宇宙(天文學名詞)

廣義的宇宙定義是萬物的總稱，是時間和空間的統一。狹義的宇宙定義是地球大氣層以外的空間和物質。“宇宙航行”的“宇宙”定義就是狹義的“宇宙”的定義，宇宙航行意思就是在大氣層以外的空間航行。

而宇宙本質，目前大致有三種概念。

唯心者的意識宇宙，唯物者的物質宇宙，和法則宇宙。

古代對宇宙的定義，有西漢的《淮南子》：“往古來今謂之宙，四方上下謂之宇”。

通過宇宙微波背景輻射的觀測發現我們的宇宙已經膨脹了138.2億年，最新的研究認為宇宙的直徑可達到920億光年，甚至更大。

人類所觀察到的部分宇宙的物件大約是由4.9%的普通物質（構成恆星、行星、氣體和塵埃的物質）或“重子”，26.8%的暗物質和68.3%的暗能量構成。重子物質構成星系際的“蛛網”。

在宇宙中，地球是目前人類所知唯一一顆有生命存在的星球。

宇宙大爆炸是描述宇宙誕生初始條件及其後續演化的宇宙學模型，這一模型得到了當今科學研究和觀測最廣泛且最精確的支持。宇宙學家通常所指的大爆炸觀點為：宇宙是在過去有限的時間之前，由一個密度極大且溫度極高的太初狀態演變而來的，並經過不斷的膨脹到達今天的狀態。

暗物質和暗能量分別通過對普通物質產生的引力作用和推動宇宙做加速膨脹而表明它們的存在。如果暗能量不存在，那么物質間的萬有引力作用就會減慢宇宙的膨脹，但是天文觀測表明我們的宇宙在做加速膨脹運動。宇宙由一切天體組成。

基本介紹

• 中文名：宇宙
• 外文名：Universe
• 年齡：138.2億年 
• 套用學科：地質學、天文學、量子力學、
• 學科：自然科學
• 誕生：奇點大爆炸
• 可觀測直徑：920億光年 
• 結局：熱寂（學術界主流觀點）
• 形狀：球體
• 預估完全直徑：160Gly

古今觀點

新型觀點：宇宙視為一離散化的有機整體，其為多模組、多層次分布的統一而又矛盾的個體構成。簡稱OSCC(organic scattered consolidate contradict)。

歷史記載

《文子·自然》：“往古來今謂之宙，四方上下謂之宇。” 《莊子·庚桑楚》：“出無本，入無竅。有實而無乎處，有長而無乎本剽。有所出而無竅者有實。有實而無乎處者，宇也；有長而無本剽者，宙也。”《尸子》：“上下四方曰宇，往古來今曰宙。” 《淮南子》：“往古來今謂之宙，四方上下謂之宇”。

從遠古到現代

中國古人曾提出蓋天說、宣夜說和渾天說，在春秋戰國時期民間就有嫦娥奔月的傳說，漢代學者張衡也曾提出“宇之表無極，宙之端無窮”的無限宇宙概念。渾天說認為天地的形狀像一個雞蛋，天與地的關係就像蛋殼包著蛋黃。張衡認為渾天說比較符合觀測的實際。

美國藝術家PabloCarlosBudassi畫出整個宇宙

公元前7世紀，巴比倫人認為，天和地都是拱形的，大地被海洋所環繞，而其中央則是高山。

古埃及人把宇宙想像成以天為盒蓋、大地為盒底的大盒子，大地的中央則是尼羅河。

古猶太人認為，地球是宇宙的中心，周圍繞著一圈星球，再往外去，寥落地分布著其餘天體。有一個靜止的天球存在，在其內部，星球各居其位，轉動不止。

地球原來是近似圓形

最早認識到大地是球形的是古希臘人。公元前6世紀，畢達哥拉斯從美學觀念出發，認為一切立體圖形中最美的是球形，主張天體和大地都是近似球形的。這一觀念為後來許多古希臘學者所繼承，被16世紀初麥哲倫的環球航行所證實。

地心說、日心說和萬有引力定律

公元2世紀，C.托勒密提出了世界上第一個行星體系模型地心說。地球處於宇宙中心。從地球向外，依次有月球、水星、金星、太陽、火星、木星和土星，在各自的圓軌道上繞地球運轉。為了說明行星運動的不均勻性，提出行星在本輪上繞其中心轉動，而本輪中心則沿均輪繞地球轉動。

托勒密的地心說示意圖

1543年，N.哥白尼所著《天球運行論》正式提出了“日心說”觀點，認為太陽是行星系統的中心，一切行星都繞太陽旋轉。地球也是一顆行星，它上面像陀螺一樣自轉，一面又和其他行星一樣圍繞太陽轉動。在中世紀的歐洲，托勒密的地心說由於符合神權統治理論的需要，一直占有統治地位。為了捍衛日心說，不少仁人志士與黑暗的神權統治勢力進行了前仆後繼的鬥爭，付出了血的代價。

1609年，J.克卜勒的克卜勒三定律揭示了地球和諸行星都在橢圓軌道上繞太陽公轉，發展了日心說，為牛頓萬有引力定律的提出打下了基礎。1608年利普賽發明望遠鏡後，伽利略立即加以改造並指向蒼穹。1610年，伽利略發表了劃時代的著作《星際使者》，朦朧的銀河原來是無邊的星海，皎潔的月亮竟然布滿了環形山，燦爛的太陽哪知會有黑子，而金星的相位變化和木星的4顆衛星恰恰是日心說最可靠的證據。

1687年，I.牛頓發現了萬有引力定律，使哥白尼的學說獲得更加穩固的科學基礎。

詹姆斯-韋伯空間望遠鏡的兩片測試鏡面

天文望遠鏡的誕生帶來了天文學的第一次革命。隨著天文望遠鏡等觀測和分析儀器的問世和改進，人類對宇宙的認識愈加清晰豐富。望遠鏡的每一次發展、突破，都促進了天文學的重大發現和人類對宇宙認識的飛躍，對數學、物理學及其他自然科學產生重大影響，並推動了人類文明進程。

河外星系

在哥白尼的理論中，恆星只是位於最外層恆星天上的光點不可能的。

1584年，喬爾丹諾·布魯諾提出恆星都是遙遠的太陽。

18世紀上半葉，由於E.哈雷對恆星自行的發展和J.布拉得雷對恆星遙遠距離的科學估計，布魯諾的推測得到了越來越多人的贊同。

18世紀中葉，T.賴特、I.康德和J.H.朗伯推測說，布滿全天的恆星和銀河構成了一個巨大的天體系統。弗里德里希·威廉·赫歇爾首創用取樣統計的方法，用望遠鏡數出了天空中大量選定區域的星數以及亮星與暗星的比例，1785年首先獲得了一幅扁而平、輪廓參差、太陽居中的銀河繫結構圖，奠定了銀河系概念的基礎。

在此後一個半世紀中，H.沙普利發現了太陽不在銀河系中心、J.H.奧爾特發現了銀河系的自轉和旋臂，以及許多人對銀河系直徑、厚度的測定，科學的銀河系概念才最終確立。

18世紀中葉，康德等人還提出，在整個宇宙中，存在著無數像銀河系那樣的天體系統。

到1924年，由E.P.哈勃用造父視差法測量仙女星系的距離確認了河外星系的存在。

直徑和年齡

最新的研究認為宇宙的直徑可920億光年，甚至更大。

目前可觀測的宇宙年齡大約為138.2億年。

形狀

目前的宇宙理論認為宇宙可能是類似馬鞍狀的負彎曲形狀，該理論源於宇宙大爆炸理論，整個宇宙的外形如同一個吹起的氣球，我們則生活在宇宙的“表面”。

宇宙微波背景的溫度一端高，暗示呈彎曲狀

同時，科學家也認為宇宙是平坦的，根據美國宇航局的調查，宇宙可能是平坦的，2013年的調查發現如果宇宙是平坦的，那么誤差只有0.4%。

史蒂芬·霍金表示，我們宇宙的形狀可能是一種難以置信的幾何圖形，更接近於超現實主義的藝術，如同荷蘭藝術家摩里茨·科奈里斯·埃舍爾創作的圖形一樣。

銀河系

霍金的想法以弦理論為依據，而該理論目前仍然還處於假設之中，並未被驗證。如果用語言來形容宇宙的形狀，應該是整體呈現多重鑲嵌模式，具有無限重複出現的扭曲面，曲面間環環相扣，如同科奈里斯·埃舍爾創作的“圓形極限IV”圖案，也與美國工程師P.H. Smith創作的“史密斯圓圖”類似，體現出雙曲空間的概念，是一種非歐幾何的空間形態。

層次結構

當代天文學研究成果表明，宇宙是有層次結構的、不斷膨脹、物質形態多樣的、不斷運動發展的天體系統。

即將發生碰撞的兩個星系NGC 470和NGC 474

行星、小行星、彗星和流星體都圍繞中心天體太陽運轉，構成太陽系。

太陽系外也存在其他行星系統。約2500億顆類似太陽的恆星和星際物質構成更巨大的天體系統——銀河系。銀河系的直徑約10萬光年，太陽位於銀河系的一個旋臂中，距銀心約2.6萬光年。

銀河系外還有許多類似的天體系統，稱為河外星系，常簡稱星系。目前觀測到1000億個星系，科學家估計宇宙中至少有2萬億個星系。

星系聚集成大大小小的集團，叫星系團。平均而言，每個星系團約有百餘個星系，直徑達上千萬光年。現已發現上萬個星系團。包括銀河系在內約40個星系構成的一個小星系團叫本星系群。

橢圓星系Hercules A中心超大黑洞引發的噴流

若干星系團集聚在一起構成的更高一層次的天體系統叫超星系團。超星系團往往具有扁長的外形，其長徑可達數億光年。通常超星系團內只含有幾個星系團，只有少數超星系團擁有幾十個星系團。

本星系群和其附近的約50個星系團構成的超星系團叫做本超星系團。

星系分類

根據可反映星系發展狀態的序列號對星系進行了分類，可以粗略地將星系劃分出橢圓星系、透鏡星系、漩渦星系、棒旋星系和不規則星系等五種。

太陽系天體

太陽質量占太陽系總質量的99.86%，它以自己強大的引力將太陽系裡的所有天體牢牢地吸引在它的周圍，使它們不離不散、井然有序地繞自己旋轉。同時，太陽又作為一顆普通恆星，帶領它的成員，萬古不息地繞銀河系的中心運動。太陽的半徑為696000千米，質量為1.989×10^30kg，中心溫度約15000000 ℃，。如果一個人站在太陽表面，那么他的體重將會是在地球上的20倍。現代星雲假說根據觀測資料和理論計算，提出：太陽系原始星雲是巨大的星際雲瓦解的一個小雲，一開始就在自轉，並在自身引力作用下收縮，中心部分形成太陽，外部演化成星雲盤，星雲盤以後形成行星。目前，現代星雲說又存在不同學派，這些學派之間還存在著許多差別，有待進一步研究和證實。

NASA公布的太陽風暴的照片

金星是離太陽的第二顆行星，夜空中亮度僅次於月球。金星上沒有水，大氣中嚴重缺氧，二氧化碳占97%以上，空氣中有一層厚達20千米至30千米的濃硫酸雲，地面溫度從不低於400℃，是個名副其實的“煉獄”般世界。金星地面的大氣壓強為地球的90倍，相當於地球海洋中900米深度時的壓強。金星大氣主要由二氧化碳等溫室氣體組成，失控的溫室效應，是導致金星極端氣候的主要原因。 由於金星沒有內稟磁層保護，誘發磁層中磁場重聯釋放的巨大能量，使得金星大氣被加熱後加速逃逸。科學界認為，金星上大氣的逃逸，是造成金星上缺水而被富含二氧化碳的稠密大氣所籠罩，從而導致嚴重的溫室效應的原因。

木星是離太陽第五顆行星，而且是最大的一顆，比所有其他的行星的合質量大2倍（地球的318倍），直徑142987km。它是氣態行星沒有實體表面，由90%的氫和10%的氦（原子數之比, 75/25%的質量比）及微量的甲烷、水、氨水和“石頭”組成。這與形成整個太陽系的原始的太陽系星雲的組成十分相似。木星可能有一個石質的核心，相當於10－15個地球的質量。核心上則是大部分的行星物質集結地，以液態氫的形式存在。液態金屬氫由離子化的質子與電子組成（類似於太陽的內部，不過溫度低多了）。木星共有67顆木衛。按距離木星中心由近及遠的次序為：木衛十六、木衛十四、木衛五、木衛十五、木衛一、木衛二、木衛三、木衛四、木衛十三、木衛六、木衛十、木衛七、木衛十二、木衛十一、木衛八和木衛九。

木星及其衛星歐羅巴（木衛二）

水星是最接近太陽的行星。水星的半徑約為2440公里，在八大行星中是最小的。水星晝夜溫差極大，白天攝氏 430 度，晚上約可達零下170 度，是太陽系八大行星中溫差最大的一個行星。水星的外大氣層非常稀薄，是由水星表面和太陽風中的原子和離子構成。科學家確認水星表面含有豐富的碳，認為碳是水星表面呈黑色的原因，水星表面的岩石是由低重量百分比的石墨碳構成。

“好奇號”火星探測器在火星表面採集樣本

火星是地球的近鄰，是太陽系由內往外數第四顆行星。直徑6794km，體積為地球的15%，質量為地球的11%。火星表面是一個荒涼的世界，空氣中二氧化碳占了95%。火星大氣十分稀薄，密度還不到地球大氣的1%，因而根本無法保存熱量。這導致火星表面溫度極低，很少超過0℃，在夜晚，最低溫度則可達到-123℃。火星被稱為紅色的行星，這是因為它表面布滿了氧化物，因而呈現出鐵鏽紅色。其表面的大部分地區都是含有大量的紅色氧化物的大沙漠，還有赭色的礫石地和凝固的熔岩流。火星上常常有猛烈的大風，大風揚起沙塵能形成可以覆蓋火星全球的特大型沙塵暴。每次沙塵暴可持續數個星期。火星兩極的冰冠和火星大氣中含有水份。從火星表面獲得的探測數據證明，在遠古時期，火星曾經有過液態的水，而且水量特別大。

土星是離太陽第六顆行星，直徑120536㎞，體積僅次於木星。主要由氫組成，還有少量的氦與微量元素，內部的核心包括岩石和冰，外圍由數層金屬氫和氣體包裹著。地球距離土星13億公里。土星的引力比地球強2.5倍，能夠牽引太陽系內其它行星，使地球處於一個橢圓軌道中運行，並且與太陽保持適當距離，適宜生命繁衍。當土星軌道傾斜20度將使地球軌道比金星軌道更接近太陽，同時，這將導致火星完全離開太陽系。土星是已知唯一密度小於水的行星，假如能夠將土星放入一個巨大的浴池之中，它將可以漂浮起來。土星有一個巨大的磁氣圈和一個狂風肆虐的大氣層，赤道附近的風速可達1800千米/時。在環繞土星運行的31顆衛星中間，土衛六是最大的一顆，比水星和月球還大，也是太陽系中唯一擁有濃厚大氣層的衛星。

天王星是離太陽第七顆行星，51118km。體積約為地球的65倍，在九大行星中僅次於木星和土星。天王星的大氣層中83%是氫，15%為氦，2%為甲烷以及少量的乙炔和碳氫化合物。上層大氣層的甲烷吸收紅光，使天王星呈現藍綠色。大氣在固定緯度集結成雲層，類似於木星和土星在緯線上鮮艷的條狀色帶。天王星雲層的平均溫度為零下193攝氏度。質量為8.6810±13×10²⁵kg，相當於地球質量的14.63倍。密度較小，只有1.24克/立方厘米，為海王星密度值的74.7%。

海王星是離太陽的第八顆行星，直徑49532千米。海王星繞太陽運轉的軌道半徑為45億千米，公轉一周需要165年。從1846年發現到今天，海王星還沒有走完一個全程。海王星的直徑和天王星類似，質量比天王星略大一些。海王星和天王星的主要大氣成分都是氫和氦，內部結構也極為相近，所以說海王星與天王星是一對孿生兄弟。海王星有太陽系最強烈的風，測量到的時速高達2100公里。海王星雲頂的溫度是－218 °C，是太陽系最冷的地區之一。海王星核心的溫度約為7000 °C，可以和太陽的表面比較。海王星在1846年9月23日被發現，是唯一利用數學預測而非有計畫的觀測發現的行星。

恆星

冥王星，位於海王星以外的柯伊伯帶內側，是柯伊伯帶中已知的最大天體。直徑約為2370±20km，是地球直徑的18.5%。2006年8月24日，國際天文學聯合會大會24日投票決定，不再將傳統九大行星之一的冥王星視為行星，而將其列入“矮行星”。大會通過的決議規定，“行星”指的是圍繞太陽運轉、自身引力足以克服其剛體力而使天體呈圓球狀、能夠清除其軌道附近其他物體的天體。在太陽系傳統的“九大行星”中，只有水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星和海王星符合這些要求。冥王星由於其軌道與海王星的軌道相交，不符合新的行星定義，因此被自動降級為“矮行星”。冥王星的表面溫度大概在-238到-228℃之間。冥王星的成份由70%岩石和30%冰水混合而成的。地表上光亮的部分可能覆蓋著一些固體氮以及少量的固體甲烷和一氧化碳，冥王星表面的黑暗部分可能是一些基本的有機物質或是由宇宙射線引發的光化學反應。冥王星的大氣層主要由氮和少量的一氧化碳及甲烷組成。大氣極其稀薄，地面壓強只有少量微帕。

衛星拍月球經過地球，可見清晰月球背面

地球是離太陽第三顆行星，是我們人類的家鄉，儘管地球是太陽系中一顆普通的行星，但它在許多方面都是獨一無二的。比如，它是太陽系中唯一一顆面積大部分被水覆蓋的行星，也是目前所知唯一一顆有生命存在的星球。質量M=5.9742 ×10^24 公斤，表面溫度：t = - 30 ～ +45。英國科研人員在《天體生物學》雜誌上報告說，如果沒有小行星撞擊等可能劇烈改變環境的事件發生，地球適宜人類居住的時間還剩約17.5億年，不過人為造成的氣候變化可能縮短這一時間。

彗星是由灰塵和冰塊組成的太陽系中的一類小天體，繞日運動。科學家使用探測器對彗星的化學遺留物進行分析，發現其主要成份為氨、甲烷、硫化氫、氰化氫和甲醛。科學家得出結論稱，彗星的氣味聞起來像是臭雞蛋、馬尿、酒精和苦杏仁的氣味綜合。

“67P/楚留莫夫-格拉希門克”彗星

在太陽系的周圍還包裹著一個龐大的“奧爾特雲”。星雲內分布著不計其數的冰塊、雪團和碎石。其中的某些會受太陽引力影響飛入內太陽系，這就是彗星。這些冰塊、雪團和碎石進入太陽系內部，其表面因受太陽風的吹拂而開始揮發。所以彗星都拖著一條長長的尾巴，而且越靠近太陽尾巴越長、越明顯。太陽系內的星際空間並不是真空的，而是充滿了各種粒子、射線、氣體和塵埃。

柯伊伯帶，是一種理論推測認為短周期彗星是來自離太陽50—500天文單位的一個環帶，位於太陽系的盡頭。柯伊伯帶是冰質殘片組成的巨環，位於海王星軌道之外，環繞著太陽系的外邊緣。

物質多樣性

紅巨星，當一顆恆星度過它漫長的青壯年期——主序星階段，步入老年期時，它將首先變為一顆紅巨星。稱它為“巨星”，是突出它的體積巨大。在巨星階段，恆星的體積將膨脹到十億倍之多。稱它為“紅”巨星，是因為在這恆星迅速膨脹的同時，它的外表面離中心越來越遠，所以溫度將隨之而降低，發出的光也就越來越偏紅。不過，雖然溫度降低了一些，可紅巨星的體積是如此之大，它的光度也變得很大，極為明亮。紅巨星一旦形成，就朝恆星的下一階段白矮星進發。

白矮星，是一種低光度、高密度、高溫度的恆星。因為顏色呈白色、體積比較矮小，因此被命名為白矮星。白矮星是一種很特殊的天體，它的體積小、亮度低，但質量大、密度極高。白矮星是中低質量的恆星的演化路線的終點。在紅巨星階段的末期，恆星的中心會因為溫度、壓力不足或者核聚變達到鐵階段而停止產生能量。恆星外殼的重力會壓縮恆星產生一個高密度的天體。一個典型的穩定獨立白矮星具有大約半個太陽質量，比地球略大。這種密度僅次於中子星和夸克星。如果白矮星的質量超過1.4倍太陽質量，那么原子核之間的電荷斥力不足以對抗重力，電子會被壓入原子核而形成中子星。原子是由原子核和電子組成的，原子的質量絕大部分集中在原子核上，在巨大的壓力之下，電子將脫離原子核，成自由電子。這種自由電子氣體將儘可能地占據原子核之間的空隙，從而使單位空間內包含的物質也將大大增多，密度大大提高了。形象地說，這時原子核是“沉浸於”電子中，常稱之為“簡併態”。大多數的恆星核心通過氫核聚變進行燃燒，將質量轉變為能量，並產生光和熱量，當恆星內部氫燃料完成消耗完後就開始進行氦融合反應，並形成更重的碳和氧，這一過程對於類似太陽這樣的恆星而言，就顯得較為短暫，並形成碳氧組成的白矮星，如果其質量大於1.4倍太陽質量，就會發生Ia型超新星爆發。

哈勃望遠鏡觀測到白矮星死亡過程

類星體,20世紀60年代以來，天文學家還找到一種在銀河系以外像恆星一樣表現為一個光點的天體，但實際上它的光度和質量又和星系一樣，我們叫它類星體，現在已發現了數千個這種天體。

超新星，是恆星演化過程中的一個階段。超新星爆發是某些恆星在演化接近末期時經歷的一種劇烈爆炸。一般認為質量小於9倍太陽質量左右的恆星，在經歷引力坍縮的過程後是無法形成超新星的。在大質量恆星演化到晚期，內部不能產生新的能量，巨大的引力將整個星體迅速向中心坍縮，將中心物質都壓成中子狀態，形成中子星，而外層下坍的物質遇到這堅硬的“中子核”反彈引起爆炸。這就成為超新星爆發，質量更大時，中心更可形成黑洞。在超新星爆發的過程中所釋放的能量，需要我們的太陽燃燒900億年才能與之相當。超新星研究有著關乎人類自身命運的深層意義。如果一顆超新星爆發的位置非常接近地球，目前國際天文學界普遍認為此距離在100光年以內，它就能夠對地球的生物圈產生明顯的影響，這樣的超新星被稱為近地超新星。有研究認為，在地球歷史上的奧陶紀大滅絕，就是一顆近地超新星引起的，這次滅絕導致當時地球近60%的海洋生物消失。

脈衝星，是恆星在超新星階段爆發後的產物。超新星爆發之後，就只剩下了一個“核”，僅有幾十公里大小，它的旋轉速度很快，有的甚至可以達到每秒714圈。在旋轉過程中，它的磁場會使它形成強烈的電波向外界輻射，脈衝星就像是宇宙中的燈塔，源源不斷地向外界發射電磁波，這種電磁波是間歇性的，而且有著很強的規律性。正是由於其強烈的規律性，脈衝星被認為是宇宙中最精確的時鐘。脈衝星靠消耗自轉能而彌補輻射出去的能量，因而自轉會逐漸放慢。但是這種變慢非常緩慢，以致於信號周期的精確度能夠超過原子鐘。而從脈衝星的周期就可以推測出其年齡的大小，周期越短的脈衝星越年輕。脈衝星的特徵除高速自轉外，還具有極強的磁場，電子從磁極射出，輻射具有很強的方向性。由於脈衝星的自轉軸和它的磁軸不重合，在自轉中，當輻射向著觀測者時，觀測者就接收到了脈衝。脈衝星就是快速自轉的中子星。

中子星，是超大質量恆星爆炸形成超新星時殘留的核心，它是密度非常高的天體，相當於將太陽的質量裝入一個直徑僅有20千米的球體內。中子星能夠每秒旋轉數百次，由於超強的引力作用和旋轉速度，中子星可在時空中形成較大的“漣漪”，但如果其表面包含隆起或其他瑕疵，時空中出現的“漣漪”將出現不均勻性。中子星的表面被認為是由富含中子微粒的結晶層，是一種固體堅硬的外層。中子星表面的原子排列地比鋼鐵更加緊密，其強度是鋼鐵斷點的100億倍。堅硬的表面意味著中子星能夠支撐大量的表面隆起地形——“山脈”，可能在中子星表面能夠支撐一些10厘米高的地形隆起，延伸至幾公里之外。研究認為黃金和其他重金屬元素可能來自於中子星碰撞的大爆炸。

夸克星，是一種假設的星體。恆星爆發之後會留下遺骸，一顆中子星或者一個黑洞。但如果這個遺骸比上質量太小無法成為黑洞，比下質量太大無法形成中子星，則形成夸克星。雖然還沒有被觀測到，但天文學家們相信它們應該是存在的。夸克星其實是由奇異夸克物質所組成的，所以它們還被稱為奇異星。

黑洞，一種特别致密的暗天體。大質量恆星在其演化末期發生塌縮，其物質特别致密，它有一個稱為“視界”的封閉邊界，黑洞中隱匿著巨大的引力場，因引力場特彆強以至於包括光子(即組成光的微粒，速度c=3*10^8m/s)在內的任何物質只能進去而無法逃脫。黑洞的產生過程類似於中子星的產生過程；恆星的核心在自身重量的作用下迅速地收縮，發生強力爆炸。當核心中所有的物質都變成中子時收縮過程立即停止，被壓縮成一個密實的星球。但在黑洞情況下，由於恆星核心的質量大到使收縮過程無休止地進行下去，中子本身在擠壓引力自身的吸引下被碾為粉末，剩下來的是一個密度高到難以想像的物質。黑洞的最特別之處在於它的“隱身術”，原因是彎曲的空間。光是沿直線傳播的。根據廣義相對論，空間會在引力場作用下彎曲。形象地理解，好像光本來是要走直線的，只不過強大的引力把它拉得偏離了原來的方向。在地球上，由於引力場作用很小，這種彎曲是微乎其微的。而在黑洞周圍，空間的這種變形非常大。這樣，即使是被黑洞擋著的恆星發出的光，雖然有一部分會落入黑洞中消失，可另一部分光線會通過彎曲的空間中繞過黑洞而到達地球。所以，我們可以毫不費力地觀察到黑洞背面的星空，就像黑洞不存在一樣，這就是黑洞的隱身術。黑洞會發出耀眼的光芒，體積會縮小，甚至會爆炸。當英國物理學家史蒂芬·威廉·霍金於1974年做此預言時，整個科學界為之震動。他發現黑洞周圍的引力場釋放出能量，同時消耗黑洞的能量和質量。如果在黑洞附近創生一對正負粒子，其中一個粒子被吸入黑洞，那么創生的反粒子會被吸入黑洞，而正粒子會逃逸，由於能量不能憑空創生，我們設反粒子攜帶負能量，一個反粒子被吸入黑洞可視為一個正粒子攜帶正能量從黑洞逃逸。而愛因斯坦的公式E=mc^2表明，能量的損失會導致質量的損失。當黑洞的質量越來越小時，它的溫度會越來越高。這樣，當黑洞損失質量時，它的溫度和發射率增加，因而它的質量損失得更快。因此霍金預測黑洞以極高的速度輻射能量，直到黑洞的爆炸。

黑洞天鵝座V404正在吞噬伴星中的物質

宇宙學模型

理論基礎

1917年，A.阿爾伯特·愛因斯坦運用廣義相對論建立了一個“靜態、無限、無界”的宇宙模型，奠定了現代宇宙學的基礎。

1922年，G.D.弗里德曼發現，根據愛因斯坦的場方程，宇宙也可以是膨脹的和振盪的。

1927年，G.勒梅特提出了真正意義的膨脹宇宙模型。1929年，哈勃發現了星系紅移與它的距離成正比，建立了著名的哈勃定律。這一發現是對膨脹宇宙模型的有力支持。

20世紀中葉，G.伽莫夫等人提出了熱大爆炸宇宙模型。1965年微波背景輻射的發現證實了伽莫夫等人的預言。大爆炸宇宙模型成為標準宇宙模型。

1980年，美國的阿蘭·古斯在熱大爆炸宇宙模型的基礎上又進一步提出了大爆炸前期暴漲宇宙模型，隨後由安德烈·林德進行了修訂。該模型包括一個短暫的（指數的）快速膨脹，這個過程抹平時空而使宇宙平坦，解決了視界問題。他提出：在宇宙誕生最初的時刻，時空發生過一次急速膨脹的過程，宇宙大爆炸之後的一瞬間，時空在不到10-34秒的時間裡迅速膨脹了10^78倍。

電腦演化模型

2014年5月，科學家製作出最為成功的宇宙演化的電腦模型，模擬宇宙以暗物質為起點誕生並演化的過程。

本次建立的電腦模型和真實的宇宙驚人得相似。這個電腦模型可用於測試有關宇宙構造和運轉原理的理論。有關科研成果已經在《自然》雜誌上發表。

電腦模型最初展示了虛空狀態下分散在各處神秘的“暗物質”。幾百萬年過去了，暗物質集中起來，為早期星系的產生埋下種子。反暗物質隨之出現，才有了將來的星球和生命。黑洞也在模型中占有一席之地。它們吸入並吐出物質，產生一系列爆炸，影響星球的形成。

研究人員馬克·福格爾斯貝格爾表示，模型印證了暗物質等諸多宇宙學理論。他說：“在模擬中，很多星系都和現實宇宙中的星系非常相似。這意味著我們對宇宙基本運轉原理的認知是正確的、完整的。如果你不把暗物質算進去，它看著都不怎么像真正的宇宙。”

現代宇宙學模型

現代宇宙學的先驅是霍金。霍金：“宇宙創造過程中，“上帝”沒有位置。沒有必要藉助“上帝”來為宇宙按下啟動鍵。”

霍金推崇利用數學和物理手段尋找一個大一統理論，並且證明“宇宙不是偶然誕生的，不需要上帝”，“宇宙的數學模型是有限無界”。

霍金在演講中說道：

“然而，人們在過去幾年發現，科學定律甚至在宇宙的開端也是成立的。在那種情形下，宇宙可以是自足的，並由科學定律所完全確定。哈特爾和我所做的構想可以被重新表達成：宇宙的邊界條件是它沒有邊界。”

從起源到結局

宇宙的創生

爆炸之初，物質只能以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子形態存在。宇宙爆炸之後的不斷膨脹，導致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，並複合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星雲，星雲進一步形成各種各樣的恆星和星系，最終形成我們如今所看到的宇宙。

暴漲模型允許宇宙的物質和能量從無中產生。大統一理論認為，重子數允許不守恆，而宇宙中的引力能可粗略地說是負的，並精確地抵消非引力能，總能量為零，因此宇宙從無中演化是可能的。

“無”並非是絕對的虛無，真空能恰恰是一種特殊的物質和能量形式。如果進一步說真空能起源於“無”，那么這個“無”也只能是一種未知的物質和能量形式。從現代物理學的觀點看，真空也可視為物質。

宇宙不論多么巨大，作為一個有限的物質體系 ，也有其產生、發展和滅亡的歷史。暴漲模型認為宇宙中的物質與能量形式不是永恆的，把“無”作為一種未知的物質和能量形式，在認識論和方法論上有一定意義。

現代宇宙學不是晦澀無用的哲學思辯，而是建立在天文觀測、數學模型、物理實驗基礎上的現代科學，完全有能力認知宇宙的奧秘。天文學家們指出，大爆炸必然會發生，原因是“虛空”本質上是不穩定的，可以從量子力學和廣義相對論中推導出來。在量子力學的尺度，空間將不穩定，不再顯示平滑和連續，空間和時間失去穩定性，混雜形成時空的泡沫，微小的時空泡可以自發形成。量子化的時空產生漲落，宇宙產生於“虛空”。

不斷膨脹

暗能量占據宇宙全部物質的74%，它是宇宙加速膨脹的推手。宇宙的膨脹進程處於兩種相剋的力量平衡之中，如同陰陽相剋。其中的一種力量是引力，它們的作用使膨脹減速，而另一種強大的反制力量則是暗能量，它使宇宙加速膨脹。而現在看來，暗能量勝出了。宇宙中可見物質遠遠不足以把宇宙連成一片，如果不是存在一種神秘而不可見的物質，星系早就分崩離析。科學家把這種看不見的神秘物質稱為“暗物質”。暗物質是促使宇宙膨脹時在自身引力下形成特定結構的首要物質類型。天文觀測表明我們的宇宙在做加速膨脹運動。

丁肇中介紹阿爾法磁譜儀如何尋找暗物質

理論上存在某種臨界密度。如果平均密度小於臨界密度，宇宙就會一直膨脹下去，稱為“開宇宙”；要是平均密度大於臨界密度，膨脹過程遲早會停下來並收縮，稱為“閉宇宙”。

目前來看，開宇宙的可能性大一些。

加速膨脹

諾貝爾獎獲得者布萊恩·施密特指出：“物質與物質之間的空間正在加大。“

2011年，布萊恩·施密特和他的同事因利用“超新星”作為“宇宙探測器”發現宇宙的加速膨脹而獲得了當年的諾貝爾物理學獎，在研究之初，他們的想法是測量宇宙的膨脹速度如何因為萬有引力的作用而減緩，而最終的發現卻出乎人們的意料，事實證明，宇宙的膨脹速度越來越快。他解釋道：“我們觀察物體遠離我們的速度，就像都卜勒雷達採用都卜勒頻移來定位、測量一樣。我們測量距離以及這些動作劃分的距離，從而計算出宇宙的膨脹速度。我們的測量方法就是觀察遙遠的物體，在不同的時間做同樣的測量，通過比較得出結論。從這個角度來說，這是一個很簡單的實驗。通過比較過去與現在測量的不同距離，我們得知現在宇宙的膨脹速度比以往快很多。“

研究人員計算出目前的宇宙膨脹速度，即所謂哈勃常數，約為73.2公里/（秒·百萬秒差距）。每百萬秒差距相當於326萬光年，因此一個星系與地球的距離每增加百萬秒差距，其遠離地球的速度每秒就增加73.2公里。這意味著，在98億年內，宇宙天體間的距離將擴大一倍。

宇宙的結局

熱力學定律不會讓宇宙獲得永生，新的恆星無法繼續形成時，宇宙抵達熱寂平衡點，宇宙的狀態如同誕生之初的那一碗湯狀時空。熱寂是熱力學上的終點，整個宇宙任何一處的溫度都僅僅比絕對零度高一些，這意味著沒有東西會倖存下來。少部分科學家認為，宇宙結局如果是大坍縮，所有的物質最終都會變成原子狀態，再經過一次偶然的量子漲落，新一輪的大爆炸又形成了，下一個宇宙誕生。

宇宙學家認為，如果宇宙能量密度等於或者小於臨界密度，膨脹會逐漸減速，但永遠不會停止。恆星形成會因各個星系中的星際氣體都被逐漸消耗而最終停止；恆星演化最終導致只剩下白矮星、中子星和黑洞。相當緩慢地，這些緻密星體彼此的碰撞會導致質量聚集而陸續產生更大的黑洞。宇宙的平均溫度會漸近地趨於絕對零度，從而達到所謂大凍結。此外，倘若質子真像標準模型預言的那樣是不穩定的，重子物質最終也會全部消失，宇宙中只留下輻射和黑洞，而最終黑洞也會因霍金輻射而全部蒸發。宇宙的熵會增加到極點，以致於再也不會有自組織的能量形式產生，最終宇宙達到熱寂狀態。在ΛCDM模型中，暗能量以宇宙學常數的形式存在，這個理論認為只有諸如星系等引力束縛系統的物質會聚集，並隨著宇宙的膨脹和冷卻它們也會到達熱寂。對暗能量的其他解釋，例如幻影能量理論則認為最終星系群、恆星、行星、原子、原子核以及所有物質都會在一直持續下去的膨脹中被撕開，即所謂大撕裂。

大爆炸模型

理論簡介

大爆炸這一模型的框架基於愛因斯坦的廣義相對論，又在場方程的求解上作出了一定的簡化。1932年勒梅特首次提出現代宇宙大爆炸理論，1946年美國物理學家伽莫夫正式提出大爆炸理論。大爆炸宇宙模型認為，宇宙起源於100多億年前的一個原始火球。暴脹模型解決了宇宙學三大疑難：視界疑難、平坦性疑難、磁單極子疑難。大爆炸依據宇宙學原理，即奇點在所有空間爆發。

大型強子對撞機內的宇宙大爆炸實驗

大爆炸理論最早也最直接的觀測證據包括從星系紅移觀測到的哈勃膨脹、對宇宙微波背景輻射的精細測量、宇宙間輕元素的豐度，而今大尺度結構和星系演化也成為了新的支持證據。這四種觀測證據有時被稱作“大爆炸理論的四大支柱”。

大爆炸模型能統一地說明以下幾個觀測事實：

（a）理論主張所有恆星都是在溫度下降後產生的，因而任何天體的年齡都應比自溫度下降至今天這一段時間為短，即應小於200億年。各種天體年齡的測量證明了這一點。

（b）觀測到河外天體有系統性的譜線紅移，而且紅移與距離大體成正比。如果用都卜勒效應來解釋，那么紅移就是宇宙膨脹的反映。但2012年認為這是宇宙學紅移，而非都卜勒紅移。在宇宙學紅移中，光波的波長是在傳播過程中隨空間的膨脹而發生變化的。光譜線的紅移就是宇宙膨脹的反映。

（c）在各種不同天體上，氦豐度相當大，而且大都是30%。用恆星核反應機制不足以說明為什麼有如此多的氦。而根據大爆炸理論，早期溫度很高，產生氦的效率也很高，則可以說明這一事實。

（d）根據宇宙膨脹速度以及氦豐度等，可以具體計算宇宙每一歷史時期的溫度。

按照大爆炸理論，宇宙沒有開端。它只是一個循環不斷的過程，便是宇宙創生與毀滅並再創生的過程。

理論依據

大爆炸理論證據如下：

（a）紅位移

從地球的任何方向看去，遙遠的星系都在離開我們而去，故可以推出宇宙在膨脹，且離我們越遠的星系，遠離的速度越快。

（b）哈勃定律

哈勃定律就是一個關於星系之間相互遠離速度和距離的確定的關係式。仍然是說明宇宙的運動和膨脹。

V=H×D

其中，V（Km/sec）是遠離速度；H（Km/sec/Mpc）是哈勃常數，為50；D（Mpc）是星系距離。1Mpc=3.26百萬光年。

（c）氫與氦的豐存度

由模型預測出氫占25%，氦占75%，已由試驗證實。

（d）微量元素的豐存度

對這些微量元素，在模型中所推測的豐存度與實測的相同。

（e）3K的宇宙背景輻射

根據大爆炸學說，宇宙因膨脹而冷卻，現今的宇宙中仍然應該存在當時產生的輻射餘燼，1965年，3K的背景輻射被測得。

（f）背景輻射的微量不均勻

證明宇宙最初的狀態並不均勻。

（g）宇宙大爆炸理論的新證據

在2000年12月份的英國《自然》雜誌上，科學家們稱他們又發現了新的證據，可以用來證實宇宙大爆炸理論。

二次膨脹理論

美國能源部布魯克海文國家實驗室等機構一些科學家認為，宇宙早期可能還有一個較為短暫的二次膨脹時期，這種假設或許能解釋宇宙中現有暗物質數量過多的問題。

該實驗室高能理論小組負責人霍曼·戴伍迪亞索說，在這些重要事件之間，可能還有一次膨脹，它不像第一次爆炸那么劇烈，卻可以“稀釋”暗物質，使宇宙中的暗物質密度最終成為今天這樣。

物理上均等劃一

大爆炸理論的建立基於兩個基本假設：物理定律的普適性和宇宙學原理。宇宙學原理是指在大尺度上宇宙是均勻且各向同性的。宇宙的所有地方（同質性）和所有方向（同向性）看起來都相同，是大爆炸理論的重要依據。該理論認為整個宇宙，我們所見的一切，都起源於一個熾熱、緻密而統一的狀態，在那裡，各處的定律和初始條件都是相同的。宇宙學最基本的原理即平庸原理。它認為，地球上的各種規律在其他地方都適用。

多元宇宙

多元宇宙是一個理論上的無限個或有限個可能的宇宙的集合。多元宇宙所包含的各個宇宙被稱為平行宇宙。極少數理論物理學家認為存在著不同狀態的多元宇宙。

根據暴脹理論，通常所說的大爆炸可能並不是時間和空間的起始，而是我們這個可觀測宇宙的開始。在此以前是宇宙的暴脹期。那是一個以指數級膨脹的宇宙，充滿著時空結構固有的能量。宇宙的暴脹也是一個通過繼承和發展而來的理論。它繼承了大爆炸理論和現代宇宙學的所有成果；解釋了大爆炸理論無法解釋的一系列問題，包括宇宙各處的溫度為何如此平均，空間為何如此平坦，為何沒有發現磁單極子這樣的高能遺留物等等；與此同時，它還明確作出了五個可供檢驗的預測，其中四個已被確認。唯一一個未被確認，也難以確認的預測是：多元宇宙。

暴脹理論認為，暴脹能導致空間以指數級急速膨脹。這能解釋為什麼我們的宇宙如此平均、如此巨大。暴脹結束後，我們的宇宙充滿了物質和輻射，也就是我們在大爆炸中所看到的一切。我們今天的宇宙是通過充分的暴脹形成的。但是根據同一個理論，可以推導出在暴脹已經結束的地方周圍，或許仍然存在著許多暴脹尚未結束的地方。這種存在於理論中的現象也就是所謂的“永久暴脹”。

判斷一個理論是否成熟、是否科學有三大標準。它們分別是：

能否重現原有理論的結果；能否解釋與原有理論矛盾的結果；以及能否作出新的、可供檢驗的預測。

由於無法驗證，也無法預言如何驗證，多元宇宙不是科學理論，也不是科學假說，而是個人假說。多元宇宙理論本身並不是一個科學理論。它實際上是一個根據當前已知物理定律所作的推論。

對於我們所在的這個宇宙來說，多元宇宙理論起不到多大的解釋作用。它無法解決我們當前面臨的問題。最糟糕的是，它無法向我們提供任何能夠加以檢驗的預測。這首先意味著假如我們對這個宇宙及其歷史的認識是正確的，那么多元宇宙可能真的存在。但產生這些宇宙的大爆炸與我們這個宇宙沒有任何關聯。但與此同時，這一切又是超現實的。即便在理論上，也無法加以檢驗。除非我們重現宇宙暴脹，然後把觀測者送往不同的暴脹區。

多元宇宙理論永遠是一種物理學的推論。它也許是一種不可避免的推論，但在加以檢驗之前，不能被稱為科學。事實上，我們可能永遠也無法對此加以檢驗。這是一個有意義的理論猜想，但不是科學理論。而且由於宇宙給我們設定了局限，多元宇宙可能永遠都無法成為科學理論。它屬於一種基於物理的“形上學(metaphysics)”。我們能夠通過科學的方式學習這個宇宙內部的信息，但是這個宇宙實際上卻是有限的。

宇宙之最

宇宙最冷之處最新一項研究表明，回力棒星雲或許是宇宙中最寒冷的地方，溫度僅有零下272攝氏度。回力棒星雲距離地球5000光年。

宇宙中最熱的行星克卜勒70b是最熱的系外行星，溫度可能高達7000攝氏度，其軌道也非常接近其恆星，比水星到太陽之間的距離還短。

宇宙中最冷的行星OGLE-BLG-390L是迄今發現最寒冷的行星，其質量是地球的5倍，被認為是一顆岩石行星，它也是距離地球最遙遠的行星之一，距離地球大約28000光年。它表面溫度僅為零下220℃，低於液氮的沸點，接近於絕對零度（-273.15℃）。

宇宙最大恆星盾牌座UY是目前已知最大星體，是一顆位於盾牌座的紅色特超巨星。半徑是1708倍太陽半徑，也就意味著1708個太陽排成一排。它距離地球約9500光年。

宇宙中旋轉最快的恆星VFTS 102是迄今最快旋轉的超大質量恆星，該恆星赤道區域環繞軸心以每秒600公里的速度高速旋轉，由於離心力作用，如此之高的自轉速率幾乎將這顆恆星撕裂。它非常熾熱，是一顆高度發光恆星，是太陽亮度的10萬倍，位於大麥哲倫星雲中的蜘蛛星雲。

宇宙最小的物質尺寸已知宇宙中最小的粒子是夸克。未經證明的新理論認為：超弦（尚未成為科學理論），奇點，空間泡（尚未成為科學理論）都約是普朗克尺度的大小。普朗克尺度是1.6 x 10^-35米。普朗克尺度被認為代表了可測量的最小尺度的理論下限。據不確定性理論，沒有儀器能測量更小的尺度，因為在那個範圍內，物質具有機率性和不確定性。這個尺度也被認為是廣義相對論和量子力學的劃分界限。科學家認為可能所有宇宙最小的物質大致都是普朗克長度大小。

宇宙中最快的信息傳遞速度 研究表明，無論信息傳輸得多快，其傳輸速度都不能超過光速。從而也提示愛因斯坦的速度極限理論無懈可擊。量子糾纏技術是安全的傳輸信息的加密技術，與超光速無關。儘管知道這些粒子之間“交流”的速度是光速的幾千倍，但我們卻無法利用這種聯繫以如此快的速度控制和傳遞信息。因此愛因斯坦提出的規則，也即任何事物移動的速度都無法超過光速，仍然成立。“信息”指的是能作用於一個物體或系統的任何信號，例如，一束光脈衝能開啟一台儀器設備。研究人員提出，即使脈衝光束中最前沿的一些光子的速度超過光速，也只有在光束的多數光子團到達後，脈衝才會發生作用。這就是說，前沿超光速光子不能傳達任何信息。不能傳遞信息的超光速是沒有意義的，比如空間膨脹雖然超光速但無法傳遞信息。

宇宙中最亮的類星體SDSS J0100+2802是已知遙遠類星體中黑洞質量和光度最大的。其光度是太陽光度的430萬億倍，距離地球128億光年。其中心黑洞質量約為120億個太陽質量，大約在宇宙大爆炸發生9億年後形成，是目前已知的遙遠宇宙中星體中光度最高、黑洞質量最大的類星體。相比之下，銀河系中心的黑洞質量只相當於300萬個太陽。類星體是其中心黑洞猛烈吞噬周圍物質而形成的耀眼天體。

宇宙中迄今觀測到的最大行星蒼蠅座KR b是觀測到的最大行星（也是褐矮星），它的半徑是太陽系“巨人”木星的6.8倍，距離地球320光年。它的質量為20MJ，此星是唯一一個被觀測到的新生行星。

宇宙中運行速度最快的行星運行最快的行星是SWEEPS-10，它與主恆星的距離為119萬公里，是地球和月球之間距離的3倍，這意味著這顆行星自轉一周的時間僅相當於地球的10個小時。

宇宙中最重的黑洞OJ 287是迄今觀測到最重的無形黑洞，它的質量是太陽質量的180億倍。

宇宙中最明亮的太空目標持久性伽馬射線爆GRB 080319B於2008年3月爆發，人們可用肉眼在地面進行觀測，其亮度相同於普通星系的1000萬倍，然而它與地球的距離卻是75億光年。

宇宙中最快的逃亡者 恆星HE 0437-5439，它以時速160萬英里(257萬公里)速度疾馳穿越銀河系。

宇宙中最繁忙的星系 天文學家觀測發現星系GOODS 850-5是最忙的星系，它在宇宙形成初期每年形成4000顆恆星，而銀河系每年卻只生成4顆恆星。

宇宙中最遙遠的星系 一個130億年歷史的星系形成於宇宙大爆炸後的7億年，然而這個最遙遠的光線至今才到達地球，目前我們所看到的明亮、恆星形成階段狀態正是這個星系的早期。

宇宙中最小的黑洞使用準周期振動(QPO)方法，天文學家發現迄今為至最小的黑洞，它僅是太陽的3.8倍質量，位於銀河系二元恆星XTE J1650-500之中。

宇宙中最大最重的類星體這是一種極亮，寬吸收線，強射電類星體。叫Ton 618.它的事件視界範圍是3840億千米，質量是660億倍太陽質量，遠在於104億光年的獵犬座。想到這裡，人們會感到人馬座A*（銀河系中心黑洞）很渺小的感覺

宇宙中最像地獄般的行星行星 HD 149026b是一個木炭般黑暗的世界，它從非常鄰近的恆星吸收大量的輻射光線，並使其表面達到3700華氏溫度，遠在沸點之上。

宇宙中最明亮的超新星超新星2005ap比太陽亮1000億倍，比普通超新星明亮300倍，但是不用擔心，這個超新星距離地球47億光年。

宇宙中理論最高溫度當物體到達超熱的溫度時就會發出遞減的波長(相當於遞增的頻率和增加的能量)。理論上講，輻射的波長是有下限(相對的是能量上限)的。普朗克定律認為，能量不能持續增加，否則會產生無法想像的射線。極限點在1.416833(85)x10^32K左右，通稱為普朗克溫度。