話說宇宙（簡體書）

《話說宇宙》通過10個專題，介紹了月球、太陽、日食和月食、太陽系、星空、恆星世界、銀河系和河外星系、宇宙的演化、外星人問題，以及探測宇宙的利器等，用通俗的語言對各類天體和宇宙結構作了系統的講解。對有志於瞭解天體和宇宙以及天文學基本知識的中學生、大學生和同等文化程度的其他讀者，這本天文科普讀物很值得一讀。

林元章，天體物理學家，中國科學院國家天文臺研究員。1956年畢業于南京大學天文系，先後任職於中國科學院紫金山天文臺和國家天文臺。1985～1986年為加拿大國家研究院Herzberg天體物理研究所客座教授。曾任中國天文學會理事和“太陽物理和日地關係”專業委員會主任，以及《天體物理學報》副主編。國際天文學會會員。享受國務院特殊津貼。研究方向為太陽物理學，發表論文100多篇，獲全國科技大會重大成果獎和中國科學院科技進步特等獎等6個獎項。曾在北京大學、中國科學技術大學和中國科學院研究生院講授“太陽物理學”和“恒星大氣物理”。退休後熱衷於天文科普工作。

林元章編寫的這本《話說宇宙》試圖通過十個選題，盡量用比較通俗的語言，對月球、太陽、日食和月食、太陽系、星空、恒星世界、銀河系和河外星系，直到宇宙深處，對天文學的基礎知識進行系統的講解。本書定位的讀者層次主要是高中生。對于有興趣了解宇宙基礎知識的大學生和社會大眾，本書也會有所幫助。

2007年5月14日溫家寶總理在同濟大學對師生的一次講話中，曾經談到“一個民族有一些關注天空的人，他們才有希望；一個民族只是關心腳下的事情，那是沒有未來的”。溫總理關于星空的激情詩作《仰望星空》(見附錄)，更是令人印象深刻。
星空和宇宙，總是給人神秘的感覺。星星離我們有多遠？太陽為何會發光？它的光芒還能持續多久？日食和月食是如何發生的？彗星和流星雨是怎么回事？太陽系和銀河系的構造如何？宇宙真的在膨脹嗎？到底有沒有外星人？天文學家如何獲得遙遠天體的知識？……我們腦海中有太多的疑問。同時，包括我國在內的眾多國家正在爭先恐后地探測月球，甚至還探測火星、木星、土星、金星、小行星和彗星。我國的嫦娥探月工程有哪些具體內容？花費巨大的人力、物力和財力進行月球探測值不值得？對其他天體的探測有何意義？這些也是人們關注的焦點。總之，天文學永遠是自然科學中最令社會大眾，尤其是大、中學生感興趣的學科之一。
然而，許多人卻分不清天文學與氣象學的區別，他們不知道氣象學研究的領域是地球大氣內(主要是對流層)的各種現象，如風、云、雨、雪；而天文學則是研究地球大氣外的物體(稱為天體)，如日、月、星星。也有許多人分不清星星中行星和恒星的含義。更有甚者，還會受到諸如“UFO就是外星人”，以及“三星或五星連珠表示將發生天災人禍，甚至世界末日”的誤導。因此，天文基礎知識的普及教育又是科普工作中相當急迫和重要的領域。
筆者在中國科學院紫金山天文臺和國家天文臺從事天文學專業研究工作40年(1957～1997年)。退休后曾在中國科學院研究生院講授“太陽物理學”課程，持續8年。從2002年開始，懷著專業科研人員從事科普工作是一種社會責任的信念，通過參加中國科學院老科學家科普宣講團，加入了科普群體。除了接受安排，到北京市的中、小學和少數大學作一次性的專題報告外，還在北京大學附屬中學(北大附中)和中國人民大學附屬中學(人大附中)開設選修課“話說宇宙”。本書就是根據多年講課的講稿整理和補充形成的。筆者試圖通過十個選題，盡量用比較通俗的語言，對月球、太陽、日食和月食、太陽系、星空、恒星世界、銀河系和河外星系，直到宇宙深處，對天文學的基礎知識進行系統的講解。本書定位的讀者層次主要是高中生，不過根據筆者在選修課講授中的經驗，感到對于選修此課的初中生(他們大多是天文愛好者)，理解本書的大部分內容也并無困難。筆者相信，本書對于有興趣了解宇宙基礎知識的大學生和社會大眾，也會有所幫助。
林元章
2012年3月

前言
第一章探測月球
一、月球概述
二、月球探測的意義
三、月球探測的歷史回顧
四、中國的嫦娥探月工程

第二章我們的太陽
一、為什麼要研究太陽
二、太陽的基本構造
三、太陽活動現象
四、太陽對地球的影響
五、太陽的演化

第三章天象奇觀日月食
一、日食和月食是如何發生的？
二、日食和月食的類型及其發生頻率
三、日全食的觀測意義
四、我國的日全食和日環食觀測

第四章走進太陽系
一、從冥王星降級說起
二、大行星及其空間探測
三、太陽系的小天體

第五章仰望浩瀚的星空
一、星座、星名和星等
二、恒星距離和絕對星等
三、恒星的光度、大小、質量和密度
四、恒星的信息寶庫——光譜

第六章恒星世界真奇妙
一、雙星
二、變星
三、耀星、新星和超新星
四、星團、星雲和星際物質
五、恒星的誕生和消亡

第七章巡遊宇宙島嶼
一、銀河系
二、正常河外星系
三、特殊星系
四、星系團和超星系團
五、宇宙背景輻射

第八章宇宙是如何演化的？
一、早期的宇宙模型
二、標準大爆炸宇宙模型
三、宇宙極早期的暴脹模型
四、暗物質、暗能量和宇宙加速膨脹

第九章外星人在哪裡？
一、UFO不是外星人
二、太陽系外行星搜索
三、嘗試與外星人溝通

第十章探索宇宙的利器
一、天體的輻射和天文望遠鏡分類
二、太陽望遠鏡
三、地基天文光學望遠鏡
四、射電天文望遠鏡
五、空間望遠鏡
參考書目
附錄

天體離我們非常遙遠，除了太陽系天體可以通過航天器進行近距離或登陸探測外，對于太陽系以外的恒星和星系，天文學家只能通過接收它們的輻射來進行分析和研究，主要是用物理學的方法對觀測資料進行綜合分析和理論推斷，來獲取關于它們的物理構造、化學組成、運動狀態以及演化等知識。換句話說，天體輻射中包含著非常豐富的天體信息，天文學家正是通過各種望遠鏡來接收盡可能多的天體輻射，再用物理學的方法進行破譯，從而獲得它們的各種特征。因此天文學是一門以觀測為依據，對其進行理論分析和推斷，從而得出結論的學科，這一點與其他科學是相似的。
廣義的天體輻射包括電磁波和粒子流(各種帶電粒子和中微子等)。不過天體發射的電磁波能量通常遠高于粒子流能量，以及絕大部分探測器是針對電磁波輻射，因此一般談及天體輻射主要是指它們的電磁波輻射。電磁波按波長增大順序可分為如下不同波段：γ射線、硬x光、軟x光、遠紫外光(EUV)、紫外光(UV)可見光、紅外光(IR)和射電波段。如所熟知，電磁波具有波動和粒子二重性，各波段的波長及其對應的光子能量E=hv(其中v為頻率，h為普朗克常數)列于表10.1中。射電波段依波長增大順序又可分為毫米波段(mm)、厘米波段(cm)、分米波段(dm)和米波段(m)。在通信領域則分為微波(1毫米至10米)、短波(10米至100米)、中波(100米至1000米)、長波(1千米至1萬米)和超長波(大于10公里)。在天文學領域，往往也把波長為0.1mm至1mm的亞毫米波段歸入射電波段，不歸入紅外波段。然而由于地球大氣的吸收，能夠進入地球大氣而到達地面的電磁波只限于可見光和紅外波段中的一些透明窗口，以及射電波段。紅外波段的透明度主要取決于大氣中水汽的含量。天體電磁波中的γ射線、x光和紫外光只能在地球大氣之上的高空進行觀測。
不同天體或同一天體的不同區域或不同的物理過程，其發射的電磁波譜有所不同。例如，太陽的低層大氣——光球溫度只有大約6000 K(K表示開氏溫度，天文學中未指明溫標時通常均指開氏溫度)，因此主要的輻射功率集中在可見光區和紅外光區，其極大值位于黃綠光區。光球上方的色球層的溫度為10*4～10*5量級，輻射功率集中在紫外波段，以及射電波中的毫米和厘米波段。而在色球之上的日冕層中，溫度高達百萬度量級，其輻射主要集中在x光波段，以及射電波中的分米波和米波區。而當太陽發生耀斑(劇烈的太陽爆發現象)時，就會從太陽耀斑區幾乎同時發射出強烈的x光、紫外光和射電波，有時還有Y射線，以及各種粒子流(主要是質子和電子)。另一方面，在更為遙遠的恒星和星系領域，情況也是如此。一般恒星和與它們溫度相當的天體的輻射，主要集中在可見光和紅外光波段，但其極大功率隨溫度增大而從光譜的紅端向紫端遷移。許多涉及高能物理過程的天象，如黑洞吸引鄰近恒星周圍的大氣，就會形成x光發射源，從而提供了發現黑洞的方法。而觀測到的一些x光爆發源的物理性質則在探討之中。天體的γ射線發射往往與某些超高能的物理過程相聯系，例如起源于活動星系核中的超級黑洞，以及兩顆中子星的碰撞。許多丫射線源的輻射機制也尚待探明，其中可能隱藏著對認識宇宙至關重要的奧秘。紅外波段在探索宇宙奧秘中也占有非常重要的地位。例如在恒星形成早期和演化到晚期，以及一些星云，由于溫度不高，主要輻射集中在紅外波段。紅外輻射還有一個主要特征，即能夠透過宇宙塵埃，因而利用這個波段能夠探測到被宇宙塵埃遮蓋的非常遙遠和寒冷的天體。至于射電波段，那更是可以說占據著與光學波段并列的半邊天地位。20世紀60年代天文學中的四大發現，即脈沖星、類星體、星際分子和宇宙微波背景輻射，主要是射電天文觀測的貢獻。由上可見，對于探測宇宙奧秘來說，天體輻射的電磁波段中，所有波段都非常重要，一個也不能少。僅僅通過地面能夠接收到的可見光和部分紅外光，以及射電波段進行“坐地觀天”，看到的宇宙是不完整的，只有設法進行全波段的觀測，并對其進行綜合分析和理論推斷之后，才能揭示出完整的宇宙圖象。美國學者賈可尼(R·Giacconi)就因開拓了x光波段的天文觀測研究，為天文學作出重大貢獻而獲得2002年的諾貝爾物理學獎。
所謂天文望遠鏡，就是用于接收和記錄天體的某種輻射，并具有某些特殊功能的科學儀器。這些功能如能對天體進行白光或單色光照相，得到它們的光譜或磁場數據，自動繪出天體的光度變化或視向速度變化曲線，甚至二維分布圖等。千資百態的天體發射的電磁波譜各不相同，它們輻射的強度也千差萬別。另一方面，接收不同波段和不同強度輻射所涉及的技術又有很大不同，因此天文望遠鏡的類型也就非常之多。不過大體上可以分為安裝在地面的地基望遠鏡和利用航天技術發射到高空進行觀測的空間望遠鏡(或天基望遠鏡)二大類。而地基望遠鏡中又可分為光學望遠鏡和射電望遠鏡兩種。前者用于觀測天體的可見光和紅外波段的輻射，后者則用于觀測天體射電輻射，有各種波段的地基射電望遠鏡。空間望遠鏡由于擺脫了地球大氣的吸收，可以對任何波段的天體輻射進行觀測。不過由于不同波段所涉及的技術差別很大，因此在天基的空間望遠鏡中，又分為1，射線、x光、紫外光、可見光、紅外光以及射電空間望遠鏡。
據說最原始的望遠鏡是荷蘭眼鏡匠利帕席發明的，由一塊凸透鏡和一塊凹透鏡構成。伽利略聽說后于1609年也造了一具口徑4.4厘米的望遠鏡，并把它指向天空，用于觀測天體，立竿見影地發現了一系列天文現象，包括看到了月亮上的環形山、金星的盈虧、太陽黑子、木星的四個衛星，以及把一片銀河分解為眾多恒星。因此我們至少可以說天文望遠鏡是伽利略發明的，是他開啟了用望遠鏡觀測和研究天體的先河，促進了天文學以及相關學科如數學和物理學的發展。2009年正好是天文望遠鏡發明和用天文望遠鏡開始觀測天體400周年。在這一漫長的歷程中，經過各種改造和新技術的引進，包括用反射鏡取代透鏡、照相術、光譜儀、光電光度計、速度測量儀、磁場測量儀、數碼像感器、光纖技術、紫外和紅外技術、主動光學和自適應光學等，使我們擁有了不同功能和威力巨大的天文望遠鏡家族，它們是人類探測宇宙的強大武器。
P214-216