高爽·天文学通识30讲
00__如何用极其有限的信息去寻找真相
01__宇宙学原理：天文学的第一性原理
1，宇宙学原理，就是地球在宇宙中一点也不特殊，所以我们在地球上发现的规律在其他地方也应该有效
2.宇宙学原理，是我们对宇宙真实情况的一个猜测，是一个先验的理念，但是没有它，天文学就无法开展。
3.宇宙学原理，不只是我们的猜测，随着天文学的发展，它也被大量的事实验证
02__光谱分析：宇宙学原理的实证
1.光谱分析是天文学里的显微镜，能让天文学家隔着上亿光年的距离知道远处天体的元素构成。
2.天文学家对恒星和其他天体进行了光谱分析，在元素层面上验证了宇宙学原理宇宙中的元素构成都是相似的。
3.宇宙膨胀会导致光谱的红移，所以面对遥远的天体，要把红移消除后才能知道它的元素构成。同时，这也成为了一种非常有效的测距方法
03__距离测量：宇宙学原理的推进器
1.亮度、视觉大小、红移程度等等参数都
是会受到距离影响。把这些参数的距离因
素消除后再使用宇宙学原理才是正确的。
2.天文学中测量距离的方法有很多种，近距离的可以用恒星视差法，远一些的可以用标准烛光法，再远的话还可以用红移测距。
04__模型体系：天文学的核心框架
1.天文学不能像其他科学那样反复实验又只能依赖有限的观测数据，所以必须通过模型的猜测推动理论前进。
2.单个的模型确实能解释一些问题，但是可靠性不高。所以天文学需要把模型之间尽可能多地联结起来。新的理论只有深层地嵌套在其他模型当中，才能更可靠。
3模型体系就成了天文学的认知方法，甚至把有限的数据信息放大成了丰富的知识。这就是天文学的核心框架。
05__宇宙的边界在哪里
1.由于观测上的各向同性，我们知道宇宙的尺度实在是太大了，远远超过我们的观察范围。
2.因为宇宙年龄有限，光速有限，所以可以观测到的宇宙范围只是整个宇宙的很小一部分。
3由于宇宙还在加速膨胀，退行速度可能会超过光速，所以有大量的区域我们永远也不可能观测到
06__宇宙过去发生过什么
1.前质子时代，宇宙诞生，开始暴胀，诞生了四种作用力，诞生了中子和质子。2.质子时代，光辐射在质子和原子中混成一锅粥。之后辐射从质子中脱离出来，让我们看到最早的光
3.原子时代，也就是黑暗时代。物质已经形成，但还没有产生恒星这样的光源4.恒星时代，恒星诞生，宇宙被点亮，恒星成为宇宙的基本单元。5暗能量时代，物质的密度已经小于暗能量，引力影响小于膨胀的趋势，宇宙加速膨胀下去
07__如何探索外星生命
1.因为我们相信宇宙学原理，相信地球和我们人类文明不特殊，所以我们也相信有外星人存在。
2.直接探索是寻找外星生命最直接的方法，我们会优先选择与地球相似的星球探索。现在土卫二是太阳系中最有可能存在外星生命的星球
3.无法探索的地方，我们仍然可以在宇宙学原理的指导下寻找线索，比如，寻找宜居带和戴森球，或是直接接收外星人信息
08__太阳是天文学的枢纽
1太阳是距离我们最近的恒星，所以我们对太阳的了解最详细。
2.太阳关联着天文学和物理学里的大量模型，是天文学模型体系里的最深一环，关系着整个天文学的稳定。
3.理解了太阳，才能应用宇宙学原理，理解更远处的恒星。
09__日震是了解太阳内部的天然B超
1.太阳不是透明的，天文学家不能直接看到太阳的内部，但我们仍然可以通过核聚变理论知道太阳一定有一个日核。
2.根据太阳发光发热的模型，从能量的传递的方式可以推测出太阳内部还应该有辐射层和对流层。
3.太阳亮度5分钟一次的脉搏跳动，就像是B超一样，帮助我们了解太阳内部更细致的结构。
10__狂暴是太阳的另一张面孔
1.太阳风暴是太阳的剧烈活动，它会瞬间释放巨大能量，对地球上的通讯造成严重影响。
2太阳活动的出现有一定的规律，和太阳上的黑子出现的周期一样，都是11年。
3.天文学已经知道这些活动和活动的规律，跟太阳的磁场有关系，但是更深刻的原因还不十分清楚，这是天文学未来需要回答的大问题之一
11__太阳系的主宰是太阳
1.从质量、引力和形成过程来说，太阳都是太阳系的主体。其他行星、卫星、小天体都围绕在太阳周围，是太阳形成的时候的边角废料
2.八颗大行星按照尺寸和内部物质组成的不同，可以再分成两类。这样的分类让天文学更好的理解行星的本质。
3.这些行星和周围的小天体，它们的起源、演化，甚至是最终的命运，也都受到太阳的主宰。太阳的衰老会对行星造成一连串的破坏性的严重后果
12__决定行星宿命的引力
1.太阳对行星的引力，让行星围绕太阳运动。但是行星彼此之间的引力有时候不能忽略。
2.行星到太阳的距离似乎存在着某种数学规律，虽然现在还不能确定这个规律的背后原理。但是可以确定的是，在引力的作用下，这个规律是普遍存在的。3.太阳系作为一个引力主宰的系统，天体的位置不是随机分布的，而是会位于一些特定的位置，这是长期演化的结果
13__太阳的影响力决定太阳系的边界
1.这是一个很复杂的问题，不同的判断标准，不同的定义，可能会得到不同的结果。
2.太阳系目前认为最外围的天体是奥尔特云，那里是长周期彗星产生的地方。
3太阳系的边界问题，本质上是帮助我们理解太阳的能力有多大。用太阳引力来判断，太阳系边界就在是太阳引力的范围。用太阳的辐射做标准，边界就是太阳风和星际空间平衡的地方
14__月球：地球的稳定器
1.月球和别的卫星比个头太大了，地月系是一个奇特的系统。
2.月球的形成是还没有定论的问题，目前的主流理论认为是在太阳系的早期，原始的地球和另一颗行星相撞，撞出了现在的地球和月球。
3.月球对地球和生命有直接的影响，月球的引力造成潮汐，潮汐产生摩擦，让地球自转逐渐减速，一天的时间越来越长。月球成为地球的刹车片和稳定器。
15__火星：地球的备胎
1离我们最近的金星的环境不适合生命存在，所以火星成为行星探测的热门。2.火星的磁场消失了，没有能力抵挡太阳风的袭击，火星的水被破坏掉，成了一个没有生机的世界。
3.火星的磁场消失是一个逐渐消失的，火星曾经富含水和空气，也有着频繁剧烈的地质活动。但是火星个头太小，冷却迅速，最终消耗掉了自己的活力。
16__木星：为生命带来了可能性
1.木星质量太大，所以有特别强大的引力，可以利用木星的引力弹弓效应帮助人类发射的航天器加速。木星给人类带来更容易离开太阳系的可能性
2.木星是气态巨行星，体积巨大，形成时间比别的行星要早，内部聚集了太阳系早期的物质，对木星的研究给我们带来获取太阳系早期信息的可能性3.太阳系形成之初，木星的轨道曾经发生了改变，造成了一系列连锁反应。小行星和彗星猛烈轰炸地球，为原始的地球送来了水。
17__冥王星：一场行星定义的革命
1.2006年国际天文学会通过决议，把冥王星从行星降级为矮行星，从此教科书上的9大行星改写为8大行星。
2.冥王星降级的原因，是在它的附近还发现了更多的尺寸和质量相近的天体，甚至有的比冥王星质量还大。这就要求天文学家必须反思行星的定义，也就是必须重新梳理行星的本质。
3.把冥王星以及它附近的全部新天体降级，换来了更精确、更系统化的行星定义，这是天文学的巨大进步
18__赫罗图：理解恒星的最简界面
1恒星的数量实在是太多了，仅仅一个银河系中就包括了4000亿颗恒星，它们彼此有着不同的参数，充分研究每一颗恒星几乎是不可能的。
2.这个时候就需要借助太阳的枢纽力量从太阳的研究中我们获得了启发，恒星的众多参数不是彼此独立的，而是可以抽取出某几个参数作为关键参数帮助理解恒星的状态。
3.利用温度或者颜色，和光度这样两个参数，可以建立一个基本的赫罗图界面，用来描述所有恒星的不同状态
19__恒星质量：恒星命运的决定因素
1，恒星稳定存在是因为核聚变的能量释放和引力带来的压力之间的平衡。所以这两个力量之间的关系决定了恒星一生的演化。
2.如果核聚变产生的能量不足，引力就会占了上风。恒星内部产生能量的方式就要换挡。恒星就会开始一系列的状态变化。这一系列变化的发生阶段也受到质量的控制。
3更大质量的恒星最终可能会爆发为超新星。所以质量可以决定恒星的一生。
20__双星：互动中的恒星
1.赫罗图不是绝对完美的工具，天文学家经常发现例外情况，尤其是双星。
2.两颗相互绕转的双星情况很复杂，会改变观测到的恒星亮度，甚至会因为靠得太近而交换彼此的物质，影响彼此的演化进程。
3戴森球和地外文明也可能打破恒星本身的孤立状态，虽然目前还没有证据表明地外文明的存在，但是理论上启发我们，天文学不会停留在赫罗图上，而是在努力寻找更多例外的情况，从而在底层逻辑上取得进步
21__超新星：星系间的灯塔
1.超新星是非常明亮的，释放巨大能量的过程。
2.超新星有不同的类型。如果知道了类型，就可以知道超新星的光度，从而利用标准烛光的方法测定距离。更重要的是，超新星的光度很大，所以往往可以测量特别遥远的距离，让天文学洞察宇宙早期的信息。
3.超新星如果离地球不远，能量喷发的方向又指向地球，会给地球造成毁灭性的打击。
22__银河系的空间结构
1.天文学中大部分的难题都是因为远才导致的，但是对于银河系恰恰相反。它是因为我们就在银河系中，距离太近了，反而无法看到全貌。
2.不过我们仍然观察其他星系，把对它们的观察结果推广到银河系来，为我们提供额外的外部视角。这也是一种对于宇宙学原理的利用。
23__银河系的演化
1.要想了解咱们自己所在的银河系的演化历史，必须借助宇宙学原理，先看一看别的星系的状态，反过来暗示我们自己的银河系会经历什么样的过程。
2.ELS模型认为银河系的形成自上而下从一个整体逐渐分化成现在的样子。而SZ模型认为银河系的形成过程是自下而上的，受到外部环境的影响更大。
3.越来越多的实际观测证明，SZ模型也就是银河系来源于小结构的逐渐积累的过程更符合实际。
24__黑洞：星系的中心
1.黑洞内部的信息无法输出到外界，所以从天文学的角度看黑洞，看到的只能是黑洞视界以外的情况。
2.黑洞可以被观测到的信息非常有限，只有质量、自转的角动量 、带电量三个参数可以获得，而且只能通过模型间接地推测。
3.恒星死亡之后的黑洞是小质量黑洞，星系中心的黑洞是超大质量黑洞，介于两者之间的中等质量黑洞还缺乏有效的解释。
25__类星体：远古星系的遗迹
1.类星体是活跃的星系的核心，特别明亮，可以观测到非常遥远的类星体，大大地提高了天文学的视野
2类星体在这么远的距离上依然这么亮它释放的能量巨大，颠覆了原来的关于星系的理论，必须借助黑洞的活动才能有效解释。
3观测发现了很多不同种类的类星体，现在天文学可以用一个统一的模型来解释它们的存在，类星体就是活动的星系中心存在一个超大质量黑洞，正在吞噬周围的物质。
26__暗物质：星系里的粘合剂
1天文学家在观测星系团的运动时，发现了速度和质量的矛盾，为了满足宇宙学原理，提出了暗物质。
2.暗物质看不见，但是存在引力，利用这两点，暗物质被嵌入到天文学的模型体系°
3.暗物质有引力，但是不产生电磁辐射也不参与别的作用，它对宇宙的物质结构形成有推动作用
27__宇宙的形状：宇宙学的基本问题
1.宇宙在膨胀，膨胀的情况可以用哈勃常数来衡量，哈勃常数是单位距离天体退行速度的大小。
2.要得到宇宙膨胀变化的结果，不能光靠观测，而是要借助广义相对论和宇宙学模型
3，根据宇宙学的方程的描述，宇宙的形状连接着物质密度、宇宙膨胀速度、宇宙年龄等一系列宇宙学参数。
28__暴胀理论：宇宙学的补丁
1.大爆炸宇宙学从逻辑上推演出三个重大的bug。分别是视界的因果关系问题、空间的平坦问题和磁单极子问题。
2.宇宙学家古斯提出暴胀理论，可以同时解释三大底层bug。一场极其剧烈的膨胀过程，可以解决所有问题
3.这套理论还存在着质疑的声音，观测上的证据也还不牢靠。它在未来可能会被修正，或者是被更好的理论代替
29__微波背景辐射：宇宙学的观测基础
1宇宙微波背景辐射是最重要和最基本的宇宙学观测基础。它的观测支持了现代宇亩学的大爆炸模型体系
2.对宇宙微波背景辐射的细致观测，发现它在全天均匀分布，不均匀性只有十万分之一，这些微小的起伏就是宇宙形成天体结构的原始种子。
3最新的宇宙微波背景辐射的观测数据中有微小的起伏，通过它们天文学更新了宇宙学参数
30__天文学的未来
1.即便只考虑对现有的观测数据的理解天文学的未知也远远多于已知。天文学的任何一个分支方向都没有底气认为自己已经足够成熟。
2.天文学未来一百年的工作重点是“两暗一黑三起源”，也就是暗物质、暗能量黑洞、宇宙起源、天体起源和生命起源。
3.观测是天文学的基础，所以望远镜等仪器设备的发展和观测方法的扩展是天文学未来的强大驱动力。
