宇宙好像一本书，以前只看到美丽的封面，现在开始读里面的内容 | 郝蕾
出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛
郝蕾：阅读宇宙
天体物理学家、中科院上海天文台研究员
导语：美丽的星云、神秘的暗物质、百亿年尺度的星系变化…它们从哪儿来，又将去哪里？在天文学家看来，这些都是可以用逻辑推理论证的。在距银河系250万光年的仙女大星云，正在向银河系快速靠近，45亿年后两个星系将会相撞，而太阳在距银河系中心2700光年的地方，你猜猜人类会毁灭吗？
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以下内容为郝蕾演讲实录：
大家下午好，我叫郝蕾，来自上海天文台。
提起天文，大家可能感觉既熟悉又陌生。每个人都可以仰头看星星看天空，但究竟天文学是什么呢？我与陌生人聊天，跟他们谈起我是做天文的时候，得到的反应是五花八门的。有的人会跟我聊天气，说你们天气预报怎么不准呢？有的人会跟我说，你知不知道外星人、UFO是怎么回事？还有人会跟我聊星座……其实这些都不是我们平时所说的天文研究。
靠谱一点的，会跟我提到太阳或者星星之类。当然，还有一类非常可爱的天文爱好者，他们对我们专业会更了解一些，他们有时候会亲自去做一些天体拍摄，这些照片把一些平时看不到的美景带到我们面前，非常令人感动。
不过即使是这些美丽的照片，和我平时接触到的天文研究，也还是有点差距的。我们究竟是在做什么呢？其实天文真正让我心潮澎湃的，并不是这些美丽的照片，而是这些照片背后呈现出来的故事，以及我们如何去破译这些故事的过程。
其实我一开始并不是做天文的，我是在研究生的时候才转入天文专业的。那个时候，因为要准备一个学期报告，就开始系统地读一些文献，然后就惊异地发现，“哇，天文学家怎么对我们的宇宙、对恒星、星系知道的这么多！”
比如说，我们都知道宇宙是膨胀的对吧，可是天文学家居然知道这个膨胀是加速进行的，也就是说，它膨胀得越来越快。而且这些结论还不是胡说，它是有事实有根据，有一定逻辑关系的。而且，这样子的逻辑推理我读起来也能理解，觉得它合情合理。当时，这个对我震撼非常大。
我发现宇宙好像一本书，以前我只看到封面美丽的图片，现在我开始读里面的内容了。慢慢的，当我看到这些美丽天体的照片的时候，我不仅仅只是惊叹“哇，好漂亮，太震撼了”，而是开始读里面的内容。
比如说，有的星系它是有结构的，像有的星系中心有雪茄一样的棒旋结构，有的有螺旋一样的结构；而有的星系是没有结构的。碰巧这些没有结构的星系，它的颜色看上去更红一点，而那些在漩涡里面的星系，感觉更蓝一些。
天文学家就是通过研究这些天体的模样、形状、大小、颜色，以及它发出来的各种各样的光谱来推测、聆听它们给我们讲的故事——天文学家就是在做这样的事情。
比如说宇宙是怎么来的，它将要演化到什么状态？我们现在这个状态的银河系是怎么来的？我们的太阳又是怎么出现的？我们的太阳最后会有一个什么样的命运，这样的命运对我们地球是一种什么样的影响？还有没有像地球这样的行星等等……这样子的故事。
我给大家举一个例子，看我们怎么去阅读我们的宇宙。大家都知道我们生活在银河系里，对吧？那么有多少人亲眼见过银河系？好像有一些，但不是特别多。很遗憾，现在很多人生活在城市里面，城市的灯光太亮了，银河系表面亮度是很低的，所以在城市很亮的天光下就不太容易见到银河了。
这张图片拍摄的是一个比较震撼的银河系照片，它拍摄于美国北部的一个国家公园里。如果你把这个银河系照片的样子拉直，然后把中间很亮的地方放在中心的话，你可以看到，我们银河系的相当于一个全景图，它看上去像一个盘子的形状，然后中间会更亮更厚一些。
我问大家两个问题。一个是你觉得在银河系里面，太阳大概在什么位置？还有，如果我们从上往下看银河系的话，这个银河是什么样子？其实回答这样的问题，恰恰就是天文学家在银河系领域比较热衷的研究方向。
我们怎么做呢？我们通过测量远远近近的不同恒星离地球的距离，以及它们的运动状态，通过建立某种模型来推测、重新构建银河的样子。这一幅图展示的就是艺术家们通过现在的一些研究结果构建出来的银河系的样子。
假如我们从上往下看银河的话，银河系的中心有一个雪茄样的棒旋结构，颜色偏红，因为它有很多年老的恒星。在这之外，有若干的旋臂，到底是三条、四条还是五条六条，是现在大家争论的焦点之一。
太阳大概在这幅图靠下的地方，距离银河系中心大概有27000光年的样子。我们还知道，银河系里面有很多像太阳的恒星，它们的质量有的比太阳大很多，有的比太阳小很多。如果我们把这些恒星的质量加起来，可以得出，银河系的质量大概是五百亿个太阳质量这么大。我觉得这是一个很酷的数字，为什么呢？感觉我们就像上帝一样，拿着一把称，称银河系到底有多重。
实际上更有意思的是，天文学家发现，银河系里的总质量应该远远比所有恒星加起来的质量要大得多。有多大呢？应该至少有6000亿个太阳质量这么大，天文学家为什么会这样说？是因为银河系必须有这么大的质量，才能拽着银河系里的某些恒星高速转动。
比如说，太阳现在也以每秒220公里的速度绕着银河系转动，这个数字大家可以静心想一下是什么意思。就是说，我们现在坐在这里似乎没有动，但如果在宇宙的框架下来看，实际上我们是动得非常快的。
假设我们不算地球的公转、自转，不算银河系自身的运动，仅仅算太阳绕着银河系的转动，我们每秒就已经飞出去了220公里了。这么高的速度就要求银河系里的质量，一定要达到一定的量，否则太阳就飞出银河系了。
太阳没有飞出银河系，表示银河系里一定有某种质量在拉着银河系里的恒星在转。那么这些多余的质量是什么？天文学家们不知道，只知道是有这么个东西，因为看不见它，所以天文学家叫它暗物质。
我们知道，银河系是有邻居的，它并不是孤零零的一个星系。它大概处在一个叫本星系群的群体里面。这个群体大概有30到50个星系左右，里面大部分的星系个体都比银河系矮小。但是有一个个大的邻居，它就是仙女座大星云（M31），尺寸比银河系还要大，它距离银河系大概有两百五十万光年的样子。
一个特别有意思的关于仙女座大星云的故事。就是有研究发现，银河系和仙女座大星云在朝着对方以非常高的速度靠近，这说明在某个未来，大概四十五亿年的未来，银河系将要撞上仙女座大星云。
其实宇宙里面星系和星系之间碰撞是经常发生的事情。比如这个图里面，我放了几个离我们比较近的星系和星系碰撞的漂亮图片。我结婚的时候甚至用了其中一个图片作为邀请卡背景，你看两个星系碰出了一个心的形状，这是很常见的。
但银河系毕竟是我们的家园，如果银河系要和M31碰撞的话，太阳会怎么样？太阳会撞上什么东西？会就灰飞烟灭吗？有一个好消息是，这种事情是不会发生的。
为什么呢？因为在宇宙中，星系和星系之间的距离，相比于它们自身的尺寸来说，不是那么大，所以星系和星系撞在一起的几率还是挺大的。但是，星系里面的恒星其实很小，恒星和恒星之间的距离，相比于它们自身尺寸来说，其实要大很多很多。所以，不管多少个星系撞在一起，一个太阳撞上另一个太阳的几率是非常小的。
这是不是说我们就OK了呢？好像也不是。天文学家模拟了银河系和M31撞到一起的状况。黄色的点表示这两个星系中间的恒星，蓝色的点表示这两个星系中的气体。你会发现，气体和恒星在这样的碰撞过程中，他们的命运是不一样的。
恒星的命运是什么呢？他们在这种碰撞中会丢失角动量，然后会更快地聚集到星系中心去。也就是说，太阳在这样的碰撞中，很可能会急速地掉到星系更靠近中心的地方。
一般来说，星系中心的高能辐射会很强，如果太阳掉进去了，恐怕人类是不好承受的。假如人类在这场碰撞中活下来了，恐怕也没有几年好日子过，因为太阳也是有寿命的。
大概在50亿年以后，也就是这个碰撞发生大概几亿年以后，太阳里面的氢就烧光了。烧光以后会进入它的第二个阶段，我们叫做红巨星的阶段，它开始烧里面的氦，它的体积会变得非常的巨大。也就是说，在这个图片里，本来在左下角的这个小黄点，会在红巨星阶段变成一个非常非常大的大红球。这个大红球，基本上是两倍于现在太阳到地球之间的距离，会完全把地球给吞噬掉，到那时候，地球也就没有了。
我们可以从银河系的很多图片来解读它们的故事，我们不仅看这些照片本身，我们还能够通过某种物理规律，看到它的过去、预测它的未来，这是我觉得天文学特别有意思、特别有魅力的地方。
天文学让我心潮澎湃的另外一个地方在于，我们能理解、阅读的宇宙比我们想象的要大很多。
这张图片是太阳系大家族，看上去成员很多，其乐融融。如果真的飞到上面去的话，你会发现太阳系真是太空旷了。不仅仅太阳系，整个宇宙都是这样子的。
这张照片显示的是土星。这张照片最特别的地方不在于土星本身，而在于它左上角的这个小点点。有没有人可以猜到这个小点是什么东西？有人说木星，有人说慧星，实际上它是我们的地球，也就是我们的家园。看不清这个小点，正说明我们的宇宙是非常非常空旷的。
这是太阳系在不同尺度下不断放大的一个放大图。在最小的图里，地球轨道是中间那个绿色的小圆圈。如果把它放到整个太阳系尺度上的话，它是看不见的。就是说，太阳到地球之间的距离，在整个太阳系的尺度上，是看不见的。
再打个比方，我们现在用最快的火箭把人送出去，以直线距离冲出太阳系，用我们中华民族上下五千年的时间，也只能飞到太阳系不到1/4的地方。所以说，整个空间真的非常大。即使你飞出了太阳系，到距离我们最近的一颗恒星，也还要再飞三倍太阳系这么大的空间。
我们知道，银河系有几千亿颗恒星，飞到离我们最近的恒星都这么费劲，想要飞出银河系就更遥远了。这么一想，你是不是觉得很灰心，觉得好像没什么意思？实际上不要太灰心，因为天文学家有一种神器叫什么？望远镜。
虽然实际的星际旅行不是很可能实现，但借助于天文望远镜，我们可以实现这样的星际旅行。我给大家看两段视频。
第一个视频，假设我们坐在这样的宇宙飞船上，飞船以大概每秒几十光年的速度，从太阳往外飞去。我们可以看到银河系里很多漂亮的星云。这是有名的鹰状星云。你还可以看到很多恒星，还有气体。这些灰黑的地方，实际上是尘埃，你把它想象成pm2.5就好了，实际上比那个还要更稀薄。
我们可以飞到太阳上面去，可以看到银河系的中心，有一个我们叫核球的地方。再飞出银河，我们看到我们的邻居仙女座大星云，它旁边的一颗星系，我们叫M33。
下一个视频，是假设我们坐一个飞得更快的宇宙飞船，这个宇宙飞船以大概每秒几兆光年的速度往外飞行。我们会看到一个什么样的图景？值得指出的是，这个视频里所有的星系，它的位置、它的距离、它的倾角以及它的颜色，都是实际观测的，真实的。所以，假如我们真有这样一个宇宙飞船的话，我们看到的宇宙就是这个样子的。
当然，由于望远镜本身的限制和我们身处银河系的一些限制，会有一些和实际情况不同的地方。比如，你可能会注意到，我们越往远处走，看到的星系越红。其实这是一种选择效应。就是说，我们越往外走，那些红的星系因为很亮才能被望远镜看到，那些更暗的蓝色星系我们看不到，所以就没法在图片里展示。即使这样酷的图片，也只包含了大概60万个星系，我们只看到整个宇宙1/10不到的空间。所以，天文学家一直想建造更强大的望远镜。
天文学里的望远镜有很多种类，几乎覆盖了整个电磁波的所有波长。大家可能知道，去年我们中国刚刚完成了FAST望远镜，在贵州建立的500米的世界上口径最大的望远镜，用来探测星系里面的中性氢气体还有脉冲信号。
我主要研究的，是电磁波段里光学和红外这一部分。在云南丽江高美古观测台，有一个2.4米的望远镜，这是我们中国最大的普通用途的望远镜。我一直致力在那上面配备一个光谱仪。也正是通过这个项目，我深刻地体会到天文学实际上是一个很丰富的科学，它不仅仅是关于科学，它还包括工程技术管理等等很多东西。
比如在实施这个项目的过程中，就要求我们在3000多米的高美古高原上爬上爬下，细致的时候我们需要关注这么小的一个小螺丝，或者一根非常纤细的光纤；粗犷的时候，我们需要搬运一个几吨重的镜面、架子，等等。正是通过这样的项目，让我慢慢地意识到我真正的兴趣所在，我发现我不仅仅对科学感兴趣，也对这种有粗有细的工程技术感兴趣。
可能也正是因为天文学的丰富性，让我对天文这么着迷。我很庆幸找到天文学作为我的职业。它每天都在带给我新的挑战，让我不断地开拓视野，沉淀自己的心灵。所以对我来说，阅读宇宙也是在阅读自己，它是一次特别非凡的心灵之旅。
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