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目录

6    天上星，亮晶晶

8    星座

14  研究恒星

18  近距离观星

22  测量星光亮度

24  追星逐日

26  恒星的颜色

28  恒星的生命周期

32  探索星系

40  凝望星空

46  测验

 

第6—7页

天上星，亮晶晶

你有没有在黑夜里数过星星？你可能得数好一会儿！天空中看得见的星星有成千上万颗。而且，不管你站在地球的什么地方，你能看到的星星都只是宇宙中的冰山一角。

星星看起来就像散落在深色毯子上的小圆点，仿佛在闪闪发光，吸引着人们的目光。星星激发人们的想象力已经有成千上万年了。

星星的科学

研究星星的学问叫天文学，是最早的科学门类之一。

很久很久以前，人们认为星星是俯瞰众生的神或其他超自然的存在，人类仰赖星星为地球上的重重谜团寻求答案。

如今，科学家仍在依靠星星来更多地了解浩瀚的宇宙。随着技术日新月异的发展，他们可以了解更多。

让我们来一场夜空之旅，探索星星的故事，了解什么是星星，以及科学家是如何研究星星的。

 

第8—9页

星座

晴朗而幽暗的夜空，繁星闪烁，浩瀚无垠。很久以前的穴居时代，人类就注意到了最亮的星星构成的各种图案。他们遥望群星，连点成形，想象出各种图案。如今，你仍然可以看到人类当初想象出的各种形状。

飞马座（有翼的马）

小熊座（小熊）

武仙座

大熊座（大熊）

狮子座（狮子）

巨蟹座（蟹）

天空中的图案

星座的英文constellation来自拉丁语，意思是“恒星组合”。

星光熠熠的太空

星座里的恒星看起来像是连在一起的。但是，就空间距离而言，有些恒星可能相对较近，有些却相距甚远。

由恒星构成的大图案叫星座，官方认定的星座有88个，都以动物、器物以及神话传说中的人物和动物命名。这些图案帮助人们确定夜空中恒星的位置。

星空美景

人们在地球的不同地方看到的星座不同，在一年中的不同时间看到的星座也有所不同。

这些图片只展示了部分可以在夜空中看到的星座。

 

第10—11页

官方认定的星座大多以动物命名。金牛座看起来像一头巨大的公牛在天空中猛冲。公牛强壮勇猛，在古代是一种重要象征物，人们为公牛塑像，敬之为神明。

金牛座

猎户座以希腊神话中的猎人俄里翁命名，他手持棍棒，腰悬佩剑。他的猎犬，即大犬座，就在附近。

猎户座

大犬座

天狼星

天狼星，又称犬星，是夜空中最亮的恒星，位于大犬座。大犬座位于猎户座附近。

北斗七星以器物命名，连接大熊座七颗明亮的恒星，通常是人们最先学会识别的恒星图案之一。

然而，北斗七星并不是一个星座，而是一个星群。星群是由一组恒星构成的图案，有自己的名字，但比星座小。

北斗七星

大熊座

动物的名字

其他动物星座包括狮子座和豺狼座。

黄道带

黄道带是由包括狮子座、巨蟹座在内的12个星座组成的一个带状区域，是从地球上看太阳一年走过的区域。

 

第12—13页

古代的占星术士用恒星图案阐释很多传奇故事。不同的文化对同一星群往往有不同的传说。

例如，世界各地的神话和民间传说都有北斗七星。在美洲原住民的传说中，北斗七星中的斗是一只熊，手柄上的三颗恒星则是追逐它的猎人。

在阿拉伯传说中，北斗七星是葬礼的象征。斗是棺材，手柄上的恒星是走在棺材后面的吊唁者。而在印度故事中，北斗七星则被称为七仙人，即七位圣哲，七颗恒星各代表古印度的一位仙人，即印度教圣人。

如何找到北斗七星

春夏季节，北斗七星高悬空中。秋冬季节，北斗七星看上去更靠近地平线。

另一个例子是位于金牛座肩部的昴星团。在希腊传说中，猎人俄里翁追逐普勒阿得斯七姐妹，于是七姐妹变成鸽子得以逃脱，最终变成了恒星。

纳瓦霍人称这七颗星为“燧石男孩”。纳瓦霍人的天神黑神将燧石男孩佩戴在脚踝上。当他跺脚时，那些燧石男孩就弹到他的额头上并留在了那里。

纳瓦霍人绘制的黑神

上图：普勒阿得斯七姐妹

下图：昴星团

古老的绘画

法国的洞穴壁画中发现了金牛座和昴星团的绘画，这些画作可追溯到公元前15000年左右。

 

第14—15页

研究恒星

一直以来，星座也有其实际用途。

古人通过做观星记录，绘制出了星座图，这些星座图让他们知道在一年中的不同时间可以看到什么样的恒星图形，藉此预测季节变化，懂得何时种植，何时收获。

古埃及的农业图解

尼罗河

如今，尼罗河不再泛滥。为调控河水流量，于1970年建起了阿斯旺大坝。尼罗河仍然是农田灌溉的水源并供给家庭饮用水。

研究恒星还有助于人们追踪影响生活的主要天气周期。

例如，古埃及人知道，在夏天，当天狼星先于太阳出现在空中时，过不了多久，尼罗河就会泛滥，年年如此。人们倚赖这一现象，因为洪水能帮助提供作物生长所需的水和养分。

种植业的起源

第一个农业定居点大约在12000年前出现在一个叫作新月沃土的地区。该地区包括现在的叙利亚、伊拉克南部、伊朗、土耳其、黎巴嫩、约旦和埃及北部等地区。

 

第16—17页

星座还能帮助人们导航。北极星，英文叫Polaris，并不是天空中最亮的恒星，但却很容易找到，因为它位于北极的正上方。很久以前，北半球的人就知道，如果他们看到了北极星，他们就是面朝北方。

在南半球的话，要寻找的星座则是南十字星座，因为它指向南极。

南十字星座

早期导航设备

下图是古代水手在海上导航用的一些工具。

十字测天仪

用来测量地平线与太阳或恒星之间的角度以确定纬度和方向的工具。

星盘

在海上用来测量太阳或恒星的高度（即与地平线的垂直距离）的工具。

早期的水手利用星座和他们的夜空知识在海上航行。他们发明了可以测量恒星和地平线夹角的特殊工具，从而获取其所在位置的纬度信息，或以此判断他们在赤道以北还是以南。

但他们还需要知道自己所在位置的经度，或者他们在本初子午线以东还是以西，本初子午线是想象中的零度经线。然而，测量经度的工具直到18世纪才发明出来。

直角象限仪

早期水手用来测量北极星高度的工具。

反向天体高度观测仪

在海上利用阴影来测量太阳高度的工具。

 

第18—19页

近距离观星

从地球上看，星星就像成千上万个闪闪发光的小点，有些星星看起来比另外一些更明亮。从地球上用肉眼看到的星象并没有随着时间的推移而变化，但我们对恒星的认识却已发生了天翻地覆的变化。

首先，宇宙中的恒星不是数以千计，而是数以万亿计！

据估计，肉眼可见的恒星有9000多颗，而从地球某一固定位置一次只能看到其中的2000颗左右，为此还需要理想的条件：漆黑的夜晚并且要在远离其他光源的地方。

星光闪烁

恒星并不闪烁，只是看起来像在闪烁，因为星光在穿过地球大气层时会发生弯曲或折射。

光污染

路灯和其他光源会照亮夜空，这叫光污染。光污染使得观测恒星和行星变得困难。

 

第20—21页

我们还认识到，恒星并不小，它们巨大无比！恒星只是在夜空中看起来很小，因为它们离我们太过遥远。

太阳就是一个很好的例子。太阳是太阳系中唯一的恒星，相较于其他恒星，它看起来更大——在某种程度上，它确实很大。如果太阳是中空的，在里面可以装下100万个地球。

遥远的距离

地球和太阳之间的距离是地球和月球之间距离的400倍。

主角

感觉地球似乎居于中心地位，但太阳才是太阳系中真正的恒星，太阳系中的一切都围绕太阳转。

但太阳实际上算不上很大，最大的恒星比太阳大好几千倍。

太阳看起来比其他恒星大是因为它离地球更近。不过，这里的“更近”是就太空而言，实际上太阳距离地球有1.5亿公里。比邻星是距离地球第二近的恒星，它到地球的距离几乎是太阳到地球距离的30万倍，所有其他的恒星离地球都更远！

此图显示太阳与银河系中其他恒星的大小对比。

流星

流星实际上不是恒星，而是一块陨石，是从太空坠落的彗星或小行星的尘块。对地球上的人来说，它看起来就像划过天空的一道光。

巨大的直径

太阳的直径有多大？可以在其上排列109个地球！

参宿四

北河三

天狼星

太阳

大角星

心宿二

毕宿五

参宿七

 

第22—23页

测量星光亮度

距离会影响物体的视觉大小，距离越远的东西看起来越小。距离也会影响物体的视觉亮度，距离越远的东西看起来越暗。

星等是衡量天体亮度的一种量度单位。恒星有两种星等：绝对星等是指恒星的实际亮度，视星等则指从地球上看到的恒星的亮度。这两种量度方法解释了为什么夜空中看起来最亮的一些恒星实际上比其他距离较远的恒星要暗。

牛郎星、织女星和天津四构成的夏季大三角星系就完美印证了这一点。从地球上看，这三颗星相较于太阳都很暗淡，也就是说，太阳的视星等要高得多。

夏夜的景象

在北半球，一年中的大部分时间都能看见夏季大三角。顾名思义，它在夏季最显眼。

鹰

牛郎星位于天鹰座，天鹰座的这只鹰属于希腊神宙斯。

然而，牛郎星的实际亮度约是太阳的11倍，织女星的亮度约是太阳的40倍，而天津四的亮度则高达太阳的19.6万倍。若论绝对星等，太阳与这些恒星相比黯然失色。

尾巴

天津四的英文Deneb在阿拉伯语中的意思是“尾巴”，可以在天鹅座的鹅尾巴上看到这颗遥远的恒星。

天琴座

织女星属于天琴座（Lyra），Lyra的意思是竖琴或里拉琴。织女星是一颗年轻的恒星，芳龄只有大约4.5亿年。

 

第24—25页

追星逐日

天文学家，即研究恒星的科学家，用两种方法测量恒星到地球的距离。

一种是光年，是基于时间的测量单位。一光年是光在一年内所能传播的距离——约9万亿公里。太阳与地球的距离是8光分，也就是说太阳的光需要8分钟到达地球。

另一种方法是以太阳系为基础单位。我们知道地球到太阳有多少英里，但是宇宙如此浩瀚，用英里或公里来测量更远的太空距离没有意义。

太阳系探索者

2018年，太空探索技术公司发射了首枚猎鹰重型运载火箭，将一辆特斯拉跑车和一个名叫“星人”的假人送入了太空。

长途旅行

开车从地球到太阳需要177年。

这就需要用到天文单位（AU）。一个天文单位大约是1.5亿公里，是地球和太阳之间的平均距离。海王星是太阳系中最远的行星，距离太阳有30个天文单位。

下图显示太阳系中各行星到太阳的距离。

水星  0.38

金星  0.72

地球  1.0

火星  1.52

木星  5.2

土星  9.5

天王星  19.2

海王星  30.0

行星到太阳的距离，天文单位

最近的邻居

比邻星是离太阳最近的恒星，距地球约4.2光年。

 

第26—27页

恒星的颜色

如果能近距离观察一颗恒星，你会发现它是一个庞大而炽热的气体球，会感觉到它表面散发出的热和光逸入太空。

你还会注意到恒星的颜色不一，甚至可以从地球上看到恒星的颜色。

开尔文

科学家用开尔文温标测量恒星的温度，开尔文温标上的最低温度是绝对零度，等于-273.15°C。

恒星的温度

红色恒星最冷，表面温度低于3500开尔文，蓝色恒星最热，温度达3万到6万开尔文，黄色恒星的温度在5000到6000开尔文之间。

恒星呈现红、橙、黄、白、蓝等颜色。影响恒星颜色的一个因素是恒星是由什么元素构成的。所有的恒星都含有氢和氦，但也含有少量的其他物质，这些物质燃烧时会发出不同颜色的光。

影响恒星颜色的一个更大因素是其表面温度。有些恒星燃烧得比其他恒星更炽热，就像金属加热后先变红再变白一样，恒星也会变色。红色恒星温度最低，蓝色恒星温度最高，橙色恒星、黄色恒星和白色恒星的温度介于两者之间。

看到双星

有些恒星是双胞胎！双星是两颗围绕同一个质心运行的恒星，较亮的恒星叫主星，较暗的恒星是伴星。

 

第28—29页

恒星的生命周期

和人一样，恒星也有生命周期，从诞生、衰老到死亡，这一切都从星云开始。星云是一团巨大的尘埃和气体云，主要是氢和氦。

星云中的粒子十分分散，但引力会慢慢地把它们拉到一起。随着粒子的聚集，星云团块开始形成并变大。

猎户座星云

恒星的诞生

星云被称为“恒星托儿所”。很多原恒星，即非常年轻的恒星，形成于同一个星云。

形成行星

恒星形成时，其周围残留的气体和尘埃会形成行星，围绕恒星运行的天体系统就是这样诞生的。

星云团块越大，引力就越大。最终，引力太大，导致星云坍缩，其中心的物质升温，形成一颗原恒星，原恒星最终会变成恒星。

恰到好处

银河系中大约6%的恒星是像太阳一样的黄色恒星，太阳拥有所有适宜的条件——刚好的寿命、刚好的亮度和刚好的温度——来支持地球上的生命生存。科学家依照太阳的特性在宇宙中寻找其他类地行星。

 

第30—31页

白矮星

红巨星

类太阳恒星

原恒星

孕育恒星的星云

大质量恒星

红超巨星

超新星

黑洞

中子星

随着原恒星质量的增加，其核心温度越来越高，密度越来越大。当温度足够高时，就会发生核聚变，原恒星变成主序星，进入恒星生命中时间最长、最稳定的阶段。恒星的引力与其产生的热量和辐射量相互平衡。

最终，恒星会燃尽其内核所有的氢。

褐矮星

如果原恒星的温度不够高，就无法启动核聚变，从而变成一颗失败的褐矮星。

中子星

一颗巨星坍缩时，其核心会形成一颗中子星。中子星体积小，密度极大——方糖大的一块就有地球最高峰珠穆朗玛峰那么重！大多数中子星都是脉冲星，它们发出的无线电波呈窄锥状，就像灯塔发出的光一样。

接下来会发生什么取决于恒星的质量。和太阳差不多大的恒星会变成红巨星，接着坍缩成白矮星，然后在冷却过程中逐渐变成黑矮星。

大得多的恒星会变成红超巨星，然后发生超新星爆炸。爆炸后的残余部分则变成中子星或黑洞。不管最后变成两者中的哪一个，这颗恒星的生命都就此终结。

现在的太阳

太阳是一颗主序星，在未来大约100亿年里都将如此。

太阳的未来

太阳最终会变成一颗红巨星，膨胀到目前体积的数倍。当这种情况发生时，太阳将吞噬太阳系中的行星——甚至可能吞噬地球。

 

第32—33页

探索星系

就像引力把气体和尘埃拽到一起形成恒星一样，引力也会把恒星拽到一起形成星系。星系是尘埃、气体、恒星和恒星周围天体系统的巨大集合。

一个星系里有数十亿颗恒星，而太空中有数十亿个星系。事实上，天文学家认为宇宙中可能有多达2000亿个星系。

银河系

恒星弃儿

大多数恒星都处于某个星系中，那些不在星系中的恒星被称为“恒星弃儿”或“星系际恒星”。

星系团

星系聚集形成星系团。我们所在的银河系属于一个叫作本星系群的星系团。星系团聚集形成超星系团，本星系群是室女超星系团的一部分。

 

第34—35页

太阳、地球和太阳系的其他部分都是银河系的一部分。在漆黑的夜晚，银河像一条微弱的光带在天空中闪烁。古罗马人最早称它为银河系（英文Milky Way的字面意思为“牛奶路”），因为他们认为它看起来像泼洒的牛奶横贯天空。

银河系有成千上万亿颗恒星，它们大多数和太阳一样，有行星围绕着它们运行，那是它们自己的太阳系。

从上方俯看，银河系就像一个巨大的风车，实际上它是一个螺旋形的圆盘。

追踪太空中的时间

宇宙的年龄是138亿年，银河系的年龄是136亿年，大多数星系的年龄在100亿到136亿年之间。

肉眼可见的星系

虽然仙女座星系距离地球约250万光年，但有时从地球上甚至可以用肉眼看到它，它看起来就像夜空中一片模糊的光斑。

太阳系位于银河系的一条外臂上——大约在银河系中心到外缘的中间位置。

在银河系的中心有一个黑洞，黑洞的引力非常大，任何东西靠得太近都会被引力拽过去并摧毁掉。但不用担心，这个黑洞距离地球约2.7万光年。由于距离太远，它的引力无法触及地球。

侧视角

从地球上看到的是银河系的侧面。

星汉遗恨

在中国一个古老的传说中，织女星代表天帝的女儿织女，牛郎星代表放牛的牛郎。织女和牛郎相爱，天帝勃然大怒，制造了一道天堑——银河——将他们分开，只让这对恋人在每年的七夕这天穿越银河相会。

 

第36—37页

宇宙中的星系分为三大类。有些是螺旋星系，比如银河系。它们是由气体和尘埃组成的圆盘，旋转速度极快，以至于中间凸起，外面形成臂状结构。在有些螺旋星系中，旋臂向外伸展得很开。在另一些螺旋星系中，旋臂则紧紧向中心收拢。螺旋星系星光闪耀，因为其中有很多年轻的恒星。

银河系的形状

银河系是一个棒旋星系，中间有一排明亮的恒星。

椭圆星系没有臂，形似拉长的球体或拉伸的圆圈。有些近乎圆形，有些则伸展得很长，看起来像热狗。这些星系的中心比外缘更明亮。

不规则星系没有固定的形状，既没有中间的凸起，也没有臂。有些曾经是螺旋星系或椭圆星系，后来被引力扯开。

螺旋形、椭圆形、不规则形

银河系中的恒星

年轻的恒星形成于螺旋星系的外臂，较老的恒星位于中心附近。

星系之最

宇宙中最大的星系是椭圆星系，最小的星系也是椭圆星系！

草帽星系

 

第38—39页

星系可通过官方编号来进行识别，但天文学家也给它们起了绰号——就像古人给星座起名字一样。有时，星系会因它与地球上某个物体的相似性而得名。

从侧面看，螺旋星系M104就像一顶传统的墨西哥阔边帽，因此，天文学家将其命名为草帽星系。

会变形的星系

和真的蝌蚪一样，蝌蚪星系也会随着年龄的增长而失去尾巴。

仙女座星系

仙女座星系因位于仙女座而得名。天文学家认为银河系和仙女座星系将在几十亿年后相撞。

有些天文学家认为，螺旋星系Arp 188是宇宙碰撞的受害者。该理论认为，数百万年前，一个较小的星系从Arp 188前面经过，引力把它甩在Arp 188后面。在这个过程中，Arp 188中的一些恒星、气体和尘埃被拽了出来，形成一条长长的尾巴，所以天文学家称Arp 188为蝌蚪星系。

蝌蚪星系

奇形怪状的星系

天文学家发现了一些星系，并用环、X、水母、蝴蝶和鼠海豚，甚至护卵的企鹅来描述其形状。

 

第40—41页

凝望星空

夜空中有许多奇妙的景象，我们用眼睛就可以看到很多，但是用特殊设备，我们能看到更多。

通过双筒望远镜，我们能从地球上看到数以万计的恒星。用一台小型天文望远镜，就能看到几百万颗恒星。

双筒望远镜与天文望远镜

天文望远镜比双筒望远镜看得更远，但是双筒望远镜更小、更轻、更方便、更便宜，还能给你一个更广阔的视野，让你用两只眼睛同时观看。

用双筒望远镜看到的天狼星

用高倍望远镜看到的天狼星

智利托洛洛山美洲际天文台上空的星迹。

天文学家用的是高倍望远镜，这类望远镜多数都在天文台里。英国有26个专业天文台，世界其他地方还分布着900多个。这些天文台里的大型望远镜让天文学家能够看到令人惊叹的宇宙画面。

世界最佳观星点

智利北部海岸是观星的最佳地点之一，那里干燥少雨，天空晴朗，几乎没有光污染。

 

第42—43页

为探索宇宙奥秘，人类已将多架高倍望远镜送入太空。哈勃太空望远镜绕地球运行，能拍摄到遥远星系的高清细节图。

钱德拉X射线天文台能接收来自恒星的X射线——一种不可见光。天文学家甚至已经将钱德拉和其他望远镜捕捉到的数字数据转化为声音。因此，尽管我们不能前往星际，但却能“聆听”银河系中心，听到恒星爆炸的声音。

银河系的黑洞

钱德拉X射线天文台只是一台帮助天文学家探索银河系中心黑洞的望远镜。

詹姆斯·韦布太空望远镜将继续深入探察宇宙，研究最早形成的恒星和星系，并透过星云中的尘埃，获得更清晰的恒星诞生图像。

左页图中哈勃太空望远镜在左，钱德拉X射线天文台在右。

詹姆斯·韦伯太空望远镜

看宇宙

哈勃太空望远镜改变了人们对太空的看法。它拍摄的照片显示，深空，即我们用地面望远镜看不到的地方，并非空无一物，而是充满了遥远而巨大的星系团。

 

第44—45页

数千年来，人们一直仰望夜空，对星星充满好奇。这些天上闪闪发光的东西到底是什么？对此，天文学家已经了解到很多，但还有更多需要探索。没人知道未来我们会在神秘的星空中发现什么。

新恒星

夜空中总能看到新的东西，银河系平均每年都会产生7颗左右的新恒星。

星图

活动星图是一种带有旋转窗口的星图，将窗口与当晚的日期和时间对齐，就可以显示当时能看到的恒星。