第1章 简介（关于可观测宇宙及本工作室介绍） (5/6)

a）质量约430万倍太阳质量，事件视界半径约1200万公里（约0.08天文单位）。

3.4

星系：恒星的“宇宙城市”

星系是由恒星、星际气体、尘埃和暗物质组成的巨大系统，直径从数千光年（矮星系）到数十万光年（椭圆星系）不等。根据形态，星系可分为三类：

螺旋星系（如银河系、仙女座星系m31）：具有旋转的盘状结构，包含旋臂（恒星形成活跃区）、核球（中央密集恒星区）和晕（暗物质与稀疏恒星分布）。银河系的直径约10万光年，包含约2000亿颗恒星，太阳位于距银心约2.6万光年的猎户臂。

椭圆星系（如m87）：呈椭球形，缺乏明显的盘状结构，恒星形成活动极弱（气体已被耗尽或吹走），主要由年老恒星组成。椭圆星系的质量跨度极大，从矮椭圆星系（10^8m_☉）到巨椭圆星系（10^{13}m_☉）。

不规则星系（如小麦哲伦云）：无规则形状，通常因与其他星系的引力相互作用（潮汐力）导致形态扭曲，恒星形成活动活跃（富含气体）。

3.5

星系团与超星系团：宇宙的大尺度结构

星系并非均匀分布，而是通过引力聚集形成更大的结构：

星系群：最小的星系团，包含约50个星系（如本地群，包含银河系、仙女座星系和三角座星系）。

星系团：包含数百至数千个星系，总质量约10^{14}～10^{15}m_☉（如室女座星系团，距地球约5000万光年，包含约1300个星系）。

超星系团：由多个星系团和星系群组成，规模达数千万光年（如室女座超星系团，包含本地群和室女座星系团，直径约1.1亿光年）。

宇宙长城与空洞：通过星系巡天（如斯隆数字巡天sdss）发现，宇宙大尺度结构呈现“长城”（密集星系分布）与“空洞”（几乎无星系的巨大区域，直径可达数亿光年）交替的模式，这是宇宙初始密度涨落在引力作用下演化的结果。

3.6

暗物质与暗能量：不可见的宇宙主宰

可观测宇宙中，普通物质（原子、分子）仅占约4.9%，暗物质约占26.8%，暗能量约占68.3%（普朗克卫星2018年数据）。暗物质和暗能量是现代宇宙学的最大谜题。

暗物质：不发射、吸收或散射电磁波，只能通过引力效应间接探测。证据包括：1星系旋转曲线（外围恒星速度远高于可见物质引力所能维持的速度）；2引力透镜（光线经过大质量天体时弯曲，观测到的透镜效应强于可见物质贡献）；3cmb的温度涨落（需要暗物质的存在才能匹配理论模型）。暗物质的主要候选者包括弱相互作用大质量粒子（wimp，如中性微子）、轴子（极轻标量粒子）等，但尚未被直接探测到。

暗能量：具有负压强的神秘能量，导致宇宙加速膨胀。1998年，通过观测ia型超新星（标准烛光）的距离-红移关系，科学家发现遥远超新星的亮度比预期暗，说明宇宙膨胀在约60亿年前开始加速。暗能量的本质可能与真空能（爱因斯坦场方程中的宇宙学常数\\lambda）有关，或是一种动态场（精质，quintessence）。目前对暗能量的研究仍处于初级阶段，其性质将决定宇宙的最终命运。

第四章

观测宇宙学的革命：从望远镜到多信使天文学

人类对可观测宇宙的认知史，本质上是一部观测技术的进步史。从伽利略的折射望远镜到詹姆斯·韦伯空间望远镜（jwst），从射电望远镜阵列到引力波探测器，技术的突破不断拓展我们的认知边界。

4.1

电磁窗口：从可见光到多波段观测

电磁辐射按波长分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、x射线和γ射线。不同波段的电磁波穿透宇宙介质的能力不同，揭示不同的天体物理过程：

无线电波：用于探测中性氢（21厘米线）、分子云（如星际有机分子）、脉冲星（高速旋转的中子星）和类星体（活跃星系核）。典型案例：fast（500米口径球面射电望远镜）发现了数百颗脉冲星。

红外线：穿透尘埃云，观测恒星形成区（如猎户座大星云）、星系核（尘埃遮挡的活跃星系）和早期宇宙（高红移星系的光学\/紫外光被红移到红外波段）。jwst的中红外仪器（miri）已探测到z≈13的星系（大爆炸后约3亿年）。

x射线与γ射线：揭示高能过程，如黑洞吸积盘（x射线耀斑）、超新星遗迹（x射线辐射）、γ射线暴（宇宙中最剧烈的爆炸，可能来自双中子星合并或超大质量恒星坍缩）。

4.2

引力波天文学：聆听宇宙的“声音”

引力波是时空的涟漪，由大质量天体的加速运动（如双黑洞合并、双中子星合并）产生。2015年，ligo（激光干涉引力波天文台）首次直接探测到双黑洞合并产生的引力波（gw），开启了多信使天文学的新时代。

引力波的优势在于：

穿透性：不受电磁干扰，可直接探测黑洞、中子星等致密天体（这些天体在电磁波段可能“不可见”）。

时间分辨率：引力波信号的时间戳精确到毫秒级，可用于精确测量宇宙膨胀率（通过标准汽笛法，如双中子星合并gw的光学对应体与引力波信号的联合测量，将哈勃常数的测量误差缩小到2%）。

4.3

中微子与宇宙线：来自深空的“幽灵粒子”

中微子是电中性、质量极小的轻子，几乎不与物质相互作用，可穿越整个星系而不被阻挡。太阳核心的核聚变产生大量中微子（太阳中微子），超新星爆发（如sn

1987a）释放的中微子（约10^{58}个）曾被日本超级神冈探测器捕获。中微子观测可揭示恒星内部的核反应过程和高能天体物理现象。

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子（主要是质子，其次是原子核），能量可达10^{20}ev（相当于棒球以90km\/h速度运动的动能）。其起源仍是未解之谜，可能与活动星系核、伽马射线暴或暗物质湮灭有关。冰立方中微子天文台（icecube）已探测到数百个超高能宇宙线事件，并发现部分事件与已知天体（如txs

0506+056耀星体）相关。

4.4

下一代观测设备：突破极限

为了更深入地研究可观测宇宙，科学家正在开发新一代观测设备：

南希·格雷斯·罗曼空间望远镜（roman

telescope）：nasa的广域红外巡天望远镜，计划2027年发射，将探测早期星系和暗能量。