美麗的星雲、神秘的暗物質、百億年尺度的星系變化…它們從哪兒來，又將去哪裡？在天文學家看來，這些都是可以用邏輯推理論證的。天文學家們透過研究這些天體的模樣、形狀、大小、顏色，以及它發出來的各種各樣的光譜，來推測、聆聽它們給我們講的宇宙故事…
出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為天體物理學家、中科院上海天文臺研究員郝蕾演講實錄：
提起天文，大家可能感覺既熟悉又陌生。每個人都可以仰頭看星星看天空，但
天文學究竟是什麼呢？
我與陌生人聊天，跟他們談起我是做天文的時候，得到的反應是五花八門的。有的人會跟我聊天氣，說你們天氣預報怎麼不準呢？有的人會跟我說，你知不知道外星人、UFO是怎麼回事？還有人會跟我聊星座……
其實這些都不是我們平時所說的天文研究。
靠譜一點的，會跟我提到太陽或者星星之類。當然，還有一類非常可愛的天文愛好者，他們對我們專業會更瞭解一些。
他們有時候會親自去做一些天體拍攝，這些照片把一些平時看不到的美景帶到我們面前，非常令人感動。
天文學家，聆聽宇宙的故事
不過即使是這些美麗的照片，和我平時接觸到的天文研究，也還是有點差距的。我們究竟是在做什麼呢？
其實
天文真正讓我心潮澎湃的，並不是這些美麗的照片，而是這些照片背後呈現出來的故事，以及我們如何去破譯這些故事的過程
。
其實我一開始並不是做天文的，我是在研究生的時候才轉入天文專業的。
那個時候，因為要準備一個學期報告，就開始系統地讀一些文獻，然後就驚異地發現，“哇，天文學家怎麼對我們的宇宙、對恆星、星系知道的這麼多！”
比如說，我們都知道宇宙是膨脹的，可是天文學家居然知道這個膨脹是加速進行的，也就是說，它膨脹得越來越快。
而且這些結論還不是胡說，它是有事實有根據，有一定邏輯關係的。而且，這樣子的邏輯推理我讀起來也能理解，覺得它合情合理。當時，這個對我震撼非常大。
我發現宇宙好像一本書，以前我只看到封面美麗的圖片，現在我開始讀裡面的內容了。慢慢的，當我看到這些美麗天體的照片的時候，我不僅僅只是驚歎：“哇，好漂亮，太震撼了”，而是
開始讀裡面的內容
。
比如說，有的星系它是有結構的，像有的星系中心有雪茄一樣的棒旋結構，有的有螺旋一樣的結構；
而有的星系是沒有結構的。碰巧這些沒有結構的星系，它的顏色看上去更紅一點，而那些在漩渦裡面的星系，感覺更藍一些。
天文學家就是透過研究這些天體的模樣、形狀、大小、顏色，以及它發出來的各種各樣的光譜，來推測、聆聽它們給我們講的故事
。
比如說宇宙是怎麼來的，它將要演化到什麼狀態？我們現在這個狀態的銀河系是怎麼來的？我們的太陽又是怎麼出現的？
我們的太陽最後會有一個什麼樣的命運，這樣的命運對我們地球是一種什麼樣的影響？還有沒有像地球這樣的行星等等這樣子的故事。
我給大家舉一個例子，看我們怎麼去閱讀我們的宇宙。大家都知道我們生活在銀河系裡，對吧？那麼
有多少人親眼見過銀河系
？
好像有一些，但不是特別多。很遺憾，現在很多人生活在城市裡面，城市的燈光太亮了，銀河系表面亮度是很低的，所以在城市很亮的情況下就不太容易見到銀河了。
這張圖片拍攝的是一個比較震撼的銀河系照片，它拍攝於美國北部的一個國家公園裡。
如果你把這個銀河系照片的樣子拉直，然後把中間很亮的地方放在中心的話，你可以看到，我們的銀河系相當於一個全景圖，它看上去像一個
盤子
的形狀，然後中間會更亮更厚一些。
我問大家兩個問題。一個是你覺得
在銀河系裡面，太陽大概在什麼位置
？還有，如果我們從
上往下看銀河系的話，這個銀河是什麼樣子
？
其實回答這樣的問題，恰恰就是天文學家在銀河系領域比較熱衷的研究方向。
稱稱銀河有多重
我們怎麼做呢？我們透過
測量不同恆星離地球的距離
，以及它們的
運動狀態
，透過建立某種模型來推測、重新構建銀河的樣子。
假如我們從上往下看銀河的話，銀河系的中心有一個
雪茄樣的棒旋結構
，顏色偏紅，因為它有很多年老的恆星。
在這之外，有若干的旋臂，到底是三條、四條還是五條六條，是現在大家爭論的焦點之一。
太陽大概在這幅圖靠下的地方，距離銀河系中心大概有27000光年的樣子。
我們還知道，銀河系裡面有很多像太陽的恆星，它們的質量有的比太陽大很多，有的比太陽小很多。
如果我們把這些恆星的質量加起來，可以得出，銀河系的質量大概是五百億個太陽質量這麼大。
我覺得這是一個很酷的數字，為什麼呢？感覺我們就像
上帝一樣，拿著一把秤，稱銀河系到底有多重
。
實際上更有意思的是，天文學家發現，銀河系裡的總質量應該遠遠比所有恆星加起來的質量要大得多。
有多大呢？應該至少有6000億個太陽質量這麼大。
天文學家為什麼會這樣說？是因為銀河系必須有這麼大的質量，才能
拽著銀河系裡的某些恆星高速轉動
。
比如說，太陽現在也以每秒220公里的速度繞著銀河系轉動，這個數字大家可以靜心想一下是什麼意思。
就是說，我們現在坐在這裡似乎沒有動，但如果在宇宙的框架下來看，我們實際上是動得非常快的。
假設我們不算地球的公轉、自轉，不算銀河系自身的運動，僅僅算太陽繞著銀河系的轉動，我們
每秒就已經飛出去了220公里
了。
這麼高的速度就要求銀河系裡的質量，一定要達到一定的量，否則太陽就飛出銀河系了。
太陽沒有飛出銀河系，表示銀河系裡一定有某種質量在拉著銀河系裡的恆星在轉。那麼這些多餘的質量是什麼？
天文學家們不知道，只知道是有這麼個東西，因為看不見它，所以天文學家叫它
暗物質
。
我們知道，銀河系是有鄰居的，它並不是孤零零的一個星系。它大概處在一個叫本星系群的群體裡面。
這個群體大概有30到50個星系左右，裡面大部分的星系個體都比銀河系矮小。但是有一個大的鄰居。
它就是下圖的
仙女座大星雲（M31）
，尺寸比銀河系還要大，它距離銀河系大概有兩百五十萬光年的樣子。
星系與星系相撞
這是一個特別有意思的故事，關於仙女座大星雲。有研究發現，銀河系和仙女座大星雲，在朝著對方以非常快的速度靠近。
這說明在某個未來，大約
四十五億年後的未來
，
銀河系將要撞上仙女座大星雲
。
其實宇宙裡面星系和星系之間碰撞是經常發生的事情。比如下圖是離我們比較近的星系和星系碰撞的漂亮圖片。
我結婚的時候甚至用了其中一個圖片作為邀請卡背景，你看兩個星系碰出了一個
心的形狀
，這是很常見的。
但銀河系畢竟是我們的家園，如果
銀河系要和M31碰撞的話，太陽會怎麼樣？
太陽會撞上什麼東西，會灰飛煙滅嗎？
有一個好訊息是，這種事情是不會發生的。
為什麼呢？因為在宇宙中，星系和星系之間的距離，相比於它們自身的尺寸來說，不是那麼大，所以星系和星系撞在一起的機率還是挺大的。
但是，星系裡面的恆星其實很小，恆星和恆星之間的距離，相比於它們自身尺寸來說，其實要大很多很多。
所以，
不管多少個星系撞在一起，一個太陽撞上另一個太陽的機率是非常小的
。
這是不是說我們就OK了呢？好像也不是。
天文學家模擬了銀河系和M31撞到一起的狀況。黃色的點表示這兩個星系中間的恆星，藍色的點表示這兩個星系中的氣體。
你會發現，
氣體和恆星在這樣的碰撞過程中，他們的命運是不一樣的
。
恆星的命運是什麼呢？他們在這種碰撞中會丟失
角動量
，然後會更快地聚集到星系中心去。
也就是說，太陽在這樣的碰撞中，很可能會急速地掉到星系更靠近中心的地方。
一般來說，星系中心的高能輻射會很強，如果太陽掉進去了，恐怕人類是不好承受的。假如人類在這場碰撞中活下來了，恐怕也沒有幾年好日子過，因為太陽也是有壽命的。
大概在50億年以後，也就是這個碰撞發生大概幾億年以後，太陽裡面的氫就燒光了。
燒光以後會進入它的第二個階段，我們叫做
紅巨星
的階段，它開始燒裡面的氦，它的體積會變得非常的巨大。
也就是說，在這個圖片裡，本來在左下角的這個小黃點，會在紅巨星階段變成一個非常非常大的大紅球。
這個大紅球，基本上是兩倍於現在太陽到地球之間的距離，會完全把地球給吞噬掉，到那時候，地球也就沒有了。
我們可以從銀河系的很多圖片來解讀它們的故事，
我們不僅看這些照片本身，我們還能夠透過某種物理規律，看到它的過去、預測它的未來
，這是我覺得天文學特別有意思、特別有魅力的地方。
天文學讓我心潮澎湃的另外一個地方在於，
我們能理解、閱讀的宇宙比我們想象的要大很多
。
上圖是太陽系大家族，看上去成員很多，其樂融融。如果真的飛到上面去的話，你會發現太陽系真是太
空曠
了。不僅僅太陽系，整個宇宙都是這樣子的。
下圖顯示的是土星。這張照片最特別的地方不在於土星本身，而在於它
左上角的這個小點點
。有沒有人可以猜到這個小點是什麼東西？
有人說木星，有人說慧星，實際上它是我們的
地球
，也就是我們的家園。看不清這個小點，正說明我們的宇宙是非常非常空曠的。
這是太陽系在不同尺度下不斷放大的一個放大圖。在最小的圖裡，地球軌道是中間那個綠色的小圓圈。
如果把它放到整個太陽系尺度上的話，它是看不見的。就是說，
太陽到地球之間的距離，在整個太陽系的尺度上，是看不見的
。
再打個比方，我們現在用最快的火箭把人送出去，以直線距離衝出太陽系，用我們中華民族上下五千年的時間，也只能飛到太陽系不到1/4的地方。
所以說，整個空間真的非常大。即使你飛出了太陽系，到距離我們最近的一顆恆星，也還要再飛三倍太陽系這麼大的空間。
我們知道，銀河系有幾千億顆恆星，飛到離我們最近的恆星都這麼費勁，想要飛出銀河系就更遙遠了。
這麼一想，你是不是覺得很灰心，覺得好像沒什麼意思？實際上不要太灰心，因為天文學家有一種神器叫什麼？
望遠鏡
。
雖然實際的星際旅行不是很可能實現，但藉助於天文望遠鏡，我們可以實現這樣的星際旅行。我給大家看兩段影片。
第一個影片，假設我們坐在這樣的宇宙飛船上，飛船以大概每秒幾十光年的速度，從太陽往外飛去。
我們可以看到銀河系裡很多漂亮的星雲。這是有名的鷹狀星雲。你還可以看到很多恆星，還有氣體。這些灰黑的地方，實際上是塵埃，你把它想象成pm2。5就好了，實際上比那個還要更
稀薄
。
我們可以飛到太陽上面去，可以看到銀河系的中心，有一個我們叫
核球
的地方。再飛出銀河，我們看到我們的鄰居
仙女座大星雲
，它旁邊的一顆星系，我們叫
M33
。
閱讀宇宙，閱讀自己
下一個影片，是假設我們坐一個飛得更快的宇宙飛船，這個宇宙飛船以大概每秒幾兆光年的速度往外飛行。
我們會看到一個什麼樣的圖景？
值得指出的是，這個影片裡
所有的星系，它的位置、它的距離、它的傾角以及它的顏色，都是實際觀測的，真實的
。所以，假如我們真有這樣一個宇宙飛船的話，我們看到的宇宙就是這個樣子的。
當然，由於
望遠鏡本身的限制和我們身處銀河系的一些限制
，會有一些和實際情況不同的地方。
比如，你可能會注意到，我們越往遠處走，看到的星系越紅。其實這是一種選擇效應。
就是說，我們越往外走，那些紅的星系因為很亮才能被望遠鏡看到，那些更暗的藍色星系我們看不到，所以就沒法在圖片裡展示。
即使這樣酷的圖片，
也只包含了大概60萬個星系，我們只看到整個宇宙1/10不到的空間
。所以，天文學家一直想建造更強大的望遠鏡。
天文學裡的望遠鏡有很多種類，幾乎覆蓋了整個電磁波的所有波長。
大家可能知道，中國的FAST望遠鏡，是在貴州建立的500米的世界上口徑最大的望遠鏡，用來探測星系裡面的中性氫氣體還有脈衝訊號。
我主要研究的，是
電磁波段裡光學和紅外這一部分
。
在雲南麗江高美古觀測臺，有一個2。4米的望遠鏡，這是我們中國最大的普通用途的望遠鏡。我一直致力在那上面配備一個光譜儀。
也正是透過這個專案，我深刻地體會到
天文學實際上是一個很豐富的科學，它不僅僅是關於科學，它還包括工程技術管理等等很多東西
。
比如在實施這個專案的過程中，就要求我們在3000多米的高美古高原上爬上爬下，細緻的時候我們需要關注這麼小的一個小螺絲，或者一根非常纖細的光纖；粗獷的時候，我們需要搬運一個幾噸重的鏡面、架子，等等。
正是透過這樣的專案，讓我慢慢地意識到我真正的興趣所在，我發現我不僅僅對科學感興趣，也對這種
有粗有細的工程技術
感興趣。
可能也正是因為天文學的豐富性，讓我對天文這麼著迷。
我很慶幸找到天文學作為我的職業。它每天都在帶給我新的挑戰，讓我不斷地開拓視野，沉澱自己的心靈。
所以對我來說，
閱讀宇宙也是在閱讀自己，它是一次特別非凡的心靈之旅
。
“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網路資訊中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多資訊。本文出品自“格致論道講壇”公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。