天文学是什么？——我们的星空启蒙课

夏天的傍晚，凉席刚铺到院子的水泥地上，井里镇过的西瓜还冒着凉丝丝的汽，外婆的蒲扇摇得慢悠悠的，你抱着半个西瓜用勺子挖最甜的心，一抬头就撞进了漫天的星子里。你指着天顶最亮的那颗星问外婆那是什么，外婆说那是织女星，旁边稍暗一点的是牛郎星，中间横着的那条淡淡的白带是银河，牛郎织女被银河隔开，只有每年七月初七才能通过喜鹊桥见面。你那时候小，总觉得银河里真的有水，喜鹊真的能叼着树枝搭桥，于是蹲在院子里数星星，数到眼睛都花了还是数不清，满脑子都是问号：天上到底有多少星星？星星上面有什么？有没有人也和你一样蹲在院子里数星星？这些冒出来的小问号，就是天文学的起点呀。

简单来说，天文学就是一门专门研究天上所有东西的科学——不管是挂在天上的太阳月亮、一闪一闪的恒星，还是拖着长尾巴飞来的彗星、突然划过夜空的流星，甚至是我们人类自己发射到太空里的空间站、人造卫星，都是天文学家研究的对象。而一群互相牵着手、绕着同一个中心转的天体，就组成了一个天体系统：比如地球和月球组成地月系，太阳和绕着它转的八大行星、无数小行星彗星组成太阳系，太阳系又绕着银河系的中心转，银河系又和旁边的大麦哲伦星系、小麦哲伦星系一起组成银河系星系群，这些大大小小的系统，都是天文学的“研究地盘”。

> [!NOTE] 小知识：什么是宇宙？ > 我们常说的“宇宙”，就是所有时间、空间和物质的总和，大到百亿光年外的遥远星系，小到我们呼吸的每一口空气里的分子，都属于宇宙的一部分。目前我们能观测到的宇宙直径大约是930亿光年，1光年就是光走一年的距离，相当于9.46万亿公里，这么远的距离，我们坐火箭要飞几百年才能到，是不是已经觉得太远了？不过别担心，我们平时研究的天文现象，大部分都在太阳系和银河系里，离我们并没有那么远。

你可能会说：“天文是科学家研究的事，和我有什么关系？”其实天文学早就藏在你的生活里了，只是你没发现而已。 你每天吃的米饭，是农民伯伯春天播种、秋天收获的，春天和秋天怎么分？就是靠农历的节气——春分的时候太阳直射赤道，全球昼夜一样长，夏至的时候太阳跑到最北边，北半球的白天最长，冬至则相反，这些节气就是古人根据太阳在天空中的位置定的，而测算太阳位置、制定节气的方法，就是天文学的内容。没有天文学，就没有准确的节气，农民伯伯就不知道什么时候播种什么时候收获，我们可能就吃不到香喷喷的米饭，也吃不到夏天成熟的西瓜、秋天挂满枝的柿子。 你暑假去海边玩，用手机导航找酒店，打开地图就能看到你在哪，要去哪怎么走，背后的GPS系统，就是美国发射的24颗导航卫星，这些卫星都在天上绕着地球转，你的手机能收到至少4颗卫星的信号，通过计算信号传输的时间，就能算出你的精确位置，误差不到一米。这些卫星本身就是天体，导航的原理就是天文学里的“天体测量”知识，没有天文学，就没有现在的手机导航，你出门玩很容易迷路。 你看电视里的天气预报，会显示台风的路径，还会提前告诉你哪里会下暴雨哪里会下雪，台风的路径就是靠气象卫星拍的照片算出来的——气象卫星也是天体，它在天上绕着地球转，每隔几分钟就拍一次云层的照片，传给地面的科学家，科学家就能算出台风往哪走、强度有多大，提前告诉大家做好防范，这些也都是天文学的用处。 还有你期待的流星雨，比如每年8月的英仙座流星雨、12月的双子座流星雨，都是天文学家提前算出来的，告诉你什么时候看、往哪个方向看，能看到最多的流星，这些来自宇宙的浪漫惊喜，也是天文学给我们的礼物。

> [!TIP] 小拓展：天文学还能做什么？ > 天文学不仅能帮我们过日子，还能帮我们搞发明：比如现在用的太阳能电池，就是研究了太阳发光的原理才发明出来的；比如医院里的核磁共振，用的技术最早来自天文学家研究宇宙射线的设备；甚至我们穿的运动鞋里的减震材料，也是来自航天器返回地球时的缓冲技术，这些都是天文学“跨界”带来的好处哦。

我们的祖先对星空的探索，比很多国家都早得多，早在几千年前，我们的先祖就抬头看星星，不仅编了好多和星星有关的神话故事，还留下了很多了不起的天文成就。 你肯定听过好多星空相关的神话吧？夸父追日、后羿射日、嫦娥奔月、牛郎织女，这些都是我们祖先对星空的想象：夸父就是天上的猎户座，古人把猎户座看作是一个拿着手杖追赶太阳的神，所以叫“夸父追日”；后羿射日的故事，其实是古人对太阳活动的观察，有时候夏天特别热，或者天上出现多个太阳的幻影，古人就编了后羿射掉九个多余太阳的故事，留下一个给大地温暖；嫦娥奔月对应的是月亮，古人觉得月亮上很冷，有玉兔有桂树，嫦娥住在月亮上的广寒宫，现在我们国家的“嫦娥”探测器真的登上了月亮，在月亮上留下了中国的脚印，就像把神话变成了现实；牛郎织女就是银河两边的牛郎星和织女星，牛郎星是河鼓二，织女星是天琴座最亮的星，它们之间隔着16光年的距离，就算喜鹊真的能搭桥，要走16年才能走到，不过没关系，夏天的晚上，你抬头就能同时看到它们，就像真的在鹊桥相会一样。 除了神话，我们的祖先还发明了好多天文仪器，算出了特别准的天文数据。东汉的张衡，不仅发明了地动仪，还发明了浑天仪——这是世界上第一台能自动模拟星空运转的仪器。浑天仪是用青铜做的架子，上面刻着几千颗星星，还有个漏水的小机关，水慢慢从上面的容器流下来，带动齿轮转动，架子上的星星就会跟着天上的星星一起转，就像一个古代的“星空投影仪”，你站在仪器前面，就能看到一整片星空在慢慢转动，比现在任何天文APP都神奇。张衡还提出了“浑天说”，认为天像鸡蛋壳，地像鸡蛋黄，天包着地，已经意识到地球是圆的，比国外“天圆地方”的说法先进了太多，比哥白尼提出“日心说”还早了一千五百年。 南北朝的祖冲之，不仅算出了圆周率，还是了不起的天文学家。他用圭表（就是古代测量日影长度的仪器，一根直立的杆子，下面放个刻着刻度的盘子，每天中午测杆子的影子长度），每天记录影子的长度，算出来一年的长度是365.24281481天，也就是365天5小时48分46秒，和我们现在用的公历一年的长度365.2422天，只差了不到50秒！这个精度在没有望远镜、没有计算器的古代，全靠算筹和观测就能达到，真的太了不起了。我们现在用的农历，就是根据他的测算定的，已经用了一千多年了。 元朝的郭守敬，建造了登封观星台，是当时世界上最先进的天文台，他测出来的回归年长度和现在的测量值几乎一样，还编了《授时历》，比欧洲的格里高利历（就是现在用的公历）早了三百多年，精度也一样，明朝的时候《授时历》直接被定为官方历法，一直用到清朝。

> [!NOTE] 小知识：中国古代的星官体系 > 我们的祖先不仅观测星星，还给星星起了好多名字，把星星分成三垣、四象、二十八宿，就像把星星分成不同的“小区”，每个“小区”里住着不同的神仙或者动物：比如紫微垣是皇帝的宫殿，太微垣是朝廷，天市垣是集市；四象就是青龙、白虎、朱雀、玄武，分别对应天上的四个方向的星群，二十八宿就是每个象里的七颗星，用来标记月亮在天空中的位置，这个体系比西方的星座体系还早了几百年呢。

除了中国，世界其他地方的天文学家也在探索星空。1609年，意大利的科学家伽利略自己做了一台望远镜，指向天空，第一次看到了以前所有人都没看到过的景象：月亮表面不是光滑的，有很多圆圆的环形山，就像刚烤好的饼干上的气泡；木星旁边有四颗小星星，每天的位置都在变，原来它们是在绕着木星转，不是绕着地球转；他还看到了太阳表面的黑子，证明太阳也不是完美无瑕的。这些发现打破了当时人们认为“地球是宇宙的中心，所有天体都绕着地球转，天体都是完美无瑕的”的错误认知，开启了天文学的新时代，从那以后，人们开始用望远镜观测星空，发现了更多的天体，比如天王星、海王星，还有很多拖着长尾巴的彗星。

> [!WARNING] 注意：天文学不是占星术哦 > 很多小朋友可能会听过“狮子座的人很热情”“水逆的时候会倒霉”这种说法，这些都属于占星术的内容，不是天文学。天文学是科学，靠观测和证据说话；占星术是迷信，没有科学依据。比如星座只是古人把天上的星星连起来的图案，就像你在纸上画个三角形叫它“小猫咪”，它也不会变成真的猫，星座和人性格没有任何关系。水逆也不是真的水星在倒退，只是从地球上看水星好像在向后移动，是一种视觉假象，根本不会影响你的生活。所以我们学天文，要学科学的知识，不要相信迷信的说法哦。

现在的天文学发展得更快了，我们有放在太空里的哈勃望远镜，没有大气的干扰，能拍到百亿光年外的遥远星系，看到了恒星诞生的“创生之柱”、两个星系碰撞的“蝴蝶结”等好多震撼的宇宙景象；我们

我们有放在太空里的哈勃望远镜，没有大气的干扰，能拍到百亿光年外的遥远星系，看到了恒星诞生的“创生之柱”、两个星系碰撞的“蝴蝶结”等好多震撼的宇宙景象；我们还建了世界上最大的单口径射电望远镜“中国天眼”（FAST）[^1]，它就像一口安在贵州群山里的巨大白色铁锅，直径有500米，比30个足球场还大，能接收到百亿光年外的宇宙发出的极其微弱的信号，灵敏度比人耳要灵敏一万亿倍，自2016年正式投入使用以来，已经帮我们找到了超过900颗脉冲星——那种每秒能旋转几百上千圈的“宇宙灯塔”，比之前全世界所有望远镜找到的脉冲星总数还要多。

除了接收宇宙的信号，我们还亲自去宇宙里“做客”。2007年我们的“嫦娥一号”探测器第一次飞到了月亮周围，拍回了全月面的高清照片；2019年“嫦娥四号”第一次在月球背面着陆，我们在月亮背面留下了第一片中国国旗，“玉兔二号”月球车在月球背面的荒原上走了超过1500米，捡回来好多珍贵的月球岩石样本；2024年“嫦娥六号”更是从月球背面带回来了1935.3克月壤，这些月壤里藏着月亮几十亿年的秘密，能帮我们搞清楚月亮是怎么形成的，太阳系早期的演化过程是什么样的。除了月亮，我们还去了火星：2021年“天问一号”探测器成功登陆火星，“祝融号”火星车在火星的乌托邦平原上走了超过1000米，拍回了大量火星的照片，发现火星上曾经有河流、有湖泊，说不定几十亿年前火星上也有生命，现在我们正在准备下一次火星采样返回任务，说不定未来我们能从火星上带回来样本，甚至送宇航员去火星定居。

除了我们的设备，人类还一起建了更厉害的太空望远镜：2021年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜[^2]比哈勃望远镜大3倍，能观测我们眼睛看不到的红外线，能穿透宇宙里的尘埃云，看到哈勃看不到的更遥远的星系，它已经拍到了宇宙大爆炸后3亿年就形成的星系，相当于看到了宇宙刚“出生”3岁时的样子，还拍到了恒星正在诞生的“创生之柱”，就像宇宙里的“育儿所”，无数新的恒星正在那里诞生，特别壮观。

> [!INFO] 星空冷知识 > 1. 你看到的星星的光，有些是几百万年前发出来的，也就是说，你看到的星星，其实是它几百万年前的样子，有些星星现在已经熄灭了，但它的光还在路上飞，所以我们还能看到它； > 2. 太阳的质量占整个太阳系总质量的99.86%，也就是说，太阳系里所有的行星、小行星、彗星加起来，都没有太阳重； > 3. 我们呼出的二氧化碳分子，可能来自几百万年前一只恐龙呼出的气，因为地球上的分子是循环的，天文学里叫“物质循环”。

天文学不仅能帮我们探索宇宙，还能保护我们的地球。比如如果有一颗小行星正朝着地球飞过来，天文学家能提前几年甚至几十年算出它的轨道，判断它会不会撞到地球，如果真的会撞，我们可以发射航天器去撞它，把它撞偏轨道，就像2022年美国发射的DART航天器，成功撞偏了一颗小行星的轨道，相当于给地球请了个“宇宙保镖”，以后就算有小行星来，我们也不用怕啦。

你可能会觉得，天文学都是科学家的事，我们普通人根本参与不了，其实不是哦。你不用买很贵的望远镜，现在手机里有很多免费的天文APP，比如“星图”“Stellarium”，你只要把手机对准天空，就能看到每颗星星的名字，知道哪颗是北极星，哪颗是金星，哪颗是猎户座的参宿四。如果你住在没有光污染的小镇或者农村，夏天的晚上抬头就能看到满天星星，你可以试着找找北斗七星——它的形状像个大勺子，是天上最容易认的星群之一，勺口的两颗星延长5倍的距离，就是北极星，北极星总在正北方向，不会动，以前的人航海、走夜路，就是靠它找方向的。你也可以参加学校的天文社团，或者去天文馆当志愿讲解员，给其他小朋友讲天文知识，甚至未来你也能当天文学家，发现新的星星，或者解开宇宙的奥秘。

> [!TIP] 家庭小实验：自制星空投影仪 > 你可以在家做一个简单的星空投影仪，体验古代天文仪器的原理： > 材料：一个一次性纸杯、一支手电筒、一根针、一张印着星座图案的透明胶带、一卷黑胶带 > 步骤： > 1. 把透明胶带贴在纸杯的底部，把星座图案打印出来贴在胶带内侧，图案要朝下； > 2. 用针在星座图案的每个星星的位置扎一个小孔，注意不要扎到手； > 3. 把纸杯的开口对着白墙，用黑胶带把纸杯和手电筒缠在一起，打开手电筒，你就能看到墙上的星座图案啦！ > 小原理：光会沿着直线传播，小孔会让光透过来，在墙上形成星星的图案，和古代浑天仪的投影原理是一样的哦。

> [!WARNING] 注意：天文不是占星术 > 很多小朋友可能会在文具店看到印着星座的贴纸，听到有人说“我是狮子座，所以我一定很勇敢”“水逆的时候要倒霉”，这些都属于占星术的内容，不是天文学。天文学是科学，靠观测和证据说话；占星术是迷信，没有科学依据。星座只是古人把天上的星星连起来的图案，就像你在纸上画个三角形叫它“小猫咪”，它也不会变成真的猫，星座和人性格没有任何关系。“水逆”也不是真的水星在倒退，只是从地球上看水星好像在向后移动，是一种视觉假象，根本不会影响你的生活。我们可以把星座当成好玩的图案，但不要当真哦。

天文学的研究对象其实是有层级的，从我们熟悉的地月系，一直到整个可观测宇宙，就像搭积木一样，一层一层搭上去： ```mermaid graph TD A[地月系：地球+月球] --> B[太阳系：太阳+八大行星+小行星+彗星] B --> C[银河系：太阳系+2000多亿颗恒星] C --> D[本星系群：银河系+大麦哲伦星系+小麦哲伦星系+几十个矮星系] D --> E[可观测宇宙：直径约930亿光年] ``` 我们平时说的“天文”，大部分时候研究的是太阳系和银河系里的天体，离我们并没有那么远，不用觉得遥不可及。

> [!QUESTION] 小思考与互动 > 1. 你听说过哪些和星星有关的神话故事？除了我们前面提到的夸父追日、牛郎织女，你还知道哪些？ > 2. 试着在夏天的晚上找找北斗七星和北极星，你能找到吗？找到之后，看看北极星是不是真的总在同一个位置不动？ > 3. 如果你有机会去太空旅游，你最想去太阳系的哪个星球？是火星？还是木星？还是土星？ > 4. 你觉得未来人类会在宇宙里找到外星生命吗？为什么？

> [!TIP] 小挑战 > 给当地的天文馆写一封信，问问你最想知道的天文问题，比如“月亮上为什么有环形山？”“黑洞里面有什么？”，说不定天文馆的老师会给你回信哦。

--- 脚注： [^1]: FAST全称500米口径球面射电望远镜，位于贵州省平塘县，是目前世界上最大、最灵敏的单口径射电望远镜。 [^2]: 詹姆斯·韦伯空间望远镜，2021年发射，是哈勃望远镜的继任者，主要观测红外波段的宇宙信号，能看到更遥远、更早期的宇宙。

--- > [!NOTE] 下章预告 > 下一章我们会一起走进我们的“宇宙家园”——太阳系，搞清楚太阳系里都有哪些“成员”，地球在太阳系里是什么位置，太阳为什么会发光发热，还有我们平时常说的“水逆”到底是怎么回事，记得继续跟着我们的“星空奇遇记”一起探险哦。

我们有放在太空里的哈勃望远镜，没有大气的干扰，能拍到百亿光年外的遥远星系，看到了恒星诞生的“创生之柱”、两个星系碰撞的“蝴蝶结”等好多震撼的宇宙景象；我们还建了世界上最大的单口径射电望远镜“中国天眼”（FAST）[^1]，它就像一口安在贵州群山里的巨大白色铁锅，直径有500米，比30个足球场还大，能接收到百亿光年外的宇宙发出的极其微弱的信号，灵敏度比人耳要灵敏一万亿倍，自2016年正式投入使用以来，已经帮我们找到了超过900颗脉冲星——那种每秒能旋转几百上千圈的“宇宙灯塔”，比之前全世界所有望远镜找到的脉冲星总数还要多。你可能会问：脉冲星有什么用呀？其实脉冲星就像宇宙里的“标准时钟”，转得特别准，未来我们的航天器去火星、去更远的太阳系边缘，没有地球的GPS信号，就可以靠脉冲星定位，相当于在宇宙里装了个导航，以后我们去太空旅游，就不会迷路了。

除了接收宇宙的信号，我们还亲自去宇宙里“做客”。2007年我们的“嫦娥一号”探测器第一次飞到了月亮周围，拍回了全月面的高清照片；2019年“嫦娥四号”第一次在月球背面着陆，我们在月亮背面留下了第一片中国国旗，“玉兔二号”月球车在月球背面的荒原上走了超过1500米，捡回来好多珍贵的月球岩石样本；2024年“嫦娥六号”更是从月球背面带回来了1935.3克月壤，这些月壤里藏着月亮几十亿年的秘密，能帮我们搞清楚月亮是怎么形成的，太阳系早期的演化过程是什么样的。现在已经有好多中学生用学校申请到的月壤样本做研究，比如把月壤种上拟南芥，看看植物能不能在月球的土壤里生长，说不定未来我们能在月亮上种小麦、种土豆，以后去月亮旅游就能吃到自己种的菜啦。除了月亮，我们还去了火星：2021年“天问一号”探测器成功登陆火星，“祝融号”火星车在火星的乌托邦平原上走了超过1000米，拍回了大量火星的照片，发现火星上曾经有河流、有湖泊，说不定几十亿年前火星上也有生命，现在我们正在准备下一次火星采样返回任务，说不定未来我们能从火星上带回来样本，甚至送宇航员去火星定居，说不定以后你就能成为第一批去火星定居的人类呢。

除了我们的设备，人类还一起建了更厉害的太空望远镜：2021年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜[^2]比哈勃望远镜大3倍，能观测我们眼睛看不到的红外线，能穿透宇宙里的尘埃云，看到哈勃看不到的更遥远的星系，它已经拍到了宇宙大爆炸后3亿年就形成的星系，相当于看到了宇宙刚“出生”3岁时的样子，还拍到了恒星正在诞生的“创生之柱”，就像宇宙里的“育儿所”，无数新的恒星正在那里诞生，特别壮观。你可能会问：我们为什么要看这么远的星系呀？其实看这些遥远的星系，就像看宇宙的“老照片”，能帮我们搞清楚宇宙是怎么从大爆炸变成现在这样的，甚至能帮我们找到宇宙里有没有其他外星生命。

> [!INFO] 星空冷知识 > 1. 你看到的星星的光，有些是几百万年前发出来的，也就是说，你看到的星星，其实是它几百万年前的样子，有些星星现在已经熄灭了，但它的光还在路上飞，所以我们还能看到它，就像你看到远处的烟花爆炸，其实烟花已经炸完几秒了，你看到的是之前发出来的光； > 2. 太阳的质量占整个太阳系总质量的99.86%，也就是说，太阳系里所有的行星、小行星、彗星加起来，都没有太阳重，如果把太阳比作一个100斤的大胖子，那所有行星加起来还不到半斤； > 3. 我们呼出的二氧化碳分子，可能来自几百万年前一只恐龙呼出的气，因为地球上的分子是循环的，天文学里叫“物质循环”，你吸的每一口空气里，可能都有恐龙呼出来的气哦。

天文学不仅能帮我们探索宇宙，还能保护我们的地球。比如如果有一颗小行星正朝着地球飞过来，天文学家能提前几年甚至几十年算