宇宙奥德赛 穿越银河系

序言

故事得从 2017 年说起。那年夏天，我开始规划一场名为“宇宙奥德赛”的遨游整个宇宙的旅行。

下图就展示了这场宇宙奥德赛之旅的整体规划。在旅程的前半段，我们将从地球出发，按照由近及远的顺序，依次游历太阳系（行星世界）、银河系（恒星 世界）和河外星系（星系世界），并终到达宇宙的尽头。在那里，空间和时间发生了交汇，从而把我们带回了时间的起点。所以在旅程的后半段，我们将从宇宙创生的那一刻出发，顺时间长河而下，依次探寻宇宙起源、生命诞生和宇宙命运的神奇奥秘，并终回到今天的地球。当旅程结束的时候，我们就能真正了解人类终极的三大问题——我是谁？我从哪里来？我将往何处去？——的答案。

2018 年 10 月，宇宙奥德赛系列的本书《宇宙奥德赛：漫步太阳系》正式出版。此书拿到了 2018 年科普新书榜的季军，并收获了豆瓣评分 9.1 的良好口碑。这让我感受到了不小的压力，同时也获得了极大的动力。

此后，我一直在自己的新浪微博（ID 是“王爽 _ 宇宙奥德赛”）上更新宇宙奥德赛之旅第二季的内容，共写了 32 篇原创的科普文章。让我觉得相当惊喜的是，其中每篇文章的微博阅读量都超过了 100 万，进而让整个 # 宇宙奥德赛 # 的话题阅读量超过了 5.5 亿。我对这 32 篇文章进行了大规模的修订，并补充了 8 篇全新的文章，这就是你现在看到的这场环游宇宙之旅的第二本书《宇宙奥德赛：穿越银河系》。

如果说本书是一场关于太阳系的行星世界之旅，那么第二本书就是一场关于银河系的恒星世界之旅。我们将游历 12 个位于银河系内、经过精挑细选的景点，依次是半人马座 α、天狼星、飞马座 51b、北极星、猎户座 α、PSR B1919 21、天鹅座 X-1、蟹状星云、鹰状星云、赫尔斯 - 泰勒双星、人马座A* 和银河系全景。

这些景点的挑选标准有两个：①从银河系出发，位置由近及远；②能全面展示不同类型的恒星。通过这场旅行，你就能尽情领略银河系内的一些有代表性的美景。

更为重要的是，本书为你呈现的并不是一些关于银河系的碎片化知识，而是一个关于银河系的完整知识体系。借由 40 个精挑细选的主题，我将带你了解这12 个银河系景点在人类文明史上扮演过什么重要角色；与哪些重大的科学事件有关；如何改变人类对整个宇宙的看法；又与我们的现实生活存在怎样的联系。

除了致力于构造一个关于银河系的完整知识体系以外，本书也继承了前作的几个主要的特色：①问题引导，每一节都在回答一个关键的问题；②故事驱动，书中穿插了海量的科学家的逸闻趣事；③内容可视化，全书几乎没有数学公式，所有知识点都转化成了可视化的物理图像，进而用贴近生活的类比来加以解释。

至少在我看来，与前作相比，本书在写作技巧上有了长足的进步。我删掉了以前爱写的大段大段的人物传记，让故事读起来更为流畅。此外，我也尝试在讲故事的过程中注入更多的情感，进而引起读者的思考和共鸣。相信你可以感受到此书中倾注的心血和诚意。

准备好了吗？那我们就出发吧。

一场关于银河系的恒星世界之旅。我们将游历 12 个位于银河系内、经过精挑细选的景点，依次是半人马座 α、天狼星、飞马座 51b、北极星、猎户座 α、PSR B1919 21、天鹅座 X-1、蟹状星云、鹰状星云、赫尔斯 - 泰勒双星、人马座A* 和银河系全景。

本书为你呈现的是一个关于银河系的完整知识体系。借由 40 个精挑细选的主题，我将带你了解这12 个银河系景点在人类文明史上扮演过什么重要角色；与哪些重大的科学事件有关；如何改变人类对整个宇宙的看法；又与我们的现实生活存在怎样的联系。

我们能看到人类精英智慧的体现、科学家是如何思考的、我们该如何认知这个世界。坚实的科学基础，小说般的真实故事，优美的语言，还有人文关怀。坚实的科学基础，小说般的真实故事，优美的语言，还有人文关怀。

本书主要特色：①问题引导，每一节都在回答一个*关键的问题；②故事驱动，书中穿插了海量的科学家的逸闻趣事；③内容可视化，全书几乎没有数学公式，所有知识点都转化成了可视化的物理图像，进而用贴近生活的类比来加以解释。

王爽，中山大学物理与天文学院副教授，博士生导师。多年来致力于宇宙学的研究，目前已发表SCI论文35篇，总引用超过1800次。科普作家，著有《宇宙奥德赛：漫步太阳系》《给孩子讲宇宙》《给孩子讲相对论》，获得过包括“中国出版协会2017年度中国30本好书”和“国家新闻出版署2018年向全国青少年推荐百种优秀出版物”在内的一系列科普大奖。粉丝数近200万的新浪微博知名科学科普博主，凤凰卫视、深圳卫视、TEDx标准级大会演讲嘉宾。

目录

01  半人马座 α / 1

1.1  什么是三体问题？ / 2

1.2  一群由于低薪才找到工作的女士如何推开恒星世界的大门？ / 9

1.3  真实的三体世界有没有可能存在生命？ / 14

1.4  如果真有三体人，他们应该是什么样子？ / 22

02  天狼星 / 27

2.1  为什么说天狼星是夜空中亮的星？ / 28

2.2  人类如何揭开恒星的演化之谜？ / 32

2.3  是谁发现白矮星并非恒星死后的结局？ / 39

03  飞马座 51b / 43

3.1  人类如何发现系外行星的新大陆？ / 44

3.2  人类如何寻找类似于地球的金发女郎行星？ / 49

3.3  为什么说塔比星是银河系中神秘的恒星？ / 56

3.4  我们是否生活在一座宇宙中的孤岛？ / 62

04  北极星 / 67

4.1  北极星为什么无法永远霸占夜空的 C 位？ / 68

4.2  北极星有哪些鲜为人知的秘密？ / 73

4.3  是谁打开了现代宇宙学的大门？ / 78

05  猎户座 α / 85

5.1  死期将至的恒星会变成什么样子？ / 86

5.2  人类如何测出个太阳系之外的天体的大小？ / 91

5.3  如果猎户座 α 现在就变成一颗超新星，会对地球有何影响？ / 96

06  PSR B1919 21 / 101

6.1  脉冲星的发现背后有着怎样的传奇故事？ / 102

6.2  脉冲星的真面目是什么？ / 109

6.3  是否存在比中子星更致密的天体？ / 115

07  天鹅座 X-1 / 121

7.1  为什么说 X 射线天文学的建立，是一个无心插柳柳成荫的故事？ / 122

7.2  人类了解和发现黑洞的过程中，有着怎样漫长而曲折的故事？ / 128

7.3  人类如何意识到黑洞并不是完全黑的？ / 137

7.4  落入黑洞监狱的人会遭遇怎样的命运？ / 143

08  蟹状星云 / 151

8.1  人类怎样揭开蟹状星云的神秘面纱？ / 152

8.2  人类探究超新星起源之谜的过程中，有着怎样错进错出的故事？ / 158

8.3  人类如何把Ⅰa 型超新星变成标准烛光？ / 165

09  鹰状星云 / 1

一场关于银河系的恒星世界之旅。我们将游历 12 个位于银河系内、经过精挑细选的景点，依次是半人马座 α、天狼星、飞马座 51b、北极星、猎户座 α、PSR B1919 21、天鹅座 X-1、蟹状星云、鹰状星云、赫尔斯 - 泰勒双星、人马座A* 和银河系全景。

本书为你呈现的是一个关于银河系的完整知识体系。借由 40 个精挑细选的主题，我将带你了解这12 个银河系景点在人类文明史上扮演过什么重要角色；与哪些重大的科学事件有关；如何改变人类对整个宇宙的看法；又与我们的现实生活存在怎样的联系。

我们能看到人类精英智慧的体现、科学家是如何思考的、我们该如何认知这个世界。坚实的科学基础，小说般的真实故事，优美的语言，还有人文关怀。坚实的科学基础，小说般的真实故事，优美的语言，还有人文关怀。

本书主要特色：①问题引导，每一节都在回答一个*关键的问题；②故事驱动，书中穿插了海量的科学家的逸闻趣事；③内容可视化，全书几乎没有数学公式，所有知识点都转化成了可视化的物理图像，进而用贴近生活的类比来加以解释。

王爽，中山大学物理与天文学院副教授，博士生导师。多年来致力于宇宙学的研究，目前已发表SCI论文35篇，总引用超过1800次。科普作家，著有《宇宙奥德赛：漫步太阳系》《给孩子讲宇宙》《给孩子讲相对论》，获得过包括“中国出版协会2017年度中国30本好书”和“国家新闻出版署2018年向全国青少年推荐百种优秀出版物”在内的一系列科普大奖。粉丝数近200万的新浪微博知名科学科普博主，凤凰卫视、深圳卫视、TEDx标准级大会演讲嘉宾。

是谁打开了现代宇宙学的大门？

让我们从一个故事讲起。

1920 年，美国政府在马萨诸塞州的剑桥郡搞了一次人口普查。一个人口普查员走进了一个比较贫穷的社区，然后挨家挨户调查这里住了多少人，以及这些人都从事什么职业。

他敲开了社区中一户人家的房门，看到了一对相依为命的母女。那个女儿是一个聋女，费了好大劲才搞清楚这个人口普查员的来意。当被问到自己职业的时候，她的回答是“科学家”。

普查员当时就笑场了。在那个年代，科学家是男人的专属领地。他根本无法想象，一个住在贫穷社区的聋女竟然还能当科学家。

但这个人口普查员不知道的是，他嘲笑的这个聋女，是整个人类历伟大的女科学家，没有之一。

在以往的宇宙奥德赛之旅中，我们总是同时讲好几个科学家的故事。这是因为一个具有历史意义的重大科学问题，往往要靠好几个著名科学家的接力，才能够得到解决。但在本节，我们将只讲一个人的故事。

她叫亨丽爱塔·勒维特（图 4.13），现代宇宙学之母。她是历史上一个能被称为某个大学科之母的人。

1868 年，勒维特出生在美国马萨诸塞州的一个牧师家庭。20 岁那年，她通过了严苛的考试，考入了拉德克利夫女子学院（著名的七姐妹学院之一，后来被哈佛大学合并）。1892 年，勒维特顺利毕业，拿到了自己的学士学位。随后按照当时的传统，她坐船到了欧洲，开始了自己的毕业旅行。

但天有不测风云。在这场旅行中，一场突如其来的大病损坏了她的视力和听力。虽然她的视力后来得到了好转，但是她的听力却每况愈下，直至终失聪。在此后近 30 年的时间里，她一直都处于病魔缠身的状态。

旅行归来后，勒维特决定继续攻读天文学硕士学位。她于 1893 年加入了爱德华·皮克林掌管的哈佛大学天文台，成为一名“哈佛计算员”（图 4.14）。

但不幸的是，勒维特的健康状况严重拖累了她的学业。由于体弱多病，勒维特隔三岔五就得请病假，这让她的科研工作变得支离破碎。当然，这也让她的导师皮克林相当不满。1896 年，勒维特意识到自己已经不可能完成学业，无奈之下，她选择了放弃，离开了哈佛大学天文台，这一走就是 6 年。

6 年后，也就是 1902 年，勒维特给皮克林写了一封信。在信中，勒维特提到由于听力障碍，她已经无法再胜任其他工作，因此想申请重回哈佛天文台。皮克林同意了。

但这回，皮克林学聪明了，没让勒维特参与天文台但这回，皮克林学聪明了，没让勒维特参与天文台重要的恒星分类工作，而派她一个人去研究造父变星。

在 20 世纪初，人类连简单的天上恒星有哪些种类都搞不清楚，就更别提异常复杂的变星问题了。在这种情况下，派一个人单枪匹马地研究造父变星，无异于流放边疆。

让我们暂停一下这部关于勒维特的电影，用心去感受一下她重返哈佛大学天文台时的处境。病痛，失聪，迫于生计只好重返自己放弃硕士学位的伤心地，然后被不待见自己的老板发配到一片以前根本没人踏足的科学荒原。

恐怕很少有人能走出这样的绝境。

但这是我们与平凡女子亨丽爱塔·勒维特的后一面。此后发生的事，传奇程度堪比摩西用手杖分开红海。

从 1904 年开始，勒维特就以惊人的速度在麦哲伦星云（图 4.15）中不断找到新的造父变星。她找得实在太快，以至于有天文学家专门致信皮克林：“勒维特小姐是寻找变星的高手。我们甚至来不及记录她的新发现。”

1908 年，勒维特在《哈佛天文台年鉴》上发表了一篇论文（图 4.16），宣布自己在麦哲伦星云中总共找到了 1777 颗造父变星（在此之前，人们找到的造父变星的总数只有区区几十颗）。这个惊人的数字立刻在天文学界引起了轰动，甚至得到了著名的《华盛顿邮报》的报道。

但这个引起轰动的发现造父变星的数字，与这篇论文中有价值的部分相比，根本不值一提。

在这篇论文的结尾，勒维特挑选了 16 颗位于小麦哲伦星云中的造父变星，在一张表格里列出了它们的光变周期（完成一轮明暗交替的时间）和视星等。对于这张表格，她留下了一句这样的评论：“这值得关注，变星越亮则其光变周期就越长。”

4 年后，也就是 1912 年，勒维特对这个结论进行了完善。她挑选了 25 颗位于小麦哲伦星云中的造父变星，把它们画在了一张以亮度为 X 轴，以光变周期为 Y 轴的图上。结果，这 25 颗造父变星恰好排成了一条直线。勒维特据此断言，“造父变星的亮度与其光变周期成正比”。

为了理解这句看似平淡无奇的话在天文史上的分量，你可以想象一片被冰封了不知多少岁月的荒原，由于这句蕴含着巨大魔力的咒语，在眨眼之间就绽放出数以亿计的美丽花朵。

这句话后来被称为勒维特定律。正是这个石破天惊的勒维特定律，开启了现代宇宙学的大门。

你可能会觉得有些不知所云了：“为什么如此简单的定律能开创一个全新的学科呢？”答案是，它提供了一种全新的距离测量的方法，那就是著名的标准烛光。

为了介绍用标准烛光测量距离的基本原理，让我们从一个在日常生活中颇为常见的现象说起。一根蜡烛，放在近处看就亮，放在远处看就暗。这是因为，我们所看到蜡烛的亮度取决于由蜡烛发出并射入我们眼中的光子数目。射入的光子数越多，蜡烛看起来就越亮；反之，蜡烛看起来就越暗。

正如图 4.17 所示，一根亮度保持不变的蜡烛，它所发出的光子总数也保持不变。这些光子会呈球形向外扩散。所以在某个地方，单位面积上接收到的光子数，与此处离蜡烛的距离的平方成反比。这意味着，我们在某个地方看到的蜡烛的视亮度，与此处离蜡烛的距离的平方成反比。举个例子，如果距离扩大4倍，蜡烛的视亮度就会减小到原来的 1/16a。

这样一来，我们就可以利用蜡烛测量距离了：首先，在一个距离比较近的地方放一根蜡烛，并测量它的距离和视亮度。然后，在一个距离特别远的地方放另一根亮度相同的蜡烛，并测量其视亮度。后，利用视亮度与距离平方成反比的关系，就能算出那个特别远的距离了（图 4.18）。

这个用蜡烛测量距离的原理，在天上同样适用。为此，需要在天上找到一种特殊的天体，能同时满足以下两个条件：①它特别明亮，即使相距甚远也能看到；②它的光学性质稳定，亮度固定不变。如果能找到这样的天体，我们就可以把它当成蜡烛，来测量宇宙学尺度的距离。这种能当蜡烛用的特殊天体，就是所谓的标准烛光。

知道了标准烛光的概念，下面我们就可以来讲讲勒维特定律的意义所在了。

由于勒维特挑选的那些造父变星全都位于小麦哲伦星云内，可以近似认为它们与地球的距离都相等。因此，只要它们的视亮度相等，它们的亮度就一定相等。

勒维特定律说的是，造父变星的亮度与其光变周期成正比。这意味着，只要选择光变周期完全相同的造父变星，就能得到一批亮度完全相同的天体。所以勒维特定律意味着，造父变星满足标准烛光的两大条件，是一种真正意义上的标准烛光。这也是人类历史上发现的种标准烛光。

标准烛光的发现，提供了一种全新的测量遥远宇宙学距离的方法。或许你依然有疑问：“为什么一种新距离测量方法的发现，就能开创现代宇宙学这门全新的学科？”我们将在本书的第 11.1 节，详细介绍这个发现的意义。事实上，正是这个发现，动摇了哥白尼日心说。

关于勒维特，让我们再多说几句。非常悲哀的是，勒维特的故事并没有一个圆满的结局。

发现造父变星是标准烛光后不久，勒维特就因为胃部手术而再次离职。等她回来的时候，皮克林已经给她安排了一份新工作：测量北极星序，即分析北极星附近的 96 颗恒星的光谱。这是皮克林多年来钟意也想完成的课题。

对一个管理者来说，派自己手下有能力的员工去应付自己觉得艰巨的挑战，是一件再合理不过的事情。但对勒维特这种级别的天文学家而言，这个安排可谓荒谬透顶，相当于强迫正值当打之年的迈克尔·乔丹放弃自己的篮球生涯，去参加一个业余的足球联赛。更要命的是，身在屋檐下的勒维特根本没有选择的权力。从那以后，她就再也没能回到标准烛光的研究。

而皮克林这个自私的决定，也让全世界关于变星的研究倒退了好几十年。

讽刺的是，尽管凭一己之力开创了一门后来养活了成千上万名博士的全新学科，勒维特本人却没能拿到一张博士文凭。很多年后，她依然是一个薪水只有男人一半的哈佛计算员。

1921 年，一直与母亲相依为命的勒维特又病了。这回是无药可救的癌症。当年 12 月 12 日，她在一个雨夜中离去。在遗嘱中，她把自己所有的财产都留给了自己的母亲。这些遗产价值总计 315 美元，只够买 8 条地毯。

去世后，勒维特被葬在了自己家族的墓地。她甚至无法拥有一个自己单独的墓碑，而被迫和十几个亲戚挤在一起（图 4.19）。这个墓碑很小，位置只够写下她的姓名、生日和忌日。

这就是标准烛光的发现者、哥白尼日心说的掘墓人、现代宇宙学之母、人类历伟大的女科学家后的结局。

100 多年过去了，现在亨丽爱塔·勒维特这个名字已经快被世人遗忘在历史的尘埃里。但我依然想写一篇悼文，来纪念这位非凡女性经历的种种苦难和荣耀。尽管病痛、失聪、贫穷、孤独、被摆布、被轻视、被遗忘，她依然是照亮整个宇宙的永世不灭的烛火。

王爽是一名优秀的宇宙学家和科普作家，他文笔清新活泼，字里行间透露着对科普的热情，对科学的热爱。这本《宇宙奥德赛：穿越银河系》是《宇宙奥德赛：漫步太阳系》的延续，堪称一部人类探索银河系的史诗，章回小说般的阅读体验让人欲罢不能。用讲故事的形式进行科普，是一种非常亲民的方式。 ——林伟鹏（中山大学物理与天文学院院长，教授，博士生导师）

作者继续带领我们进行这场非凡的宇宙之旅，这一次，我们的眼光从太阳系放大到了银河系，带来的不仅仅是更广阔的视野，还有更激动人心的冒险体验，以及对人类智慧和科学更深入的探寻和思考。 ——曹天元（《上帝掷骰子吗？量子物理史话》作者）