錯(cuò)過(guò)要等6800年……又有一顆彗星即將與地球擦肩而過(guò)

以下是關(guān)于錯(cuò)過(guò)要等6800年……又有一顆彗星即將與地球擦肩而過(guò)的介紹

前言：

今年北京高考作文題目提到北斗衛(wèi)星“每一顆都有自己的功用”，將國(guó)民的目光引向了天上世界。再加上前一陣子SpaceX成功發(fā)射了可重復(fù)使用的商業(yè)載人飛船“龍飛船2號(hào)”，大家也都開(kāi)始關(guān)注近地軌道了，針對(duì)這方面的科普文章網(wǎng)上有很多我就不在此贅述了。

今天呢，我?guī)Т蠹以偻h(yuǎn)處看看，看到多遠(yuǎn)呢？我也沒(méi)法用語(yǔ)言描述出來(lái)，只知道一個(gè)數(shù)字，465億光年。那是迄今為止能從地球看到的最遠(yuǎn)的地方。

自古以來(lái)，在東西方人類(lèi)文明的發(fā)展史中，仰望星空一直是不可或缺的一項(xiàng)活動(dòng)，當(dāng)然這與古人對(duì)大自然敬畏和好奇不無(wú)關(guān)系，因此古代天文學(xué)總與星象學(xué)聯(lián)系在一起，屬于一體雙生。只可惜，到了現(xiàn)代，一個(gè)發(fā)展成了科學(xué)，另一個(gè)變成了迷信。

在西方，最早的天文觀測(cè)可以追溯到蘇美爾文明時(shí)期，之后在古埃及和古希臘時(shí)期得到了卓越發(fā)展，從而形成了原始的天文學(xué)體系。

而我國(guó)古代天文學(xué)更是從上古傳說(shuō)時(shí)代便開(kāi)始萌芽，在天象觀測(cè)、儀器制造和編纂歷法方面都曾經(jīng)遙遙***西方數(shù)百年，比如哈雷彗星在世界上最早的記錄便是由***人完成的。

其后，隨著物理學(xué)在歐洲的發(fā)展，光學(xué)上的突破進(jìn)展顯著地提升了天文觀測(cè)的能力，天文學(xué)研究在獲得了更多觀測(cè)數(shù)據(jù)之后逐漸變得系統(tǒng)化，吸引了更多科學(xué)家投身其中。當(dāng)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)很多天文現(xiàn)象都可以用物理學(xué)解釋后，近代天文學(xué)研究中逐漸出現(xiàn)了天體物理學(xué)的影子。

到了當(dāng)代，天體物理已經(jīng)成為了天文學(xué)不可分割并且是最重要的一個(gè)組成部分。總的來(lái)說(shuō)，天體物理學(xué)既是天文學(xué)的分支也是物理學(xué)的分支，它主要研究的是天體的物理性質(zhì)及它們之間的相互作用。

想要了解一門(mén)科學(xué)，我們通常需要知道研究對(duì)象和研究方法。因?yàn)樘煳膐r天體物理的研究方法涉及太多物理理論，篇幅有限，本文只聊研究對(duì)象。

首先，想要學(xué)天文，天天都跟“大”這個(gè)字打交道。天體的質(zhì)量很大，體積很大，溫度很“大”，彼此之間距離很“大”，年齡也很“大”。說(shuō)白了就是所有測(cè)出來(lái)的數(shù)字的單位一般都很大，動(dòng)不動(dòng)就是百萬(wàn)，千萬(wàn)，億，十億，百億……

其次，天文學(xué)里面的大部分?jǐn)?shù)字界限都不是***的，因?yàn)槿侨藶橛^測(cè)或者推導(dǎo)出來(lái)的，隨時(shí)都可能被更新。為了讓大家對(duì)宇宙的尺度有一個(gè)很好的理解，接下來(lái)我將從比較小的天體開(kāi)始介紹，逐步擴(kuò)展到整個(gè)宇宙。

作為地球人，大家最熟悉了解的天體肯定是我們腳下的這顆行星以及太陽(yáng)和其他七大行星。不過(guò)行星本身是不發(fā)光的，所以我們?cè)谝雇砟芸吹降拇蟛糠帧靶切恰倍际沁b遠(yuǎn)的恒星通過(guò)核聚變?cè)诎l(fā)光。

太陽(yáng)對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)是特殊的，但是它作為一顆恒星卻極為普通，因?yàn)橄啾扔谝延^測(cè)到的其他恒星，它的質(zhì)量不算大，大約只有33.3萬(wàn)倍地球質(zhì)量；它的年齡也不算大，至今為止只燃燒了46.03億年。我們的太陽(yáng)正處于它的青壯年，再經(jīng)過(guò)差不多50億年才會(huì)步入晚年，到時(shí)候它體內(nèi)的氫元素將燃燒殆盡從而脫離主星序。

什么是主星序呢？這就不得不提到能顯示恒星演化的赫羅圖了。

在赫羅圖上，大部分新生的或處于壯年的恒星都分布在一條從左上角到右下角的帶子上，這條由恒星組成的帶子就叫做主星序帶，其上的恒星又叫做主序星。

下面一個(gè)問(wèn)題是：恒星有那么多，它們的質(zhì)量、體積和光度都千差萬(wàn)別，測(cè)量出來(lái)的結(jié)果也是一個(gè)很大并且不直觀的數(shù)字，不方便研究人員使用，我們?yōu)槭裁床徽乙粋€(gè)方便使用并且更加直觀的標(biāo)準(zhǔn)或單位呢？于是天文學(xué)家抬頭看了看離我們最近的一顆恒星，決定就以太陽(yáng)作為一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，用太陽(yáng)的質(zhì)量、體積、亮度等等參數(shù)作為衡量其他恒星的單位。

再聊回到主序帶上，通過(guò)大量觀測(cè)研究，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)主序帶上的恒星如果質(zhì)量越大，那么它們的生命就越短暫，這是因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量大小會(huì)影響內(nèi)部核聚變的反應(yīng)速率，而核聚變又是恒星們的生命源泉。此外，恒星的質(zhì)量將會(huì)決定它們晚年的演化過(guò)程，決定它們?cè)谒劳鰰r(shí)否能擁有高光時(shí)刻成為超新星以及能否最終變?yōu)楹诙础?/p>

既然質(zhì)量對(duì)于恒星來(lái)說(shuō)很關(guān)鍵，那能不能通過(guò)質(zhì)量來(lái)給恒星進(jìn)行分類(lèi)呢？

根據(jù)目前的研究成果，未被發(fā)現(xiàn)明確的質(zhì)量上限，但是恒星存在一個(gè)質(zhì)量下限，那就是0.08個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。恒星也是有底線的！我們稱質(zhì)量小于這個(gè)下限的天體為褐矮星（Brown Dwarf），它們的質(zhì)量介于最小的恒星以及***的行星之間。并且大部分褐矮星因?yàn)橘|(zhì)量太小而無(wú)法發(fā)生聚變反應(yīng)，所以它們很暗淡很難被發(fā)現(xiàn)。在0.08個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之上，就都是狹義上的恒星了。

我們可以粗略地把恒星演化的過(guò)程通過(guò)質(zhì)量分為兩個(gè)大類(lèi)。我們稱質(zhì)量小于8個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星為低質(zhì)量恒星（Low-mass Stars），稱大于8個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星為大質(zhì)量恒星（Massive Stars）。沒(méi)錯(cuò)，天文學(xué)家起名字都是這么簡(jiǎn)單粗暴！

在所有低質(zhì)量恒星中，對(duì)于質(zhì)量小于0.25個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量的恒星，我們稱其為紅矮星（Red Dwarf）。理論上，紅矮星在死亡時(shí)會(huì)直接變?yōu)榘装牵╓hite Dwarf）；但是由于紅矮星的預(yù)估生命長(zhǎng)度超過(guò)了現(xiàn)在宇宙的年齡（宇宙已經(jīng)138億歲了?。?，所以人類(lèi)至今還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)過(guò)正在死亡的紅矮星。

當(dāng)恒星的質(zhì)量介乎于0.4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量和8個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間時(shí)，它們?cè)谒ダ想A段會(huì)先變紅變暗變“胖”成為紅胖子——紅***（Red Giant），最終都會(huì)演化成白矮星，甚至理論上可成為黑矮星（Black Dwarf）。

此外，在某些特定情況下，這些低質(zhì)量恒星在化為紅***之后會(huì)形成Ia型超新星爆發(fā)，晉級(jí)為宇宙間最靚的仔，并且會(huì)噴射出大量的能量和物質(zhì)；而從Ia型超新星爆發(fā)中誕生的還是一顆小小的白矮星，真的是生于絢爛，歸于平凡。

我相信上述的各種“矮”已經(jīng)把大家繞暈了，別擔(dān)心，接下來(lái)到了大質(zhì)量恒星的級(jí)別就沒(méi)矮恒星什么事了！

不似我們?nèi)祟?lèi)還能靠后天努力逆天改命，絕大部分恒星的命運(yùn)從出生時(shí)就決定了?？傆行┖阈翘熨x異稟，在誕生之初就坐擁8個(gè)太陽(yáng)及以上的質(zhì)量，這些大質(zhì)量恒星的“一生”也由此不凡。雖然缺點(diǎn)是“老”得快，咳咳，但是也只是相對(duì)于低質(zhì)量恒星而言“早衰”而已。

首先，因?yàn)榇筚|(zhì)量恒星“富得流油“（質(zhì)量太大了），它們?cè)诶夏觌A段會(huì)統(tǒng)一演化成超級(jí)紅色大胖子——紅超***（Red Supergiant）。

黑洞和中子星這二位都是密度超級(jí)大的狠角色，想必大家都有所耳聞。關(guān)于黑洞，有一個(gè)重要的邊界就是視界線（Event Horizon），此線以內(nèi)，光都無(wú)法逃出來(lái)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，視界線以內(nèi)就是一個(gè)人類(lèi)無(wú)法理解的世界了，所以星際旅行的時(shí)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，它們的半徑普遍在10到20公里之間，其上的1立方厘米可以有10億噸的質(zhì)量，嚇不嚇人？此外，如果中子星的電磁輻射能被天文學(xué)家們周期性地觀測(cè)到，那它們就被叫做脈沖星（Pulsar）。簡(jiǎn)而言之，在人類(lèi)眼里，脈沖星就是一閃一閃的中子星啦。

以上便是恒星家族的演化過(guò)程，而比恒星尺度更大的天體就是星系（Galaxy）。星系是由數(shù)不清的恒星系、大量的氣體、塵埃和暗物質(zhì)（Dark Matter）構(gòu)成的。目前宇宙中已觀測(cè)到的星系超過(guò)2萬(wàn)億個(gè)，好吧，又是一個(gè)大到失去意義的數(shù)字。

根據(jù)哈勃老爺子的指示（哈勃望遠(yuǎn)鏡就是以他命名的），星系被大致分為四類(lèi)：

提到星系，就不得不提到暗物質(zhì)。最開(kāi)始暗物質(zhì)這個(gè)概念是為了解釋銀河系內(nèi)的恒星運(yùn)動(dòng)模式而被提出來(lái)的，而來(lái)又通過(guò)對(duì)旋渦星系的觀測(cè)被證明。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，因?yàn)橛辛税滴镔|(zhì)這種理論上的物質(zhì)，旋轉(zhuǎn)的星系才能不散架。

關(guān)于星系我還想說(shuō)另一個(gè)概念，叫做類(lèi)星體（Quasar or QSO），是類(lèi)似恒星的天體的簡(jiǎn)稱。通常來(lái)說(shuō)，類(lèi)星體距離地球非常非常遠(yuǎn)，所以觀測(cè)的時(shí)候會(huì)同恒星混淆在一起。但是，類(lèi)星體的本質(zhì)是超級(jí)亮的活躍星系核（Active Galactic Nucleus）。顧名思義，星系核是每個(gè)星系最核心的位置。而活躍星系核在理論上是因?yàn)槌筚|(zhì)量黑洞（Supermassive Black Hole）的存在而存在的。

如果你看過(guò)去年發(fā)表的比較好張黑洞照片，就會(huì)發(fā)現(xiàn)黑洞周?chē)幸粋€(gè)橙色的光圈，那個(gè)光圈叫做吸積盤(pán)（Accretion Disk）。吸積盤(pán)能發(fā)光是因?yàn)橹行奶祗w（不僅限于黑洞）把周?chē)鷱浬⒌奈镔|(zhì)給吸了過(guò)去，這個(gè)過(guò)程發(fā)出了光。因?yàn)槌筚|(zhì)量黑洞的引力特別強(qiáng)，所以產(chǎn)生的吸積盤(pán)會(huì)非常亮，從而形成了活躍星系核，可以被人類(lèi)從極遠(yuǎn)的地方觀測(cè)到。

作為生活在銀河系邊陲的地球人，我們偶爾還是想看看銀河老家之外的星系是啥樣的，所以天文學(xué)家們搞出來(lái)了一門(mén)分支學(xué)科——星系天文學(xué)（Galactic Astronomy），專門(mén)研究銀河系之外的星系的結(jié)構(gòu)、演化和相互作用。

除了星系本身，這門(mén)分支學(xué)科還研究星系間介質(zhì)（Intergalactic Medium）還有比星系更大的天體結(jié)構(gòu)——星系群（Galaxy Group）和星系團(tuán)（Galaxy Cluster）。當(dāng)然，星系團(tuán)的大小和其中囊括的星系數(shù)量有關(guān)。那些***的星系團(tuán)叫做超星系團(tuán)（Super Clusters），數(shù)量大約在一千萬(wàn)左右，它們是宇宙間已知的***結(jié)構(gòu)——大尺度纖維狀結(jié)構(gòu)（Galaxy Filament）的重要組成部分。在宇宙學(xué)中，大尺度纖維結(jié)構(gòu)又被稱作星系長(zhǎng)城（Great Wall），它們是由星系組成的巨大的“蜘蛛網(wǎng)”，分布在宇宙各處，而星系團(tuán)乃至于超星系團(tuán)位于這些網(wǎng)上的結(jié)節(jié)處。

如果從***的尺度來(lái)看，宇宙就是由一團(tuán)團(tuán)蜘蛛網(wǎng)組成的。而宇宙學(xué)（Cosmology）作為天文學(xué)的另一門(mén)分支學(xué)科，是專門(mén)研究整個(gè)宇宙的起源和演化的新興學(xué)科。

宇宙有多老？138億年了！宇宙有多大？測(cè)得的直徑有930億光年了！現(xiàn)在公認(rèn)的宇宙模型證明宇宙正在膨脹，而解釋這種膨脹的各種理論中，大爆炸理論（The Big Bang Theory）最站得住腳。

自從1965年科學(xué)家探測(cè)到宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background Radiation），這種溫度一直保持在2.725K的電磁輻射充分證明了宇宙始于一場(chǎng)大爆炸。

如今，這種存在了138億年的輻射仍然在宇宙間傳播著，依然從我們的身體中穿過(guò)而不被察覺(jué)，從無(wú)窮遠(yuǎn)來(lái)，到無(wú)窮遠(yuǎn)去，一直到宇宙的盡頭。那個(gè)盡頭在哪里？或許只有天文學(xué)家知道吧。

***再簡(jiǎn)單談?wù)勗?strong style="margin-right: 0px; margin-left: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">美國(guó)學(xué)習(xí)天文學(xué)的感受。

大部分美國(guó)學(xué)校的天文系都不大，很多是依附于物理系建設(shè)的。而且天文本科的畢業(yè)要求與物理專業(yè)的畢業(yè)要求有很多重疊的部分，所以很多人都會(huì)在學(xué)天文的同時(shí)double一個(gè)物理專業(yè)。天文系***特點(diǎn)就是人丁稀薄，連美國(guó)人學(xué)這個(gè)專業(yè)的都很少，更別提***留學(xué)生了。據(jù)美國(guó)天文協(xié)會(huì)（The American Astronomical Society）統(tǒng)計(jì)，目前從事天文學(xué)研究的注冊(cè)成員只有大約7000人，其中還包括了很多別的專業(yè)的科學(xué)家。

不過(guò)，人少有人少的好處——師生比很高，比如我那屆本科生只有20個(gè)人，但是系里面卻有28個(gè)professor天天都在等著給我們答疑解惑，這待遇不要太好了！

而且美國(guó)有個(gè)***的NASA，還有個(gè)***的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF），這倆機(jī)構(gòu)每年在天文領(lǐng)域的投資都是天文數(shù)字，所以對(duì)于想要攻讀天文or天體物理PhD的留學(xué)生來(lái)說(shuō)，教授能給的研究經(jīng)費(fèi)也不會(huì)少。

畢業(yè)之后，要么繼續(xù)搞研究，要么轉(zhuǎn)行去大公司搞數(shù)據(jù)分析，前途無(wú)量啊。在過(guò)去，學(xué)天文讓人感覺(jué)是學(xué)了個(gè)寂寞，但是當(dāng)今世界各國(guó)都在往天上發(fā)展，學(xué)好天文指不定哪天就有機(jī)會(huì)報(bào)效祖國(guó)呢。除了詩(shī)和遠(yuǎn)方，抬頭還有星辰大海?。?/p>

***說(shuō)點(diǎn)題外話，本人目前在新東方前途出國(guó)擔(dān)任領(lǐng)航導(dǎo)師，歡迎對(duì)天體物理感興趣或者打算申請(qǐng)這個(gè)專業(yè)的同學(xué)來(lái)找我聊天，我在領(lǐng)航等著你們！

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