探索宇宙奧秘：天文現(xiàn)象教學(xué)課件

探索宇宙奧秘：天文現(xiàn)象教學(xué)課件歡迎大家踏上這場宇宙探索之旅。本課程將帶領(lǐng)大家探索浩瀚宇宙中的奇妙天象，從宇宙起源到恒星生命周期，從太陽系行星到深空天體，一起揭開宇宙的神秘面紗。我們學(xué)習(xí)天文學(xué)不僅是為了理解宇宙的基本規(guī)律，更是培養(yǎng)科學(xué)思維方式。通過觀察天文現(xiàn)象，我們能更好地認(rèn)識自己在宇宙中的位置，體會生命的珍貴與渺小。希望這門課程能點(diǎn)燃大家對科學(xué)探索的熱情，培養(yǎng)跨學(xué)科思考能力。本課程設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)路徑，從基礎(chǔ)概念到前沿探索，循序漸進(jìn)地展開宇宙畫卷。讓我們一起仰望星空，思考人類在宇宙中的意義與未來。宇宙的起源與結(jié)構(gòu)現(xiàn)在宇宙持續(xù)膨脹中的宇宙宇宙演化原子形成、星系誕生宇宙大爆炸時(shí)間零點(diǎn)，能量劇烈釋放宇宙大爆炸理論提出宇宙起源于約138億年前的一個(gè)無限密度、無限溫度的奇點(diǎn)。在極短時(shí)間內(nèi)，宇宙經(jīng)歷了急劇膨脹，溫度從難以想象的高溫迅速降低，能量轉(zhuǎn)化為基本粒子。我們能觀測到的宇宙范圍受到光速限制，稱為"可觀測宇宙"，其半徑約為930億光年。這一數(shù)值超過宇宙年齡的光年數(shù)，原因是宇宙空間本身在膨脹。宇宙的真實(shí)范圍可能遠(yuǎn)超過我們能觀測到的部分，甚至可能是無限的。星系總覽宇宙中分布著數(shù)以千億計(jì)的星系，每個(gè)星系包含數(shù)十億到數(shù)萬億顆恒星。銀河系是我們的家園，直徑約10萬光年，包含2000-4000億顆恒星。仙女座星系是離我們最近的大型星系，距離約250萬光年，是銀河系的"姊妹星系"。按形態(tài)分類，星系主要有三種類型：橢圓星系呈現(xiàn)球狀或橢圓形，缺乏明顯結(jié)構(gòu)，通常包含較老的恒星；螺旋星系有明顯的中心核球和向外延伸的旋臂，如我們的銀河系；奇異星系形狀不規(guī)則，往往是星系碰撞或相互作用的結(jié)果。太陽系探秘太陽太陽系的中心天體，占太陽系總質(zhì)量的99.86%八大行星水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星矮行星冥王星、谷神星、鬩神星、妊神星等小天體小行星、彗星、流星體、柯伊伯帶天體等太陽系是以太陽為中心，由八大行星及其衛(wèi)星、矮行星和無數(shù)小天體組成的行星系統(tǒng)。行星按照離太陽距離可分為內(nèi)行星（水、金、地、火）和外行星（木、土、天、海）。小天體群體主要包括彗星、小行星和柯伊伯帶天體。彗星是由冰、塵埃和巖石組成的天體，靠近太陽時(shí)會形成彗尾；小行星主要分布在火星和木星軌道之間，形成小行星帶；柯伊伯帶位于海王星軌道外，是許多冰質(zhì)小天體的家園。恒星的生命周期恒星誕生分子云坍縮，原恒星形成主序星階段核聚變穩(wěn)定進(jìn)行，持續(xù)數(shù)十億年紅巨星階段核心氫耗盡，外層膨脹恒星死亡行星狀星云或超新星爆發(fā)遺跡天體白矮星、中子星或黑洞恒星的生命始于分子云中的氣體和塵埃坍縮。當(dāng)中心溫度達(dá)到約1000萬度時(shí)，氫核聚變反應(yīng)開始，恒星進(jìn)入穩(wěn)定的主序星階段。不同質(zhì)量的恒星壽命差異巨大，小質(zhì)量恒星可存活數(shù)百億年，而大質(zhì)量恒星僅能存在數(shù)百萬年。當(dāng)核心氫耗盡后，恒星膨脹成為紅巨星。小質(zhì)量恒星最終脫離外層形成行星狀星云，留下白矮星；大質(zhì)量恒星經(jīng)歷超新星爆發(fā)，留下中子星或黑洞。這些過程釋放的物質(zhì)將成為新一代恒星和行星的原材料，延續(xù)宇宙的循環(huán)。太陽：我們的恒星太陽結(jié)構(gòu)太陽核心溫度約1500萬度，表面溫度約5500度。從內(nèi)到外依次是核心、輻射層、對流層、光球?qū)?、色球?qū)雍腿彰釋?。能量來源太陽每秒將約600萬噸氫轉(zhuǎn)化為氦，釋放的能量通過輻射和對流向外傳遞，最終以電磁波形式到達(dá)地球。太陽活動太陽黑子是太陽表面溫度較低的區(qū)域，通常伴隨著強(qiáng)烈的磁場活動。太陽耀斑是磁能突然釋放的爆發(fā)現(xiàn)象，可能導(dǎo)致地球上的極光和無線電通訊干擾。太陽是一顆普通的G型主序星，年齡約46億年，預(yù)計(jì)還將持續(xù)燃燒50億年左右。它占太陽系總質(zhì)量的99.86%，直徑約139萬公里，相當(dāng)于地球的109倍。太陽活動存在約11年的周期性變化，表現(xiàn)為太陽黑子數(shù)量和分布的周期性變化。太陽風(fēng)是太陽持續(xù)向外拋射的帶電粒子流，形成了延伸超過冥王星軌道的日球?qū)?。太陽輻射是地球能量的主要來源，維持著我們星球上的生命和氣候系統(tǒng)。地球：我們的家園地球自轉(zhuǎn)地球繞自轉(zhuǎn)軸每24小時(shí)自西向東旋轉(zhuǎn)一周，形成晝夜交替。自轉(zhuǎn)軸與黃道面傾斜約23.5度，導(dǎo)致四季變化。地球公轉(zhuǎn)地球繞太陽公轉(zhuǎn)一周約需365.25天，軌道呈橢圓形。地球與太陽的平均距離約1.5億公里，這個(gè)距離被定義為1個(gè)天文單位。地球獨(dú)特性地球是太陽系中唯一已知有液態(tài)水和生命的行星。擁有適宜的溫度、大氣成分和磁場保護(hù)，這些條件共同創(chuàng)造了生命繁衍的理想環(huán)境。地球是太陽系八大行星中第五大行星，也是內(nèi)行星中最大的一顆。在已知的宇宙中，地球是唯一確認(rèn)存在生命的天體，被稱為"藍(lán)色行星"，因?yàn)槠?0%的表面被水覆蓋。地球在太陽系中處于宜居帶（或稱為"金發(fā)帶"），這個(gè)區(qū)域既不會太熱也不會太冷，使得水能以液態(tài)形式存在。地球的大氣層主要由氮?dú)猓?8%）和氧氣（21%）組成，能有效過濾太陽的紫外線輻射，同時(shí)溫室氣體如二氧化碳維持著適宜的表面溫度。月球與潮汐現(xiàn)象月球基本信息月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，直徑約3476公里，約為地球直徑的1/4。月球質(zhì)量約為地球的1/81，表面重力只有地球的1/6。月球繞地球公轉(zhuǎn)周期為27.3天，自轉(zhuǎn)周期也為27.3天，這種同步旋轉(zhuǎn)使得月球總是同一面朝向地球。月球表面溫差極大，白天可達(dá)127℃，夜間可低至-173℃。潮汐現(xiàn)象潮汐主要由月球和太陽的引力共同作用形成，其中月球的影響約為太陽的2.2倍。當(dāng)?shù)厍蛏夏骋稽c(diǎn)與月球在一條直線上時(shí)，該點(diǎn)的海水會被拉高形成高潮。大多數(shù)沿海地區(qū)每天經(jīng)歷兩次高潮和兩次低潮。春季和秋季，當(dāng)太陽、地球和月球近乎一條直線時(shí)，會出現(xiàn)潮差最大的"大潮"現(xiàn)象。潮汐不僅影響海水，也對地殼產(chǎn)生微小的拉伸作用。月球表面最顯著的特征是大量環(huán)形山，這些是隕石撞擊形成的。月球的"海"實(shí)際上是由遠(yuǎn)古火山活動產(chǎn)生的玄武巖平原，并非水體。月球缺乏大氣層和磁場，使其表面直接暴露在太空輻射和微隕石撞擊中。行星運(yùn)動定律開普勒第一定律所有行星圍繞太陽的軌道都是橢圓，太陽位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。這打破了古代"天體必須做圓周運(yùn)動"的觀念，解釋了為什么行星與太陽的距離會發(fā)生變化。開普勒第二定律行星與太陽的連線在相等的時(shí)間內(nèi)掃過相等的面積。這意味著行星在近日點(diǎn)運(yùn)動較快，遠(yuǎn)日點(diǎn)運(yùn)動較慢，實(shí)際上是角動量守恒的表現(xiàn)。開普勒第三定律行星公轉(zhuǎn)周期的平方與其軌道半長軸的立方成正比。這一定律揭示了行星軌道大小與公轉(zhuǎn)周期之間的精確數(shù)學(xué)關(guān)系，為后來牛頓引力定律的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。約翰內(nèi)斯·開普勒（1571-1630）通過分析第谷·布拉赫收集的詳盡天文觀測數(shù)據(jù)，特別是火星的軌道數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動的三大定律。這些定律徹底改變了人類對太陽系的理解，為后來的牛頓力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。艾薩克·牛頓（1643-1727）在開普勒工作的基礎(chǔ)上，提出了萬有引力定律，解釋了開普勒定律背后的物理原因。牛頓發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)物體之間的引力與它們質(zhì)量的乘積成正比，與距離的平方成反比。這一定律不僅適用于行星運(yùn)動，也適用于宇宙中所有物體，成為經(jīng)典力學(xué)的基石。主要行星介紹：水金火木土行星距太陽平均距離直徑自轉(zhuǎn)周期公轉(zhuǎn)周期衛(wèi)星數(shù)量水星0.39天文單位4,879公里58.6地球日88地球日0金星0.72天文單位12,104公里243地球日(逆轉(zhuǎn))225地球日0地球1天文單位12,756公里24小時(shí)365.25地球日1火星1.52天文單位6,792公里24.6小時(shí)687地球日2木星5.2天文單位139,822公里9.9小時(shí)11.86地球年79+內(nèi)行星（類地行星）包括水星、金星、地球和火星，體積相對較小，巖石成分為主。水星是太陽系最小的行星，表面遍布隕石坑，晝夜溫差極大；金星被稱為"地球的孿生姐妹"，但其濃厚大氣導(dǎo)致強(qiáng)烈溫室效應(yīng)，表面溫度高達(dá)460℃。木星是太陽系最大的行星，質(zhì)量是地球的318倍，主要由氫和氦組成。其大紅斑是一個(gè)持續(xù)了至少300年的風(fēng)暴系統(tǒng)，直徑是地球的2-3倍。木星強(qiáng)大的磁場產(chǎn)生了太陽系最強(qiáng)的輻射帶，這對探測器構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。土星以其壯觀的環(huán)系統(tǒng)聞名，這些環(huán)由冰顆粒和巖石碎片組成，厚度僅有幾十米，卻延伸了數(shù)萬公里。外部行星與矮行星天王星天王星是第一顆通過望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的行星（1781年），自轉(zhuǎn)軸幾乎平行于軌道平面，像是"側(cè)躺"著公轉(zhuǎn)。它有27顆已知衛(wèi)星，主要由氫、氦和甲烷組成，甲烷吸收紅光使其呈現(xiàn)青藍(lán)色。海王星海王星是通過數(shù)學(xué)計(jì)算預(yù)測后發(fā)現(xiàn)的行星，大氣中的甲烷使其呈現(xiàn)深藍(lán)色。擁有14顆已知衛(wèi)星，其中最大的衛(wèi)星海衛(wèi)一（特里同）以逆行方式運(yùn)轉(zhuǎn)，可能是被捕獲的柯伊伯帶天體。矮行星2006年，國際天文學(xué)聯(lián)合會將冥王星降級為矮行星。矮行星是指環(huán)繞恒星運(yùn)行、質(zhì)量足夠形成近似球形，但未能清空其軌道附近區(qū)域的天體。目前公認(rèn)的矮行星包括冥王星、谷神星、鬩神星、妊神星和鳥神星。天王星和海王星是太陽系中的冰巨星，比起氣態(tài)的木星和土星，它們含有更多的水、氨和甲烷等"冰"成分。天王星的內(nèi)部熱量流出極少，使其成為太陽系最冷的行星；相比之下，海王星有較強(qiáng)的內(nèi)部熱源，產(chǎn)生太陽系中最強(qiáng)的大氣風(fēng)暴，風(fēng)速可達(dá)每小時(shí)2100公里。冥王星直徑僅為2377公里，還不到月球的五分之一，其表面溫度約為-230℃。2015年，"新視野號"探測器首次近距離飛掠冥王星，發(fā)現(xiàn)其表面有山脈、平原和可能的冰火山活動，遠(yuǎn)比科學(xué)家預(yù)期的活躍。矮行星的定義仍有爭議，部分天文學(xué)家認(rèn)為應(yīng)將冥王星恢復(fù)為行星地位。彗星、流星與隕石彗星由冰、塵埃和巖石組成的小天體，來自太陽系外圍的奧爾特云或柯伊伯帶近日接近太陽時(shí)，表面物質(zhì)蒸發(fā)形成彗發(fā)和彗尾，延伸可達(dá)數(shù)百萬公里流星體彗星留下的塵埃碎片形成流星體帶，地球穿過時(shí)形成流星雨隕石較大的流星體穿越大氣層抵達(dá)地表，形成隕石和隕石坑彗星在接近太陽時(shí)形成壯觀的彗尾，實(shí)際上包含兩種尾巴：由塵埃組成的較彎曲的尾巴以及由電離氣體組成的較直的藍(lán)色尾巴。著名的哈雷彗星每76年回歸一次，最近一次出現(xiàn)是1986年，下次將在2061年回歸。著名的流星雨包括每年8月的英仙座流星雨和12月的雙子座流星雨，它們分別與斯威夫特-塔特爾彗星和法厄同小行星的碎片有關(guān)。世界上最著名的隕石坑是位于美國亞利桑那州的巴林杰隕石坑，直徑約1200米，深170米，形成于約5萬年前?？茖W(xué)家估計(jì)，每天有數(shù)十噸的隕石物質(zhì)落到地球上，大多以塵埃形式燃燒在大氣層中。星云與恒星形成分子云巨大的氣體和塵埃云團(tuán)，溫度極低，密度較高重力坍縮局部區(qū)域密度增加，引力作用導(dǎo)致物質(zhì)向中心坍縮原恒星中心溫度升高，外圍物質(zhì)形成吸積盤恒星誕生核心溫度達(dá)到臨界值，核聚變開始，恒星點(diǎn)亮星云是宇宙中的氣體和塵埃云團(tuán)，是恒星形成的搖籃。獵戶座大星云是距離地球最近的大型恒星形成區(qū)之一，肉眼可見，距離我們約1350光年。其內(nèi)部充滿年輕的大質(zhì)量恒星，這些恒星強(qiáng)烈的輻射使周圍氣體發(fā)光，形成了壯觀的景象。恒星形成過程是宇宙循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。在分子云內(nèi)部，局部密度波動或外部沖擊波可能觸發(fā)重力坍縮。隨著物質(zhì)向中心聚集，原恒星形成并繼續(xù)吸積周圍物質(zhì)。當(dāng)中心溫度和壓力足夠高時(shí)，氫開始聚變成氦，釋放巨大能量，新恒星誕生。鷹狀星云中的"創(chuàng)生之柱"是著名的恒星形成區(qū)，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的這一區(qū)域圖像已成為天文學(xué)的經(jīng)典。黑洞與引力波黑洞類型黑洞按質(zhì)量可分為三類：恒星級黑洞（約3-100倍太陽質(zhì)量）、中等質(zhì)量黑洞（100-100,000倍太陽質(zhì)量）和超大質(zhì)量黑洞（數(shù)百萬至數(shù)十億倍太陽質(zhì)量）。黑洞結(jié)構(gòu)黑洞有奇點(diǎn)、事件視界和吸積盤三個(gè)主要部分。事件視界是光線無法逃逸的邊界，也稱為"視界半徑"或"史瓦西半徑"，是黑洞的"大小"指標(biāo)。引力波探測2015年9月，LIGO首次直接探測到引力波，源自13億光年外兩個(gè)黑洞的合并。2019年，事件視界望遠(yuǎn)鏡項(xiàng)目發(fā)布了人類歷史上第一張黑洞照片，拍攝對象是M87星系中心的超大質(zhì)量黑洞。黑洞是時(shí)空中引力極強(qiáng)的區(qū)域，強(qiáng)到連光都無法逃逸。它們通常由大質(zhì)量恒星死亡后核心坍縮形成，或在星系中心隨著星系演化逐漸增長。幾乎每個(gè)大型星系中心都有超大質(zhì)量黑洞，包括我們銀河系中心的人馬座A*。引力波是時(shí)空的"漣漪"，由質(zhì)量加速運(yùn)動產(chǎn)生，特別是大質(zhì)量天體的劇烈運(yùn)動，如黑洞或中子星的合并。愛因斯坦在1916年基于廣義相對論預(yù)測了引力波的存在，但直到一個(gè)世紀(jì)后才被直接探測到。LIGO和Virgo等引力波探測器通過測量激光干涉計(jì)的微小變化來探測這些時(shí)空波動，為研究黑洞和宇宙學(xué)開辟了新的觀測窗口。脈沖星與中子星中子星的形成中子星是大質(zhì)量恒星（約8-20倍太陽質(zhì)量）在超新星爆發(fā)后的遺跡。爆發(fā)過程中，恒星核心在引力作用下迅速坍縮，電子被壓入質(zhì)子形成中子，形成一個(gè)極度致密的天體。典型中子星的直徑約20-25公里，卻擁有1.4-2倍太陽質(zhì)量。其密度極高，一茶匙中子星物質(zhì)質(zhì)量約為50億噸。中子星表面引力是地球的100億倍，逃逸速度約為光速的一半。脈沖星特性脈沖星是一類特殊的高速旋轉(zhuǎn)中子星，每秒可自轉(zhuǎn)數(shù)百次。它們擁有極強(qiáng)的磁場，沿磁極方向釋放的輻射如同宇宙燈塔，當(dāng)輻射束掃過地球時(shí)，我們觀測到規(guī)律的脈沖信號。第一顆脈沖星于1967年被朱爾斯·貝爾發(fā)現(xiàn)，最初被命名為"LGM-1"（LittleGreenMen），因?yàn)槠湟?guī)律信號曾被懷疑是外星文明發(fā)出的。脈沖星的計(jì)時(shí)精度極高，有些可達(dá)納秒級，可用于導(dǎo)航和引力波探測。中子星是宇宙中最極端的實(shí)驗(yàn)室之一，其表面溫度可達(dá)百萬度，磁場強(qiáng)度是地球的萬億倍。這些條件下的物理狀態(tài)是地球?qū)嶒?yàn)室無法復(fù)制的，為研究極端條件下的物理學(xué)提供了獨(dú)特機(jī)會。超新星爆發(fā)大質(zhì)量恒星超過8倍太陽質(zhì)量的恒星核心經(jīng)歷多重核聚變階段鐵核形成當(dāng)核心聚變產(chǎn)生鐵元素后，無法繼續(xù)釋放能量維持平衡核心坍縮鐵核在自身引力下坍縮，中心溫度急劇升高反彈沖擊波坍縮到中子密度后反彈形成沖擊波，將外層物質(zhì)拋出超新星爆發(fā)是宇宙中最壯觀的爆炸現(xiàn)象之一，瞬間釋放的能量可以超過整個(gè)星系的亮度。根據(jù)形成機(jī)制，超新星主要分為兩種類型：Ia型超新星由白矮星在吸積物質(zhì)后超過錢德拉塞卡極限引發(fā)熱核爆炸；II型超新星由大質(zhì)量恒星核心塌縮引發(fā)。著名的實(shí)例包括1054年中國天文學(xué)家記錄的"客星"，現(xiàn)在被稱為蟹狀星云；1987年在大麥哲倫云中觀測到的SN1987A是近代最接近地球的超新星；而仙后座A是一個(gè)年輕的超新星遺跡，距離我們約1.1萬光年，爆發(fā)于約300年前。超新星爆發(fā)是除氫和氦外宇宙中所有重元素的主要來源，包括構(gòu)成地球和生命的元素。天文學(xué)家估計(jì)，銀河系中平均每50年會有一次超新星爆發(fā)。宇宙膨脹與哈勃定律距離(百萬光年)退行速度(公里/秒)宇宙膨脹是現(xiàn)代宇宙學(xué)的基本認(rèn)知，最初由埃德溫·哈勃通過觀測遙遠(yuǎn)星系的紅移現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)。紅移是指光譜線向光譜的紅端偏移，表明光源正在遠(yuǎn)離觀測者。哈勃發(fā)現(xiàn)星系的紅移與其距離成正比，這一關(guān)系被稱為哈勃定律，可表示為：v=H?×d，其中v是退行速度，d是距離，H?是哈勃常數(shù)。當(dāng)前哈勃常數(shù)的測量值約為每秒70公里/每百萬秒差距，這意味著相距1百萬秒差距（約3.26百萬光年）的兩個(gè)星系，相對速度增加約70公里/秒。近年來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹速度正在加速，這一發(fā)現(xiàn)引入了暗能量的概念，并使發(fā)現(xiàn)者獲得了2011年諾貝爾物理學(xué)獎。依據(jù)宇宙膨脹理論，如果我們追溯時(shí)間，所有物質(zhì)都會集中到一個(gè)點(diǎn)，這與大爆炸理論相符。宇宙微波背景輻射1965發(fā)現(xiàn)年份彭齊亞斯和威爾遜意外發(fā)現(xiàn)這一輻射2.725K平均溫度近乎完美的黑體輻射溫度380,000年齡（年）宇宙微波背景輻射形成時(shí)的宇宙年齡1/100,000溫度漲落反映宇宙早期的微小密度差異宇宙微波背景輻射（CMB）是大爆炸理論的關(guān)鍵證據(jù)，代表著宇宙誕生后約38萬年時(shí)釋放的光子。在宇宙早期，物質(zhì)和輻射緊密耦合在一起形成等離子體。隨著宇宙膨脹和冷卻，溫度降至約3000K時(shí)，電子與質(zhì)子結(jié)合形成中性氫原子，光子不再被散射，開始自由傳播，這一過程稱為"重組"或"解耦"。CMB的發(fā)現(xiàn)堪稱20世紀(jì)物理學(xué)最重大的意外發(fā)現(xiàn)之一。1965年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的彭齊亞斯和威爾遜在測試微波天線時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)來自各個(gè)方向的持續(xù)背景噪聲，后來證實(shí)這正是大爆炸的余輝，二人因此獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎。COBE、WMAP和普朗克衛(wèi)星等后續(xù)任務(wù)精確測量了CMB的溫度漲落圖，這些微小差異是現(xiàn)今宇宙中星系和星系團(tuán)形成的種子。暗物質(zhì)與暗能量暗能量暗物質(zhì)普通物質(zhì)暗物質(zhì)和暗能量是現(xiàn)代宇宙學(xué)最大的謎團(tuán)。暗物質(zhì)不發(fā)光、不與電磁波相互作用，但通過引力影響可見物質(zhì)。其存在證據(jù)包括星系旋轉(zhuǎn)曲線異常（星系邊緣恒星運(yùn)動速度高于預(yù)期）、星系團(tuán)中可見物質(zhì)不足以解釋其引力效應(yīng)，以及宇宙微波背景輻射的精確測量。目前認(rèn)為暗物質(zhì)可能是尚未發(fā)現(xiàn)的基本粒子，如弱相互作用大質(zhì)量粒子（WIMP）。暗能量是一種神秘的能量形式，推動宇宙加速膨脹，其性質(zhì)更加難以捉摸。1998年，天文學(xué)家通過觀測Ia型超新星發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在加速，而非先前認(rèn)為的減速。暗能量可能是愛因斯坦廣義相對論中的宇宙學(xué)常數(shù)，代表真空中的能量；也可能是一種新的能量場，稱為"第五力場"。根據(jù)當(dāng)前觀測，宇宙中約68%是暗能量，27%是暗物質(zhì)，只有5%是我們熟悉的普通物質(zhì)。宇宙尺度與單位天文單位(AU)定義為地球到太陽的平均距離，約1.496億公里。太陽系內(nèi)天體距離通常以AU表示，例如木星距太陽約5.2AU，冥王星平均距離約39.5AU。光年光在真空中傳播一年的距離，約9.46萬億公里。用于表示恒星之間的距離，例如，離我們最近的恒星系統(tǒng)半人馬座阿爾法距離約4.3光年。秒差距基于天文視差測量的單位，等于3.26光年或206,265AU。專業(yè)天文學(xué)中常用，例如銀河系直徑約3萬秒差距。百萬秒差距(Mpc)常用于表示星系間距離和大尺度宇宙結(jié)構(gòu)。仙女座星系距我們約0.78Mpc，而可觀測宇宙半徑約為14,000Mpc。理解宇宙尺度需要特殊的單位。在太陽系尺度，我們使用天文單位；在恒星間距離，使用光年或秒差距；在星系尺度，使用百萬秒差距。這些單位幫助科學(xué)家處理從行星到整個(gè)宇宙的各種距離。"哈勃球"指可觀測宇宙的范圍，其半徑約為930億光年（而非138億光年），這是因?yàn)橛钪媾蛎浭沟米钤绨l(fā)出光的物體現(xiàn)在已經(jīng)移動到更遠(yuǎn)的位置。宇宙的實(shí)際大小可能遠(yuǎn)超過可觀測范圍，甚至可能是無限的。為了理解這些巨大的尺度，科學(xué)家們常用類比，例如，如果太陽是一個(gè)乒乓球，地球?qū)⑹且涣Ｖヂ?，位于約7.5米遠(yuǎn)的地方，而最近的恒星則在2000公里外。太陽系外行星（系外行星）首次發(fā)現(xiàn)1995年，邁克爾·梅耶和迪迪?！た迤澃l(fā)現(xiàn)圍繞太陽系外恒星飛馬座51號運(yùn)行的行星，這是第一顆被確認(rèn)的系外行星。探測方法主要方法包括徑向速度法（測量恒星受行星引力影響而產(chǎn)生的擺動）、凌日法（觀測行星從恒星前方經(jīng)過產(chǎn)生的亮度微弱降低）、直接成像和引力微透鏡效應(yīng)。探測成果截至目前，已確認(rèn)發(fā)現(xiàn)5000多顆系外行星，包括超級地球、熱木星、迷你海王星等多種類型。開普勒太空望遠(yuǎn)鏡和TESS任務(wù)是探測系外行星的重要項(xiàng)目。宜居帶搜索科學(xué)家特別關(guān)注位于恒星宜居帶的類地行星，如TRAPPIST-1系統(tǒng)中的七顆行星，其中數(shù)顆可能位于適合液態(tài)水存在的區(qū)域。系外行星研究是天文學(xué)中發(fā)展最迅速的領(lǐng)域之一，已從最初探測大型氣態(tài)行星發(fā)展到能夠發(fā)現(xiàn)與地球大小相近的巖石行星。研究表明，行星形成是恒星形成過程中的普遍現(xiàn)象，估計(jì)銀河系中幾乎每顆恒星都擁有至少一顆行星。最近的發(fā)現(xiàn)包括圍繞比鄰星（離太陽最近的恒星）運(yùn)行的行星比鄰星b，這是一顆可能位于宜居帶的超級地球。詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡將能夠分析某些系外行星大氣的成分，尋找生命可能存在的痕跡，如氧氣、甲烷等生物標(biāo)志。系外行星的多樣性遠(yuǎn)超我們太陽系的行星，包括"鉆石行星"（碳含量極高的行星）、"水世界"（全球覆蓋深海的行星）和"熔巖行星"（表面溫度極高的行星）。地外生命探索火星探索火星是太陽系中最可能曾經(jīng)或現(xiàn)在存在生命的行星。探測器發(fā)現(xiàn)了古代河床和湖泊痕跡，表明火星曾有液態(tài)水。最新研究關(guān)注地下冰層和可能存在的咸水湖。木衛(wèi)二木星的衛(wèi)星歐羅巴（木衛(wèi)二）被認(rèn)為擁有深達(dá)100公里的液態(tài)水海洋，覆蓋在冰殼之下。其海洋總體積可能是地球海洋的兩倍，潮汐熱可能提供了維持生命所需的能量。SETI項(xiàng)目尋找地外智能生命計(jì)劃（SETI）主要通過射電望遠(yuǎn)鏡搜索可能的人工信號。從1960年開始的"奧茲瑪計(jì)劃"到現(xiàn)在的"突破聆聽"項(xiàng)目，科學(xué)家一直在嘗試接收可能來自外星文明的信息。地外生命探索的基本策略是"跟隨水的蹤跡"，因?yàn)樗械厍蛏家蕾囉谝簯B(tài)水。除了火星和木衛(wèi)二，土衛(wèi)六（泰坦）擁有豐富的有機(jī)化合物和類似地球的液體循環(huán)（雖然是甲烷而非水）；土衛(wèi)二（恩克拉多斯）南極有活躍的間歇噴泉，噴射的物質(zhì)中檢測到有機(jī)分子。德雷克方程試圖估計(jì)銀河系中可能存在的智能文明數(shù)量，考慮了恒星形成率、擁有行星的恒星比例、適宜生命的行星數(shù)、實(shí)際發(fā)展生命的行星比例等多個(gè)因素。費(fèi)米悖論則提出了一個(gè)問題：如果宇宙中存在很多外星文明，為什么我們還沒有觀測到它們的證據(jù)？可能的解釋包括：文明的壽命有限、星際旅行極其困難、高級文明可能選擇不干擾我們，或者我們可能是被"動物園"般觀察的對象。星空觀測基礎(chǔ)知識星等系統(tǒng)古希臘天文學(xué)家喜帕恰斯建立的亮度分級系統(tǒng)，一等星比六等星亮約100倍。數(shù)字越小，恒星越亮。視星等是觀測到的亮度，而絕對星等是假設(shè)恒星位于10秒差距（32.6光年）處的理論亮度。坐標(biāo)系統(tǒng)赤道坐標(biāo)系是最常用的天文坐標(biāo)系統(tǒng)，類似于地球的經(jīng)緯度。赤經(jīng)（RA）相當(dāng)于經(jīng)度，從春分點(diǎn)向東測量；赤緯（DEC）相當(dāng)于緯度，從天赤道向南北測量。天球赤道是地球赤道在天球上的投影。星圖使用星圖顯示特定時(shí)間和地點(diǎn)可見的星空。使用時(shí)應(yīng)調(diào)整星圖朝向：北半球觀測者將星圖上的"北"朝北舉起；南半球則將"南"朝南。許多星圖應(yīng)用程序可以根據(jù)當(dāng)前位置和時(shí)間自動顯示星空。星空觀測需要了解一些基本概念。肉眼在黑暗條件下可見的最暗星等約為6.5等，而最亮的恒星天狼星的視星等為-1.46。行星通常比恒星更亮，木星和金星可達(dá)-2至-4等。滿月視星等約為-12.7，而太陽則是-26.7。天文學(xué)家使用"星座"作為天空的區(qū)域劃分，類似于地圖上的國家。國際天文學(xué)聯(lián)合會將天空分為88個(gè)星座，每個(gè)星座有明確的邊界。星座圖案通常由不同距離的亮星形成，這些恒星可能沒有物理聯(lián)系。天區(qū)中最亮的恒星通常用希臘字母命名，如天鷹座α星（牛郎星）。觀測星空的最佳地點(diǎn)是遠(yuǎn)離城市光污染的黑暗地區(qū)，理想的觀測時(shí)間是新月前后，天空最黑暗的時(shí)候。星座與四季天空由于地球繞太陽公轉(zhuǎn)，我們能看到的夜空星座隨季節(jié)變化。春季的標(biāo)志性星座包括獅子座（可尋找"鐮刀"形狀）和室女座（其中最亮的角宿一）；夏季天空中，天鷹座（牛郎星）、天琴座（織女星）和天鵝座形成"夏季大三角"，銀河系最明亮的部分橫跨夜空；秋季的特征是"秋季方形"，由飛馬座的三顆星和仙女座的一顆星組成；冬季則以獵戶座為代表，其"三星腰帶"和亮星參宿七、參宿四非常醒目。北半球全年可見的星座稱為"環(huán)北極星座"，包括北斗七星（大熊座的一部分）、小熊座、仙后座（W形）、天龍座和仙王座。北斗七星是尋找北極星的指引：通過北斗七星中的兩顆指向星（揭陽和天璇）連線，延長約5倍距離，可找到北極星（小熊座α星）。南半球觀測者則可全年看到南十字架、半人馬座和船底座等南天星座。不同文化對星座有不同解釋，如中國古代的二十八宿系統(tǒng)和北斗七星（古稱"北斗"）的文化意義。流星雨觀測實(shí)例流星雨名稱高峰期輻射點(diǎn)每小時(shí)流星數(shù)母彗星象限儀流星雨1月3-4日牧夫座402003EH1寶瓶座η流星雨5月6日寶瓶座30哈雷彗星英仙座流星雨8月12-13日英仙座100+斯威夫特-塔特爾彗星雙子座流星雨12月13-14日雙子座120+法厄同小行星流星雨是地球穿過彗星或小行星留下的碎片塵埃帶時(shí)形成的天文現(xiàn)象。這些塵埃顆粒以每秒數(shù)十公里的速度進(jìn)入地球大氣層，摩擦產(chǎn)生熱量使其燃燒發(fā)光，形成我們看到的流星。英仙座流星雨是北半球最著名的流星雨之一，高峰期在每年8月12-13日前后，由于母彗星斯威夫特-塔特爾的軌道穩(wěn)定，它的表現(xiàn)相對可靠，在理想條件下每小時(shí)可見超過100顆流星。觀測流星雨的最佳方式是選擇遠(yuǎn)離城市光污染的黑暗地點(diǎn)，并在午夜后觀測，這時(shí)您所在的地球區(qū)域正面向流星雨的來源方向。無需使用望遠(yuǎn)鏡或雙筒鏡，因?yàn)榱餍强赡艹霈F(xiàn)在夜空的任何位置。建議帶上躺椅或睡袋、保暖衣物、紅光手電筒（不影響夜視能力）和防蟲劑。觀測時(shí)給眼睛至少20分鐘適應(yīng)黑暗，注視輻射點(diǎn)附近的天空區(qū)域，但不要直接盯著輻射點(diǎn)，因?yàn)榱餍浅Ｔ谳椛潼c(diǎn)周圍區(qū)域最為顯眼。日食和月食日食類型當(dāng)月球位于太陽和地球之間，擋住太陽光時(shí)發(fā)生日食。根據(jù)月球遮擋太陽的程度，分為全食、環(huán)食和偏食三種類型。日全食發(fā)生在月球完全遮擋太陽時(shí)，此時(shí)月球視直徑略大于太陽；日環(huán)食發(fā)生在月球視直徑略小于太陽時(shí)，形成明亮的"火環(huán)"；日偏食則是月球只遮擋部分太陽。日全食帶非常狹窄，通常寬度不超過270公里，而且移動迅速，在同一地點(diǎn)日全食的平均間隔約為375年。月食現(xiàn)象當(dāng)?shù)厍蛭挥谔柡驮虑蛑g，月球穿過地球的影子時(shí)發(fā)生月食。月食也分為全食、偏食和半影食。月全食時(shí)，月球呈現(xiàn)紅銅色（被稱為"血月"），這是因?yàn)榈厍虼髿鈱⑻柟馍⑸洳澢挥屑t色光線能穿過較厚的大氣層到達(dá)月球。與日食不同，月食可在月球可見的半球范圍內(nèi)同時(shí)觀測到。一次月全食可持續(xù)長達(dá)1.5小時(shí)，比日全食（最長7分鐘32秒）持續(xù)時(shí)間長得多。日食和月食都需要日、地、月三者近乎直線排列，但由于月球軌道相對于地球公轉(zhuǎn)軌道有約5度的傾角，因此并非每個(gè)月都會發(fā)生日食或月食。日食只發(fā)生在新月，月食只發(fā)生在滿月。每年至少發(fā)生兩次日食，最多五次；月食則至少零次，最多三次。極光現(xiàn)象太陽活動太陽風(fēng)暴和日冕物質(zhì)拋射釋放帶電粒子太陽風(fēng)帶電粒子流經(jīng)行星際空間到達(dá)地球地磁場帶電粒子被引導(dǎo)至兩極區(qū)域大氣激發(fā)粒子與大氣分子碰撞，激發(fā)分子釋放光子極光，也稱為極光（北極光）和南極光（南極光），是地球南北極區(qū)域上空大氣層中的一種絢麗光彩。當(dāng)太陽風(fēng)中的帶電粒子（主要是電子和質(zhì)子）被地球磁場引導(dǎo)至極區(qū)，并與高層大氣中的原子和分子碰撞時(shí)，這些原子受到激發(fā)并釋放出特征光譜，形成各種顏色的極光。不同顏色的極光來自不同氣體：綠色來自氧原子（高度約100-240公里）；紅色來自更高層的氧原子（240公里以上）；藍(lán)色和紫色來自氮分子。極光活動與太陽活動周期密切相關(guān)，太陽活動高峰期極光更為活躍和頻繁。在北半球，最佳觀測地點(diǎn)是阿拉斯加、加拿大北部、格陵蘭、冰島、挪威、瑞典和芬蘭等北極圈附近地區(qū)；南半球則是南極洲、新西蘭南部和澳大利亞塔斯馬尼亞州。最佳觀測時(shí)間是冬季長夜期間的晴朗夜晚，遠(yuǎn)離城市光污染的地區(qū)。極光不僅出現(xiàn)在地球，木星、土星、天王星和海王星等有磁場的行星也有極光現(xiàn)象，這些被哈勃望遠(yuǎn)鏡和其他太空任務(wù)探測到。銀河系結(jié)構(gòu)銀心超大質(zhì)量黑洞和稠密恒星核球區(qū)域棒狀結(jié)構(gòu)連接銀心和旋臂的恒星密集區(qū)旋臂四條主要螺旋旋臂及多條副旋臂盤面包含大多數(shù)恒星、氣體和塵埃的扁平結(jié)構(gòu)暈球狀包圍整個(gè)銀河系的稀疏老年恒星和球狀星團(tuán)銀河系是我們所在的星系，一個(gè)包含約2000-4000億顆恒星的巨大恒星系統(tǒng)。它是一個(gè)典型的棒旋星系，直徑約10萬光年，中央厚度約1萬光年，邊緣逐漸變薄。銀河系的中心區(qū)域被稱為銀心，距離太陽約2.6萬光年，那里有一個(gè)質(zhì)量約為400萬倍太陽質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞——人馬座A*。銀河系有四條主要旋臂：英仙座旋臂、天鵝-南十字旋臂、人馬座-船底旋臂和獵戶座旋臂（我們所在的較小旋臂）。太陽系位于銀河系的郊外區(qū)域，處于獵戶座旋臂和英仙座旋臂之間的"本地臂"內(nèi)，距銀心約2.6萬光年，繞銀心公轉(zhuǎn)一周約需2.2億年。銀河系是本星系群中最大的螺旋星系之一，與仙女座星系（M31）一起是本星系群中的主導(dǎo)星系。估計(jì)約1000年后，銀河系將與仙女座星系發(fā)生碰撞并最終合并。其他著名星系大麥哲倫云和小麥哲倫云是銀河系最大的兩個(gè)衛(wèi)星星系，分別距離我們約16萬和20萬光年。這兩個(gè)不規(guī)則矮星系正在與銀河系的相互作用中逐漸被潮汐力撕裂，形成了連接三個(gè)星系的氫氣流"麥哲倫星系"。大麥哲倫云內(nèi)有著名的超新星1987A，這是現(xiàn)代天文學(xué)最接近地球的超新星爆發(fā)，為我們提供了前所未有的研究機(jī)會。蜘蛛星系（M101）是一個(gè)典型的大型螺旋星系，距離約2700萬光年，呈面對面方向，使我們能清晰看到其完美的旋臂結(jié)構(gòu)。星爆星系（M82）則因其劇烈的恒星形成活動而得名，這些活動被認(rèn)為是與鄰近星系M81的引力相互作用引發(fā)的。M82的中心區(qū)域正以比銀河系高數(shù)十倍的速率形成新恒星，并產(chǎn)生強(qiáng)大的超新星風(fēng)，將物質(zhì)噴射到星系外部。宇宙中還有許多其他類型的奇特星系，如環(huán)星系、透鏡星系和超亮紅外星系等，每種都代表星系演化的不同階段或特殊環(huán)境。哈勃空間望遠(yuǎn)鏡發(fā)射與服務(wù)任務(wù)哈勃太空望遠(yuǎn)鏡于1990年4月發(fā)射，主鏡直徑2.4米。盡管最初發(fā)現(xiàn)主鏡存在球差問題，但通過1993年的首次服務(wù)任務(wù)成功修復(fù)。之后進(jìn)行了四次額外的服務(wù)任務(wù)，升級了儀器并延長了使用壽命。主要儀器哈勃配備了多臺先進(jìn)儀器，包括廣域相機(jī)3（WFC3）、宇宙起源光譜儀（COS）、空間望遠(yuǎn)鏡成像光譜儀（STIS）和先進(jìn)測量相機(jī)（ACS）。這些儀器可以在紫外線到近紅外線波段進(jìn)行觀測。科學(xué)成就哈勃的重要成就包括精確測量哈勃常數(shù)、發(fā)現(xiàn)星系中的超大質(zhì)量黑洞普遍存在、觀測到原行星盤、提供深空圖像，以及對超新星進(jìn)行觀測，幫助證實(shí)宇宙加速膨脹。哈勃深場和超深場是望遠(yuǎn)鏡最著名的觀測項(xiàng)目，通過長時(shí)間曝光拍攝極小區(qū)域的天空，揭示了數(shù)千個(gè)以前未知的遙遠(yuǎn)星系。原始深場圖像覆蓋了相當(dāng)于滿月1/30的面積，卻含有約3000個(gè)星系，其中最遙遠(yuǎn)的形成于宇宙誕生后僅幾億年。哈勃望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)勢在于其位于大氣層之外，避免了大氣擾動，能獲得極高分辨率的圖像。它能夠觀測到的最遙遠(yuǎn)天體距離我們超過130億光年。截至目前，哈勃已經(jīng)進(jìn)行了超過170萬次觀測，生成了超過150TB的數(shù)據(jù)，科學(xué)家基于這些數(shù)據(jù)發(fā)表了超過18000篇同行評審論文。盡管哈勃已服役超過30年，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)壽命，仍在繼續(xù)運(yùn)行并提供寶貴數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)將持續(xù)工作至2030年代，與詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡共同探索宇宙。現(xiàn)代天文觀測手段光學(xué)望遠(yuǎn)鏡包括地基大型望遠(yuǎn)鏡和空間望遠(yuǎn)鏡，用于收集可見光波段的光子?，F(xiàn)代光學(xué)望遠(yuǎn)鏡通常采用反射式設(shè)計(jì)，使用大型主鏡收集和聚焦光線。最大的地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡包括大型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡（鏡徑10米）、超大型望遠(yuǎn)鏡（鏡徑8米）等。射電望遠(yuǎn)鏡探測宇宙中的射電波，能夠穿透星際塵埃觀測到光學(xué)不可見的天體?，F(xiàn)代射電望遠(yuǎn)鏡通常采用多天線陣列設(shè)計(jì)，如甚大陣列（VLA）和阿塔卡馬大型毫米波/亞毫米波陣列（ALMA）。這些陣列可通過干涉測量技術(shù)獲得極高分辨率的圖像。空間望遠(yuǎn)鏡位于地球大氣層之外，可觀測被大氣吸收的波段如紫外線、X射線和伽馬射線。代表性的空間望遠(yuǎn)鏡除了哈勃外，還有詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（紅外線）、錢德拉X射線天文臺和費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡等?，F(xiàn)代天文學(xué)是一門多波段科學(xué)，天文學(xué)家使用覆蓋整個(gè)電磁波譜的儀器來全面了解天體物理現(xiàn)象。重力波探測器如LIGO和Virgo開辟了全新的觀測窗口，檢測時(shí)空的微小漣漪；中微子望遠(yuǎn)鏡如超級神岡探測器研究這些幾乎不與物質(zhì)相互作用的粒子；高能粒子探測器如皮埃爾·奧格爾天文臺研究宇宙射線。射電天文學(xué)FAST基本參數(shù)中國"天眼"（五百米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡）是世界上最大的單口徑射電望遠(yuǎn)鏡，位于貴州省平塘縣喀斯特洼地中。其反射面直徑為500米，相當(dāng)于30個(gè)足球場大小，接收面積約為250,000平方米。技術(shù)特點(diǎn)FAST采用主動反射面技術(shù)，由4450塊鋁制反射單元組成，每個(gè)單元可獨(dú)立調(diào)整位置，形成300米口徑的瞬時(shí)拋物面。望遠(yuǎn)鏡工作頻率范圍為70MHz至3GHz，靈敏度是之前最大射電望遠(yuǎn)鏡阿雷西博的2.5倍?？茖W(xué)目標(biāo)FAST的主要科學(xué)目標(biāo)包括：探測上千顆新脈沖星；進(jìn)行中性氫巡天，研究星系演化；搜尋可能的地外文明信號；觀測星際分子，研究恒星和行星形成；研究快速射電暴等瞬變現(xiàn)象。射電天文學(xué)研究天體發(fā)出的無線電波，這些電磁波波長范圍從約1毫米到100米。射電觀測可以"看穿"星際塵埃云，探測光學(xué)望遠(yuǎn)鏡無法觀測到的現(xiàn)象。射電波段的重要發(fā)現(xiàn)包括宇宙微波背景輻射、類星體、脈沖星、快速射電暴和引力透鏡等現(xiàn)象。射電信號的天文解讀涉及多種技術(shù)。單口徑望遠(yuǎn)鏡如FAST主要測量射電源的強(qiáng)度和頻譜；干涉儀陣列如歐洲甚長基線干涉測量網(wǎng)絡(luò)（EVN）則通過多個(gè)望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測，實(shí)現(xiàn)極高分辨率。射電觀測對極端精確的時(shí)間同步有要求，通常使用原子鐘確保納秒級精度。FAST自2016年開始運(yùn)行以來，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過660顆新脈沖星和數(shù)百個(gè)快速射電暴，大大加深了我們對這些神秘天體的理解。波段與天體探測波段波長范圍主要天體觀測對象代表性望遠(yuǎn)鏡伽馬射線＜0.01納米黑洞、超新星、脈沖星費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡X射線0.01-10納米致密天體、熱氣體、活動星系核錢德拉X射線天文臺紫外線10-380納米熱恒星、星系、類星體哈勃、雨燕可見光380-750納米恒星、星系、行星哈勃、大型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡紅外線750納米-1毫米塵埃區(qū)、冷恒星、遙遠(yuǎn)星系詹姆斯·韋伯、斯皮策射電1毫米-100米冷氣體、脈沖星、宇宙微波背景FAST、ALMA不同波長的電磁輻射揭示了宇宙中不同類型的物理過程和天體。例如，伽馬射線主要來自高能過程，如黑洞周圍的物質(zhì)吸積或超新星爆發(fā)；X射線顯示溫度高達(dá)數(shù)百萬度的氣體；紅外線則能穿透塵埃云，觀察恒星形成區(qū)和宇宙早期星系。多波段天文學(xué)通過組合不同波長的觀測數(shù)據(jù)，提供天體的全面圖像。太空望遠(yuǎn)鏡的主要優(yōu)勢在于避開了大氣層的吸收和擾動。地球大氣對許多波段的電磁輻射（如大部分紫外線、X射線和伽馬射線）不透明，這些波段只能通過太空望遠(yuǎn)鏡觀測。詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡作為下一代旗艦紅外望遠(yuǎn)鏡，其主鏡直徑達(dá)6.5米，工作溫度保持在-233℃，將能探測到宇宙最早期的星系。而羅曼太空望遠(yuǎn)鏡將進(jìn)行大面積巡天，研究暗能量性質(zhì)；南極望遠(yuǎn)鏡陣列利用南極極低溫度和干燥條件，專注于宇宙微波背景輻射的精確測量。月球探測與阿波羅計(jì)劃阿波羅11號（1969年7月）尼爾·阿姆斯特朗和巴茲·奧爾德林成為首批登上月球的人類，留下著名的"這是一個(gè)人的一小步，卻是人類的一大步"。在月球表面停留21小時(shí)32分鐘，收集21.5公斤月球樣本。阿波羅15-17號（1971-1972年）后期阿波羅任務(wù)使用了月球車，大幅擴(kuò)展了探索范圍。阿波羅17號是最后一次載人登月任務(wù)，宇航員在月球表面停留了創(chuàng)紀(jì)錄的三天時(shí)間，使用月球車行駛了35.7公里。后阿波羅時(shí)代（1972年后）多國開展的無人月球探測，包括嫦娥工程、露娜系列和月球勘測軌道飛行器等，完成了月球的全球測繪，發(fā)現(xiàn)水冰存在的證據(jù)，并對月球形成提供了新見解。阿波羅計(jì)劃（1961-1972）是美國宇航局（NASA）的一項(xiàng)載人航天計(jì)劃，目標(biāo)是將宇航員送上月球并安全返回地球。這一目標(biāo)由肯尼迪總統(tǒng)在1961年設(shè)立，當(dāng)時(shí)美國正與蘇聯(lián)進(jìn)行太空競賽?？偣?次成功的登月任務(wù)（阿波羅11、12、14、15、16和17號）將12名宇航員送上了月球表面，他們共收集了382公斤月球巖石和土壤樣本，這些樣本至今仍在科學(xué)分析中。阿波羅任務(wù)收集的月球樣本證實(shí)了月球與地球有共同起源，支持"巨型撞擊"假說，即月球形成于約45億年前一個(gè)火星大小的天體與原始地球碰撞后的碎片。月球地質(zhì)全球圖繪制揭示了月球表面約83%為高地（淺色區(qū)域），17%為"月海"（深色區(qū)域，實(shí)際是玄武巖平原）。月球探測繼續(xù)進(jìn)行，嫦娥四號實(shí)現(xiàn)了人類首次月球背面軟著陸；美國計(jì)劃通過"阿爾忒彌斯計(jì)劃"在2025年前后重返月球，并建立可持續(xù)月球基地作為深空探索的跳板。火星探測前沿勇氣號與機(jī)遇號這對火星探測漫游車于2004年登陸火星，原計(jì)劃工作90個(gè)火星日，但兩者均大幅超期服役。機(jī)遇號最終工作了超過14年，行駛距離超過45公里，直到2018年的全球沙塵暴后失去聯(lián)系。這對雙胞胎探測器的主要發(fā)現(xiàn)包括確認(rèn)火星古代存在液態(tài)水環(huán)境，發(fā)現(xiàn)了含水礦物質(zhì)赤鐵礦，以及在特定區(qū)域曾存在適宜生命的中性pH值水體環(huán)境，這改變了我們對"紅色星球"歷史的認(rèn)識。好奇號與毅力號好奇號（2012年登陸）是一輛汽車大小的核動力探測器，配備先進(jìn)科學(xué)儀器，包括可鉆探巖石的機(jī)械臂和激光光譜儀。毅力號（2021年登陸）在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步升級，增加了收集樣本并為未來返回地球做準(zhǔn)備的能力。好奇號在蓋爾隕石坑中確認(rèn)了古代湖泊環(huán)境的存在，檢測到有機(jī)分子，并測量了火星輻射水平以評估未來載人任務(wù)的風(fēng)險(xiǎn)。毅力號在杰澤羅隕石坑工作，此處曾是一個(gè)三角洲湖泊，可能保存了古代生物活動的化石痕跡?；鹦巧系乃淖C據(jù)越來越多，表明這顆行星曾經(jīng)擁有豐富的液態(tài)水。軌道探測器如火星勘測軌道飛行器（MRO）發(fā)現(xiàn)了季節(jié)性流動特征，可能與咸水流動有關(guān)；火星探路者號的中子光譜儀檢測到廣泛分布的地下冰層；歐洲空間局的火星快車和美國宇航局的MAVEN探測器則研究了火星大氣隨時(shí)間的流失過程，解釋了為何這顆行星從溫暖濕潤變?yōu)楝F(xiàn)今的寒冷干燥。木星與土星探測伽利略號任務(wù)伽利略號探測器于1995-2003年在木星系統(tǒng)工作，進(jìn)行了多次木星及其衛(wèi)星的近距離飛掠。它首次直接觀測到木星云層結(jié)構(gòu)，研究了木星強(qiáng)大的磁場，并詳細(xì)觀察了四顆伽利略衛(wèi)星（木衛(wèi)一、木衛(wèi)二、木衛(wèi)三、木衛(wèi)四）。卡西尼號任務(wù)卡西尼-惠更斯號是一項(xiàng)聯(lián)合任務(wù)，于2004-2017年探索土星系統(tǒng)?？ㄎ髂崽枌ν列黔h(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)土星環(huán)中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和動力學(xué)過程，并對土星眾多衛(wèi)星進(jìn)行了近距離觀測，特別是泰坦和土衛(wèi)二。重大發(fā)現(xiàn)伽利略號發(fā)現(xiàn)木衛(wèi)二可能有地下海洋；卡西尼號確認(rèn)土衛(wèi)二南極有活躍噴泉，噴射的物質(zhì)中含有有機(jī)分子和鹽分，暗示地下海洋可能適宜生命存在；朱諾號任務(wù)正在詳細(xì)研究木星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和大氣動力學(xué)。木星的極地風(fēng)暴形成了壯觀的極光，比地球的極光強(qiáng)度大幾百倍。伽利略號探測器的探測表明，木星的大紅斑是一個(gè)持續(xù)了至少400年的超級風(fēng)暴，寬度約為地球直徑的1.3倍。2016年抵達(dá)木星的朱諾號提供了前所未有的木星極區(qū)圖像，發(fā)現(xiàn)了排列成幾何圖案的氣旋風(fēng)暴群?？ㄎ髂崽柼綔y器在其13年的土星任務(wù)期間，發(fā)現(xiàn)了土星環(huán)的驚人復(fù)雜性，包括"輻條"、"編織"結(jié)構(gòu)和波紋。它還發(fā)現(xiàn)土星最大的衛(wèi)星泰坦擁有厚厚的大氣層和液態(tài)甲烷湖泊，形成類似地球水循環(huán)的甲烷循環(huán)。在土衛(wèi)二，卡西尼號多次穿越其南極噴泉，收集并分析了噴射物，證實(shí)了地下海洋存在的證據(jù)。任務(wù)結(jié)束時(shí)，卡西尼號被引導(dǎo)撞擊土星大氣層，避免了可能污染潛在宜居衛(wèi)星的風(fēng)險(xiǎn)。深空探測任務(wù)發(fā)射旅行者1號和2號于1977年發(fā)射，利用罕見的行星排列進(jìn)行"引力彈弓"機(jī)動行星探測完成木星、土星、天王星和海王星的第一次詳細(xì)探測，發(fā)現(xiàn)多顆新衛(wèi)星離開日球?qū)勇眯姓?號于2012年成為首個(gè)進(jìn)入星際空間的人造物體，旅行者2號于2018年跟隨星際之旅攜帶地球文明記錄的"金唱片"，將在銀河系中航行數(shù)十億年旅行者任務(wù)是人類探索太陽系的里程碑。旅行者1號如今距離地球約230億公里，是最遠(yuǎn)的人造物體，其信號需要21小時(shí)才能到達(dá)地球。盡管已運(yùn)行45年以上，兩艘飛船仍在工作，依靠核能源持續(xù)向地球發(fā)送數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)將維持到約2025年。旅行者1號拍攝的著名"淡藍(lán)點(diǎn)"照片展示了從太空深處看地球的樣子——僅僅是黑暗中的一個(gè)微小藍(lán)點(diǎn)，激發(fā)了對地球脆弱性的深刻思考。"新視野號"是另一個(gè)重要的深空任務(wù)，于2015年7月飛掠冥王星，提供了這顆矮行星的首批高清圖像。它發(fā)現(xiàn)冥王星有意外復(fù)雜的地質(zhì)特征，包括冰山、可能的冰火山和一個(gè)心形區(qū)域（斯普特尼克平原）。2019年1月，新視野號又飛掠了一個(gè)更遠(yuǎn)的柯伊伯帶天體"天涯海角"（Arrokoth），發(fā)現(xiàn)其由兩個(gè)相互接觸的橢球形成，提供了行星形成早期階段的重要線索。新視野號目前仍在繼續(xù)深入柯伊伯帶，我們期待未來能有更多重要發(fā)現(xiàn)。國際空間站與人類太空居住1998建造開始俄羅斯曙光號模塊首先發(fā)射16國家參與美國、俄羅斯、日本、歐洲航天局等109m端到端長度相當(dāng)于一個(gè)足球場的長度7.6km/s軌道速度每90分鐘環(huán)繞地球一周國際空間站（ISS）是人類在太空中最大的結(jié)構(gòu)，也是國際合作的典范。它位于距地球表面約400公里的低地球軌道，既是科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，也是技術(shù)測試平臺。自2000年11月起，ISS一直有人類持續(xù)居住，創(chuàng)造了人類在太空中持續(xù)存在的最長記錄。宇航員通常在站上停留6個(gè)月，但也有進(jìn)行過近一年的長期任務(wù)。微重力環(huán)境為科學(xué)家提供了獨(dú)特的研究機(jī)會。ISS上的實(shí)驗(yàn)涵蓋生物學(xué)、物理學(xué)、天文學(xué)、氣象學(xué)和材料科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。生物醫(yī)學(xué)研究探索太空環(huán)境對人體的影響，為未來長期太空任務(wù)提供數(shù)據(jù)；蛋白質(zhì)晶體在微重力下可以生長出更大、更完美的結(jié)構(gòu)，有助于藥物開發(fā)；環(huán)境監(jiān)測實(shí)驗(yàn)幫助了解地球變化；而材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)則探索在太空中制造無法在地球上生產(chǎn)的新材料。ISS的生命支持系統(tǒng)不斷改進(jìn)，包括水回收系統(tǒng)（尿液被過濾成飲用水）和氧氣生成系統(tǒng)，為未來深空棲息地提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。中國天文事業(yè)發(fā)展1科學(xué)衛(wèi)星發(fā)展中國成功發(fā)射了多顆天文和空間科學(xué)衛(wèi)星，包括"悟空"暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星（2015年）、"墨子號"量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星（2016年）、"慧眼"硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星（2017年）和"懷柔一號"太陽探測衛(wèi)星（2022年）。2大型地面設(shè)施建成了多個(gè)世界級的天文觀測設(shè)施，包括500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST，"中國天眼"）、2.4米郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST）、2.16米望遠(yuǎn)鏡和正在建設(shè)中的12米口徑大型光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡等。空間站建設(shè)中國空間站"天宮"于2021年正式開始建造，核心艙"天和"已成功發(fā)射，2022年完成問天實(shí)驗(yàn)艙和夢天實(shí)驗(yàn)艙對接，形成"T"字基本構(gòu)型，支持3名航天員長期駐留。"悟空"衛(wèi)星是世界上最精確的高能宇宙射線和伽馬射線探測器之一，目標(biāo)是搜尋暗物質(zhì)粒子湮滅或衰變的信號。"墨子號"實(shí)現(xiàn)了世界首次千公里級星地量子糾纏分發(fā)和量子密鑰分發(fā)，為未來量子通信奠定基礎(chǔ)。"中國天眼"FAST自2016年落成以來，發(fā)現(xiàn)了超過660顆新脈沖星和數(shù)百個(gè)快速射電暴，成績斐然。中國空間站配備了多個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，包括生命生態(tài)實(shí)驗(yàn)柜、生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜、流體物理實(shí)驗(yàn)柜等，可同時(shí)支持近百個(gè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。特有的"巢狀"設(shè)計(jì)使科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜可以自由更換，根據(jù)不同研究需求配置不同儀器。天文研究方面，空間站上安裝有多個(gè)暴發(fā)監(jiān)視器和望遠(yuǎn)鏡，能夠觀測伽瑪射線暴等高能天體物理現(xiàn)象。中國計(jì)劃在2030年前后實(shí)施載人登月，并與國際社會合作開展火星探測和木衛(wèi)二探測等深空任務(wù)。重要天文學(xué)家與發(fā)現(xiàn)伽利略·伽利雷1609年首次將望遠(yuǎn)鏡用于天文觀測，發(fā)現(xiàn)木星四大衛(wèi)星、金星相位變化和月球表面的山脈與環(huán)形山。這些發(fā)現(xiàn)支持了哥白尼的日心說，挑戰(zhàn)了當(dāng)時(shí)占主導(dǎo)地位的地心說。約翰內(nèi)斯·開普勒通過分析第谷·布拉赫的精確觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了行星運(yùn)動三大定律。開普勒的橢圓軌道理論打破了"天體運(yùn)動必須是完美圓形"的古老觀念，為后來牛頓力學(xué)奠定了基礎(chǔ)。艾薩克·牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（1687年）中提出了萬有引力定律，解釋了行星運(yùn)動的物理原因，并通過"萬有引力"統(tǒng)一了地面物體運(yùn)動和天體運(yùn)動。還發(fā)明了反射望遠(yuǎn)鏡，避免了色差問題。阿爾伯特·愛因斯坦1915年提出廣義相對論，將引力描述為時(shí)空彎曲，成功解釋了水星軌道進(jìn)動等現(xiàn)象。1919年日全食觀測證實(shí)光線在強(qiáng)引力場中彎曲，驗(yàn)證了愛因斯坦的理論，徹底改變了人類對宇宙的認(rèn)識。愛德溫·哈勃在1920年代證明了銀河系外還存在其他星系，極大擴(kuò)展了宇宙的尺度認(rèn)知。1929年，他發(fā)現(xiàn)星系退行速度與距離成正比，揭示了宇宙膨脹的證據(jù)。亞瑟·愛丁頓在1920年代建立了恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)和演化的基本理論，解釋了恒星的能量來源和壽命。弗雷德·霍伊爾在1940-50年代解釋了恒星核合成如何產(chǎn)生重元素，提出著名的"我們都是星塵"概念。薇拉·魯賓在1970年代通過測量星系旋轉(zhuǎn)曲線，提供了暗物質(zhì)存在的有力證據(jù)。斯蒂芬·霍金將量子理論與黑洞研究結(jié)合，提出黑洞蒸發(fā)和霍金輻射理論。當(dāng)代杰出天文學(xué)家還包括約翰·韋勒（提出"黑洞"術(shù)語）、亞歷山德拉·弗里茲（發(fā)現(xiàn)恒星中的暗物質(zhì)）和安德里亞·蓋茲（證明銀河系中心存在超大質(zhì)量黑洞）等。經(jīng)典天文學(xué)發(fā)現(xiàn)回顧牛頓的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》出版于1687年，首次提出統(tǒng)一的萬有引力定律。他證明了地球上落體的引力與行星軌道運(yùn)動的引力本質(zhì)相同，將天體力學(xué)與地面物理學(xué)統(tǒng)一起來。這一突破使人類首次能夠精確預(yù)測天體運(yùn)動，包括彗星軌道。牛頓還發(fā)明了反射望遠(yuǎn)鏡，解決了折射望遠(yuǎn)鏡的色差問題。彗星在人類歷史上曾被視為災(zāi)難或變革的預(yù)兆。哈雷彗星每76年回歸一次，是歷史記錄中最著名的周期彗星。英國天文學(xué)家埃德蒙·哈雷在1705年預(yù)測該彗星將在1758年回歸，這一準(zhǔn)確預(yù)測（當(dāng)時(shí)哈雷已去世）證明了牛頓力學(xué)的預(yù)測能力。在中國古代，彗星被稱為"掃帚星"，常被視為不祥之兆；而在歐洲中世紀(jì)，1066年哈雷彗星的出現(xiàn)被認(rèn)為預(yù)示了英格蘭王位的更迭，這一事件被記錄在著名的拜厄掛毯中。直到現(xiàn)代科學(xué)解釋了彗星的本質(zhì)，它們才從神秘的天象轉(zhuǎn)變?yōu)榭深A(yù)測的天體物理現(xiàn)象?，F(xiàn)代天文大數(shù)據(jù)500TBSDSS數(shù)據(jù)量斯隆數(shù)字巡天20年累積數(shù)據(jù)35%可見宇宙覆蓋SDSS第四階段覆蓋天區(qū)比例40億天體數(shù)量已編目的星系、恒星和類星體15,000+科學(xué)論文基于SDSS數(shù)據(jù)發(fā)表的研究成果斯隆數(shù)字巡天（SDSS）是現(xiàn)代天文學(xué)最具影響力的大數(shù)據(jù)項(xiàng)目之一，使用位于新墨西哥州的2.5米專用望遠(yuǎn)鏡。從2000年開始，SDSS已經(jīng)完成了四個(gè)階段的觀測，現(xiàn)在正在進(jìn)行第五階段。它創(chuàng)建了迄今最詳細(xì)的三維宇宙地圖，測量了超過300萬個(gè)星系和類星體的光譜，并繪制了銀河系中超過10億顆恒星的位置。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)正在徹底改變天文數(shù)據(jù)分析方式。計(jì)算機(jī)視覺算法能自動識別和分類星系類型，比人工處理快數(shù)百萬倍；深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)可以從海量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)人類難以察覺的模式，如識別罕見的引力透鏡現(xiàn)象；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能快速對比觀測數(shù)據(jù)與理論模型，加速科學(xué)發(fā)現(xiàn)過程。未來的大型項(xiàng)目如維拉·C·魯賓天文臺（前身為大型綜合巡天望遠(yuǎn)鏡）預(yù)計(jì)將每晚產(chǎn)生約20TB的數(shù)據(jù)，10年內(nèi)累積超過500PB，相當(dāng)于約1000億張高清照片。這些海量數(shù)據(jù)將推動天文學(xué)進(jìn)入全新時(shí)代，可能發(fā)現(xiàn)無數(shù)新天體和現(xiàn)象。宇宙起源未解之謎暗能量本質(zhì)暗能量占宇宙總能量約68%，推動宇宙加速膨脹，但其本質(zhì)仍是物理學(xué)最大謎團(tuán)。有三種主要假說：宇宙學(xué)常數(shù)（真空能量）、第五種基本力（類似引力但作用相反）或修正引力理論（廣義相對論在大尺度上需要調(diào)整）。反物質(zhì)去向大爆炸理論預(yù)測宇宙初期物質(zhì)和反物質(zhì)應(yīng)該產(chǎn)生相等數(shù)量，但今天的宇宙幾乎全由物質(zhì)組成。這種不對稱性可能來自一種稱為CP破壞的過程，但具體機(jī)制仍不清楚。LHC和BelleII等粒子加速器正在尋找線索。量子引力量子力學(xué)和廣義相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，但它們在黑洞和宇宙起源等極端條件下相互矛盾。弦理論、圈量子引力和因果集理論等嘗試統(tǒng)一這兩個(gè)理論，但尚未得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。宇宙起源的奇點(diǎn)問題也是一個(gè)重大謎團(tuán)。根據(jù)廣義相對論，宇宙起源于一個(gè)密度無限大、體積無限小的奇點(diǎn)，但在如此極端條件下，現(xiàn)有物理定律失效。一些替代理論如彈跳宇宙模型（宇宙經(jīng)歷周期性收縮和膨脹）或多重宇宙論（我們的宇宙只是泡沫中的一個(gè)）試圖避開奇點(diǎn)問題。宇宙的最終命運(yùn)也是科學(xué)家們探討的問題。根據(jù)當(dāng)前觀測，暗能量似乎將導(dǎo)致宇宙永遠(yuǎn)膨脹，最終星系彼此遠(yuǎn)離，恒星燃盡，甚至原子可能分解，進(jìn)入所謂的"熱寂"狀態(tài)。然而，如果暗能量的性質(zhì)隨時(shí)間變化，宇宙可能經(jīng)歷"大撕裂"（加速膨脹到極端）或"大收縮"（重新坍縮）。還有一種假說認(rèn)為，如果我們的三維空間只是高維"膜"上的投影，那么兩個(gè)膜的碰撞可能觸發(fā)新的"大爆炸"，重啟整個(gè)循環(huán)?？苹弥械奶煳膶W(xué)《三體》劉慈欣的《三體》三部曲將天文學(xué)概念融入故事核心，探討了三體問題（三個(gè)天體在引力作用下運(yùn)動的不可預(yù)測性）、恒星折疊為二維、宇宙維度操作等前沿理論。小說中的"黑暗森林法則"提出一種解釋費(fèi)米悖論的可能性：所有文明都潛伏著，因?yàn)楸┞段恢靡馕吨鴾缤觥！缎请H穿越》這部電影在理論物理學(xué)家基普·索恩的指導(dǎo)下，呈現(xiàn)了迄今為止最科學(xué)準(zhǔn)確的黑洞視覺效果。電影探討了黑洞附近的時(shí)間膨脹效應(yīng)、蟲洞作為空間快捷方式的可能性，以及五維空間的概念。片中的行星系統(tǒng)圍繞一個(gè)超大質(zhì)量黑洞運(yùn)行，展示了極端天體物理環(huán)境。《火星救援》這部作品以火星實(shí)際環(huán)境為基礎(chǔ)，相對準(zhǔn)確地描述了火星的大氣條件、土壤成分和晝夜溫差。主角用火星土壤種植土豆的情節(jié)基于實(shí)際科學(xué)可能性，NASA的火星計(jì)劃確實(shí)考慮在火星土壤中種植作物。影片也展示了火星與地球的通信延遲問題?？苹米髌吩谔剿魑粗钪娣矫姘缪葜匾巧?，往往推動公眾對天文學(xué)的興趣，有時(shí)甚至啟發(fā)真實(shí)的科學(xué)研究。阿西莫夫的《基地》系列構(gòu)想了預(yù)測未來社會發(fā)展的"心理史學(xué)"；阿瑟·C·克拉克的《2001太空漫游》預(yù)見了平板電腦等技術(shù)；《星際迷航》系列描繪的很多設(shè)備，如可視通訊和便攜掃描儀，后來成為現(xiàn)實(shí)。未來空間望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡哈勃望遠(yuǎn)鏡的接班人，主鏡直徑6.5米，采用18個(gè)六邊形鏡片組成。已于2021年12月發(fā)射，運(yùn)行在日地拉格朗日L2點(diǎn)，距地球約150萬公里。主要工作在紅外波段，使用四種科學(xué)儀器探測從0.6到28微米的波長。羅曼太空望遠(yuǎn)鏡前身為WFIRST，計(jì)劃于2026年發(fā)射，主鏡直徑2.4米。設(shè)計(jì)專注于寬視場觀測，一次觀測范圍是哈勃的100倍，但分辨率相當(dāng)。將進(jìn)行暗能量和系外行星研究，有望發(fā)現(xiàn)數(shù)千個(gè)新的系外行星。阿瑟米斯紫外望遠(yuǎn)鏡計(jì)劃中的大型紫外望遠(yuǎn)鏡，直徑為4.5米，將填補(bǔ)紫外波段的觀測空白。專注于銀河系和鄰近星系的形成與演化研究，以及包含水和有機(jī)分子的光譜特征。LISA引力波探測器激光干涉空間天線，由三顆衛(wèi)星組成等邊三角形陣列，邊長250萬公里。計(jì)劃于2030年代發(fā)射，將首次探測太空中的低頻引力波，來自超大質(zhì)量黑洞和致密雙星系統(tǒng)。詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡將能夠觀測到宇宙中最早期的星系，距離我們超過135億光年，形成于宇宙大爆炸后僅幾億年。它還將研究系外行星的大氣成分，尋找可能存在生命的痕跡，如水、氧氣和甲烷等生物標(biāo)志。韋伯望遠(yuǎn)鏡采用巨大的遮陽板，將溫度保持在-233℃，以確保其紅外探測器的靈敏度。未來望遠(yuǎn)鏡將開辟全新的觀測窗口，從而實(shí)現(xiàn)科學(xué)突破。例如，LISA引力波天線將能探測到數(shù)千個(gè)黑洞并購事件，包括銀河系中心超大質(zhì)量黑洞的形成歷史。中國正在計(jì)劃的太極計(jì)劃是野心勃勃的引力波探測器，采用三組衛(wèi)星組成三角形陣列，邊長約300萬公里。天文學(xué)家還設(shè)想建造口徑12米的大型紫外光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡（LUVOIR）和起源空間望遠(yuǎn)鏡（OST），這些設(shè)施將極大提升我們理解宇宙的能力。公民科學(xué)與大眾天文活動天文志愿者項(xiàng)目普通公眾可參與的"星系動物園"項(xiàng)目已有超過15萬志愿者幫助分類超過百萬個(gè)星系；"行星獵人"項(xiàng)目讓參與者在開普勒和TESS數(shù)據(jù)中搜尋系外行星；"宇宙之謎"平臺讓愛好者幫助識別引力透鏡現(xiàn)象。彗星和小行星發(fā)現(xiàn)業(yè)余天文學(xué)家持續(xù)參與新彗星和小行星的發(fā)現(xiàn)。著名例子包括日本的池谷-張彗星、澳大利亞的麥克諾特彗星等。許多業(yè)余天文學(xué)家使用簡單設(shè)備，通過仔細(xì)比對星野照片發(fā)現(xiàn)移動天體。天文攝影與觀測天文攝影已成為熱門愛好，愛好者拍攝月相、行星、星云和星系。多個(gè)天文組織定期舉辦流星雨、日食等觀測活動，向公眾普及天文知識。天