态演变为今天的样子，这一系列的问题涉及非常复杂且深刻的物理学原理，对它们的研究逐渐汇集为一个广泛且活跃的专门领域，称为宇宙学。首先，因为支配宇宙演化的主要力量是万有引力，所以对引力的物理描述至关重要，目前人们主要采用广义相对论。其次，对于极早期的宇宙，它全部的空间尺度极其微小，所以我们需要用量子的观点来看待它。然而，遗憾的是，人类迄今并未找到一种精确描述量子引力的理论，所以我们对量子宇宙的认识还存在极大的不确定性。不过，在宇宙诞生约10^-43s之后（根据测不准原理估计得到），宇宙的量子性便不再显著，而是将进入可以用广义相对论描述的经典宇宙阶段。这个时候，整个宇宙中的物质将全部以夸克-胶子等离子汤的形式存在，这种状态大概可以维持万分之一秒的时间。之后，随着空间的膨胀，宇宙的能量密度急剧下降，夸克将结合组成中子和质子。再之后，大概从1s开始，中子和质子将结合变成⁴He原子核以及少量的氘、氚、锂、铍等元素，这个过程称为原初核合成。由此可见，宇宙早期的元素种类其实是非常稀少的，我们所看到的元素周期表中的其它元素都需要经过恒星核燃烧以及其它剧烈爆发过程来合成。随着宇宙的继续膨胀和冷却，原子核开始捕获电子，结合变成中性的原子。一直到大概38万年的时候，宇宙中的光子不再与原子发生碰撞，宇宙将进入一个中性且黑暗的时期。对上述这些过程的描述，我们统称为大爆炸宇宙学，这套理论主要有伽莫夫、阿尔珀、赫尔曼等人创建。

根据大爆炸理论的预言，早期宇宙中与物质失去联系的那批光子将作为一种大爆炸的遗迹一直残留在宇宙中，我们可以推算出它们在当前宇宙中的温度约为3K，表现为一种微波辐射。1965年，贝尔实验室的阿诺・彭齐亚斯与罗伯特・威尔逊在测量银河系银晕射电噪声时，意外发现了这种残存的宇宙微波背景辐射，极大地增强了人们对于大爆炸宇宙学的信心。近几十年，天文学家们又相继发射了COBE卫星、WMAP卫星和普朗克卫星，来更加精确地测量微波背景辐射的温度，从而确定当前宇宙所具有的年龄（约138亿年）。同时，这些卫星还测量出了微波背景辐射温度在宇宙中分布的微小涨落（大概有十万分之一的起伏）。宇宙早期的这种微小涨落是至关重要的，因为没有这种涨落就无法理解宇宙中的物质后来为何会聚集形成天体。当宇宙中第一代天体形成的时候，它们所发出来的光芒将使得宇宙中中性的原子再次被电离，造就一个今天这般基本处于电离状态的宇宙。

当我们观察宇宙中的天体时，发自越远天体的光将经过越长的时间传播到我们这里。换句话说，我们看到越远的天体，其实也就是看到越早期宇宙中的状态，这非常类似于考古的行为。当我们把不同距离上的天体按照距离排列起来的时候，所展示的其实便是一部生动的宇宙演化史。通过这样一些观测，天文学家们发现宇宙的膨胀正处于一种加速的状态，这完全出乎意料。毕竟我们所知道的物质无论是正常的物质还是暗物质，它们之间都存在相互吸引的作用，不可能导致膨胀的加速。为了解释宇宙的加速膨胀，人们又引入了一个叫做暗能量概念，认为这种物质广泛分布于宇宙中，并具有与引力相反的“斥力”属性，尽管我们实际上对这种物质究竟是什么一无所知。不过，为了解释当前的天文观测，人们仍然可以为不同物质在宇宙中的占比做出一个比较精确的限制。具体来说，宇宙中包含了68%的暗能量、27%的暗物质和5%的普通物质，这些物质的共同作用决定了宇宙未来的演化方向。而同时，最终揭示这些未知物质的物理本质则代表着未来科学探索的重要方向。