恒星誕生于星云。只需要灰塵、氣體和萬有引力即可創(chuàng)造出一顆恒星。自恒星誕生，萬有引力不斷內(nèi)壓、氫原子核聚變?yōu)楹ぴ訐p失能量向外膨脹，實現(xiàn)動態(tài)平衡，直到氫原子消耗殆盡。

如太陽，在生命的最后階段，核聚變將在萬有引力的壓迫下發(fā)揮最后的威力，氦原子聚變?yōu)樘荚?，太陽迅速膨脹為一顆紅巨星，接著變?yōu)榘装?，一顆巨大的鉆石懸于天際，可惜地球的人再也看不見了。

而比太陽更大的恒星，在死亡的時候卻能孕育出生命。碳原子聚變?yōu)殍F原子，鐵原子無法再聚變，恒星宣告死亡，同時爆炸形成超新星，超新星爆炸才能使鐵原子變成金、鉑等重金屬，同時把內(nèi)部的其他元素噴射到宇宙中。

宇宙誕生伊始的超大超大恒星，能形成超超新星，超超新星爆炸產(chǎn)生伽瑪射線和黑洞，黑洞是星系的中心。

死亡的恒星們造就了太陽、太陽系，以及我們。也許你來自一顆恒星，而你的愛人來自另一顆恒星。我們一起仰望星空，一顆明亮的星星，它的光早在地球有人類前已經(jīng)發(fā)出，確才剛剛到達。

然而這璀璨的宇宙將在氫原子耗盡后，再也無法誕生恒星，已有的恒星會一顆顆熄滅，宇宙重回寂靜。

當然，人類可能看不到宇宙的盡頭，甚至看不到太陽系的盡頭，天王星和冥王星有可能是被從太陽附近推到遠方，在巨大木星的庇護下我們才免于彗星和其他不速之客的騷擾，地球隨時有可能因為碰撞而毀滅或脫離軌道，哪怕地球仍在，大氣層的消失也會讓文明終結(jié)。

所以，能看見漫天星辰的我們是多么幸運，來自星辰而又終歸于星辰，我們消失于斯，而組成我們的原子億年后又重逢于另一顆恒星、或者行星或者黑洞里。

而宇宙呢，大爆炸后能量產(chǎn)生物質(zhì)，物質(zhì)與反物質(zhì)對戰(zhàn)，就像上帝和撒旦，最終幸存的物質(zhì)形成了宇宙。不斷膨脹的宇宙按照哈勃定律，離我們越遠的星系退行速度越快，太陽系終將孤獨的存在直到消失，宇宙也許會膨脹到消失，也許會重新收縮，重新爆炸。

周而復始、此謂長生。

有時在夢中，在突然而至的虛空和幻覺里，我所感受到的那種燃燒、那種茫茫然不知所終的沖撞，現(xiàn)在看來說不定是我們還是一顆恒星的內(nèi)部物質(zhì)時，所負載的記憶啊！我們?nèi)祟?，和世間萬物，和廣袤無垠的宇宙中不可計數(shù)的星塵，原本是一體的啊……宇宙是一首憂傷的詩，所有的恒星都會消亡，宇宙最終會走向冰冷和黑暗，而我們，正活在宇宙的黃金時代。

1.恒星

我們的太陽只是銀河系超過1000億顆恒星中微不足道的一顆，論大小也是微不足道——參宿四是太陽的1500萬倍大，大犬座VY星（人類截止2010年發(fā)現(xiàn)的最大恒星）比太陽大10億倍。

恒星起源于塵埃和氣體構(gòu)成的星云——萬有引力將他們吸入一個巨大的漩渦，中心的氣體被壓縮成濃密而熾熱的球體，氣流從中央噴涌而出；隨著壓力的增加，中央不斷吸收著塵埃和氣體，它們互相擠壓產(chǎn)生更多熱量，經(jīng)過50多萬年的演變，中央年輕的恒星越來越小而亮，氣體原子開始在1500萬華氏度的高溫下發(fā)生聚變——恒星由此誕生。驅(qū)動恒星的能源也來源于萬有引力——引力壓縮恒星使其產(chǎn)生能夠激發(fā)核聚變的高溫，同時也跟核聚變產(chǎn)生的向外的爆發(fā)力形成了動態(tài)平衡。

光子從太陽內(nèi)部逃逸到太陽表面需要成千上萬年的時間（會跟其他原子發(fā)生碰撞）。巨大的磁環(huán)在恒星表面發(fā)生碰撞，釋放的能量讓溫度猛增，激發(fā)了太陽風，將帶電粒子噴射到宇宙中，會對飛船和衛(wèi)星造成有害影響。

恒星內(nèi)部的氫元素逐漸消耗，核聚變速度放緩，萬有引力向內(nèi)壓縮的能量占了上風，但是聚變讓恒星外層升溫，使恒星膨脹成為紅巨星。紅巨星持續(xù)膨脹，最后從內(nèi)到外逐漸崩潰，只剩下一個熾熱致密的內(nèi)核。此時的恒星進入了進入白矮星階段，已不再進行核聚變。白矮星密度很高，內(nèi)核是一顆巨大的純碳晶體——巨大的鉆石。比太陽質(zhì)量大10倍的恒星（如參宿四）在產(chǎn)生鐵元素后會引發(fā)超新星爆炸。爆炸將新的元素噴射到宇宙中，而這些較重的元素（氫碳氧硅鐵等）正是生命誕生的源泉，這些星塵會產(chǎn)生新的恒星和行星；爆炸還會留下恒星的殘骸，即密度極高的中子星。

We live in the age of stars, but it will come to an end. 當宇宙中的氫元素都消耗光后，將不會有新的行星誕生；而原有的恒星會逐漸熄滅，宇宙將重新回到黑暗當中。

恒星的誕生

恒星的消亡——從紅巨星到白矮星

2.黑洞

黑洞密度極高——相當于把地球壓縮到一個高爾夫球那么大。當一個質(zhì)量相當于太陽100倍的恒星消亡時，引力使恒星坍縮，在內(nèi)部形成黑洞，在極短的時間內(nèi)從內(nèi)到外吞噬了整個恒星，并產(chǎn)生兩束強烈的伽馬射線爆——幸好這種猛烈的爆發(fā)通常發(fā)生在銀河系外部——這就是黑洞的誕生過程（理論之一）。因此，科學家們可以通過觀測宇宙中的伽馬射線爆發(fā)來估計宇宙中新生黑洞的數(shù)量。

黑洞的邊界稱為“事件視界”[Event Horizon]，外部的觀測者永遠無法看到物體（比如一個錢包）墜入黑洞通過視界的過程，從外面看，錢包墜向黑洞的速度越來越慢最后停留在了視界邊緣。而實際上，錢包可能會墜向其中心“奇點”——在這里一切現(xiàn)有的時間和空間的概念都失去了意義。

大多數(shù)星系都圍繞著其中心的超大黑洞旋轉(zhuǎn)，包括銀河系和我們的鄰居仙女座星系。這些超大質(zhì)量的黑洞可能是宇宙誕生之初形成的——黑洞互相吞噬、吸收周圍物質(zhì)，變得越來越大，周圍吸引了無數(shù)塵埃和氣體，從中誕生了恒星和行星，形成了最初的星系。物質(zhì)在快速落向中心黑洞的過程中以類似“摩擦生熱”的方式釋放出巨大的能量，形成了類星體——宇宙中最耀眼的天體。 黑洞吸收氣體，而類星體噴射氣體——每分鐘可以吹走相當于十個地球的物質(zhì)。誕生恒星的氣體用盡后，星系會停止生長，類星體噴射會減弱停止，因此一個星系能形成的最大規(guī)模和中心黑洞的質(zhì)量密切相關。

補充：2019年科學家們首次發(fā)布了黑洞的照片。

EHT此次公布的發(fā)現(xiàn)，來自梅西耶87（M87）黑洞。黑洞會在周圍吸積氣體的輻射構(gòu)成的“背景墻”上投下一個剪影。之所以會形成這樣一個“陰影”，是因為黑洞會把從它背后發(fā)出并射向觀測者的光線全部吞噬。與此同時，從黑洞背后發(fā)出又剛好擦過視界的其他光線，會使“陰影”周圍增亮而形成一片明亮區(qū)域。強大的引力透鏡效應會彎折光線，就連處在黑洞正后方的物質(zhì)發(fā)出的光線，都能被彎折到黑暗區(qū)域的周圍貢獻一部分“光亮”。

由此產(chǎn)生的黑色剪影就是所謂的“黑洞大頭照”——在這張照片上，黑洞完全是一團漆黑，可謂名副其實。這個陰影不會是一個對稱的圓盤，這主要是因為周圍氣體的旋轉(zhuǎn)速度極高，幾乎要接近光速。如此高速運動的物質(zhì)發(fā)出的輻射會發(fā)生多普勒頻移，輻射方向也會向物質(zhì)運動的方向匯聚而形成一個狹窄的光錐。因此，在旋轉(zhuǎn)氣體朝向我們運動的一側(cè)，輻射會大大增強，而在背向我們運動的另一側(cè)，輻射會大幅減弱。這樣一來，出現(xiàn)在圓盤狀黑暗剪影周圍的就不會是一個完整的亮環(huán)，而是一個新月狀亮弧。只有在我們的視線恰好與吸積盤旋轉(zhuǎn)軸重合的情況下，這樣的不對稱才會消失。

星系誕生之初的類星體噴射

M87黑洞照片

3.大爆炸

宇宙大爆炸前是一片虛無嗎？我們只知道，奇點爆發(fā)后，我們熟知的宇宙才開始形成，時間和空間也在那之后才有了意義。大爆炸發(fā)生后的幾個普朗特時間內(nèi)的純粹能量爆發(fā)，其速度比光速還要快（一秒內(nèi)的普朗克時間的數(shù)量是一年的秒數(shù)乘以宇宙的壽命137億年）。

宇宙中的物質(zhì)都是由大爆炸時爆發(fā)的能量轉(zhuǎn)化而來的（E=MC2）——不僅形成了物質(zhì)，還形成了反物質(zhì)。在這兩者互相湮滅的戰(zhàn)爭結(jié)束后，多出來的那部分物質(zhì)形成了我們今天的宇宙。

在宇宙剛爆發(fā)的幾個普朗克時間內(nèi)，它還是一鍋炙熱混亂的亞原子濃湯；后來溫度逐漸下降，原子開始形成。一開始形成的元素是氫，三分鐘后開始形成氦和鋰。 隨著宇宙膨脹、冷卻，離子和電子幾乎在瞬間復合形成中性粒子，從此光子開始在宇宙中暢通無阻，而不是不斷被等離子體散射。這一事件稱為光子退耦，宇宙在這一刻突然變得透明，此時宇宙的年齡是38萬年。光子退耦時從混沌中走出來的光子，就帶著創(chuàng)世的信息，一直穿行在宇宙中，直到撞上人類的探測器。這種輻射就是“宇宙背景輻射”，就像大爆炸的遺產(chǎn)，所以又被稱為或者“遺留輻射”。2003年，美國發(fā)射的威爾金森微波各向異性探測器對宇宙微波背景在不同方向上漲落的測量表明，宇宙的年齡是137±1億年，在宇宙的組成成分中，4%是一般物質(zhì)，23%是暗物質(zhì)，73%是暗能量。宇宙目前的膨脹速度是每秒71公里每百萬秒差距，宇宙空間是近乎于平坦的，它經(jīng)歷過暴脹的過程，并且會一直膨脹下去。

普朗克衛(wèi)星繪制的宇宙微波背景輻射圖

4.星系

我們的銀河系約120億歲，其直徑超過10萬光年。隔壁的仙女星系直徑超過20萬光年；而迄今為止發(fā)現(xiàn)的最大星系直徑超過600萬光年。銀河系和仙女星系都是處女座超星系團的一部分。

星系中心一般有超大質(zhì)量的黑洞，驅(qū)動周圍的恒星圍繞它旋轉(zhuǎn)。但計算顯示，僅憑黑洞是無法使星系聚集成形的，暗物質(zhì)可能也在其中起到了關鍵作用。

暗物質(zhì)可以通過引力透鏡效應被間接觀察到——例如觀測星空時一些星系圖像出現(xiàn)了扭曲，那正是其光線受到了暗物質(zhì)的引力影響。

當我們開始以完整規(guī)模觀察宇宙時，發(fā)現(xiàn)了宇宙絲狀結(jié)構(gòu)，每個絲狀結(jié)構(gòu)中都包括了數(shù)百萬個星系團，被暗物質(zhì)束縛在一起。暗物質(zhì)就像膠水一樣維持著整個宇宙的構(gòu)造。而暗能量是一種將宇宙中的物質(zhì)向彼此推開的力，將其他星系推得離我們越來越遠。

星系不僅會隨時間變化，還會移動。兩個星系可以發(fā)生碰撞和融合。50億或60億年后，銀河系也會和仙女星系發(fā)生碰撞；雖然恒星之間直接撞擊的幾率幾乎相當于0，但它們之間的氣體塵埃會升溫燃燒，使碰撞的星系發(fā)出白熱的光芒。經(jīng)過一場星系碰撞的雙人舞后，兩個星系會逐漸融合成一個橢圓星系。

5.太陽系

太陽系的行星誕生于由塵埃氣體組成的巨大碟狀物。真空中的宇宙塵埃會發(fā)生碰撞，粘在一起成為更大的塵埃粒子，越滾越大最終形成行星。

46億年前的太陽系十分動蕩，數(shù)百個行星互相碰撞，有些成為碎屑，有些會融合成更大的行星。月球就是其他星體撞擊地球時產(chǎn)生的碎屑聚集而成的。粉碎的新生行星最終形成了小行星帶——大多數(shù)撞擊都發(fā)生在太陽系內(nèi)圈層（水金地火）。太陽系外層的行星都是氣態(tài)行星（或冰巨星），由巖石（或冰）核心形成后，氣體在其周圍聚集形成。再往外是科伊伯帶，由圍繞太陽旋轉(zhuǎn)的冰塊和小行星組成（冥王星屬于其中的矮行星）。距離太陽約一光年的奧爾特星云是太陽系的邊界。

海王星可能在誕生時比天王星更靠近太陽，它們受到了土星和木星的引力疊加影響（土星繞太陽一周的時間恰好是木星的兩倍）而變化了軌道。

形成行星的星云碟狀物旋轉(zhuǎn)殘留的動量讓所有的物質(zhì)圍繞太陽旋轉(zhuǎn)，直至如今。離太陽越遠公轉(zhuǎn)周期越長——海王星繞太陽一圈要164年。幸運的是，我們太陽系的行星圍繞太陽的公轉(zhuǎn)軌道都近似圓形，因此能維持相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

太陽系的行星軌道可能依然會發(fā)生變化，互相發(fā)生碰撞。但不管怎么說，50億年內(nèi)，太陽會燃盡燃料變成紅巨星，升溫膨脹并吞沒內(nèi)層行星（包括地球）。最終，紅巨星也會逐漸崩潰，只剩下一個小小的恒星殘骸——白矮星。內(nèi)層行星的殘骸會繼續(xù)圍繞白矮星旋轉(zhuǎn)，而外側(cè)的氣態(tài)行星依然保持完好。

6.行星

Watching documentaries about universe always makes me sentimental. There a lot of thoughts slide across my head, here are just some of these.

Now we know, the sun is going to swallow us all in about 5billion years, one way or another, our solar system is doomed. But that length of time is so long that it doesn't mean anything when we focus on the Individual, like you and me. We only live 80years averagely, 120years at most, so we don't need to bother about what would happen in 5billion years. Maybe we would invent some technology to get us out of the apocalypse. Maybe we would kill each other in the last few decades.

Anthropic Principle tells us everything has to be the way it is, or we can not exist at all, not to mention to explore the way how universe works. We should thank how lucky we are that everything is the way it is. But we don't in real life, maybe we don't even realize this fact.

There are almost infinite stars in the galaxy, there are almost infinite galaxies in the universe. It's way out of my imagination to portray the whole known universe. Apparently I can't live to that day when we make travel through galaxies possible and a feeling of sadness surges up.

寄蜉蝣于天地，渺滄海之一粟。

哀吾生之須臾，羨長江之無窮。

挾飛仙以遨游，抱明月而長終。

知不可乎驟得，托遺響于悲風。

首先我明白這種片子是接受贊助的，也明白它有少量的宣傳意味。而視覺震撼+科學家講述+航天器展示，也確實是一個套路。

即便如此我仍然深深地懷疑自己以前到底接收了多少錯誤認知，盡管我自詡獨立思考、批判性思維、一貫反叛。

網(wǎng)上很流行的一種觀點說美蘇太空競賽結(jié)束以后，NASA經(jīng)費大減導致航天事業(yè)停滯。很奇怪我竟然對此觀點照單全收，完全沒有質(zhì)疑。

經(jīng)費真的是越多越好的嗎，就像軍費一樣？如何花錢是你三言兩語就能評價的，難道美國議員就這么低能嗎？這還僅僅是簡單的無腦反駁。

真正的經(jīng)費使用效率顯然需要科學評估，甚至不是商業(yè)評估。在這方面中文互聯(lián)網(wǎng)的討論一貫保持低水準，比如關于加速器建設的討論。

NASA的許多項目都在物理學領域做出了重大貢獻，以下是一些特別重要的項目，這個列表并不嚴格按照貢獻大小進行排名：

1. 哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope）：哈勃太空望遠鏡的觀測結(jié)果對我們理解宇宙膨脹，暗物質(zhì)和暗能量等關鍵物理問題產(chǎn)生了重要影響。
2. 科學任務指令辦公室（Science Mission Directorate）：在天體物理學和太陽物理學領域，該辦公室的各項工作推動了我們對這些復雜系統(tǒng)的理解，包括黑洞，中子星，恒星和太陽風等。
3. 激光干涉米波引力波天文臺（LIGO）：盡管NASA并非LIGO的主要運營機構(gòu)，但它在其中扮演了一定的角色。LIGO的重要性在于，它是首個直接探測到引力波的實驗設施，從而確認了愛因斯坦廣義相對論的關鍵預言。
4. 費米伽馬射線空間望遠鏡（Fermi Gamma-ray Space Telescope）：費米空間望遠鏡為我們理解高能粒子物理，包括伽馬射線暴，活動星系核和脈沖星等現(xiàn)象提供了重要數(shù)據(jù)。
5. 旅行者計劃（Voyager Program）：旅行者1號和2號探測器提供了人類首次獲得的關于太陽系以外空間環(huán)境的直接信息，對研究太陽物理和星際介質(zhì)物理非常重要。
6. 重力探測器B（Gravity Probe B）：這個項目直接測試了愛因斯坦的廣義相對論，對于驗證和理解重力理論有重大貢獻。
7. 朱諾號（Juno）：朱諾號的數(shù)據(jù)為我們理解氣態(tài)巨星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和磁場提供了重要信息。
8. Hubble和Webb空間望遠鏡：這兩個望遠鏡都對我們理解宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，包括星系的形成和演化，暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)等問題有深遠影響。

以上項目的貢獻并不全面，還有許多其他NASA的科學項目也對物理學的發(fā)展做出了重要貢獻。這些項目各有其獨特的貢獻，不容易進行直接比較，但都在其研究領域產(chǎn)生了重要的影響。