错过要等6800年……又有一颗彗星即将与地球擦肩而过-新东方前途出国

前言：

今年北京高考作文题目提到北斗卫星“每一颗都有自己的功用”，将国民的目光引向了天上世界。再加上前一阵子SpaceX成功发射了可重复使用的商业载人飞船“龙飞船2号”，大家也都开始关注近地轨道了，针对这方面的科普文章网上有很多我就不在此赘述了。

今天呢，我带大家再往远处看看，看到多远呢？我也没法用语言描述出来，只知道一个数字，465亿光年。那是迄今为止能从地球看到的最远的地方。

自古以来，在东西方人类文明的发展史中，仰望星空一直是不可或缺的一项活动，当然这与古人对大自然敬畏和好奇不无关系，因此古代天文学总与星象学联系在一起，属于一体双生。只可惜，到了现代，一个发展成了科学，另一个变成了迷信。

在西方，最早的天文观测可以追溯到苏美尔文明时期，之后在古埃及和古希腊时期得到了卓越发展，从而形成了原始的天文学体系。

而我国古代天文学更是从上古传说时代便开始萌芽，在天象观测、仪器制造和编纂历法方面都曾经遥遥领先西方数百年，比如哈雷彗星在世界上最早的记录便是由中国人完成的。

其后，随着物理学在欧洲的发展，光学上的突破进展显著地提升了天文观测的能力，天文学研究在获得了更多观测数据之后逐渐变得系统化，吸引了更多科学家投身其中。当科学家们发现很多天文现象都可以用物理学解释后，近代天文学研究中逐渐出现了天体物理学的影子。

到了当代，天体物理已经成为了天文学不可分割并且是最重要的一个组成部分。总的来说，天体物理学既是天文学的分支也是物理学的分支，它主要研究的是天体的物理性质及它们之间的相互作用。

想要了解一门科学，我们通常需要知道研究对象和研究方法。因为天文or天体物理的研究方法涉及太多物理理论，篇幅有限，本文只聊研究对象。

首先，想要学天文，天天都跟“大”这个字打交道。天体的质量很大，体积很大，温度很“大”，彼此之间距离很“大”，年龄也很“大”。说白了就是所有测出来的数字的单位一般都很大，动不动就是百万，千万，亿，十亿，百亿……

其次，天文学里面的大部分数字界限都不是绝对的，因为全是人为观测或者推导出来的，随时都可能被更新。为了让大家对宇宙的尺度有一个很好的理解，接下来我将从比较小的天体开始介绍，逐步扩展到整个宇宙。

作为地球人，大家最熟悉了解的天体肯定是我们脚下的这颗行星以及太阳和其他七大行星。不过行星本身是不发光的，所以我们在夜晚能看到的大部分“星星”都是遥远的恒星通过核聚变在发光。

太阳对于人类来说是特殊的，但是它作为一颗恒星却极为普通，因为相比于已观测到的其他恒星，它的质量不算大，大约只有33.3万倍地球质量；它的年龄也不算大，至今为止只燃烧了46.03亿年。我们的太阳正处于它的青壮年，再经过差不多50亿年才会步入晚年，到时候它体内的氢元素将燃烧殆尽从而脱离主星序。

什么是主星序呢？这就不得不提到能显示恒星演化的赫罗图了。

在赫罗图上，大部分新生的或处于壮年的恒星都分布在一条从左上角到右下角的带子上，这条由恒星组成的带子就叫做主星序带，其上的恒星又叫做主序星。

下面一个问题是：恒星有那么多，它们的质量、体积和光度都千差万别，测量出来的结果也是一个很大并且不直观的数字，不方便研究人员使用，我们为什么不找一个方便使用并且更加直观的标准或单位呢？于是天文学家抬头看了看离我们最近的一颗恒星，决定就以太阳作为一个统一的标准，用太阳的质量、体积、亮度等等参数作为衡量其他恒星的单位。

再聊回到主序带上，通过大量观测研究，天文学家发现主序带上的恒星如果质量越大，那么它们的生命就越短暂，这是因为它们的质量大小会影响内部核聚变的反应速率，而核聚变又是恒星们的生命源泉。此外，恒星的质量将会决定它们晚年的演化过程，决定它们在死亡时否能拥有高光时刻成为超新星以及能否最终变为黑洞。

既然质量对于恒星来说很关键，那能不能通过质量来给恒星进行分类呢？

根据目前的研究成果，未被发现明确的质量上限，但是恒星存在一个质量下限，那就是0.08个太阳质量。恒星也是有底线的！我们称质量小于这个下限的天体为褐矮星（Brown Dwarf），它们的质量介于最小的恒星以及最大的行星之间。并且大部分褐矮星因为质量太小而无法发生聚变反应，所以它们很暗淡很难被发现。在0.08个太阳质量之上，就都是狭义上的恒星了。

我们可以粗略地把恒星演化的过程通过质量分为两个大类。我们称质量小于8个太阳质量的恒星为低质量恒星（Low-mass Stars），称大于8个太阳质量的恒星为大质量恒星（Massive Stars）。没错，天文学家起名字都是这么简单粗暴！

在所有低质量恒星中，对于质量小于0.25个太阳质量的恒星，我们称其为红矮星（Red Dwarf）。理论上，红矮星在死亡时会直接变为白矮星（White Dwarf）；但是由于红矮星的预估生命长度超过了现在宇宙的年龄（宇宙已经138亿岁了！），所以人类至今还没有发现过正在死亡的红矮星。

当恒星的质量介乎于0.4个太阳质量和8个太阳质量之间时，它们在衰老阶段会先变红变暗变“胖”成为红胖子——红巨星（Red Giant），最终都会演化成白矮星，甚至理论上可成为黑矮星（Black Dwarf）。

此外，在某些特定情况下，这些低质量恒星在化为红巨星之后会形成Ia型超新星爆发，晋级为宇宙间最靓的仔，并且会喷射出大量的能量和物质；而从Ia型超新星爆发中诞生的还是一颗小小的白矮星，真的是生于绚烂，归于平凡。

我相信上述的各种“矮”已经把大家绕晕了，别担心，接下来到了大质量恒星的级别就没矮恒星什么事了！

不似我们人类还能靠后天努力逆天改命，绝大部分恒星的命运从出生时就决定了。总有些恒星天赋异禀，在诞生之初就坐拥8个太阳及以上的质量，这些大质量恒星的“一生”也由此不凡。虽然缺点是“老”得快，咳咳，但是也只是相对于低质量恒星而言“早衰”而已。

首先，因为大质量恒星“富得流油“（质量太大了），它们在老年阶段会统一演化成超级红色大胖子——红超巨星（Red Supergiant）。

黑洞和中子星这二位都是密度超级大的狠角色，想必大家都有所耳闻。关于黑洞，有一个重要的边界就是视界线（Event Horizon），此线以内，光都无法逃出来。简单来说，视界线以内就是一个人类无法理解的世界了，所以星际旅行的时候一定要小心哦～

然后是比黑洞密度稍稍小一些的中子星一族，它们的半径普遍在10到20公里之间，其上的1立方厘米可以有10亿吨的质量，吓不吓人？此外，如果中子星的电磁辐射能被天文学家们周期性地观测到，那它们就被叫做脉冲星（Pulsar）。简而言之，在人类眼里，脉冲星就是一闪一闪的中子星啦。

以上便是恒星家族的演化过程，而比恒星尺度更大的天体就是星系（Galaxy）。星系是由数不清的恒星系、大量的气体、尘埃和暗物质（Dark Matter）构成的。目前宇宙中已观测到的星系超过2万亿个，好吧，又是一个大到失去意义的数字。

根据哈勃老爷子的指示（哈勃望远镜就是以他命名的），星系被大致分为四类：

提到星系，就不得不提到暗物质。最开始暗物质这个概念是为了解释银河系内的恒星运动模式而被提出来的，而来又通过对旋涡星系的观测被证明。简单来说，因为有了暗物质这种理论上的物质，旋转的星系才能不散架。

关于星系我还想说另一个概念，叫做类星体（Quasar or QSO），是类似恒星的天体的简称。通常来说，类星体距离地球非常非常远，所以观测的时候会同恒星混淆在一起。但是，类星体的本质是超级亮的活跃星系核（Active Galactic Nucleus）。顾名思义，星系核是每个星系最核心的位置。而活跃星系核在理论上是因为超大质量黑洞（Supermassive Black Hole）的存在而存在的。

如果你看过去年发表的第一张黑洞照片，就会发现黑洞周围有一个橙色的光圈，那个光圈叫做吸积盘（Accretion Disk）。吸积盘能发光是因为中心天体（不仅限于黑洞）把周围弥散的物质给吸了过去，这个过程发出了光。因为超大质量黑洞的引力特别强，所以产生的吸积盘会非常亮，从而形成了活跃星系核，可以被人类从极远的地方观测到。

作为生活在银河系边陲的地球人，我们偶尔还是想看看银河老家之外的星系是啥样的，所以天文学家们搞出来了一门分支学科——星系天文学（Galactic Astronomy），专门研究银河系之外的星系的结构、演化和相互作用。

除了星系本身，这门分支学科还研究星系间介质（Intergalactic Medium）还有比星系更大的天体结构——星系群（Galaxy Group）和星系团（Galaxy Cluster）。当然，星系团的大小和其中囊括的星系数量有关。那些最大的星系团叫做超星系团（Super Clusters），数量大约在一千万左右，它们是宇宙间已知的最大结构——大尺度纤维状结构（Galaxy Filament）的重要组成部分。在宇宙学中，大尺度纤维结构又被称作星系长城（Great Wall），它们是由星系组成的巨大的“蜘蛛网”，分布在宇宙各处，而星系团乃至于超星系团位于这些网上的结节处。

如果从最大的尺度来看，宇宙就是由一团团蜘蛛网组成的。而宇宙学（Cosmology）作为天文学的另一门分支学科，是专门研究整个宇宙的起源和演化的新兴学科。

宇宙有多老？138亿年了！宇宙有多大？测得的直径有930亿光年了！现在公认的宇宙模型证明宇宙正在膨胀，而解释这种膨胀的各种理论中，大爆炸理论（The Big Bang Theory）最站得住脚。

自从1965年科学家探测到宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background Radiation），这种温度一直保持在2.725K的电磁辐射充分证明了宇宙始于一场大爆炸。

如今，这种存在了138亿年的辐射仍然在宇宙间传播着，依然从我们的身体中穿过而不被察觉，从无穷远来，到无穷远去，一直到宇宙的尽头。那个尽头在哪里？或许只有天文学家知道吧。

最后再简单谈谈在美国学习天文学的感受。

大部分美国学校的天文系都不大，很多是依附于物理系建设的。而且天文本科的毕业要求与物理专业的毕业要求有很多重叠的部分，所以很多人都会在学天文的同时double一个物理专业。天文系最大特点就是人丁稀薄，连美国人学这个专业的都很少，更别提中国留学生了。据美国天文协会（The American Astronomical Society）统计，目前从事天文学研究的注册成员只有大约7000人，其中还包括了很多别的专业的科学家。

不过，人少有人少的好处——师生比很高，比如我那届本科生只有20个人，但是系里面却有28个professor天天都在等着给我们答疑解惑，这待遇不要太好了！

而且美国有个著名的NASA，还有个著名的美国国家科学基金会（NSF），这俩机构每年在天文领域的投资都是天文数字，所以对于想要攻读天文or天体物理PhD的留学生来说，教授能给的研究经费也不会少。

毕业之后，要么继续搞研究，要么转行去大公司搞数据分析，前途无量啊。在过去，学天文让人感觉是学了个寂寞，但是当今世界各国都在往天上发展，学好天文指不定哪天就有机会报效祖国呢。除了诗和远方，抬头还有星辰大海啊！

最后说点题外话，本人目前在新东方前途出国担任领航导师，欢迎对天体物理感兴趣或者打算申请这个专业的同学来找我聊天，我在领航等着你们！

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